Сезонное промерзание грунта в зоне влияния водопровода с теплоизоляцией Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.143.2+624.143.34

КРИГЕР ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА, e.kriger@agtu.ru

НЕВЗОРОВ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, aln@yandex.ru

Архангельский государственный технический университет,

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17,

КУДРЯВЦЕВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, its@festu.khv.ru

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47,

ПАРАМОНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, parvn@georec.spb.ru

Петербургский государственный университет путей сообщения,

190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

СЕЗОННОЕ ПРОМЕРЗАНИЕ ГРУНТА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОПРОВОДА С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ

В статье описана методика определения температуры грунта в зоне влияния водопровода с теплоизоляцией на опытном участке. Проведены анализ и сравнение результатов полевых измерений и данных, полученных путем численного моделирования. Выполнены расчеты по выявлению толщины теплоизоляции, предотвращающей промерзание водопровода, проложенного в слое сезонного промерзания грунта.

Ключевые слова: сезонное промерзание, тепловое поле, водопровод, теплоизоляция.

KRIGER, EKATERINA VIKTOROVNA, e.kriger@agtu.ru

NEVZOROV, ALEKSANDR LEONIDOVICH, Doc. of tech. sc., prof, aln@yandex.ru

Archangelsk State Technical University,

17 Embankment of Northern Dvina, Archangelsk, 163002, Russia KUDRYAVTSEV, SERGEY ANATOLYEVICH, Doc. of tech. sc, prof, its@festu.khv.ru

The Far East University of Transport,

47 Serysheva st., Khabarovsk, 680021, Russia PARAMONOV, VLADIMIR NIKOLAYEVICH, Doc. of tech. sc. parvn@georec.spb.ru Petersburg State Railway University,

9 Moscow Avanue, St. Petersburg, 190031, Russia

SEASONAL FROST PENETRATION OF SOIL OVER WATER PIPELINE WITH HEAT INSULATION

The article considers the technique of measuring the soil temperature over water pipeline with heat insulation on the experimental plot. The analysis and comparison of field measure-

© Е.В. Кригер, А.Л. Невзоров, С.А. Кудрявцев, В.Н. Парамонов, 2010

ment results and data produced by numerical simulation have been carried out. Computations for defining the heat insulation thickness preventing the frost penetration of water pipeline in the seasonal frost penetration level of soil have been performed.

Keywords: seasonal frost penetration, thermal field, water pipeline, heat insulation.

В странах с холодным климатом сезонное промерзание грунтов является одним из основных факторов, определяющих глубину заложения фундаментов и трубопроводов.

Заглубление ниже уровня сезонного промерзания требует значительных материальных и финансовых затрат при производстве земляных работ в ходе строительства или ремонта. Существенно уменьшить глубину заложения позволяет применение теплоизоляции, закладываемой в грунт.

В Скандинавских странах, сходных по климатическим и геологическим условиям с Северо-Западом России, за последние 25-30 лет накоплен большой опыт по устройству трубопроводов с глубиной заложения всего лишь 0,5—1,0 м [1]. Например, в Норвегии [2] глубина заложения трубопровода может составлять 0,8 м при условии укладки над трубопроводом на глубине 0,3—0,4 м от дневной поверхности плит изоляции из пенополистирола толщиной от 50 до 100 мм.

С целью изучения процесса промерзания грунта в зоне влияния водопровода в ноябре 2006 г. в Архангельске был организован опытный участок. На участке на глубине более двух метров залегает ледниковый суглинок в тугопластичном и мягкопластичном состояниях (р = 1,89 г/см3, WL = 0,31, WP = 0,18, W = 0,22—0,27). На глубине 2,5 м расположена стальная труба водопровода диаметром 120 мм.

Непосредственно над трубой, в 3 и 6 м от нее было пробурено по три скважины глубиной 0,5, 1,0 и 1,5 м. В каждую из них установлены обсадные пластиковые трубы диаметром 40 мм с металлическим днищем (рис. 1). Во избежание конвекции воздуха внутри трубы с шагом 20—30 см размещены поролоновые шайбы. Измерения температуры выполнялись в забое скважин с помощью терморезисторов. Схема расположения точек измерения температуры грунта показана на рис. 2. Показания снимались с периодичностью 1—2 недели в течение 3 зимних сезонов.

На опытном участке над водопроводом на глубине 0,5 м от дневной поверхности был заложен лист пенополистирола толщиной 50 мм, шириной 1,0 и длиной 2,0 м, завернутый в полиэтиленовую пленку.

На выходе из водопровода раз в неделю измерялась температура воды. Среднемесячные зна-тпяйбя; 4 — стержень; чения температуры воды и воздуха представлены 5 — колпак в табл. 1.

Рис. 1. Конструкция наблюдательной скважины: 1 - обсадная труба; 2 -металлическое днище; 3 - поролоновая

■777-

-777“

У к 3000 3000

500 ч

1000

1500

1000 V

Рис. 2. Схема расположения точек измерения температуры грунта на опытном участке: 1 - водопровод; 2 - точки замера; 3 - теплоизоляция

Таблица 1

Среднемесячные значения температуры воды и воздуха

Год Месяц Температура, °С

Вода Воздух

2006 Ноябрь 3,70 +1,1

Декабрь 0,15 -4,8

2007 Январь 0,10 -2,2

Февраль 0,10 -7,0

Март 0,10 -1,8

Апрель 0,10 -0,1

Май 0,30 +1,4

На рис. 3 представлены результаты наблюдений. Кривая изменения температуры грунта на глубине 0,5 м следует за кривой изменения температуры воздуха. Исследования показали, что на колебания температуры грунта влияет также изменение температуры внутри трубы, а именно происходит увеличение глубины промерзания грунта непосредственно над трубой (рис. 4). Это объясняется тем, что температура воды внутри трубы в течение нескольких месяцев достигает значения, близкого к 0 С (как в водоеме), и грунт вокруг трубы охлаждается, увеличивая глубину сезонного промерзания. Следовательно, при расчете температуры грунта следует учитывать влияние теплового потока от водопровода.

Из рис. 3 видно, что в зимний период температура грунта на глубине 0,5 м (над теплоизоляцией) при наличии теплоизоляции ниже на 0,5-1,0 °С, чем при ее отсутствии. Это объясняется тем, что в летнее время, когда температура воды в водопроводе выше температуры грунта, тепло, теряемое конструкцией, аккумулируется грунтом и впоследствии замедляет процесс его промерзания. Заглубленная на 0,5 м теплоизоляция препятствует проникновению тепловых потоков от нижележащих слоев, и грунт промерзает быстрей. С другой стороны, на глубине 1,5 м (под теплоизоляцией) температура грунта при наличии теплоизоляции имеет более высокие значения, чем при ее отсутствии. В этом случае теплоизоляция защищает нижележащие слои от промерзания, что говорит о целесообразности ее использования.

2

1

2006 год 2007 год

Рис. 3. Результаты измерения температуры:

1, 2 — грунта на глубине 0,5 и 1,5 м соответственно, при наличии теплоизоляции; 3, 4 — грунта на глубине 0,5 и 1,5 м соответственно, при отсутствии теплоизоляции; 5 — воды в трубопроводе; 6 — атмосферного воздуха

На рис. 4 показаны изолинии температуры грунта, полученные путем интерполяции результатов полевых измерений по состоянию на 15 февраля 2007 года, когда величина глубины промерзания грунта основания достигла максимального значения.

Производить теплофизические расчеты промерзания и оттаивания грунтов оснований с учетом фазовых превращений в спектре отрицательных температур для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве методом конечных элементов позволяет программа «Termoground» [3], которая включена в программный комплекс «FEM models», разработанный геотехниками Санкт-Петербурга (рис. 5).

Мы определили изменяющуюся во времени величину проникания нулевой изотермы в элементарном массиве грунта шириной 1, длиной 6 и глубиной 6 м с заложенными в него теплоизоляцией и водопроводом на глубину 0,5 и 2,5 м, соответственно, в период с ноября 2006 г. по май 2007 г. включительно. Начальным условием задачи является заданное значение поля температуры в исследуемой области грунта в начальный момент времени. Граничные условия представляют собой среднемесячные значения температуры воды

в трубопроводе и атмосферного воздуха (см. табл. 1). Исходные данные: физические и теплофизические (теплопроводность X и удельная теплоемкость с) свойства грунта (табл. 2), глубина залегания уровня грунтовых вод - 1,5 м, толщина снежного покрова 0,1—0,4 м.

. ср _ -7 ОС

^возд_____________'

г, м

Рис. 5. Изолинии температуры грунта в зоне влияния водопровода с теплоизоляцией 15 февраля 2007 года по результатам численного моделирования по программе Тегтс^гоиМ

Сравнив рис. 4 и 5, видим, что характер изолиний, полученных путем интерполяции результатов полевых измерений температуры грунта над водопроводом и путем численного моделирования, практически совпадают. Расхождения не превышают 15 %.

Таблица 2

Физические и теплофизические свойства грунта при различной влажности

Ра г/см3 Ж Талое состояние грунта Мерзлое состояние грунта

^-й, кДж/мес-м-°С С&, кДж/м3-°С V, кДж/мес-м-°С кДж/м3-°С

1,55 0,22 3546,49 2646 3987,99 2157

1,54 0,23 3621,38 2768 4064,47 2184

1,52 0,24 3673,94 2877 4121,76 2195

1,50 0,26 3771,76 2858 4231,66 2230

1,49 0,27 3857,90 2763 4289,16 2240

Убедившись в возможности использования программы «Termoground» для осуществления расчетов с целью прогнозирования промерзания грунта и оценки влияния конструкции и расположения теплоизоляции водопровода на глубину его заложения, мы рассмотрели два варианта конструкции теплоизоляции (рис. 6, а, б).

0,5 м

Л

и

ОТ-

а

Ь

1

б

а

Рис. 6. Варианты конструкции и расположения теплоизоляции водопровода, принятые к расчету по программе Termoground:

а - прямая теплоизоляция; б - теплоизоляция полукоробчатого сечения; Ь - ширина прямой теплоизоляции; а - глубина заложения водопровода; Н - толщина теплоизоляции; 1 - водопровод; 2 - теплоизоляция

По схеме, показанной на рис. 6, а, задавая глубину заложения водопровода 0,5 м и ширину теплоизоляции 1,0 м (1,5 и 2,0 м), производили расчеты при толщине теплоизоляции от 0,1 м до выявления толщины, предотвращающей промерзание водопровода. Аналогичные расчеты выполняли при глубине заложения водопровода 1,0 и 1,5 м.

По схеме, показанной на рис. 6, б, также задавая глубину заложения водопровода 0,5, 1,5 и 2,0 м, выполняли расчеты по определению необходимой толщины теплоизоляции.

Моделировали задачу при отсутствии снежного покрова в климатических условиях наиболее холодной зимы в г. Архангельске за последние 30 лет (зима 1984/1985 гг.), когда индекс промерзания превысил средний годичный

индекс промерзания на 15 % [4] и составил 1610 °С-сут. Граничные условия представлены в табл. 3. Результаты расчетов - на рис. 7 и в табл. 4.

Таблица 3

Среднемесячные значения температуры воды и воздуха

Год Месяц Температура, °С

Вода Воздух

1984 Сентябрь 13,43 +8,0

Октябрь 7,40 +4,4

Ноябрь 1,73 -4,2

Декабрь 0,01 -15,3

1985 Январь 0,01 -16,4

Февраль 0,01 -10,4

Март 0,01 -5,6

Апрель 0,01 -1,2

Таблица 4

Значение толщины теплоизоляции к, м, предотвращающей промерзание водопровода

Глубина заложения трубы, м Толщина теплоизоляции, м

Прямая изоляция, шириной, м Полукоробчатое сечение изоляции

1,00 1,50 2,00

0,50 - - 0,40 -

1,00 0,90 0,40 0,20 0,30

1,50 0,30 0,10 0,10 0,15

Большая величина толщины прямой теплоизоляции и промерзание трубопровода обусловлены воздействием холодных потоков с боковых направлений. Для примера на рис. 7 показана динамика промерзания грунта в зоне влияния водопровода, расположенного на глубине 0,5 м, защищенного теплоизоляцией шириной 1,5 и толщиной 0,3 м.

Таким образом, из табл. 4 видно, что при использовании прямой теплоизоляции из пенополистирола шириной 2 и толщиной 0,2 м, расположенной на глубине 0,5 м, а также теплоизоляции полукоробчатого сечения толщиной

0,3 м, глубину заложения водопровода можно уменьшить до 1,0 м.

Уменьшение глубины заложения водопровода, в свою очередь, позволит снизить стоимость и сроки строительства систем водоснабжения, потребности в рабочей силе и механизмах, а также затраты на их эксплуатацию.

Рис. 7. Изолинии температуры грунта в зоне влияния водопровода с теплоизоляцией по результатам численного моделирования по программе Termoground: а - январь; б - февраль; в - март; г - апрель

Выводы

1. Создан участок для исследования температуры грунта в зоне влияния водопровода.

2. Выполнены экспериментальные исследования по определению характера изменения температуры грунта в зоне влияния водопровода при наличии теплоизоляции.

3. Проведено сравнение результатов полевого эксперимента и данных, полученных путем численного моделирования по программе Termoground.

4. Выявлены конструкция и толщина теплоизоляции, предотвращающей промерзание водопровода в климатических условиях г. Архангельска.

Библиографический список

1. Tiefbauarbeiten fur Rohrleitungen / Rolf Kohler. - 6, uberarb. Und aktualisierte Aufl. - Koln : R. Muller, 1997.

2. Roy Scott Heiersted, Geir Refsdal, Reidar Saetersdal, S.E. Torgersen. Frost i jord. Grafisk kon-tor, NTNF, Gaustadalleen 30, Oslo 3, № 17, 1976.

3. Кудрявцев, С.А. Расчетно-теоретическое обоснование проектирования и строительства сооружений в условиях промерзающих пучинистых грунтов : дис. ... докт. техн. наук : 05.23.02. - СПб., 2004. - 344 с.

4. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР. - М. : Стройиздат, 1983. - 136 с.