Охлаждаемые сваи – это вид термоопор, который является одним из вариантов стабилизации температурного режима грунтов оснований, которая происходит из-за переноса температуры наружного воздуха в грунт. Термоопоры – это вид фундаментов (самоохлаждающихся воздушных опорных систем), позволяющий самостоятельно, без дополнительных охлаждающих мероприятий поддерживать температурный режим окружающих вечномерзлых грунтов, применяемый как способ глубинного охлаждения и погружаемый в мерзлый грунт на 15 м и более. Неоспоримым преимуществом является их долговечность и устойчивость к суровым условиям, а также то, что она может являться термоскважиной для измерения температуры грунтов [1].
Предварительное охлаждение мерзлых оснований рекомендуется в районах со среднегодовой температурой наружного воздуха ниже –4 °С. Предварительное охлаждение оснований позволяет сократить время вмерзания свай и сроки передачи проектных нагрузок.. За счёт перевода пластично-мёрзлых грунтов в твёрдо-мёрзлое состояние и понижения температур грунтов может быть достигнуто сокращение общего числа свай и их длины [2, 3].
Цель исследования: посредством прогнозных расчетов грунтов и оснований самоохлождаемых термоопор в программном комплексе FROST 3D UNIVERSAL показать эффективность термосвай, а также возможные варианты оптимизации систем термостабилизации грунтов и оснований в условиях вечной мерзлоты.
Материалы и методы исследования
Методы исследования:
1. Моделирование условий для прогнозного расчёта с учётом имеющихся температур и конструкции сваи.
2. Анализ полученных данных о температурах с учетом временного промежутка.
3. Теоретический анализ и обобщение научной литературы по данной теме.
Прогноз был выполнен в расчетном комплексе FROST 3D Universal. Условием прогнозного расчета является то, что в летний период теплообмен между средой и грунтом прекращается и задан нулевым. Данные сваи были помещены в условия мерзлых грунтов [4, 5].
Инженерно-геологические условия, принятые для прогнозного расчета, получены в ходе инженерно-геологических изысканий, температуры грунта получены с помощью применения термоизмерительной гирлянды или термокосы [6]. В разрезе по скважине 77УКПГ выделены следующие инженерно-геологические элементы (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика грунтов
|
Наименование показателя |
Индекс |
Ед. измер. |
ИГЭ-6г Суглинок |
ИГЭ-6м Суглинок |
ИГЭ-10д Песок пылеватый |
|
Суммарная влажность |
Wtot |
д.ед. |
0,642 |
0,632 |
0,262 |
|
Влажность между ледяных включений |
Wm |
д.ед. |
0,213 |
0,227 |
0,256 |
|
Плотность грунта в сухом состоянии |
ρd |
г/см3 |
0,967 |
1,015 |
1,47 |
|
Степень засоленности |
Dsal |
% |
0,030 |
0,030 |
0,020 |
|
Концентрация порового раствора |
Сps |
д.ед. |
0,0014 |
0,0013 |
0,0008 |
|
Температура начала замерзания |
Tbf |
°С |
–0,27 |
–0,27 |
–0,19 |
|
Льдистость за счет ледяных включений, т.е. линз и прослоек |
ii |
д.ед. |
0,477 |
0,467 |
0,03 |
|
Суммарная льдистость |
itot |
д.ед. |
0,552 |
0,550 |
0,430 |
Примечание. ИГЭ-6г – Суглинок льдистый, ii = 0,477; ИГЭ-6м – Суглинок льдистый, ii = 0,467; ИГЭ-10д – Песок пылеватый, льдистый, itot = 0,430.
Таблица 2
Температура грунта по скважине 77УКПГ
|
Глубина замера температуры, м |
0,0 |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
7,0 |
|
Температура грунта на 05.03.2015, °С |
–18,7 |
–4,4 |
–1,4 |
–0,7 |
–0,7 |
–0,9 |
–0,7 |
–0,6 |
|
Температура грунта на 05.03.2015, °С |
–0,8 |
–1,1 |
–1,2 |
–1 |
–1,2 |
–1,2 |
–1,2 |
–1,3 |
Температура грунта принята по скважине 77УКПГ на 5 марта 2015 г. (табл. 2).
Результаты исследования и их обсуждение
Расчетная область
Прогноз температурного режима грунтов основания выполнен для прожекторной мачты с молниеотводом на площадке УКПГ при условии установки термосвай. Для выполнения прогнозного расчета выбрана расчетная область размерами 30,0*30,0*30,0 м (по осям x, y, z соответственно).
На верхней границе расчетной области задавались граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова (в зоне расположения мачты учтено повышенное снегонакопление). На нижней границе расчетной области принята постоянная температура грунта, равная минус 1,3 °С, согласно термометрии по скважине 77УКПГ. На боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
В расчете принята укладка насыпи после промерзания сезонно оттаявшего слоя грунта на 0,2 м [7, п. 6.5.4].
Величина насыпного грунта, принятая в расчете, равна 5,9 м.
Для понижения температур грунтов основания и обеспечения несущей способности свай на весь период эксплуатации прожекторной мачты предусматривается установка охлаждаемых свай.
В прогнозном расчете учтено локальное тепловое влияние от свай при погружении.
Результаты расчёта
Результаты прогнозного расчета представлены в графической форме – на конец зимнего и летних периодов (рис. 1–3) и в табличной форме (табл. 3).
Таблица 3
Результаты расчетов
|
Глубина замера температуры грунтов от отметки поверхности земли (42,50 м) |
Температура грунта на начало расчета (15 октября), °С |
Температура грунта по свае № 1 на конец летних периодов (1 октября), °С |
||
|
Первый год |
Второй год |
Третий год |
||
|
1,00 |
0,95 |
2,33 |
2,13 |
2,05 |
|
2,00 |
0,89 |
0,72 |
0,40 |
0,28 |
|
3,00 |
–0,84 |
–0,23 |
–0,39 |
–0,49 |
|
4,00 |
0,78 |
–0,31 |
–0,55 |
–0,74 |
|
5,00 |
0,73 |
–0,46 |
–0,82 |
–1,05 |
|
6,00 |
–0,03 |
–0,85 |
–1,31 |
–1,56 |
|
7,00 |
–0,42 |
–1,35 |
–1,78 |
–2,01 |
|
8,00 |
–1,21 |
–1,60 |
–1,90 |
–2,07 |
|
9,00 |
–0,73 |
–1,51 |
–1,72 |
–1,85 |
|
10,00 |
–0,74 |
–1,43 |
–1,60 |
–1,70 |
|
11,00 |
–0,85 |
–1,38 |
–1,53 |
–1,61 |
|
12,00 |
–0,70 |
–1,35 |
–1,50 |
–1,56 |
|
13,00 |
–0,62 |
–1,33 |
–1,47 |
–1,53 |
|
14,00 |
–0,85 |
–1,31 |
–1,44 |
–1,49 |
|
15,00 |
–1,09 |
–1,28 |
–1,41 |
–1,46 |
|
16,00 |
–1,16 |
–1,26 |
–1,38 |
–1,42 |
|
17,00 |
–1,05 |
–1,24 |
–1,34 |
–1,39 |
|
18,00 |
–1,18 |
–1,22 |
–1,31 |
–1,35 |
|
19,00 |
–1,20 |
–1,21 |
–1,28 |
–1,32 |
|
20,00 |
–1,20 |
–1,20 |
–1,26 |
–1,29 |
|
Температура грунта под концом сваи, (Тz), °С |
–1,14 |
–1,26 |
–1,37 |
–1,42 |
|
Эквивалентная температура по длине смерзания сваи, (Те), °С |
–0,82 |
–1,35 |
–1,56 |
–1,67 |
|
Длина смерзания сваи (без учета насыпного грунта), м |
9,80 |
10,30 |
||
Примечание. Расчетный период – три года.
На весь период эксплуатации несущая способность свай на сжатие, с учетом температурного коэффициента γt, и на действие выдергивающих нагрузок совместно с касательными силами морозного пучения не обеспечивается, вследствие чего в прогнозе учтена работа термосвай.
Согласно результатам прогнозного расчета, после первого зимнего периода работы термосвай температура грунтов основания в зоне расположения мачты понижается (рис. 1) и сохраняется к концу второго лета (рис. 2). В последующие расчетные периоды наблюдается дальнейшее понижение эквивалентных температур грунта по длине смерзания свай, что свидетельствует о сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации мачты.
Рис. 1. Температура грунта на конец первой зимы
Рис. 2. Температура грунта на конец второго лета
Рис. 3. Температура грунта на конец третьего лета
Выводы
Несущая способность свай прожекторной мачты с молниеотводом на сжатие, с учетом температурного коэффициента γt, и на действие выдергивающих нагрузок совместно с касательными силами морозного пучения не обеспечивается на весь период эксплуатации. Для понижения температур грунтов основания прожекторной мачты и обеспечения несущей способности свай на весь период эксплуатации в прогнозе учтена работа охлаждаемых свай.
Согласно результатам прогнозного расчета после первого цикла работы термосваи, температуры грунтов основания понижаются, мерзлое состояние грунтов сохраняется на конец первого летнего периода. Несущая способность свай на сжатие и на выдергивающую нагрузку совместно с касательными силами морозного пучения обеспечивается.
В последующие расчетные периоды температура грунта продолжает понижаться, обеспечивая мерзлое состояние грунтов и несущую способность свай на весь период эксплуатации прожекторной мачты.