книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

Рис. 3.34. Изменение температуры под острием одиночной энергоэффективной сваи на последний день отопительного периода

Рис. 3.35. Зона влияния работы одиночной энергоэффективной сваи

Рис. 3.36. Изменениетемпературынаглубине20,0 мотповерхностидляплитного энергоэффективногофундаментанапоследнийденьотопительногопериода

91

Рис. 3.37. Изменение температуры под основанием плитного энергоэффективного фундамента на последний день отопительного периода

Размер общей зоны влияния в плане от края плиты составляет ≈30,5 м, по глубине от основания плиты ≈30 м, что не превышает предварительно выбранных размеров численной модели.

Полученные на основе численного моделирования размеры активной и общей зоны влияния представлены на рис. 3.39.

Рис. 3.38. Зона влияния работы плитного энергоэффективного фундамента

92

Для оценки зоны влияния работы «стены в грунте» построены графики распределения температур на последний день отопительного периода (5-й годовой цикл) на глубине 5 м и по глубине под основанием «стены в грунте» (рис. 3.39 и 3.40).

Рис. 3.39. Изменение температуры на глубине 5,0 м от поверхности для «стены в грунте» на последний день отопительного периода

Рис. 3.40. Изменение температуры под основанием «стены в грунте» на последний день отопительного периода

На основе анализа графиков на рис. 3.39 и 3.40 можно выделить активную и общую зоны влияния работы «стены в грунте» при отборе тепла. Размер активной зоны в плане от боковой поверхности «стены в грунте» составил 15,5 м, по глубине от основания – 9,0 м.

93

Размер общей зоны влияния в плане от боковой поверхности «стены в грунте» составляет ≈36 м, по глубине от основания – 25,0 м, что не превышает предварительно выбранных размеров численной модели.

Рис. 3.41. Зона влияния работы «стены в грунте» при отборе тепла

Полученные на основе численного моделирования размеры активной и общей зоны влияния представлены на рис. 3.41.

3.3. Численное моделирование взаимодействия энергоэффективных фундаментов с окружающим грунтом

Цель численного моделирования – количественная оценка получаемой тепловой энергии от энергоэффективных фундаментов для различного типа в грунтовых условиях г. Перми. Для этого выявлены основные типы грунтовых оснований, характерных для г. Перми, проведены численные эксперименты, на основе которых получены уравнения регрессии.

3.3.1. Инженерно-геологические условия г. Перми

Согласно проведенным исследованиям в общем случае инженерногеологические условия г. Перми можно свести к двум типам. Первый основной тип представлен суглинком тугопластичным и гравийным

94

грунтом с песчаным заполнителем. Второй тип – песок средней крупности, ниже которого залегает гравийный грунт с песчаным заполнителем. Ниже гравийного грунта залегают малосжимаемые полускальные породы верхнепермских отложений. Наличие насыпных техногенных грунтов в исследованиях условно не учитывалось.

В табл. 3.19 и 3.20 представлены основные физические характеристики грунтов и мощность слоев для 1-го и 2-го типа грунтового основания.

Проведен сравнительный анализ строения и физических характеристик выделенных типов грунтовых оснований, характерных для г. Перми, с грунтовым основанием экспериментальной площадки.

Проведенный анализ показал, что экспериментальная площадка относится к первому типу грунтового основания. Напластования грунтов, мощность слоев и физические характеристики грунтов в целом со-

95

ответствуют данным, полученным С.В. Калошиной [13]. Отличием является наличие слоя насыпного грунта мощностью 6,0 м на экспериментальной площадке.

Таблица 3 . 2 0 Физические характеристики 2-го типа грунтового основания

Для проведения численного моделирования с учетом полученных данных приняты следующие два типа грунтовых условий:

–1-й тип представлен следующими грунтами сверху вниз: насыпной грунт мощностью 6,0 м; глина от полутвердой до текучепластичной мощностью 7,0 м; галечниковый (гравийный) грунт мощностью 4,6; коренные породы – аргиллит сильновыветрелый, сильнотрещиноватый.

–2-й тип представлен следующими грунтами сверху вниз: насыпной грунт мощностью 6,0 м; песок мелкий мощностью 7,0 м; галечниковый (гравийный) грунт мощностью 4,6; коренные породы – аргиллит сильновыветрелый, сильнотрещиноватый.

Инженерно-геологическое строение 1-го и 2-го типа грунтовых условий, принятых для выполнения численного эксперимента, приведено на рис. 3.42.

96

Для выполнения численного моделирования физические и теплофизические характеристики для выделенных ИГЭ-1 – ИГЭ-4 приняты на основании данных, полученных С.В. Калошиной [13] на экспериментальной площадке.

Физические характеристики для ИГЭ-5 принимались по средним значениям, приведенным в исследованиях [13]. Физические характеристики грунтов, принятые для проведения численного эксперимента, сведены в табл. 3.21.

Теплофизические характеристики для ИГЭ-5 определялись по СНиП 2.02.04–88 и расчетными методами.

Теплофизические характеристики грунтов, принятые для проведения численного эксперимента, сведены в табл. 3.22.

Таблица 3 . 2 2 Теплофизические характеристики ИГЭ-1 – ИГЭ-5

3.3.2. Планирование численного эксперимента

Цель численного эксперимента – выявление зависимости средней плотности теплового потока через поверхность контакта заглубленных конструкций ЭЭФ здания с грунтом от различных факторов. Поскольку получаемую тепловую энергию подразумевается использовать в целях отопления зданий, то средняя плотность теплового потока вычислялась для отопительного периода г. Перми. Продолжительность отопительного периода принята 229 дней: по СНиП 23-01–99* с 16 октября по 31 мая. Средняя плотность теплового потока определялась для последнего годового цикла моделирования.

С целью оптимизации количества численных расчетов и соблюдения предъявляемых к ним статистических требований выполнено математическое планирование проводимых численных экспериментов для каждого типа рассматриваемых конструкций и грунтовых условий:

–определены основные факторы, влияющие на среднюю плотность теплового потока через поверхность контакта конструкций ЭЭФ

сгрунтом, их пределы и количество уровней варьирования;

–выбран план проведения эксперимента и соответствующий ему вид уравнения регрессии для получения искомой зависимости;

98

– составлена матрица проведения эксперимента для выбранного плана.

Численный эксперимент выполнен для трех основных типов конструкций ЭЭФ контактирующих с грунтом: одиночной сваи, плитного фундамента и «стены в грунте».

Расчеты выполнены для двух основных типов грунтовых условий, характерных для г. Перми.

Значительное влияние на среднюю плотность теплового потока через поверхность контакта заглубленных конструкций здания с грунтом

( q ) оказывают следующие факторы:

–физические и теплофизические характеристики грунтов (влажность, теплопроводность, теплоемкость);

–геометрические параметры конструкции ЭЭФ;

–глубина заложения элементов.

Поскольку были определены два основных типа грунтовых условий с конкретными значениями физических и теплофизических характеристик грунтов, то первый фактор учитывался путем проведения численных расчетов и получения зависимости для каждого из этих типов. Поэтому основными факторами выбраны геометрические параметры и глубина заложения энергоэффективных фундаментов, а именно:

–для одиночной сваи: радиус сваи r и глубина заложения острия сваи d ;

–для плитного заглубленного фундамента: ширина фундамента b

иглубина заложения d ;

–для фундамента по схеме «стеныв грунте»: глубина заложения d . Толщина плитного фундамента и «стены в грунте» не влияют на

площадь контакта фундаментов с грунтовым массивом и при численном моделировании не учитывалась.

Для выбранных основных факторов определены границы варьирования (табл. 3.23).

На основе анализа графиков изменения плотности тепловых потоков (см рис. 3.27–3.29) было сделано предположение, что искомые зависимости для всех типов конструкций носят нелинейный характер, поскольку одним из основных факторов является их глубина заложения.

99

Таблица 3 . 2 3 Границы варьирования основных факторов

Исходя из высказанного предположения для всех типов конструкций ЭЭФ выбраны планы второго порядка, применяемые при изучении нелинейных зависимостей.

В этом случае для получения зависимости используется полное квадратичное уравнение регрессии, для k факторов имеющее вид

Для одиночной сваи и плитного фундамента применены двухфакторные планы. Уравнение регрессии при двух факторах принимает вид

Для стены в грунте применен однофакторный план. Уравнение регрессии при одном факторе принимает вид

Поскольку решалось квадратичное уравнение регрессии, было принято три уровня варьирования основных факторов (табл. 3.24).

По количеству выделенных основных факторов и уровней их варьирования построены матрицы проведения численного эксперимента. Для одиночной сваи и плитного фундамента матрицы построены как для двухфакторных трехуровневых планов, для стены в грунте – как для однофакторного трехуровневого плана.

Всего построено 6 матриц для трех типов конструкций и двух типов грунтовых условий. Построение матриц произведено при помощи программы STATISTIKA 6.0. Матрицы приведены в табл. 3.25–3.30.

100