автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Регулируемый режим тепловой обработки бетона при зимнем бетонировании буронабивных свай в сезонномерзлом грунте

Введение.

1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований.

1.1 Методы расчетного обоснования параметров зимнего бетонирования

1.1.1 Классификация методов зимнего бетонирования.

1.1.2 Влияние температуры на процесс твердения бетона.¡

1.1.3 Прогнозирование нарастания прочности бетона во взаимосвязи с его температурой.

1.1.4 Расчетное обоснование параметров зимнего бетонирования

1.2 Термические и фазовые процессы в промерзающих (протаивающих) грунтах.

1.2.1 Особенности фазовых переходов при промерзании (про-таивании) грунтов.

1.2.2 Тепловое воздействие буронабивной сваи и наружной воздушной среды на грунтовый массив.

1.3 Особенности зимнего возведения буронабивных свай.

1.3.1 Классификация и область применения буронабивных свай

1.3.2 Способы бурения и буровое оборудование.

1.3.3 Материалы, используемые для изготовления буронабивных свай.

1.3.4 Технология и особенности устройства буронабивных свай

1.3.5 Типовой контроль при возведении буронабивных свай

1.4 Задачи исследований.

2. Обоснование физической и математической моделей температурного и прочностного полей одиночной буронабивной сваи в сезонномёрзлом грунте.

2.1 Физическая модель.

2.2 Математическая модель.Л

2.3 Численная аппроксимация математической модели.Л

2.4 Особенности численной аппроксимации математической модели для связного грунта.

3. Обоснование физической и математической моделей температурного и прочностного полей типовых кустов буронабивных свай в сезонномёрзлом грунте.

3.1 Постановка задачи.

3/^ гр о о

2 Т иповой куст из двух сваи.

3.2.1 Физическая модель.

3.2.2 Математическая модель.

3.2.3 Численная аппроксимация математической модели.Л

3.2.4 Особенности численной аппроксимации математической модели для связного грунта.

3/^ гр и и

3 Т иповой куст из трех свай.

3.4 Типовой куст из четырех свай.

3.5 Типовой куст из пяти свай.

4. Исследования методом математического моделирования температурного и прочностного полей в бетоне при зимнем бетонировании буронабивных свай.

4.1 Одиночная буронабивная свая.Л

4.2 Типовые кусты буронабивных свай.

5. Экспериментальные исследования температурного и прочностного полей буронабивных свай.

5.1 Зимнее бетонирование одиночных буронабивных свай.

5.1.1 Зимнее бетонирование буронабивных свай при реконструкции комплекса предприятий общественного питания на Красном Проспекте в г. Новосибирске.

5.1.2 Зимнее бетонирование контрольных буронабивных свай для строительства жилого дома по ул. Телевизионной в г. Новосибирске.

5.1.3 Статистическая обработка полученных данных.

5.2 Зимнее бетонирование куста из двух буронабивных свай на Л опытной площадке НГАСУ.

5.3 Выводы по проведенным исследованиям.

В современных условиях энергосбережение в строительстве особо актуально. Одно из важнейших направлений этой проблемы - сбережение электрической энергии за счет оптимизации строительных процессов, особенно в зимнее время года.

Зимнее бетонирование буронабивных свай является сложным технологическим и термодинамическим строительным процессом. Наиболее массовое применение при зимнем бетонировании находит бетонирование с предварительным электроразогревом смеси или с электропрогревом уложенного бетона, а значит производство таких работ связано с существенными энергозатратами. Полное отсутствие надежных методов расчетного обоснования параметров обогрева при зимнем бетонировании буронабивных свай в сезон-номерзлом грунте объясняется сложностью прогнозирования динамики процессов оттаивания (после начала термообработки бетона) и промерзания грунта (после ее окончания), примыкающего к свае, что не позволяет оптимизировать режим обогрева. Поэтому при производстве указанного вида работ часто осознанно идут на повышенные энергозатраты, превышая оптимальные значения температуры источника тепловой энергии и продолжительности обогрева.

Одной из наиболее актуальных задач указанной проблемы является оптимизация технологических параметров зимнего бетонирования строительных конструкций и сооружений. Это подтверждается тем обстоятельством, что практически все существующие методы расчетного обоснования параметров зимнего бетонирования основаны на среднеинтегральном учете теплового баланса. Такой подход не позволяет на стадии проектирования: а) рассматривать различные варианты режимов электрообогрева бетона, что в свою очередь не дает возможности полезно использовать тепловую инерцию бетона; б) осуществлять контроль выполнения требований СНиП 3.03.01-87, не допускающих перегрев или недогрев бетона, а также превышение максимальной скорости набора температуры бетоном во время тепловой обработки и максимальной скорости снижения температуры после её окончания в любой точке конструкции.

При решении задачи зимнего бетонирования буронабивных свай традиционными методами, базирующимися на среднеинтегральном учете теплового баланса, возникает необходимость введения существенных упрощений, снижающих точность расчетов.

Свободу варьирования вариантами альтернативных решений в расчетах режимов обогрева может обеспечить метод математического моделирования. Такие модельные исследования позволяют выполнять обоснованный выбор способа зимнего бетонирования буронабивных свай, как одиночных, так и в составе типовых кустов, при оптимальном режиме тепловой обработки бетона с учетом тепловой инерционности грунтового массива и самой сваи, т.е. параметры, соответствующие минимальным энергозатратам при одновременном обеспечении нормативной прочности бетона и гарантированном отсутствии деструктивных процессов в бетоне за счет оперативного контроля температуры и скорости ее изменения. Кроме того, применение указанного метода впервые позволит проводит расчеты с учетом взаимного теплового влияния буронабивных свай в составе типовых кустов. В свою очередь, полезное использование тепловой инерции бетона при регулируемом режиме тепловой обработки обеспечит энергосбережение до 15-25 % в зависимости от выбранного способа зимнего бетонирования.

Основные выводы и рекомендации

1. На основании анализа состояния вопроса зимнего бетонирования, как одиночных буронабивных свай, так и буронабивных свай в составе типовых кустов в сезонномерзлых грунтах доказано, что до настоящего времени не создано метода расчетного обоснования режимов тепловой обработки бетона во взаимосвязи с температурным и прочностным полями в нем, а также с учетом теплового воздействия грунтового массива и окружающей воздушной среды.

2. Достоверный прогноз температурного и прочностного полей в бетоне при регулируемом режиме его тепловой обработки возможен только при системном подходе, когда буронабивная свая или куст свай рассматривается в качестве элемента сложной термодинамической системы с наличием прямых и обратных тепловых воздействий.

3. Обоснованы физические и математические модели температурного и прочностного полей в бетоне при зимнем бетонировании, как одиночной бу-ронабивной сваи, так и буронабивных свай в составе типовых кустов. Подтверждена аналитически и экспериментально достоверность всех элементов математических моделей. Предложена математическая запись регулируемых режимов тепловой обработки и алгоритмических диспетчеров, контролирующих соблюдение требований СНиП 3.03.01 - 87 во всех узлах коордии т-ч и натной сетки. В качестве основного элемента математических моделей принято двухмерное (для одиночной буронабивной сваи) и трехмерное (для куста буронабивных свай) дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах и с источниками тепла двух типов - объемно-распределенным экзотермического типа и локальным - нагревательными элементами. В качестве граничных условий приняты классические граничные условия I, II, III и IV рода, а также граничное условие Стефана на границе раздела талого и мерзлого грунта.

4. Предлагаемый расчетный метод позволяет: обеспечить существенное (15-25 %) энергосбережение за счет полезного использования тепловой инерции бетона при регулируемых режимах его тепловой обработки; обеспечить гарантированное отсутствие деструктивных процессов в бетоне за счет соблюдения требований СНиП 3.03.01 - 87 (исключающих не-догрев или перегрев бетона, а также превышение предельно допустимой скорости подъема температуры бетона после начала тепловой обработки и предельно допустимой скорости снижения температуры бетона после ее окончания); учитывать тепловое воздействие на бетон окружающего грунтового массива, а также взаимное тепловое влияние буронабивных свай в составе типовых кустов; оперативно реализовать предложенный расчетный метод, как на стадии разработки ПНР (при заданных климатических условиях), так и в условиях конкретных объектов (компьютерное управление режимом тепловой обработки с учетом динамики метеорологических условий).

5. Достоверность разработанных математических моделей в целом подтверждена экспериментальными исследованиями в производственных условиях (зимнее бетонирование буронабивных свай при реконструкции комплекса предприятий общественного питания на Красном Проспекте, зимнее бетонирование контрольных буронабивных свай для строительства жилого дома по ул. Телевизионной в г. Новосибирске, а также зимнее бетонирование куста из двух буронабивных свай на опытной площадке НГАСУ). Этими же экспериментальными исследованиями доказана возможность широкого внедрения в производство регулируемых режимов тепловой обработки бетона на базе созданных компьютерных технологий их управления.

6. Путем реализации математических моделей на алгоритмическом языке DELPHI с численной аппроксимацией дифференциальных уравнений

163 по неявной разностной схеме дробных шагов академика Яненко H.H. создан пакет программных продуктов

6. Разработан и экспериментально проверен алгоритм учета динамики фазовых переходов в связных грунтах.

1. СНиП 3.03.01-87 Несущие и ограждающие конструкции. (Госстрой СССР)- М.: ЦИПТ Госстроя СССР, 1988. 91 с.

2. Арбеньев A.C. От электротермоса к синергобетонированию / Владим. гос. техн. ун т. Владимир, 1996. - 272 с.

3. Арбеньев A.C. Бетонные и железобетонные работы: Учебное пособие / Владим. гос. ун т. Владимир, 1999. - 64с.

4. Гныря А.И. Технология бетонных работ в зимних условиях. Томск: Изд- во Томск, госуд. арх.-строит. ун та, 1984. - 280 с.

5. Руководство по возведению фундаментов из забивных и буронабивных свай / Нод. ред. к.т.н. Ю.Н. Козакова. Красноярский ПромстройНИИ-проект Минуралсибстроя СССР. ЦНИИОМТП Госстроя СССР. - Красноярск, 1987. - 162 с.

6. Руководство по бетонированию фундаментов и коммуникаций в вечно-мерзлых грунтах с учетом твердения бетона при отрицательных температурах / ЕИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1982. - 160 с.

7. Миронов CA . Теория и методы зимнего бетонирования. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1975. 700 с.

8. Зимнее бетонирование и тепловая обработка бетона. Под ред. CA. Миронова. М., Стройиздат, 1975. 248 с.

9. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учеб. пособие для технол. спец. строит, вузов. 2-е изд., перераб. -М.: Высш. шк., 1987. 415 с.

10. Ю.Арбеньев A.C. Технология бетонирования с электроразогревом смеси. М.,

11. Мулин В.И. К расчету термосного выдерживания бетона. Бетон и железобетон, №2, 1970. - с. 34 - 37

12. М.Афанасьев A.A. Интенсификация работ при возведении зданий и сооружений из монолитного железобетона. М.: Стройиздат, 1990. - 376 с.

13. З.Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., Высш. шк. 1967. 599с.

14. Зубков В.И. Зимнее бетонировании гидротехнических сооружений. Учебное пособие. Новосибирск, изд. НИСИ им. В.В. Куйбышева, 1988. 86 с.

15. П.Гавриш Ю.Е. Теплофизика строительных процессов в условиях вечно-мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд - ние. 1983. - 96 с, ил.

16. Яненко H.H. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. ИГУ, Новосибирск, 1966. 364 с.19. цытович H.A. Основания и фундаменты на мерзлых грунтах. М.: Изд во академии наук СССР, 1958. - 168 с.

17. Н.А. Цытович Механика мерзлых грунтов. Учебное пособие. М., Высш. шк., 1973.-448 с.

18. Порхаев Г.В. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов. М.: изд - во Наука, 1964. - 198 с.23. попов Ю.А., Рощупкин Д.В., Пеняскин Т.Н. Гидромеханизация в Северной строительно климатической зоне. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд -ние, 1982.-224 с.

19. Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01 83) / НИИОСП им. Н.В. Герсеванова. - М.: Стройиздат, 1986.-567 с.

20. Растегаев И.К. Технология и механизация работ по строительству свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1980. - 128 с.

21. Гончаров Ю.М. и др. Производство свайных работ на вечномерзлых грунтах / Ю.М. Гончаров, Ю.О. Таргулян, С.Х. Вартанов; Под ред. Ю.О. Тар-гуляна. 2-е изд. перераб. И доп. - Л.: Стройиздат. Ленинград, отд-ние, 1981.- 160 с.

22. Дикман Л.Г., Ермошкин П.М. Сооружения фундаментов промышленных зданий на буронабивных сваях. Из опыта строительства КАМАЗа. М., Стройиздат, 1976. 44 с.

23. Основания, фундаменты и подземные сооружения / М.И. Горбунов Посадов, В. А. Ильичев, В.И. Кругов и др.; Под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г, Трофимова. - М.: Стройиздат, 1985. - 480 с. - (Справочник проектировщика)

24. Ягудин A.M. Буронабивные сваи: Учебное пособие. Куйбышев: Куйбышевский гос. ун т, 1983. - 75 с.

25. Ермошкин n.M. Устройство буронабивных свай. М.: Стройиздат, 1982. -161с.

26. ЗГПаненков Е.С. Технология устройства набивных свай: Уч. пособие. М.: изд - во МИСИ, 1987. - 26 с.

27. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечно-мерзлыми грунтами. М.: изд - во Наука, 1970. - 208с.

28. Мазуров Г.П. Физико механические свойства мерзлых грунтов. Изд. 2-е, перераб. И доп. Л., Стройиздат, Ленингр. Отделение, 1975. - 216 с.

29. Руководство по электротермообработке бетона. М.: Стройиздат, 1974. -255с.

30. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 720 с.

31. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М: Физматгиз, 1962. - 356 с.

32. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, М.В. Зорина. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с. - (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2)

33. Боровков A.A. Теория вероятностей: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986. - 432 с.

34. Гныря А. И., Злодеев А. В., Рачковский Ю. П., Шешуков А. П. Остывание и набор прочности бетона из разогретой смеси. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1984.-232 с.

35. Вальт А. В., Головнев С. Г., Самойлович Ю. 3. Расчет времени остывания бетонных конструкций при отрицательных температурах. Томск, изд-во Томск, ун-та, 1978. - с. 33-34.

36. Бакшеев Д.С., Зубков В. И., Копылов А. А., и др. Зимнее бетонирование конструкций на Крайнем Севере. Учебное пособие. Норильск: Норильский индустриальный институт, 1997. - 113 с.

37. Третьяков А.К. Бетонные работы: Учебник для поф.-тех. Училищ. М.: Высш. шк., 1979.-198 с.

38. Толкьшбаев Т. А., Гендин В. Я. Повышение качества бетона путем ограждения температурных градиентов при его электротермообработке. -М.: Машиностроение, 1998. 96 с.

39. Полтавцев СИ. Монолитное домостроение. М.: Стройиздат, 1993. - 320 с.

40. Афанасьев A.A., Данилов H.H., Копылов В.Д. и др. Технология строительных процессов: Учеб. Для вузов; Под ред. H.H. Данилова, О.М. Те-рентьева. М.: Высш. шк., 1997. - 464 с.

41. Теличенко В.И., Лапидус A.A. и др. Технология возведений зданий и сооружений: Учеб. Для вузов. М.: Высш. шк., 2001. - 320 с.47. климовский Л.П. Строительные работы в зимний период: Справ. К.: Урожай, 1990.-168 с.

42. Строительное производство, В 3 т. Т. 2. Организация и технология работ; Под ред. И, А, Онуфриева. М,: Стройиздат, 1989, - 527 с,

43. Справочник мастера строителя; Под ред, Д.В. Коротеева. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1989, - 544 с,

44. Руководство по организации строительного производства в условиях Северной зоны / ЦНИИОМТП Госстроя СССР, М.: Стройиздат, 1978, - 113 с.

45. Ахвердов И. И. Теоретические основы бетоноведения. Минск: Высш. шк., 1991.-187 с.

46. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон: Технология производства работ. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1991. - 576 с.

47. Мамедов Т. И., Волков Ю. С. Современное состояние развития бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1992. - 68 с.

48. Головнев С. Г. Оптимизация методов зимнего бетонирования. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. - 235 с.

49. Головнев С. Г. Технология зимнего бетонирования. Оптимизация параметров и выбор методов. Челябинск: изд-во ЮУрГУ, 1999. - 156 с,

50. Михеев М, А,, Михеева И. М, Краткий курс теплопередачи, М,-Л,: Гос-энергоиздат, 1961. - 208 с.

51. Ермощкин n.M. Повышение эффективности и качества устройства буро-набивных свай. Автореф, дис, на соиск. к.т.н., М., 1980, 27 с,

52. Гончаров Ю.М, Разработка и совершенствование эффективных методов фундаментостроения на многолетнемерзлых грунтах, Автореф. дис. д-ра т.н. 04.00,07 АН СССР СО Ин-т Мерзлотоведения, Якутск, 1989

53. Растегаев И.К. Разработка мерзлых грунтов в северном строительстве / Отв. ред. P.M. Каменский; Рос, АН, Сиб. отд-ние, Ин-т мерзлотоведения. -Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма, 1992, 346 с.

54. Гончаров Ю.М. Особенности проектирования и устройства оснований зданий на мерзлых грунтах / Ю.М. Гончаров, A.A. Комзина, Е,Н. Маликов, Л,: Стройиздат, Ленингр, отд-ние, 1980. - 241 с.

55. Методические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов в сложных условиях строительства, Уфа: НИИпромстрой, 1977, - 120 с,

56. Попов Ю. А., Завалишина Т. В., Шпанко С. Н. Энергосберегающие технологии зимнего бетонирования строительных конструкций и сооружений. -Известия вузов. «Строительство», № 9, 2000, с, 50-58.