автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Расчет термонапряженно-деформированного состояния оснований зданий на вечномерзлых засоленных грунтах с учетом переменной температуры

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНаЕИЕШО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им.В.В.КУЙБЫШЕВА

,. г . На правах рукописи

0 ■ П О -у '

РАБИНОВИЧ Михаил Владимирович

УЖ 624.139.2/3

• , РАСЧЕТ ТЕТОШПРЯЗКЕШО-ДЕ«ЮШ1РОВА.Н1[ОГО СОСТОЯНИЯ ' ОСНОВАНИЙ'ЗДАНИЙ НА ВЕЧНОИЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТАХ С УЧЕТОМ ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность 05,23.02 - Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ,

диссертации на соисканкэ ученой степони коидвдата теигачосютх наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена,Трудового Красного Знамени инженерно-строительном иституте им. В.В.Куйбышева.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ветхая организация

.-.кандидат технических наук, старший научный сотрудник,, зав. Отраслевой лабораторией

■ Я.А.Кроник

- доктор технических наук,'

- профессор К.Ф.Войтковский

- кандидат :технических наук, завлабораторией ВШШОСП -Д.И.Федорович

- Государственный проектно-. изыскательский институт "Фувдаментпрбект"

Защита состоится " 3 "АХкР^^к^ 1992 г. в У/ час. на эаоедешш специализированного совета Д 053.11.05 в МИСИ. игл.В.В.Куйбшиева по адресу: Москва, уЛоСпартаковокая, д. 2а,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСИ игл. В.В.Куйбшгава. -

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МИСИ, Учений совет.

Автореферат разослан

1992 р.

Учений секретарь

специализированного совета Крвдановский А.Л,

ОШУУЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальность томи. Исследование влияния криогошшх процессов но формирование напршонпо-дефориировашюго состояния оснований зданий имеет исключительно важное значение для пошлиания надобности и долговечности последних в экстремальна климати-чоских и сложных геокриологических условиях. В СВЯЗИ с этим ставится задача соворшонствования метода расчета оснований зданий, одним из перспективных путей роптания которой яапяотся разработка методики расчета тормонапряжонно-дофрмированного сос-тоянкя('ЩЦС) оснований, т.о. совместной рошенио теьшоратурной ц механической задачи на осново единого подхода.

. Анализ технического состояния здании и сооружений-в криолито-зоно, провэдешшй многими авторами: Н.А.Цнтовичом.С.С.Вяловшл.П.И. Молышковш, Ю.Я.Волли, В.В.Докучаовш, Г.Ь.Порхпевиы, С.Б.Ухо-шм, Д, И.Федоровичем,' Н.(1Модсропнм, Е.П.Далматопим, С.Е.Гро-чищепшл, В.ГГ.Ушкаловым, Л.Н.Хрусталопнм и другими свидетельствует, что одной из распространонтк причин их явмрий являотся недоучет на стадии проектирования теплового влияния дополни-толыпсс постояиних н аромошп« источников тепла на формирование температурного состояния мерзлого ОСНОВЕШИЯ. К дополнитоль-|пш Докторам (¡ормировгипш торыополоЛ оснований следует относить п рояли всего.постоянно дог.ствующю вцеокртемпературшю инжоно'ршга коммуникации подземной и поверхностной прокладок, а такжо всовоэмоанио утачки поди из здашШ и коммуникаций постоянного и временного действия.

Значительна.'! часть пастроонних'селитобнцх зон и промшцен-кнх районова тлкио плоцади перспоктипной застройки в Северной строительно-климатической зоне России занят» засодошиш миоголетнвморзлнми грунтами. Природное и техногенное (под влиянием уточок) эасолотю корзлнх грунтов приводит к значительному изьшнонию их теплотехнических, прочностшсх и до-'ормациошпк свойств, что в 'свою очородь, внзивает нзмопенио тормонлпряжен-но-до^ормироганного состояния С111ДС) основания,сложенного такими грунтами. К ооуалонип, до настоящего времени отсутствуют достаточно достоверные и простое шисенорнна мотодики прогноза температурного и тормоттряжо!шо-до!)ормирова!шого состояния 'ооно-■ ванн!!'зданий-на заеолешшх вочноморзлих грунтах с учетом перо-

манной температуры, что делаот данвдю задачу весьма актуальной для reopmi и практики прошшионного и гражданского строительства в районах Крайнего Севера..

Полью диссертации является разработка методики численного прогноза температурного .и термоиапряяонио-дефориироватшго состояния мерзлого засоленного основания, вмощовдэго высокого?,!- ' поратурный источник тепла, с учетом теплового влияния аварийных утечок воды из зданий и шпг.опврто: ш,тши<ащ1й,. . ■

Для достижения указанной дели были поставлены и решены следующие задачи:

1. На основашш анализа литературных данных определение возможности и пути совершенствования иншюрной методики прогноза температурного режима и напряженно-деформированного состояния марзлте грунтов оснований зданий на основа совместной постановки тепловой и .г.юхошг-геской задач;

2. Разработка конкретных предложений по такой методике и реализация их в вычислительной программе на'.ЭВМ;

3. Получение численных решений и на основе анализа решений серии оптимизационных задач выявлениетенденции изменения ТНДС мерзлого основашш при воздействии на него локальных временных и постоянных источников тепла, а такко вследствие.изменения засоленности грунта;

4. Разработка практических рекомендаций по проектированию зданий и инженерных коммуникаций на вечной мерзлого с учетом утечек.

• Научную новизну рабоуц составляет: ;

1. Решешш задачи о нестационарном температурном решила . мерзлого засоленного основания, вмещающего высокотемпературные инженерные коммуникации поверхностной и подземной прокладки, при тепловом воздействии аварийных уточек.

2.Решение задачи о термонапряжвшш-дефоршфосанном соо- • тоянии засоленного ввчномерзлого основания при воздействии локальных постоянных и кратковременных тепловых источников с учетом нестационарного температурного режима. \ .

3.' Показано, что на. формирование термопалей й ОДС" мерзлых оснований существенное влияние.оказывают: параметры аварийных утечек и высокотемпературных источников тепла <поверхностных и заглубленных)} зависимость модуля обоих деформаций.

грунта от ого температуры; изменение тармомэханических и топло-физпчооких своНс тхз грунтов при их засолонш и рассолошш.

1Га защиту вшюсятсп;

I. Методика лшгмнерного'рисчо'та температурного и тормопа-цряжшшо-до^ормиропанного состояния морзлого основания, вмещающего високотомпоратуркпй заглублешшП источник тонла, с учотом теплового алигашл аварийных уточек но зданий. и инженерию: коммуникаций.

• 21 Комплексная вычислительная программа, позволяющая осуществить на основе обцего подхода совместный расчет и анализ .температурного ре:кш.ш 1: наирнжошо-де<£оршровшпгого состогашя основания. . ,

3.. Результат» и анализ расчетов, выполненных для конкрот-ного объекта, и. рёйбмовдащш для пледрония в практику проектирования.-

, .Практическое значение работы заключается в следующем.

1. Разработана 'комплексная вычислительная програша, которая позволяет шконорзм-прооктлровщикаы, занимающимся вопросами строительства н реконструкции зданий в условиях крнолито-зош1, осущестачять совместные расчети тешоратурнэго ромзша и термонапряхецно-де^рмнрованного состояния массивов морзлих засоленних грунтов основашй и уко на ранних стадиях проектирования и шсконоргшх изисканий более обоснованно решать вопроси 'выбора способа использования мерзлых грунтов в качество оснований здаш.'!, возводимых "вблизи ужо существующих впеокотемпо-ратурннх, подземшлс сооруконнй. ' "

2. Предлагаемая методика- может бить использована также при проведении экспертного анализа причин аварий здшшй и сооружений в условиях криолитоз.ош.

3. Разработаны, практические рекомендации по рациональному-, размещению теплосетей вблизи здашй' во&воднмих' по I принципу использования вечномерзлих грунтов в качестве оснований сооружоний;

4. Лолученпио результаты позволили разработать конкретные 'рекомендации но проведению' ромонтио-восстаиовиталъш.'х ра. бот аварийных зданий. п.Синогорьо Магаданской области.

Результаты исследований использовались при проведении научно-исследовательских работ в отраслевой лаборатории ОШШЛл'ЭО кафэдрп Мохшинш грунтов,основании и -фундаментов Г.Ш1 им.В.В. КуИбшзш. " ■■

Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Рациональное природопользование в кра-ояитозоне" (г.Якутск; 1990 г.) и но Х1УП научно-технической конференции ШСИ им. В.Б.Куйбышева, (г.Москва, 1991 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы две печатные работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (155 наименований), изложена на №6 страницах машинописного текста, в том числе 50 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Разработка инженерной мэтодики расчета термонапряженио-деформированного состояния (1ВДС) мерзлого основания здания разделена на два этапа.

На первом этапе исследования рассматривается методика, алгоритм, вычислительная программа и результаты расчетов задачи прогноза нестационарного температурного режима мерзлого основания, вмещающего высокотемпературный источник тепла, с учетом теплового влияния аварийных уточек воды из здания и инженерных: коммуникаций. Исследуемое основание здания представляет собой многослойный массив вечломерзлого грунта, который является пятифазной гетерогенной системой, содеряащей твердые минеральные частицы, идеально-пластичные. включения льда, воду в связанном и -жидком состояниях, газообразные компоненты (по Н.Л.ДытоЕичу). Фораулироэка задачи предполагает, что процзсо переноса тепла внутри массива определяется только ковдуктив-ной теплопроводаостыэ. Маосив рассматривается как замкнутая термодинамическая система, т.е. считается, что влагообиеном • с окружаадими грунтами и атмосферой можно в первом приближении прияебречь.

Для решения поставленной задачи используется энтальпий-ная термомеханическая модель ЯД .Кролика, как наиболее соответствующая постановке задачи и максимально учитывавшая физическую природу процессов прошрзашя-протэивания грунта.

Численное решение дифференциальных уравнений теплопроводности в частных производных параболического типа реализуется о помощью метода жон&эдшх разностей. Для оценки устойчивости

схемы и порядка погрешности аппроксимации результаты численного расчета сравнивались с точными аналитическими рошонияш.

.Разработанная автором впчислмтельная программа '/Ш состоит из двух .основных частей; Первая, часть вклшаот и оебч ввод и обработку, исходннх данних. и определоние рассчитиваомпх характеристик, грунта. Вторая часть реализует пепосредствешю вычисления очередного приближения, шаг по времени и вывод на ; печать получендих'результатов. Программа ТЕМ написана на алго-

• ритмическом'язнке ФОРТРАН-ГУ.

.Рекомендации.по назначению оптимальних размеров расчетной области на основании анализа решения серии оптимизационных зв-' дач исходят из, условия, .что тепловое влияние заглублошюго вп-сокотеыпературного источника., тепла ш оказывало Он воздействия на' формирование, температурного режима крайних зон грунт;! шириной .7...10. м, Это. условие выполняется для коллектора заглубленного .ив 11-'=!, 8,5 и в грунт при расстоянии, от края коллектора до-границн;рассматриваемой области не менее 30 м, что соответ-■ ствует иршлорцб: одной полудлине здашш В ив глубине расчетной области рчнн'о!! 30 м. Таким образом, в случао когда постановка' задачи предполагает учет теплового влияния от заглубленного. коллокторп, общи, ширину расчетной области рекомендуется принимать равной (2,5...3)6 , а глубину - (10...12)

- ,, 0использованием. программа ТЕМ било получено решение задачи, прогноза нестационарного, температурного ромшя мерзлого основания, вклшшцзео заглубленный и поверхностшШ источники тепло. -' - ■ - '

Влияние утечки поди из здашш и коммуникаций на <Тормнрова-

- шш температурного .рбюша мерзлого основания моделируется ком-

• бЯншцШш локалына точеч/шх и линоГапк прернвпешх тепловпх источников,; вганвттшх в момент прилояешш тепловой нагрузки мгновенное:изменение .тошературн на поверхности грунта в данной, точке или' на участке воздойств!1я на. значение температурц 'води,, посту пажей из таких тешювих источников, т.о. гоометрп-

ческно размори', температура, время начала а продолжительность •'воздействия нрпнигапгся соответственно моделируема,1 уточкам ю?ш. :

С цолыо вплвлония наиболее иеблагоприятннх участков воздействия уточек, води на ^ормироваш'ю- терлорояша морзлнх грунтов основании, зданий била поставлена и решена серил оптимиза-

ционннх задач, расчетные схемы которых назначались на основании анализа характера воздействия реальных аварийных утечек на темггератзфяьш режим мерзлого основания и данных натуркйх наблюдений за техническим состоянием зданий. Для удобства сравнения полученных результатов принимается, что температура . воды утечки в пределах теплового воздействия 0дц= +20,0°С, а продолжительность действия на исследуемый'массив мерзлого грунта,основания равна 20 суткам. За начальное температурное поле для этой серии задач принимается хвазистационарное распределение температур, полученное при решении задачи нестационарной теплопроводности мерзлого основания, без учета тейло-вого влияния утечек при прочих равных условиях. Расчет производится до того момента ¿ремени, когда температурное поле после ликвидации аварийной утечки восстанавливается до исходного.

Из просчитанных 7 вариантов наибольшее влияния на распределение температур в мерзлом основании оказывает утечхеа вода . из узла ввода инженерных: коммуникаций в здание. Опыт эксплуатации зданий в криолитозоне показывает, что такой тип утечек наиболее распространен. Воздействие такой утечки вызывает развитие локальных зоя растепления грунта мерзлого основания и создает тем самим условия для, возможного развития местных деформаций. Так, расчетами установлено, что после снятия тепловой нагрузки глубина чаши протапвашя под краем здания достигала 5 м, в то же время максимальная глубина талой зоны под ; коллектором составила 6,5 м. Зона талого грунта формируется под всем участком приложения. Тепловой нагрузки. Кроме того* : тепловое влияние утечки сказывается и на распределение темпе-, ратур грунта на глубину до 9,2 м, а в ширину превышает в 2 раза длину участка теплового воздействия. Отрицательные температуры в основании непосредственно под зданием восстанавливают-, ся через 16 суток после снятия тепловой нагрузка от утечки. Очертание чаши ггрогаийанля вокруг заглубленного коллектора Достигает первоначального очертания через 6...7 месяцев, а полностью температурный режим в спектре отрицательных температур восстанавливается только к концу 2 года после нейтрализации аварийной утечки. . "•'

Наличие солей в мерзлом грунта приводит к изменению его физико-химических свойств", Как показали исследования Баже- .■'■' новой А.П.»-.Лапиной H.H.,- Савиной Н.И., Белли Ю.Я., Григорье-

вой В.Г., Карпушпюй A.A. и других водораотворшыо соли вшивают понйгаше температуры замерзания грунтов, что приводит к увеличвют количества незамерзщей'воды за счет уменьиения количества льда-цемента. Значительное изменение претерпевают и теш10ф1зическле и механические свойства мерзлых грунтов при засолении, различные сведшим об этом можно найти в работах Н.А.Ццтовича, П.И.Андрианова, A.A.Роде, С.Б.Ухова, Б.И,Долма-това, Я.А.Кроника, С.Г.Лосевой и .других, в которых установлено, что теплопроводность в талом и мерзлом состояниях имеет сложную зависимость от концентрации порового раствора ( Ор$ ). Так, в области изменения концентрации порового раствора от Qjtj = 0,00 г/см3 до величин Cpj = 0,04...0,05 г/см3 приводит к незначительному изменению."иоэф?мциента теплопроводности Грунта. При дальнейшей росте возможно как увеличение,

так и уменьшение' коэффициентов теплопроводности в зависимости от плотности грунта. Объемная теплоемкость с увеличением концентрации раствора NaC[ и ' СлС!3 ДО значения, близкого к ;насыщению, ~уменьшается при одинаковых показателях влаянооти. Для засоленных мерзлых грунтов величиш! тёплорзических характеристик могут отличаться почтя в 2 раза по сравнению с незаселенными грунтами, а это вносит существенные коррективы в росчетнке значения температур.

Главннм отличием математической постановки двумерной нестационарной задачи теплопроводности для вечпомерзлнх засоленных грунтов о'разовым' переходом влаги ог постановки аналогичной задачи для незасолешых грунтов является то, что теплофи-эдаеские: характеристики■ явЛшотся функциями от концентрации порового рартвора;грунтов.-

-.'■ /Численные значения энтальшш и теплопотока определяются по1 уточненным тсплофгаическим характеристикам, а также харак-теристическш температурам, рэссчитанннм с учетом засолешос-■ тй. грунта. Тешературы начала замерзания овязной воды ©jcps и температуры'практически мерзлого грунта ©и PS определялись с достаточной'для"численных расчетов точностью по формулам: ''' ■ "

e3cps ~ ©зс + Д0НЗ сг)

&MPS — ©м +.0H3

- 10 -

Расчетные тспло^таические характеристики принимались по дтпт экспериментальных исследований Ершова Э.Д., Лосевой С.Г. и Кроннкз Я.А.

На основании уточнений математической постановки'задачи внесены изменения в алгоритм и програшу численного расчета температурного решша мерзлого засоленного 'основания зданий.

Далее автором исследовались.особенности .Армирования температурного поля мерзлого основания здания в условиях'неоднородной засоленности грунтов при .изменении, концентрации порово-. го раствора от 0,04 до 0,16 г/см3. Рассматривался массив мерзлого грунта основания состоящий из двух горизонтальных.слоев, • верхний из которых толщиной 5 метров. Изменение Ср$д верхнего слоя в заданном диапазоне.влияет на-изменение распределения температур при квазистацнонарном терморежше не глубину 20... . 25 м и на всю глубину расчетного массива соответственно- При ', минимальной и максимальной степени засоленности. При этом мощность деятельного слоя .составила 1,6 V 1,85 метров против I,35 м для незасоленного грунта при прочих равных условиях, • Значительное изменение,претерпевает талая зона вокруг заглубленного высокотемпературного коллектора при засолении .всей, толщи исследуемого массива мерзлого грунта. Максимальная глубина чаши протаиванчя под коллектором'достигает 11,6 м, а под краем здания зона талого грунта превышает 9,0 м, что в 1,6... 2,0. раза превышает аналогичные показатели для незасолешого • грунта. На рис. I представлены.расчетные термополя при квази-стащюнарном ретамо мерзлого основания на декабрь месяц для различных вариантов неоднородней засоленности грунтов. ,

Учитывая, что засоленность грунтов приводит к смещению спектра характеристических температур, значительно ;расширяет--ся расчетная область,.в которой исследуемый грунт находится -в пластично-мерзлом соотоянии. Например, когда в верхней слое Ср$а = 0,16 г/см3, а для нижнего Ср$& = 0,00 г/см3, глубина распространения таких грунтов.под краем здания достигает 6...7 м в зимний период, а в латное -время - 9,2 м. .

Штенсийшация процессов проморзэгая-протвивагош в засоленных мерзлых грунтах пршодшг к тощ, что от становятся более восприимчивыми к тепловым импульсам от ух;ечек воды из зданий и коммуникаций. Исследовалось влияние утечки из узла ввода коммуникаций в эдаша при различном сочетании засоленности ело-

я= 0,00

, с„„,=-а.оо

УМ

Рис. I. Расчетные распределения температур в основании здания на вечномерзлых ' неоднородно засоленных грунтах в декабре месяце: I - высокотемпературный коллектор; 2 - теплосеть поверхностной прокладки; 3 - гражданское здание; 4 - граница оттаивания; 5 - граница слоев грунта различного генезиса.

ев грунта. Для каждого из подученных решений-общим является го, что тепловое влияние утечки оказывает существенное воздействие на изменение глубины чат протаивания мерзлого грунта непосред-. сгвенно под коллекторов. Значительно увеличивается глубина про-таивания грунта под краем здания и изменяетря в, пределах от 4,1 до 6,2 м, т.е. более чем в 2 раза. Характерной;является и тенденция изменения термополя после снятия тепловой нагрузки от утечки. Через 17 суток вновь промерзает оттаявший грунт под участком утечки, .тогда как изменение глубины-чаш протаивания полностью не восстанааивается др. исходной и'через' 2 рода..;.-. .

Второй этап расчета тераонаиряЕенао-дефордарованкога состояния мерзлого основания включает в себя вычисление,напряжений . и деформаций, возникающих.в. основании'здания о учетом изменений гермополей, температурных напряжений и деформаций. Для. расчета приндан. положения, основанные на совместном использовании, урав-цэний классической теории термоупругости и нелинейной механики мерзлых грунтов,, что возможно допустить в качестве первого.приближения для таких сложных грунтовых' сред. ' ■

Используемая физическая :модель дефоршруемрсти мерзлого , грунта предполагает,; что псиная деформация ' определяется следующим Ыфакени'ем: - "• .".' 0

г (3)

где деформации мер?лого, отачивающего и талого грунта

под воздействием полезной нагрузки; температурные дефор-

. ыащт; £ОТ(&)~ деформации оттаивания; (о) - реологическая составлявшая деформации, включающая деформации мерзлого грунта . под воздействием полезной нагрузки после его оттаивания.

По данным Велли Ю.Я., Вялова С.С.', Демченко р.Я., Цытови-ча Н.А.и других для мерзлых грунтов при изменении их теплового режима с учетом фазового перехода доля осадки оттаивания состав ляет для различных грунтов в среднем 50...60$, а зачастую дости гает 80...90$ от конечной.осадки,причем эта деформация развивав; оя практически мгновенно, следом за оттаиванием ¡мерзлого'грунта Осадка оттаявшего грунта составляет от 10 до 205?, но этот вид. деформации имеет ярко выраженный длительный временной характер, поэтому при рассмотрении относительно быстро протекающих динами ных процессов промерз ашя-протаиватш под воздействием импульс" ных тепловых источников, ею можно пренебречь. На деформацию гру

та, развивающуюся под воздействием полезной нагрузки для гражданских сооружений средней этакнооги приходится 5...10$ результирующей осадки оттаивагацих грунтов оснований. В то не время средняя доля температурных деформаций при монотонном температурном поле обычно составляет 1...57», однако в результате воздействия локальных источников тепла на мерзлый грунт основания образуются зоны с высоким температур1дам градиентом, где термодеформации могут составлять от 5 до 10$ и более от конечной осадки поверхности грунта основания.

При выборе расчетной схемы выдвигались требования, чтобы принятая гоометрическая аппроксимация долгаа максимально точно отражать ({згаическую модель механической задачи и быть близка к расчетной схеме нестационарной теплопроводности.

Для численного решения задачи расчета напряженно-деформированного состояния мерзлого основания использована программа 1ШШК-2 (США), в основу которой заложен метод.конечных элементов* Алгоритм программы ПЛА1Ж-2 не предусматривает расчет оса' док оттаивания расчетной области, поэтому автором разработан дополнительный вычислительный блок "ОТТАИВАНИЕ", который позволяет. учитывать осадки мерзлого основания при оттаивании.

С целью выявления степени влияния температурных напряжений . и учёта нелинейной зависимости модуля общих деформаций от температуры решена серия оптимизационных' задач по расчету ТВДС мерзлого основания здания. В результате установлено, что учет влияния температурных напряжений приводит к существенному изменению картиют распределения напряжений только для горизонтальных, нормальных напряжбний Од в верхних слоях исследуемого массива (до глубины 19 м), где имеет место значительный градиент температур.

Более существенное изменение происходит в картине ТВДС основания при учете не только температурных напряжений, но и нелинейной зависимости модуля деформаций Е0 от температуры, .'при этом в значительной части расчетной области (около 50Ю изменялось направление действия касательных напряжений . .

Оценивая в делом,изменение напряженного состояния массива, мерзлого грунта основания здания в результате учета температурного фактора следует отметить, что происходит значительное перераспределение напряжений в центральной части расчетного массива, возникают области высокой.концентрации напряжений под краем фун-

- M -

дамоцта сооружения и зона виоокоа неоднородности напряжении чи только по величина их численного значения, но и по направлении1 действия. Согласно реноння квазистационарной температурной задачи эта же зона является областью высоких отрицательной, температур, т.е. грунт здесь находится в состоянии близком к разовому переходу, а, следовательно, небольшое повышение, его температура может вызвать значительное -ипмонешю .его {изичоского состояния и деформациошшх характеристик грунта. На основами иэлоненного выше анализа мокно Ьделать внвод, что центральная часть расчетной области, вмещающая заглублен.ннй коллектор,- является, нотешцн-ально наиболее, опасной о точки зрения возникновения предельно допустимых напряжений нон краем, фундамента. • '

. Учат только темпоратурньи дедормахои! в расчете ТВДС rjpjspo-дит к значительному; изменению до^ормациН .исследуемого массива грунта только в той части, где .грунт но.исинтнваот воздействие полезно!! нагрузки; здесь имоот место изменение ^швиваюцихся' деформаций на 20...30$ (см.рис.2)» :

Влияние утечки из узла ввода шгаенарннх .коммуникаций-,ь аяа-,шш приводит к тому, что ■ глубина расположения изолинии осадок 20 см достигает. 3,8 м, ;Ьта изолиния :охвативаот небольшой/участок вокруг заглубленного, коллектора, при это:.! разность осадок крй» коллектора составляет 5 см .при..расстоянии иекду шши 2 .метра а конечная величина его осадки .составила -соогвотстьенно S2.Û .и 37,5 см, при осадке, края 'здания ксого. 12,5 см.

Расчет« напряжзцно-до^орниронанного 'состояния мера лого за* соленного основания, выполнялись «- lie пользованием расчетных меха-1шческих характеристик грунтов полученийГрисшнш il.Л., Карпухиной A..», Кропиком. Я.А„ На оен'щтгашанализа, розультатов расчетов нестационарного температурного :.рек1Ша установлено,. чт<? р оонованиях, слокентк; морзлшизйс;олеш1шл1 грунтами, п измеясаи-ем .концентрации поров.ого'раствора'возрастает влияние уточки на развитие деформаций, в тис.' Довшюнпо концентрации порового .раст-; вора грунта от 0,04 до 0,16 г/'-см0 приводов к'увеличении из.олшни 20 см соответственно, до 5,3 м и 7,2 ы. .Значительно увеличивается и осадка железобетонного'короба заглубленного катлакторп от ' . 42,0 до 47,5 см. ' •

Как. по.казал анализ, измоиешо расчетных дей.ормациошшх характеристик при учете засоленности грунта ыорзлого'.основании \ уточняот результаты числонного расчета.торг^шггряяешю-дойори)!-ровшшого состояния ,в. среднем .на 25;:!. .Осадка- угла здания для

Рис. 2. Из олшши' равных расчетных осадок /см/ при квазиота-ционаряом термореяимэ баз учета утечек /а/ ,для реальной задачи с учетом утечек /б/ и динамика изменения осадки угла здания во времени /в/: 1 - заглубленный коллектор, 2 - теплосеть поверхностной прокладкд, 3 - условный фундамент здания, 4 - граница слоев грунта различного генезиса, 5 -х- -баз учета термокапряжений и Епг-Ц8), 6 - - - с учетом термо-

калрягений и Е„?< }(©)• 7--с учетом термонапряиекий и

Е„■>$(©), Э -о-0- по результатам числшннх. расчетов, 9 -7- -п8 данным натурных наблюдений.

незасоленного грунта составила 12,4 см, тогда как при условии неоднородной засоленности расчетного массива ( Ср$8 ~ Срг6 = 0,04) эта осадка равна 15,3 см.

Столь значительное изиеноике поля деформаций' в случае неоднородного засоления мерзлого грунта основания связано с .тем, что изменение химического . состава перовой води приводит к увеличению количества козаыерзиоЛ. водц, пошисешш температуру начала . замерзания н, как следствие этого, сущэсшэшюму нзшп.ешш прочной ттк и де^ормацпошик характеристик. . 1 -'

С помощью разработанной комплексной вычислительной программы решена задача .расчета температурного рехшил и иапрлжопио-до-формироианного состоянии основания здания на ул.Комоомольской п.Синогорьо Магаданской области с учетом теплового влняшя сорил реалышх уточек из коммуникаций. Продолкитольность, интенсивность и .температура" води уточки заЗ'нкснрошнш в ходе шидашх наблюдений, проводш^ в п.Синргорьосотрудниками ОШШШЭС IXЮП ш.и" В.В.Куйбцшава в точечно I£89. .Л991 гг. о участием штора. Сравнение расчетных зиачеплН температур и мерзлом основании и даншгх натурнцх шблвдониЛ приводит, к слодуыишм результатам, Лйкоимнль-ная сходимость натуршос н расчетное ".тпчиний .температур.' приходится'па момент-окончания периода .теплового воздействия уточок.,, Причиной атому служи* то, что н.п "распределение' атшоратур п ий- ! чалышй' период воздействия уточекоказывает зипчит'ольиой -влияние предиотория теплообмена. в ыаасиво мерзлого грунта основшшя и '.. исходное тариополо, 11« основании опита ^эксплуатации,аоорукеинй в условиях крполитозонн и аварийного; состояния исследуемого зда- . ния вероятно предположить, чго аварийные уточки имели моото .и до начала рогуллршк найлвдений.за температурный ]«:яшом основания здашш. Поэтому . в •нячальшп!' период расчетные и натурные зна--чения. температур носколько болео существенно отличаются друг 'от друга, К концу 'периода, воздействия утечек влиянио' щхдасторни значительно ошкаотся и данные .натурных »шблвдшшй ближо сходятся с результатами численннх расчетов. Всроднен сходимость результатов Числешпк расчетов и дашшх натуршгх нзблщвний составляет от 15...20 до 30.что является достаточным для 'такого типа шкенёргагх- задач (см.рис.2).

Автором разработаны следушдао .рокомещации по и'иолионию теплотехшчоских и тормомзханнчиоких .расчетов пр;! проектировании зданий и сооружений на вочпоП мерзлоте;' С целью унификации теы-.' лотехничеоких расчотов при", учете теплового, влияния', уточок. и- ш

- 1.7 -

ПСНОБПНИИ ЯНПЛПЗП ННГУрПОГО мпториалп ПО ПОбЛВДеНИЯМ за Т0Х1Ш-чоскпм состоянием зданий в п.Синогоръо Магаданской области разработана КЛВССИТШ'ПЦИЛ лпориРлпк уТ8Ч0К НП'ЗДЙ 1ШЙ и коммуника-■ций. Предлагается киассийпшровать аварийные уточки из зданий и коммуникаций по слодушшл признакам: продолжительность дойст-шя (кратковременные до 3 суток, вромошше от 4 до 20 суток, длнтолт.нно сшгао 20 суток); место уточки (непосредственно под ядпнисм, близ здания за продолами ого контура, комбшшропашшо^ гТорга п плопадь (точочшга, линейные и зоналышо); температура (низкотемпературные кепее 5°С, выоокотомггературнпо); химический . соотав теплоносителя (нозасоленнш, зпсолешшо).

С цель?) умоньгаендя вопмо?шости термомехшгическсго воздействия заглубленного високотсмпературпого"коллектора на Т1ЩС роноппниП рекомендуется назначать расстояние мвзд- краем здания возведенного по I пршщипу и кроем пел^эоботошого короба коллектора для незасолошшх вечпоморзлюс грунтов равтм 7 мотрам. Для зпеолешпк вечнотгерзлнх грунтов, концентрация порового раствора которых измекяотся в проделах = 0,04,..0,16 г/см3, это рпсстояшю оледуот. назначать в интервале от 7 до 9 метров. Конкретннэ расстояния моэду зданием и коллектором для слошпос мерзлотно-грунтовых условий сло.цуот назначать в предложешюм диапазоне в зависимости от стопонл засоленности грунта и конот-руктивннх особешюстей теплокоммутшаций и зданий.

При внявлогот причин аварий зданий и сооружений, возведенных в сложных морзлотно-грунтовнх условиях па ооновашшх под-вергатаихся миого^акторпому тепловому воздействию, оледуот проводить спещгалышо теплотехничоскио расчета с учетом теплового •влияния роальшх. пвпрпШшх утечек из зданий и коммуникаций. Такой расчет возможно проводить о достаточно високой точностью ■ с помощь» предложенной классификации аварийшгх утечок и на основе разработанной в диссертации методики учета топлового влияния аварийных утечек.

: Расчет тврмонапряжвнно-дос}ортровашгаго состояния основа. ний сооружений в кряолитозоно с учотом неоднородной заселенности грунтов возможно производить при помощи предложенной инженерь-иой методики, которая предполагает, что при низких степенях засоленности, ( Ор5 ^ 0,16 г/см3) и малой влажности грунтов 'оснований а расчетах достаточно учитывать изменение прочностных : и де^рмациошнх характеристик грунтов в зависимости от юс за-

соленности, но вносят других измонлшй в расчетную математическую модель задачи прогноза Т1!ДС. .

Для выявления возможных причин аварий инкенорных коммуникаций, расположенных в непосредственной близооти от здшеш, о такта учета теплового влияния этих коммуникаций на ^ормированио ТВДС OGHODUiHiii зданий, poKOMOlàyoTCH включению в расчетную схему численного расчета то^.юнппряхашно-деЛгормировашюго еостоя-1ШЯ основан»!! слоен грунта, расположенных вшло подошли ,^уцдпмон~ та м вмещающих писокотшиорнтурнш источники тгшла. ■

Предложенная инженерная методика расчета ТИДС основания здания рекомендуется также для использования при проведении оца-ночннх расчотои на стадии miriopa принципа использовании мцрзло-' го грунта в качество основания соорухшшй. Другим примененном данной методики и прогрпммп численного расчета, мо.чот бить, лс— пользованном оо при midopo мост рационального рпзмощоння Теило-ooToil внутри здания и участков размещения запорной прматущ. коммуникаций с точки арония минимального влияния возможных уточок из них высокотемпературного теплоносителя на томиоратуршМ ,|юшш основания.

01ЗД1К liUiiOJUJ . ,

1. Получено рошопио задачи прогноза нестационарного температурного режима мерзлого основании о учетом тонлового воздействия виоокотемнернтуршк .источников гепла (поверхностных п заглубленных) и крвтковрепешщ ппвущЦннх утечек из зданий и инженерных- коммуникаций. ' :

' 2. Получено реионио задачи о. тордашкфявднга-доллргпцюпшн. пом состоянии засоленного вочноморллиго основании при воздойст-вии локальных постоянных и крт-конрипоишк тепловых ист очников ' о учетом нестационарного температурного режима. , .

3. Получены данные о нвдлш'и un ^¡ш)«»-»!:«» теуу.юполЫ! и ТВДС мерзлых оснований: 'парпмотрою пвнрийшк уточек и впеокотом-пературннх-источников тепла (поверхностных н заглубленных); пз-ыепения Tej)tvîOMexfiHii4ecKHX и то!1ло.]»з;:чоскюс свойств грунтов при их засолении и рассолении...

4. Разработана инженерная расчетная' модоль. Т1ЩЗ мекитх ваооленынх оснований' зданий; поиволздад учитывать в расчет;»,): темпоратурныо деформации, .осадки грунта при оттаивании, в такко изменение деЗормацйошйх характеристик морзлых. грунтов при по-

_ Г9 -

роменной тампорятуро. '

5. Разработана математическая модель теплового влияния кратковременных я вроменнюс аварийных утечек води из зданий и инЕонорннх коммуникаций на формирование температурного режима мерзлых, оснований. .

. 6. Поэтапность построения алгоритма, численного расчета Т1ЩС оснований позволяет учитывать как отдельный разовые тепловые .импульсные воздействия, так и,воздействие серий аварийных утечек из зданий и интанерннх коымушшаций. Предложешшя методика и' комплексная программа численного прогноза позволяют выполнить расчотн с использованием расчетных теплофнзических и тормомехаттчоских характеристик получешшх по результатам стандартна инженерцо-геокриологически^ исследований грунтов • без проведения дополшиелышх работ.

7. Разработаны практические рекомендации' по проведению .совместных расчетов по прогнозу температурного режима и папря-жегаго-деформироватого состояния оснований зданий, возведенных на вечномэрзлюс. засоленних грунтах с учетом теплового влияния высокотемпературных ишенергоос коммушкаций подземной и поверхностной прокладок, а также импульсного тогтлового воздействия кратковременных аварийна уточоп води из зданий и коммуникаций«.

. 0снов1ше положения диссертации- опубликованы в еле,дующих работах:

I. Кроник Я.А., Рабинович М.В. Влилоте коммушгеаций на отташэашю вочномерзлнх грунтов основашЛ здаш!й // Рациональное природопользование в криолитозопо. Тезисы докладов. -Якутск, 1990. - С. 85-87.

,2. Кроник Я.А., Рабинович М.В. Расчет температурного, режима вечномерзлого основашя с учетом утечек из -зданий и ког.ь муникаций //. Моск.игок.-строит.ип-т. - М., 1991. - 15 с. -Доп. в ШШТ1Ш Jli 1099Э. . .

Подписано в печать 4.06.92 г. Формат 60x84^/16 Леч.офсетная И-164 Объем I уч.-иэд.я . Т.100 Заказ 3Jf Бесплатно..

Ротапринт ЫИСИ им. Б.В. Куйбышева