CC BY
42
ТЕХНОЛОГИЯ
И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
УДК 693.547:624.131
ТИТОВ МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, agd_tmm48@mail.ru
ГОЛУБЕВА ДАРЬЯ НИКОЛАЕВНА, аспирант, golubewa. dasha2010@yandex.ru
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет,
630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113
ТЕХНОЛОГИЯ ОТОГРЕВА МЕРЗЛОГО ГРУНТА ПРИ БЕТОНИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ ФУНДАМЕНТОВ
Рассматриваются постановка и решение тепловой задачи отогрева промороженного грунтового основания. Проводится сравнение результатов, полученных в процессе математического моделирования прогноза температурного поля в грунтовом массиве в процессе его отогрева, с экспериментальными данными. Приведены графики для определения температуры поверхности нагревателя и времени прогрева грунта на глубину 30 см до 0 °С в зависимости от мощности нагревателя, температуры окружающего воздуха и поверхности грунтового массива.
Ключевые слова: мерзлый грунт; технология отогрева; фундамент; зимнее бетонирование; бетон.
MIKHAIL M. TITOV, DSc, Professor, agd_tmm48@mail.ru
DARYA N. GOLUBEVA, Research Assistant, golubewa. dasha2010@yandex.ru
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, 113, Leningradskaya Str., 630008, Novosibirsk, Russia
FROZEN SOIL WARMING TECHNOLOGY IN CONCRETE CASING OF FOUNDATIONS
The paper presents the problem of frozen soil warming. Results obtained in the process of mathematical modeling of the temperature field in soil mass in the process of its warming were compared with experimental data. Presented are diagrams for determining the surface tempera-
© М.М. Титов, Д.Н. Голубева, 2014
ture of the heater and the time of warming soil up to 0 °C to 30 cm depth depending on the power of the heater, air and soil surface temperatures.
Keywords: frozen soil; warming technology; foundation; winter concrete casing; concrete.
В СНиП 3.03.01-87*, п. 2.56, и рекомендациях по электрообогреву монолитного бетона1 приведены следующие требования: «промерзшее грунтовое или искусственное основание при зимнем бетонировании монолитных конструкций фундаментов, как правило, необходимо отогреть на всю глубину промерзания до температуры 5-10 °С. При большой толщине мерзлого грунтового основания необходимо оттаять его не менее чем на 3/4 глубины промерзания и не менее чем на 500 мм для связных и 300 мм для несвязных грунтов. Размеры участков отогретого основания должны выступать за внешний обрез бетонируемых конструкций по всему периметру на двойную глубину оттаивания, но не менее чем на 1 м».
В ряде литературных источников [3-8] отмечается необходимость полезного использования естественного тепла, аккумулированного в талой части грунта основания, и искусственного тепла, внесенного в грунт при предварительном оттаивании и прогреве мерзлого слоя в процессе практической реализации технологии зимнего бетонирования монолитных конструкций фундаментов зданий (фундаментных плит, монолитных ростверков-балок и ростверков-плит, буронабивных свай и др.).
Таким образом, в процессе практической реализации технологии зимне -го бетонирования монолитных конструкций фундаментов зданий как для энергосбережения, так и для оптимального использования тепла, внесенного в грунтовый массив при его отогреве, а также выполнения рекомендаций2 необходим достоверный метод расчета прогноза температурного поля грунтового массива при его прогреве до оптимальной температуры, обеспечивающей выполнение ряда технологических операций и набора бетона подошвы фундамента критической прочности.
Математическая постановка задачи (в упрощенном виде) отогрева и прогрева промороженного грунтового основания с плоским поверхностным нагревателем может быть представлена в виде следующей системы уравнений:
1 Рекомендации по электрообогреву монолитного бетона и железобетона нагревательными проводами / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. М. : Изд-во ЦНИИОМТП. 1989. 67 с.
2 Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях в районах Дальнего Востока,
Сибири и Крайнего Севера / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. М. : Стройиздат, 1982. 213 с.
1 dt(х, т) _ a д2t(х, т)
дт
дх2
2 dt(х, т) _ d2t(х, т) дт _ам дх2 ,
3. t(х,0) _ J[(х),
4. _«[t(0, т) - /2(т)],
дх
5. ^^ _ 0,
дх
6. t(х, т) х_г-0_t(х т)| х_г+о _t,
7. XМ ^^ - XT ^^ _ W—
дх
дх
d т'
(1)
где 1 - дифференциальное уравнение теплопроводности в талой зоне грунтового массива; 2 - дифференциальное уравнение теплопроводности в мерзлой
X
М,Т 2 / -г
зоне грунтового массива; величина аМТ _-, м /ч, носит название «коэффициента температуропроводности» материала соответственно для мерзлого и талого грунтового массива, характеризует способность среды выравнивать свою температуру; 3 - начальное условие; 4 - граничное условие III рода на поверхности грунтового основания; 5 - граничное условие I рода, задается закон распределения температуры на бесконечной границе тела; 6 - условия на фазовой границе оттаивания и замерзания грунтового массива; 7 - классическое граничное условие Стефана на границе раздела фаз при замерзании (оттаивании) влаги, здесь W _ врскга - это скрытая теплота фазовых переходов
по рассматриваемой оси; в - удельная теплота плавления льда (334 кДж/кг).
Решение поставленной задачи можно осуществить комбинированным сеточным методом [1].
Суть комбинированного сеточного метода заключается в следующем: в узлах расчетной области, не смежных с фронтом фазового перехода, температура определяется из явной разностной схемы, а для точек смежных узлов - из неявной.
Реализация этой задачи осуществлялась комбинированным сеточным методом в программном продукте MAPLE_12, кроме того, моделирование процесса отогрева производилось в ELCUT 5.10 (профессиональная версия).
Для изучения изменения температурного поля в грунтовом массиве был проведен эксперимент с грунтом ненарушенного строения в полевых условиях. С момента включения нагревателя до момента достижения 0 °С на глубине 30 см потребовалось 54 ч. В качестве нагревателя использовался термоэлек-тромат (ТЭМ) конструкции ООО СТВ.
Температурное поле грунтового массива, полученного в результате обработки экспериментальных данных, и сравнение с температурным полем,
полученным в результате расчета с использованием комбинированного сеточного метода и моделирования процесса отогрева, приведены на рис. 1.
Рис. 1. Температурные поля в грунтовом массиве в течение 54 ч от начала оттаивания грунта, полученные с использованием ЕЬСИТ 5.7, МЛРЬ_12 и экспериментально
Расхождения температурных полей, полученных экспериментальным путем и в результате расчета в программном продукте ЕЬСИТ, возможно, связаны с тем, что из-за сложности определения теплофизических характеристик грунтового массива (теплопроводность X, Вт/(м-°С), удельная теплоемкость С, Дж/(кг-°С)) эти значения были взяты из СНиП 2.02.04-88, а не определены экспериментально. Значительную роль играет также отсутствие 100%-го теплового контакта поверхности нагревателя и поверхности грунтового массива в реальных условиях, тогда как в программе ЕЬСИТ предполагалось, что этот контакт является 100%-м. Расхождения с МЛРЬЕ_12 могут быть получены из-за упрощений, внесенных при написании программы, таким ообразом, необходима ее дальнейшая доработка.
Решение математической модели (1) основывается на том, что известна температура нагревателя, в то время как на практике известна только мощность нагревателя. Строителям крайне важно иметь решение приведенной выше задачи через известную удельную мощность нагревателя Вт/м2, исходя из чего можно получить все другие теплотехнические параметры (глубина и время прогрева в зависимости от мощности, от температуры наружного воздуха и начального распределения температур грунтового массива). Для этого с применением программного продукта ЕЬСИТ (профессиональная версия) были построены графики для определения температуры поверхности нагревателя в зоне контакта с мерзлым грунтом и времени прогрева промороженного грунтового основания в зависимости от удельной мощности нагревателя и теплофизических характеристик грунта.
На рис. 2 и 3 приведены примеры графиков для определения времени отогрева песка разной крупности (плотность р = 1400 кг/м3; влажность ю = 0,2; теплопроводность Хтал = 1,57 Вт/(м-°С), Хмер = 1,86 Вт/(м-°С); объемная теплоемкость Стал =1771 Вт/(м3-°С), Смер =1350 Вт/(м3-°С)).
1 - (-5 °С) 2 - (-10 °С) 3 - (-15 °С)
4 - (-20 °С) 5 - (-25 °с) 6 - (-30 °С)
Рис. 2. График для определения температуры поверхности термоэлектромата и времени прогрева песка разной крупности на глубину 30 см до 0 °С (в зависимости от удельной мощности термоэлектромата) при температуре поверхности грунтового массива -5, -10, -15, -20, -25, -30 °С, при толщине утеплителя (вспененного полиэтилена) 5 = 0,01м, Кпр = 3,4 Вт/(м2-°С), Я = 0,29 м2-°С/Вт
150
100
50
10 °С 0
-30
0 9 15
30
Рис. 3. График для определения времени прогрева песка разной крупности на различную глубину до 0 °С (в зависимости от удельной мощности нагревателя) при температуре поверхности грунтового массива -30 °С, толщине утеплителя (вспененного полиэтилена) 5 = 0,01 м, Кпр = 3,4 Вт/(м2-°С), Я = 0,29 м2-°С/Вт: 1 - 100 Вт/м2; 2 - 200 Вт/м2; 3 - 300 Вт/м2; 4 - 400 Вт/м2; 5 - 500 Вт/м2
Графики данного типа были построены для грунтов, имеющих различные теплофизические характеристики.
Следует отметить, что приведенные графики (рис. 2, 3) были построены в предположении, что между поверхностью нагревателя и промороженного грунтового основания имеется 100%-й тепловой контакт, которого в реальных условиях достичь очень сложно, поэтому построенные графики требуют уточнения в зависимости от практики реального применения.
Для расчета экономической целесообразности применения ТЭМ в практике отогрева промороженного основания можно использовать метод оценки организационно-технической надежности [2] работы ТЭМ, позволяющий спрогнозировать основные технико-экономические показатели технологии подготовки грунтов основания зданий к зимнему бетонированию конструкций фундаментов.
Библиографический список
1. Доленко, П.Д. Обогрев мерзлых массивов при бетонировании гидротехнических сооружений в зимних условиях: дис. ... канд. техн. наук: 5.23.07 / П.Д. Доленко. - Новосибирск, 1988. - 156 с.
2. Титов, М.М. Оценка организационно-технической надежности строительных машин при производстве бетонных работ / М.М. Титов, О.И. Недавний, С.М. Кузнецов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. -№ 1 - С. 196-205.
3. Молодин, В.В. Бетонирование монолитных строительных конструкций в зимних условиях: монография / В.В. Молодин, Ю.В. Лунев. - Новосибирск : Изд-во НГАСУ (Сиб-стрин), 2006. - 300 с.
4. Завалишина, Т.В. Энергосберегающая технология зимнего бетонирования строительных конструкций : монография / Т. В. Завалишина. - Новосибирск : НГАСУ, 2003. - 132 с.
5. Завалишина, Т.В. Энергосберегающий режим электрообогрева при зимнем бетонировании строительных конструкций / Т. В. Завалишина, С. Н. Шпанко // Изв. вузов. Стр-во. -2001. - № 9-10. - С. 65-75.
6. Попов, Ю.А. Методы решения актуальных научно-технических задач в строительстве : учебное пособие / Ю. А. Попов, Т. В. Богатырева, В. С. Лаптев. - Новосибирск : Изд-во НГАСУ (Сибстрин), 2006. - 212 с.
7. Лунев, Ю.В. Математическое моделирование процесса замерзания (оттаивания) связных грунтов / Ю.В. Лунев // Сб. трудов V «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии». - Новосибирск : изд-во ИТПМ СО РАН, 2005. - С. 50.
8. Лунев, Ю.В. Математическое моделирование процесса замерзания (оттаивания) связных грунтов / Ю.В. Лунев, О.А Шалгунова // Тр. НГАСУ. - 2005. - Т. 8. - № 1(31). - С. 33-45.
References
1. Dolenko P.D. Obogrev merzlykh massivov pri betonirovanii gidrotekhnicheskikh sooruzhenii v zimnikh usloviyakh [Heating frozen arrays for concreting waterworks in winter. PhD Thesis]. Novosibirsk, 1988. 156 p. (rus)
2. Titov M.M., Nedavnii O.A., Kuznetsov S.M. Otsenka organizatsionno-tekhnicheskoi nadezh-nosti stroitel'nykh mashin pri proizvodstve betonnykh rabot [Assessment of organizational and engineering reliability at concrete works]. Vestnik of Tomsk State Architectural University. 2013. No. 1. Pp. 196-205. (rus)
3. Molodin V.V., Lunev Yu.V. Betonirovanie monolitnykh stroitel'nykh konstruktsii v zimnikh usloviyakh: monografiya [Concrete casting of structures in winter conditions. Monograph]. Novosibirsk : NGASU (SIBSTRIN) Publ., 2006. 300 p. (rus)
4. Zavalishina T.V. Energosberegayushchaya tekhnologiya zimnego betonirovaniya stroitel'nykh konstruktsii : monografiya [Energy saving technology of concrete casing in winter conditions. Monograph]. Novosibirsk : NGASU Publ., 2003. 132 p. (rus)
5. Zavalishina T.V., Shpanko S.N. Energosberegayushchii rezhim elektroobogreva pri zimnem betonirovanii stroitel'nykh konstruktsii [Energy saving at concrete casing in winter conditions.]. News of Higher Educational Institutions. Construction, 2001. No. 9-10. Pp. 65-75. (rus)
6. Popov Yu. A., Bogatyreva T. V., Laptev V. S. Metody resheniya aktual'nykh nauchno-tekhnicheskikh zadach v stroitel'stve [Problem solution in construction]. Novosibirsk : NGASU (SIBSTRIN) Publ., 2006. 212 p. (rus)
7. Lunev Yu. V. Matematicheskoe modelirovanie protsessa zamerzaniya (ottaivaniya) svyaznykh gruntov [Mathematical simulation of freezing and thawing of binder soils]. Proc. All-Rus. Conf. 'Problems of mechanics: theory, experiment, and new technologies', Novosibirsk : Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS Publ., 2005. P. 50. (rus)
8. Lunev Yu.V., Shalgunova O.A. Matematicheskoe modelirovanie protsessa zamerzaniya (ottaivaniya) svyaznykh gruntov [Mathematical simulation of freezing and thawing of binder soils]. NGASU Publ. 2005 V. 8. No. 1(31). Pp. 33-45. (rus)
