О расчетах свайных фундаментов в криолитозоне при использовании термостабилизаторов

Сахаров И.И., Кудрявцев С.А., Парамонов В.Н. О расчетах свайных фундаментов в криолитозоне при использовании термостабилизаторов//Academia. Архитектура и строительство. – 2024. – № 4. – С. 134–140. – DOI: 10.22337/2077903820244134140.

Введение

Многолетнемёрзлые грунты в России, составляющие криолитозону, занимают около двух третей от площади территории страны. Значительный процент от этой территории приходится на высокотемпературные грунты, находящиеся в пластично-мерзлом состоянии. Ввиду развивающегося глобального потепления, особенно явно проявляющегося на Севере и в Сибири Российской Федерации, площадь распространения пластично-мёрзлых грунтов в стране будет возрастать.

В настоящее время при устройстве фундаментов зданий и сооружений в криолитозоне наиболее часто используются сваи. Расчёт таких фундаментов производится по первому и второму предельным состояниям. Для расчёта несущей способности свай необходимо знание значений температуры околосвайного пространства. Расчёт осадок свайного фундамента по действующим СП 25.13330.2020. Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах» (1) должен производиться как для свайных фундаментов в обычных немёрзлых грунтах. При этом предыдущий нормативный документ – СНиП 2.02.0488 – предписывал определять осадку кустов свай «с определением условного фундамента». Таким образом, расчёт осадки свайных фундаментов в пластично-мёрзлых грунтах, так же как и в обычных условиях, предполагает введение в расчётную схему габаритов условного фундамента. Последние десятилетия освоения Севера характеризуются широким применением термостабилизаторов или сезонно-охлаждающих устройств (СОУ). В случае свайных фундаментов СОУ располагаются «возле свай» (приложение Р СП 25.13330.2020 (2)). При этом расположение СОУ относительно свай конкретно не оговаривается.

(1) СП 25.13330.2020 «СНиП 2.02.0488 Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах» (https://www.minstroyrf.gov.ru/upload/iblock/689/ SP25.pdf).
(2) Там же

Как известно, при включении в работу СОУ вокруг них и близко расположенных свай формируется зона твёрдомерзлого грунта. Несущая способность свай, как уже отмечалось, определяется, в первую очередь, значениями отрицательных температур грунта, окружающего сваю. В связи с этим знание этих температур в проектировании необходимо, однако оценка распределения температур в около свайном пространстве и его эволюция вокруг СОУ при использовании Приложения Р СП 25.13330.2020 неосуществимы.

Сезонно действующими охлаждающими установками (СОУ, термостабилизаторы, термосифоны, тепловые трубы и т.д.) принято называть устройства, выносящие тепло из грунта в атмосферу в зимний период. В строительстве применяются два типа СОУ:

– однофазные СОУ, работающие за счёт конвективного теплообмена (теплоноситель – воздух либо незамерзающие жидкости);

– двухфазные (парожидкостные) СОУ, работающие за счёт теплоты фазовых переходов (теплоноситель – легкокипящие жидкости).

Под руководством Акционерного общества «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (АО ЦНИИС) с 1971 года Тындинская Мерзлотная станция более десяти лет проводила изучение тепловой эффективности СОУ на полигоне в Сковородино, затем исследования были продолжены на полигоне в Тынде [1].

Экспериментально получены радиусы теплового влияния одиночных СОУ в природно-климатических условиях северного Приамурья тех лет (табл. 1).

При расчёте осадок свайного фундамента в случае использования термостабилизаторов возникает вопрос о габаритах условного фундамента, так как присутствие СОУ, очевидно, вносит существенные возмущения в его размеры. Следует заметить, что несмотря на наличие эффективно работающих СОУ, осадки свайных фундаментов многоэтажных зданий в пластично-мёрзлых грунтах могут достигать нескольких сантиметров и, следовательно, должны обязательно учитываться. Таким образом, рациональное проектирование свайных фундаментов при использовании СОУ требует определения температур в околосвайном пространстве и конкретизации габаритов условного фундамента. Очевидно, решение этих задач требует привлечения численных методов, так как работа СОУ изменяется во времени, будучи напрямую связанная с эволюцией температур воздуха, окружающего конденсаторы термостабилизаторов. Ниже излагается решение подобной задачи с использованием известной программы «Termoground» [2].

Численное моделирование процессов промерзания и оттаивания

Постановка задачи

Рассмотрим вариант температурного и деформационного расчёта свайного фундамента на пластично-мерзлых грунтах с термостабилизаторами.

В расчётах принят четырёхсвайный фундамент (рис. 1). Диаметр свай 325 мм (для упрощения принято квадратное сечение свай), длина свай 10 м. Ростверк в теплотехнических расчётах не учитывался. Рассмотрен свайный куст с четырьмя СОУ длиной 10 м.

Ввиду симметрии расчётной схемы в двух направлениях в расчётах рассмотрен левый верхний квадрант (рис. 2).

Размеры численной расчётной области исследования для расчёта температурных полей приняты следующими: в плане 4,5×4,5 м, высота схемы – 15 м. Таким образом, под сваями имеется ещё 5 м грунта. В расчётах принят грунт типа суглинок с влажностью 0,387 и температурой начала замерзания –0,6 °С. Начальная температура грунта 0,1°С, модуль деформации в исходном состоянии Е = 10 МПа; материал свай – железобетон. Расчёт выполнялся на период два года, начиная с первого тёплого месяца – июня. Четыре первых месяца (июнь-сентябрь) имеют положительную среднемесячную температуру. Время разбито по месяцам. Температура воздуха по месяцам принята по данным метеостанции в п. Таналау. Время температурного расчёта на распространённом компьютере средней мощности составило 18 часов.

Решение задачи

А. Температурные расчёты

Покажем области замерзания грунта на разные месяцы для сечения 1–1 (рис. 3).

На рисунке 4 показаны результаты расчётов на разные месяцы в виде зон мёрзлого грунта (голубой цвет). В октябре зоны мёрзлого грунта вокруг СОУ не доходят до свай. Диаметр зон мёрзлого грунта вокруг СОУ в ноябре составил 1,2 м, в декабре – 2,1 м.

На рисунке 5 в качестве примера показаны характерные изолинии и эпюры распределения температур в горизонтальной плоскости в разные моменты времени работы СОУ (октябрь и ноябрь).

На рисунках 6 и 7 выделены элементы замороженного вокруг СОУ грунта на второй и на четвёртый холодные месяцы (на ноябрь и на январь). Замороженным является грунт с температурой ниже температуры начала замерзания (ниже минус 0,6 °С). Рисунки приведены в двух вариантах – с указанием разбивки на конечные элементы и с разбивкой.

Характер распределение температур в теле свай при работе СОУ показан на рисунке 5.

Ниже приведены графики температур по длине сваи в разные месяцы (см. рис. 7).

Б. Деформационные расчёты

Для оценки изменения напряжённодеформированного состояния увеличены размеры расчётной области в плане – 37×37 м. Мощность слоя – 20 м (на 10 м ниже острия свай). Это необходимо для снижения влияния границ расчётной схемы на результаты расчётов. Рассмотрена полная схема без выделения квадранта расчётной схемы. Расчётная схема без разбивки и с разбивкой на конечные элементы приведена на рисунке 8.

На рисунке 9 приведены изолинии и эпюры осадок свайного фундамента в разные моменты времени. Изолинии осадок до начала действия СОУ (рис. 9 а) имеют смысл для сравнения размеров условного фундамента при действии только трения и трения в сочетании с работой СОУ.

Результаты численного моделирования мёрзлых оснований свайного фундамента

Численные расчёты позволяют установить распределение температур вокруг свай в любой момент времени. Это даёт возможность определить несущую способность свай и, следовательно, выполнить расчёт свайного фундамента по первой группе предельных состояний. При расчётах осадок численное моделирование позволяет очертить габариты условного фундамента, что, однако, не является обязательным, так как расчёт даёт и значения осадок свайного фундамента. Заметим, что присутствие СОУ способно существенно изменить размеры условного фундамента (рис. 11) и, следовательно, снизить величину осадок, что будет иметь смысл в сильнодеформированных пластично-мёрзлых грунтах.

Как следует из результатов расчёта, действие СОУ наиболее эффективно в приближенных к атмосфере верхних горизонтах, сильно снижаясь с глубиной. Это позволяет существенно сократить длины испарителей, которые до настоящего времени обычно принято было задавать равными длинам свай [3]. Обсуждая возможность определения распределения температур вокруг свай практически в любой момент времени, следует указать, что принимать за расчётное распределение максимальные температуры нецелесообразно, так как эти температуры действуют в течение непродолжительного времени и не постоянно, а периодически [3–7].

Другим следствием численных расчётов является возможность определения температурных полей вокруг окружающего групп СОУ свайных фундаментов. А это, в свою очередь, позволяет оценивать деформации (например, морозного пучения) в окрестностях пятна застройки. Последнее может оказаться полезным при оценке поведения у здания дорог и инженерных коммуникаций.

В заключение необходимо подчеркнуть, что численные температурные расчёты, являющиеся в криолитозоне основой для расчёта напряжённо-деформированного состояния в системе «фундамент – основание», основываются на прогнозах температуры воздуха, что не может быть полностью достоверным. В связи с этим таким расчётам не следует приписывать абсолютную точность, однако в настоящее время какие-либо другие подходы пока нереализуемы.

Выводы

Результаты расчёта температурных полей свайных фундаментов, расположенных в зоне распространения многолетнемёрзлых грунтов, позволят корректнее оценивать несущую способность свай и осадок фундамента. Это позволяет увеличить жизненный цикл зданий и сооружений.

1. Выполнение численного моделирования мёрзлых грунтов позволяет установить все температурные и деформационные параметры в системе «свайный фундамент – мёрзлое основание» в случае применения СОУ.

2. Выполненные расчёты показывают, что влияние СОУ с глубиной резко снижается, что позволяет сократить длину их испарительных частей, ограничиваясь несколькими метрами.

3. Осадки свайного фундамента могут быть снижены за счёт увеличения размеров условного мёрзлого фундамента, что достигается отнесением СОУ от нейтральных осей.

Список источников

1. Гаврилов, И.И. Техническая надёжность и эффективность сезонно действующих охлаждающих установок / И.И. Гаврилов, И.В. Hoскoв, В.Н. Шемелин. – Текст : непосредственный // Путь и путевое хозяйство. – 2023. – № 3. – С. 16–20.

2. Улицкий, В.М. Расчёт системы «основание – сооружение» при промерзании и оттаивании грунтов с помощью программы «Termoground» / И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов, С.А. Кудрявцев. – Текст : непосредственный // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2015. – № 5. – С. 3– 7.

3. Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) / Б.И. Далматов ; 2е изд. перераб. и доп. – Ленинград : Стройиздат, Ленинградское отделение, 1988. – 415 c. – Текст : непосредственный.

4. Кудрявцев, С.А. Промерзание и оттаивание грунтов. Практические примеры и конечноэлементные расчёты / С.А. Кудрявцев, И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов. – СанктПетербург : Геореконструкция, 2014. – 248 с. – Текст : непосредственный.

5. Кудрявцев, С.А. Создание условий нормативного состояния деградирующих многолетнемёрзлых оснований зданий и сооружений Дальневосточного федерального округа и Арктики / С.А. Кудрявцев, И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов. – Текст : непосредственный // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2021 году : Научные труды РААСН : В 2 томах : Том 2. –Москва : АСВ, 2022. – С. 157–164.

6. Кудрявцев, С.А. Геотехнический мониторинг инфраструктуры железных дорог Дальнего Востока России в условиях деградации многолетнемерзлых грунтов / Т.Ю. Вальцева, К.Б. Ушерович [и др.]. – Текст : непосредственный // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2022–2023 годы : Научные труды РААСН : В 2 томах : Том 2. – Москва : АСВ, 2024. – С. 241–250.

7. Гаврилов, И.И. Numerical Modeling of the Process Of Degradation Of Permafrost Soils of the Base of the Railway Roadbed in the Area of Passage of Construction Equipment / С.А. Кудрявцев, Т.Ю. Вальцева – Текст : электронный // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. – 2023. – № 19 (3). – С. 31–38. URL: https:// ijccse.iasv.ru/index.php/ijccse/ article/ view/699/373 (дата обращения 5.08.2024).

Авторы

Сахаров Игорь Игоревич (Санкт-Петербург). Доктор технических наук, профессор. Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева (Россия, 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, д. 21. ВНИИГ им. Веденеева). Эл. почта: i.sakharov2014@yandex.ru

Кудрявцев Сергей Анатольевич (Хабаровск). Доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН. Кафедра «Мосты, тоннели и подземные сооружения» Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС). (Россия, 680021, Хабаровск, ул. Серышева, д.47. ДВГУПС). Эл. почта: оlgakudr56@mail.ru

Парамонов Владимир Николаевич (Санкт-Петербург). Доктор технических наук, профессор. Кафедра «Основания и фундаменты» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I (СГУПС). (Россия, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9. ПГУПС). Эл. почта: parvn@georec.spb.ru