автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Анализ взаимодействия энергоэффективных конструкций фундаментов с грунтовым массивом

На правах рукописи

ЗАХАРОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ФУНДАМЕНТОВ С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2012

005013557

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пономарев Андрей Будимирович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Лушников Владимир Вениаминович

кандидат технических наук, доцент, Богомолова Оксана Александровна

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический)

федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится "29" февраля 2012 г. в 10.00 часов на заседании специализированного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан "24" января 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета профессор

Г И у

г Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных задач, стоящих в настоящее время перед специалистами-геотехниками, является повышение экономичности применяемых фундаментов за счет разработки и внедрения в практику строительства высокоэффективных конструктивно-технологических решений.

Одним из путей повышения эффективности применения различных конструкций фундаментов является использование их энергоэффективности с учетом периода эксплуатации зданий и инженерных сооружений.

В настоящее время в зарубежной практике строительства нашли широкое применение энергоэффективные конструкции фундаментов (ЭЭФ) «двойного» назначения. Кроме выполнения основной функции - передачи полезной нагрузки на грунтовое основание - они позволяют использовать за счет развитой контактной поверхности фундаментов геотермальную энергию окружающего грунтового массива для отопления зданий в период их эксплуатации, тем самым повышая эффективность их использования.

Исследования взаимодействия энергоэффективных конструкций фундаментов с грунтовым массивом отвечает целям государственной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», в части реализации энергосберегающих технологий и проектов.

Однако в России их применение пока не нашло широкого внедрения в практику строительства. По нашему мнению, это связано с отсутствием достаточных экспериментальных данных для разработки методик проектирования ЭЭФ. В связи с этим исследование взаимодействия различных типов энергоэффективных конструкций фундаментов с грунтовым массивом в региональных условиях Российской Федерации является актуальным.

Цель настоящей работы состоит в экспериментальном и теоретическом обосновании общих принципов методики конструирования энергоэффективных конструкций фундаментов (ЭЭФ) в геологических и климатических условиях г. Перми.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Провести мониторинг распределения температурных полей и изменения уровня грунтовых вод в грунтовом массиве во времени.

2. Определить основные физико-механические и теплофизические характеристики грунтов применительно к типам фунтовых оснований г. Перми.

3. Разработать численную модель взаимодействия конструкций энергоэффективных фундаментов с грунтовым массивом для определения их оптимальных параметров.

4. Разработать методику конструирования энергоэффективных конструкций фундаментов с учетом их параметров и характеристик грунтового основания.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-экспериментально определены геотермальные закономерности грунтовых оснований для инженерно-геологических и климатических условий г. Перми;

- предложена модель, поставлены и решены задачи по распределению температурных полей в грунтовом основании конструкций энергоэффективных фундаментов (ЭЭФ) с применением математического аппарата метода конечных элементов;

- представлены результаты численного анализа процесса изменения температурных полей в грунтовом массиве с учетом влияния различных конструкций ЭЭФ;

- выполнено экспериментально-теоретическое обоснование и предложены общие принципы конструирования, позволяющие определить энергоэффективный тип конструкций фундаментов для инженерно-геологических условий г. Перми.

Достоверность. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных теоретических положениях механики и термодинамики грунтов, а также подтверждены не-

обходимым объемом исследований, обеспечивающим возможность статистического анализа результатов. При проведении экспериментов использовалась регистрирующая аппаратура, прошедшая поверку в органах стандартизации. Достоверность результатов исследования обеспечивается значительным количеством численных экспериментов, осуществленных с помощью сертифицированных программ, используемых для решения задач в геотехнической практике.

Практическое значение работы состоит в разработке принципов проектирования энергоэффективных конструкций фундаментов в инженерно-геологических условиях г. Перми с целью повышении эффективности строительства и эксплуатации зданий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях молодых ученых 2008-2011 гг. (ПГТУ, г. Пермь); международной конференции «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, 2007 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий» (Пермь, 2008 г.); International Conference on Deep Foundations - CPRF and Energy Piles (Frankfurt on Main (Германия), 2009 г.); международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» (Волгоград, 2009 г.); 2-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию строительного факультета ПГТУ (Пермь, 2009 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции»

(Санкт-Петербург, 2010 г.); международной научной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.).

Результаты исследований внедрены в практику строительства предприятиями НП «Западуралстрой» (г. Пермь).

Личный вклад в решение проблемы. Постановка проблемы, формулирование целей и задач, поиск их решения путем экспериментальных исследований и проведения численного моделирования, разработка принципов конструирования и расчета, формулирование основных выводов осуществлены лично автором.

На защиту выносятся:

1. Результаты выполненных натурных исследований и мониторинга основных параметров грунтового массива.

2. Постановка и способы решения задач по распределению температурных полей в грунтовом основании энергоэффективных конструкций фундаментов.

3. Результаты и анализ численного моделирования работы энергоэффективных конструкций фундаментов с грунтовым массивом.

4. Общие принципы проектирования ЭЭФ с учетом инженерно-геологических условий строительства.

Публикации. По материалам исследований автором опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в журналах перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включает 67 рисунков, 48 таблиц, список литературы из 105 наименований, в том числе 24 на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведены общие сведения об ЭЭФ, даны обзор и анализ существующих в зарубежной практике исследований и подходов к проектированию ЭЭФ.

С целью повышения эффективности существующих конструкций фундаментов, начиная с 80-х годов прошлого столетия, за рубежом успешно внедряются ЭЭФ. Энергоэффективные конструкции фундаментов помимо основной функции - передачи нагрузки на грунтовое основание позволяют извлекать геотермальное тепло, используемое для отопления зданий, тем самым существенно снижая текущие затраты на их эксплуатацию.

В мире накоплен большой опыт применения ЭЭФ. В настоящее время ЭЭФ широко применяют во многих странах, таких как Канада, Австралия, США, большинство европейских стран. Имеются примеры внедрения в странах с тропическим климатом.

Среди зарубежных ученых геотехников, занимающихся исследованиями в данной области, можно отметить работы Н. Brandl, О. Johansen, R. Katzenbach, В. Sanner, В. Usowicz и др.

Анализ существующих подходов к проектированию ЭЭФ показал, что в основе лежат основные законы термодинамики грунтов. Применение термодинамических подходов при изучении свойств грунтов впервые использовал М.Н. Гольдштейн. Затем исследования в этой области продолжили H.A. Цытович, В.В. Лушников, А.Л. Невзоров, C.B. Нерпин, А.Ф. Чуднов-ский, A.M. Глобус, В.А. Королев, В.Г. Шаповал и др.

Как известно, грунт - это многофазная система со сложным механизмом теплопередачи. Этот механизм включает в себя проводимость, конвективную передачу (конвекцию), процессы испарения и конденсации (скрытая теплопередача), теплоизлучение, ионный обмен, процессы замерзания-оттаивания.

Если размеры частиц грунта и пор существенно малы по отношению к рассматриваемому объему грунта, то комплексный процесс теплопередачи можно свести только к проводимости, которая преобладает в случае использования энергоэффективных фундаментов.

Анализ существующих в мировой практике методов проектирования ЭЭФ показал, что в общем случае, расчеты сводятся к решению основного уравнения теплопроводности, которое при наличии внутренних источников теплоты имеет вид:

— = аДt+Sn-, (1)

<h р с

где а - коэффициент температуропроводности, Ai - оператор Лапласа, с — удельная теплоемкость и р - плотность твердой среды, qv— мощность внутренних источников теплоты.

В современной практике проектирования для решения задач термодинамики грунтов, как правило, используются численные методы. В настоящее время разработан ряд программных комплексов, позволяющих решать задачи теплопереноса в грунтах: GeoStudio (Канада); COSMOS/M (Россия); ANSIS (США) и др., которые используют математический аппарат метода конечных элементов. Центральным вопросом для получения адекватного решения конкретной задачи является назначение начальных и граничных условий.

Во второй главе приведены результаты полевых экспериментальных исследований грунтового массива. Целью экспериментальных исследований являлось изучение распределения температурных полей в грунтовом массиве и изменения уровня грунтовых вод, определение физико-механических и теплофизических характеристик грунтового массива.

В качестве экспериментальной площадки выбран участок территории строительного факультета ПНИПУ в г. Перми.

Для полевых исследований на экспериментальной площадке были выполнены три скважины: первая — для отбора образцов грунтов с целью определения физико-механических и теплофизических характеристик, вторая — для проведения мониторинга уровня грунтовых вод, третья - для проведения мониторинга температурного режима грунтового массива.

■ <

строение

ИГЭ-1

• ■

60.

70

"7ТГ

ИГЭ-2

110

Инженерно-геологическое площадки приведено на рис. 1.

По результатам проведения лабораторных работ получены физико-механические и теплофизические характеристики грунтов, представленные в таблице.

По результатам мониторинга получена диаграмма распределения температуры в грунтовом массиве по глубине и её сезонные колебания (рис. 2).

Колебания температуры в грунтовом массиве, начиная с глубины 6,0 м, незначительны. Температура на глубине 6,0 м составляет 13°С и постепенно уменьшается до 10°С на глубине 19,0 м.

По результатам мониторинга уровня грунтовых вод установлено, что среднегодовой уровень грунтовых вод составляет -2,55 м. Самый низкий уровень зафиксирован в зимний период времени (февраль) -3,15 м. В остальные периоды года колебания уровня грунтовых вод во времени незначительны.

В третьей главе описана разработанная численная модель изменения температурных полей грунтового массива с учетом работы различных типов ЭЭФ по отбору геотермальной энергии.

Для проведения численного моделирования использован программный комплекс «Оео5ШсИо\Тетр» (Канада). Численная модель создана для инженерно-геологических и климатических условий экспериментальной площадки. Рассматривалось решение плоской нестационарной задачи (температура в каждой точке модели является функцией времени / = /(т)).

ИГЭ-4

ЖЕ

Рис. 1. Геологическая колонка экспериментальной площадки

Характеристики грунтов

Характеристики грунтов ИГЭ-1 Насыпные грунты ИГЭ-2 Глина ту го пластичная игэ-з Галечниковый грунт, заполнитель — твердая супесь ИГЭ-4 Аргиллит сильновы-ветрелый, сильнотрещиноватый

р, т/м3 1,91 1,92 1,69 2,27

р5, т/м3 2,75 2,72 2,63 2,71

Рсь т/м3 1,58 1,53 1,68 2,08

со, д.ед. 0,25 0,22 0,007 0,1

е, д. ед. 0,73 0,80 0,57 0,31

X, Вт/м°С 1,33 1,21 0,43 0,59

с,кДж/кг°С 1,27 1,25 0,85 1,07

5 т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Глубина, м

Рис. 2. Диаграмма распределения температуры в грунтовом массиве по глубине

Моделировались четыре ИГЭ (см. таблицу). Для каждого из ИГЭ заданы следующие характеристики: тип грунта, влажность, теплоемкость и теплопроводность для грунта в талом и мерзлом состоянии. Толщина слоев при-

нимапась по результатам полевых исследований экспериментальной площадки (см. рис. 1).

Основные теплофизические характеристики для грунтов в талом состоянии принимались по результатам натурных исследований, в мерзлом состоянии определялись расчетными методами.

В качестве начальных условий задавалась температура в каждом узле в начальный период времени. Значения температур принимались по результатам проведенного мониторинга. За начальный период времени принималось начало отопительного периода.

Граничные условия задавались для поверхности грунта и для нижней границы модели. Граничные условия нижней границы задавались постоянной во времени величиной плотности теплового потока, определенной на основании полученного температурного градиента по результатам мониторинга температурного режима грунтового массива. Граничные условия для поверхности задавались путем приложения к ней климатических характеристик: максимальной и минимальной суточных температур, минимальной и максимальной влажностей в течение суток, среднесуточного количества осадков.

При разработке численной модели оценивалось распределение температуры в грунтовом массиве для нескольких годовых циклов. В качестве примера на рис. 3 приведены среднемесячные температуры января.

Температуры в грунтовом массиве для 2-го и 3-го годовых циклов при численном моделировании близки между собой и в целом соответствуют полученным температурам при полевых исследованиях.

На основании разработанной численной модели выполнено решение тестовых задач для трех типов ЭЭФ: одиночной сваи, заглубленного плитного фундамента и фундамента по схеме «стена в грунте».

Дополнительно устанавливались граничные условия поверхности конструкций ЭЭФ, расположенной ниже уровня промерзания грунта, в виде постоянной во времени температуры +ГС. Тем самым моделировался максимальный отбор тепловой энергии через поверхность контакта конструкций с грунтом.

12

-15 10 -5 о 4-ц'" -......а-¡и!-.

о

—•Л..... по результатам 1-го

годового никла моделирования

5

10-

---©— по результатам 2-го годового цикла моделирования

15-

- -&- по результатам 3-го годового цикла моделирования

— по результатам мониторинга

Рис. 3. График среднемесячных температур грунта в январе

По результатам решения тестовых задач определена минимальная продолжительность моделирования (количество годовых циклов), исходя из условия установления «нового» температурного режима грунтового массива с учетом отбираемой тепловой энергии и зоны влияния работы различных типов ЭЭФ.

Распределение температурных полей в грунтовом массиве для одиночной сваи с использованием предложенной численной модели на последний

Установлено, что плотность теплового потока через поверхность контакта ЭЭФ зависит от количества циклов моделирования для различных типов ЭЭФ. В качестве примера на рис. 5 представлен график зависимости плотности теплового потока от глубины заложения одиночной сваи, показывающий, что плотности теплового потока для 2-го и 3-го годовых циклов наблюдений достаточно близки между собой и принципиально отличаются от плотности 1-го цикла. Таким образом, для данного случая уже к третьему годовому циклу моделирования в грунтовом массиве устанавливается «новый» тепловой режим.

день работы (3-й годовой цикл) приведено на рис. 4.

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Длина, м

Рис. 4. Распределение температуры в грунтовом массиве на последний день работы (3-й годовой цикл) одиночной сваи

В процессе проведения экспериментов была установлена активная и общая зоны влияния грунтового массива ЭЭФ при отборе тепла. Активная зона учитывала изменение температуры грунта от влияния ЭЭФ свыше 1,0°С, а общая зона - от влияния менее 1,0°С соответственно. На рис. 6 приведен пример для одиночной сваи.

В четвертой главе приведены результаты выполненного численного моделирования взаимодействия ЭЭФ с окружающим грунтом. Целью моделирования являлась количественная оценка получаемой тепловой энергии от ЭЭФ различных конструкций в грунтовых условиях г. Перми.

Рис. 5. График средней плотности теплового потока за время отопительного периода через поверхность контакта грунта со сваей длиной 20 м

Ось сваи

^8500^ 26000 ^

Активная зона влияния

зона влияния

Рис. 6. Зона влияния работы одиночной сваи

Для г. Перми наиболее характерны 2 типа грунтовых условий: первый представлен суглинком тугопластичным и гравийным грунтом с песчаным заполнителем, второй - песок средней крупности, ниже которого залегает гравийный грунт с песчаным заполнителем. Ниже гравийного грунта залегают ма-лосжимаемые полускальные породы верхнепермских отложений (см. таблицу).

Численное моделирование выполнялось для трех основных выбранных типов ЭЭФ: одиночной сваи, заглубленного плитного фундамента, фундамента по схеме «стена в грунте» и двух типов грунтовых условий.

Моделирование проводилось на основании разработанной численной модели взаимодействия ЭЭФ с грунтовым основанием. Всего было осуществлено шесть серий экспериментов.

По результатам численных экспериментов были определены зависимости величины получаемой тепловой энергии (средней плотности теплового потока через поверхность контакта ЭЭФ с грунтом) от типа грунтовых условий, геометрических параметров и глубины заложения ЭЭФ.

На основании полученных зависимостей построены номограммы. В качестве примера на рис. 7 приведена номограмма зависимости плотности теплового потока <7 от радиуса и глубины заложения острия одиночной буровой сваи для первого типа грунтовых условий.

В пятой главе приведены общие принципы конструирования ЭЭФ, определены области их применения, представлены примеры расчета.

ЭЭФ выполняют двойную роль: во-первых, являются несущими элементами, так как воспринимают нагрузку и передают её на основание, во-вторых, выступают в качестве теплообменников с грунтовым основанием.

Предложенная методика позволяет повысить эффективность применения различных типов фундаментов за счет включения в технико-экономическое обоснование того или иного варианта фундаментов снижение эксплуатационных затрат на отопление зданий.

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Радиус сваи г, м

Рис. 7. Номограмма зависимости q для одиночной сваи от радиуса (г) и глубины заложения острия (с/) сваи; 1-й тип инженерно-геологических условий

Алгоритм расчета по предлагаемой методике:

1. Выполняют вариантное проектирование различных типов фундаментов с учетом инженерно-геологических условий строительства, осуществляется подбор геометрических размеров и глубины заложения фундаментов. Выполняют расчеты фундаментов по группам предельных состояний согласно действующим СНиПам и СП.

2. Определяют стоимость строительства принятых вариантов фундаментов по укрупненным расценкам.

3. Для выбранных вариантов фундаментов по разработанным номограммам в зависимости от инженерно-геологических условий, геометрических параметров и глубины заложения определяют величину извлекаемой тепловой энергии за отопительный период в результате взаимодействия ЭЭФ с грунтовым массивом.

4. Определяют величину снижения эксплуатационных затрат за отопительный период, обусловленную применением ЭЭФ.

5. Выбирают оптимальный вариант устройства фундаментов с учетом требований конструкционной безопасности и энергетической эффективности.

Рассмотренные в работе примеры проектирования фундаментов малоэтажного жилого дома и многоэтажного административного здания в инженерно-геологических и климатических условиях г. Перми по предложенной методике показали, что наибольший экономический эффект от применения ЭЭФ и наименьший срок окупаемости имеют свайные фундаменты.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально установлено, что для климатических и инженерно-геологических условий г.Перми температура грунтового массива, начиная с 6 м, не зависит от колебаний температур воздуха и составляет 13°С с уменьшением до 10°С к глубине 20 м. Это позволяет подтвердить обоснованность перспективного применения ЭЭФ.

2. Предложенная численная модель взаимодействия ЭЭФ с грунтовым массивом подтверждена результатами натурных исследований с достаточной для инженерной практики точностью.

3. На основе численного моделирования установлено, что плотность теплового потока, а следовательно и эффективность применения различных типов ЭЭФ, при равных инженерно-геологических условиях зависит от их глубины заложения и геометрических параметров фундаментов.

4. На примерах расчета и сравнения вариантов показано, что наиболее эффективной конструкцией ЭЭФ для инженерно-геологических и климатических условий г. Перми являются свайные фундаменты. Причем большая эффективность применения достигается при уменьшении радиуса и длины свай.

5. Предложенная методика конструирования позволяет запроектировать энергоэффективный вариант фундаментов с учетом инженерно-геологических условий. Практическое применение результатов исследований позволяет повысить эффективность использования применяемых конструкций фундаментов. Наибольший экономический эффект от применения ЭЭФ наблюдается для зданий с малым строительным объемом.

Публикации по материалам диссертации

Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Захаров A.B. Применение геотермальной энергии грунта для отопления зданий в климатических и инженерно-геологических условиях Пермского края // Вестник гражданских инженеров. - 2010. - № 2 (23). - С. 85-89.

2. Пономарев А.Б., Захаров A.B. Использование геотермальной энергии для отопления и кондиционирования зданий // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер. Стр-во и архит. - 2010. - Вып. 17 (36). - С. 119-122.

3. Захаров A.B., Пономарев А.Б. Исследования работы энергетических фундаментов // Изв. вузов. Сер. Строительство. - 2011. - № 11 (635). - С. 3-9.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Захаров A.B. Результаты мониторинга распределения температуры в грунтовом массиве // Современные технологии в строительстве. Теория и практика : материалы науч.-практ. конф. аспирантов, молодых ученых и студентов строит, фак. (г. Пермь, 20-21 мая. 2009 г.). / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2009. - С. 263-266.

5. Захаров A.B., Шиян С.И., Шубин М.А. О возможности применения энергетических фундаментов в инженерно-геологических и климатических условиях г. Перми // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства: материлы II науч.-техн. конф., г. Волгоград, 24-25 окт. 2009 г. / Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т. -Волгоград, 2009. - С. 61-65.

6. Пономарев А.Б., Захаров A.B. К вопросу о постановке экспериментов по использованию геотермальной энергии грунтов оснований // Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники: межвуз. сб. тр. -СПб., 2009. - Т. 1. - С. 98-100.

7. Пономарев А.Б., Захаров A.B. Использование геотермальной энергии для отопления и кондиционирования зданий // Малоэтажное строительство в

рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» : технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы междунар. науч.-практ. конф., 15-16 дек. 2009 г. / Администрация Волгогр. обл. - Волгоград, 2009. - С. 223-226.

8. Захаров A.B. Численное моделирование процесса отбора геотермальной низкопотенциальной энергии грунта // Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции : сб. тр. науч.-техн. конф., г. Санкт-Петербург, 10-12 нояб. 2011 г. / С.-Петерб. гос. ар-хит.-строит. ун-т, Рос. акад. архит. и строит, наук. - СПб., 2010. -С. 222-227.

9. Захаров A.B. Пономарев А.Б. Исследование низкопотенциальной энергии грунта // Строительство. Архитектура. Теория и практика : матер, науч.-практ. конф. строит, фак. ПГТУ. г. Пермь, 16-17 дек. 2009 г. / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2010. - С. 92-96.

10. Захаров A.B., Бобров И.А. Использование тепловой энергии Земли с применением энергетических фундаментов // Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства : матер, междунар. конф., г. Пермь, 18-19 окт. 2011 г. (III Акад.чтения им. проф. А. А. Бартоломея) / Рос. акад. архит. и строит, наук. - Пермь, 2011. - С. 373-378.

Подписано в печать 07.12.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 200 экз. Заказ № 242/2011.

Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.

61 12-5/1641

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ФУНДАМЕНТОВ С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ

Специальность 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Пономарев Андрей Будимирович

Пермь 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. Анализ применения и методов расчета энергоэффективных фундаментов.............................................................................................................9

1.1. Общие сведения об энергоэффективных фундаментах.......................9

1.2. История формирования и развития термодинамики грунтов...........14

1.3. Существующие методы расчета энергоэффективных фундаментов 16

1.3.1. Общие положения теории теплопроводности грунта.................16

1.3.2. Аналитические и численные расчеты...........................................20

1.4. Основные выводы по главе и постановка задачи исследования по работе в целом...................................................................................................26

ГЛАВА 2. Полевые экспериментальные исследования грунтового массива.27

2.1. Постановка задач...................................................................................27

2.2. Анализ инженерно-геологических условий экспериментальной площадки............................................................................................................28

2.3. Определение теплофизических характеристик грунтов....................40

2.4. Мониторинг распределения температурных полей в грунтовом массиве и температуры наружного воздуха...................................................46

2.4.1. Планирование и оборудование для проведения мониторинга... 46

2.4.2. Монтаж системы мониторинга......................................................49

2.4.3. Результаты мониторинга распределения температурных полей в грунтовом массиве........................................................................................51

2.4.4. Результаты мониторинга температуры наружного воздуха.......54

2.5. Мониторинг изменения уровня грунтовых вод..................................58

2.6. Выводы по главе....................................................................................62

ГЛАВА 3. Создание модели изменения температурных полей грунтового основания................................................................................................................65

3.1. Выбор программного комплекса и его описание...............................65

3.2. Создание численной модели изменения температурных полей грунтового основания.......................................................................................69

3.3. Оценка адекватности численной модели............................................77

3.4. Решение тестовых задач........................................................................80

3.5. Выводы по главе....................................................................................97

ГЛАВА 4. Численное моделирование взаимодействия энергоэффективных фундаментов с окружающим грунтом................................................................98

4.1. Инженерно-геологические условия г. Перми.....................................98

4.2. Планирование численного эксперимента.........................................102

4.3. Проведение численного эксперимента..............................................108

4.4. Анализ результатов численного эксперимента................................112

4.5. Сопоставление количества получаемой тепловой энергии для различных типов энергоэффективных фундаментов для г. Перми с опытом проектирования и строительства в зарубежных странах............................119

4.6. Выводы по главе..................................................................................121

ГЛАВА 5. Методика проектирования энергоэффективных фундаментов.... 123

5.1. Область применения полученных зависимостей для расчета энергоэффективных фундаментов.................................................................123

5.2. Укрупненный алгоритм проектирования энергоэффективных фундаментов....................................................................................................123

5.3. Примеры проектирования энергоэффективных фундаментов......125

5.3.1. Пример проектирования энергоэффективных фундаментов малоэтажного здания..................................................................................125

5.3.2. Пример проектирование энергоэффективных фундаментов многоэтажного административного здания..............................................130

5.4. Выводы по главе..................................................................................134

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................................................135

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ №1 «Анализ архивных данных по инженерно-

геологическим изысканиям близлежащей территории».................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ №2 «Результаты расчета в программном комплексе

Оеовгиёю 2007»...................................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ №3 «Справка о внедрении результатов научно-исследовательской работы»...............................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, стоящих в настоящее время перед специалистами геотехниками, является повышение экономичности применяемых фундаментов за счет разработки и внедрения в практику строительства высокоэффективных конструктивно-технологических решений.

Одним из путей повышения эффективности применения различных конструкций фундаментов, является стимулирование увеличения их энергоэффективности с учетом периода эксплуатации зданий и инженерных сооружений.

В настоящее время в зарубежной практике строительства нашли широкое применение энергоэффективные конструкции фундаментов (ЭЭФ) «двойного» назначения. Кроме выполнения основной функции - передачи полезной нагрузки на грунтовое основание, они позволяют использовать за счет развитой контактной поверхности фундаментов геотермальную энергию окружающего грунтового массива для отопления зданий в период их эксплуатации, тем самым повышают эффективность их использования.

Исследования взаимодействия энергоэффективных конструкций фундаментов с грунтовым массивом также соотносятся с целями государственной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», в части реализации энергосберегающих технологий и проектов.

В настоящее время ЭЭФ успешно применяют во многих странах, таких как: Канада, Австралия, США, большинство европейских стран, имеются примеры внедрения в станах с тропическим климатом. Однако в России их применение пока не нашло широкого внедрения в практику строительства. По нашему мнению, это связано с отсутствием достаточных для разработки методики проектирования ЭЭФ экспериментальных данных. В связи с этим, проблема изучения взаимодействия различных типов энергоэффективных

конструкций фундаментов с грунтовым массивом в региональных условиях Российской Федерации является актуальной.

Цель настоящей работы состоит в экспериментальном и теоретическом обосновании общих принципов методики конструирования энергоэффективных конструкций фундаментов (ЭЭФ) в геологических и климатических условиях г. Перми.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Провести мониторинг распределения температурных полей и изменения уровня грунтовых вод в грунтовом массиве во времени;

2. Определить основные физико-механические и теплофизические характеристики грунтов применительно к типам грунтовых оснований г. Перми;

3. Разработать численную модель взаимодействия конструкций энергоэффективных фундаментов с грунтовым массивом для определения их оптимальных параметров;

4. Разработать методику конструирования энергоэффективных конструкций фундаментов с учетом их параметров и характеристик грунтового основания.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- экспериментально определены геотермальные закономерности грунтовых оснований для инженерно-геологических и климатических условий г. Перми;

предложена модель, поставлены и решены задачи по распределению температурных полей в грунтовом основании конструкций энергоэффективных фундаментов (ЭЭФ) с применением математического аппарата метода конечных элементов;

- представлены результаты численного анализа процесса изменения температурных полей в грунтовом массиве с учетом влияния различных конструкций ЭЭФ;

- выполнено экспериментально-теоретическое обоснование и предложены общие принципы конструирования, позволяющие определить энергоэффективный тип конструкций фундаментов для инженерно-геологических условий г. Перми.

Достоверность и обоснованность. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных теоретических положениях механики и термодинамики грунтов, а также подтверждены необходимым объемом исследований, обеспечивающим возможность статистического анализа результатов. При проведении экспериментов использовалась регистрирующая аппаратура, прошедшая поверку в органах стандартизации. Достоверность результатов исследования обеспечивается значительным количеством численных экспериментов с помощью сертифицированных программ, используемых для решения задач в геотехнической практике.

Практическое значение работы состоит в разработке принципов проектирования энергоэффективных конструкций фундаментов в инженерно-геологических условиях г. Перми с целью повышении эффективности строительства и эксплуатации зданий.

Личный вклад автора в исследование проблемы. Постановка проблемы, формулирование целей и задач, поиск их решения путем экспериментальных исследований и проведения численного моделирования, разработка принципов конструирования и расчета, формулирование основных выводов осуществлены лично автором.

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедре «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ в рамках программ «Национальный исследовательский университет» и инновационно-

образовательной программы «Образование» в 2006 - 2010 г.г. Полученные основные результаты работы использованы в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при чтении лекций и ведении практических занятий для студентов строительного факультета специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство». Легли в основу изданных методических рекомендаций «Исследование вопроса применимости энергоэффективных фундаментов на урбанизированных территориях» для магистерских программ «Подземное и городское строительство» и «Техническая эксплуатация зданий».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях молодых ученых 2008-2011 гг. (ПГТУ, г. Пермь); международной конференции «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, 2007 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий» (Пермь, 2008 г.); International Conference on Deep Foundations - CPRF and Energy Piles (Frankfurt on Main (Германия), 2009 г.); международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» (Волгоград, 2009 г.); 2-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию строительного факультета ПГТУ (Пермь, 2009 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции» (Санкт-Петербург, 2010 г.); международной научной конференции

«Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.).

Результаты исследований внедрены в практику строительства предприятиями НП «Западурал строй».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 статьях, опубликованных в сборниках научных трудов и научных журналах, в том числе в 2 статьях опубликованных в изданиях из перечня ВАК РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты выполненных натурных исследований и мониторинга основных параметров грунтового массива.

2. Постановка и способы решения задач по распределению температурных полей в грунтовом основании энергоэффективных конструкций фундаментов.

3. Результаты и анализ численного моделирования работы энергоэффективных конструкций фундаментов с грунтовым массивом.

4. Общие принципы проектирования ЭЭФ с учетом инженерно-геологических условий строительства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включает 67 рисунков, 48 таблиц, список литературы из 105 наименований, в том числе 24 на иностранном языке.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю зав. кафедрой «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, профессору, д.т.н. А.Б. Пономареву за ценные советы и замечания в ходе выполнения научно-исследовательской работы. Автор выражает благодарность декану строительного факультета ПНИПУ, доценту, к.т.н. В.А. Го-лубеву всем сотрудникам кафедры СПГ ПНИПУ за помощь и поддержку в период работы над диссертацией.

ГЛАВА 1. Анализ применения и методов расчета энергоэффективных

фундаментов

1.1. Общие сведения об энергоэффективных фундаментах

Вопрос использования геотермальных ресурсов (тепловой энергии грунта) интересует ученых на протяжении более полутора веков. Одним из первых исследователей в этом направлении был Питер Риттер фон Риттен-гер, который в 1855 году изобрел тепловой насос, позволяющий «извлекать» тепловую энергию из грунтового массива.

Системы, использующие геотермальную энергию, имеют широкую область применения. В частности их используют для отопления и кондиционирования зданий, обогрева мостов и дорожного полотна, туннелей метрополитенов и других инженерных сооружений.

Несмотря на продолжительность исследований данного вопроса, базирующиеся на них технологии сравнительно молоды. Интенсивное внедрение таких систем началось в 80-х годах прошлого столетия в Австрии и Швейцарии. Толчком для развития послужили экономический кризис ближайшего будущего по исчерпанию энергоресурсов и набирающее обороты экологическое движение в мире, что стимулировало исследования в области поиска альтернативных, не углеводородных, источников энергии.

В таких условиях, технологии, использующие геотермальную энергию, не могли остаться незамеченными, поскольку данные системы используют экологически чистую и возобновляемую тепловую энергию грунта.

В настоящее время данные технологии широко применяют во многих странах, таких как: Канада, Австралия, США, большинство европейских стран, имеются примеры внедрения в станах с тропическим климатом.

Наряду с важным экологическим аспектом эти системы имеют большой ряд преимуществ:

- позволяют снизить расход электроэнергии на 50-70% для отопления и кондиционирования зданий;

- возможность использование фундаментов здания, необходимых с конструкционной точки зрения, в качестве грунтовых теплообменников.

- несмотря на такие же (или немного более высокие) затраты при монтаже, чем обычные системы, они имеют меньшие текущие расходы в процессе эксплуатации.

В общем случае, системы, использующие тепловую энергию грунта, состоят из трех основных частей [57, 83]:

1) системы трубопроводов, погруженных в грунтовый массив или контактирующих с грунтом (первичный контур);

2) системы трубопроводов предназначенных для отопления или кондиционирования (вторичный контур)-,

3) теплового насоса, объединяющего эти системы трубопроводов.

Рис. 1.1. Принципиальная схема систем с использованием тепловой энергии грунта 1 - ЭЭФ, 2 - система отопления или кондиционирования здания, 3 - тепловой насос

Первичный контур служит для получения тепловой энергии фунта и располагается, как правило, в теле энергоэффективных фундаментов или других подземных сооружений.

Наряду с энергоэффективными фундаментами, в качестве первичного контура, могут применяться и теплообменники, состоящие из одной или нескольких и-образных петель, погружаемых в специально пробуренные скважины, и открытые системы, использующие воду из водоносного слоя.

Процесс теплопередачи в открытых системах более эффективный чем в теплообменниках, однако данные системы не получили широкого применения ввиду значительных эксплуатационных расходов, обусловленных частым засорением трубопроводов [83].

Преимущество энергоэффективных фундаментов заключается в том, что данные конструкции (сваи, фундаментные плиты, и т.д.) необходимы, исходя из условий конструкционной б�