книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

Рис. 3.7. Схема монтажа жгута с термопреобразователями в грунт: а – бурение скважины; б – установка жгута; в – извлечение обсадной трубы; г – обжатие жгута грунтом; 1 – бур; 2 – обсадная труба; 3 – жгут, прикрепленный к жесткой проволоке; 4 – гибкий жгут

Первоначально планировалась установка 21 термопреобразователя сопротивления с шагом 1,0 м на максимальную глубину 20 м. Однако при извлечении обсадной трубы произошло поднятие жгута на 1,0 м, поэтому фактически установлено 20 термопреобразователей на глубине от 0 до 19 м с шагом 1,0 м.

Жгут кабелей был подведен и подключен к регистрирующему прибору, который был установлен в лаборатории. Также к регистрирующему прибору был подключен термопреобразователь, фиксирующий температуру наружного воздуха.

После монтажа термопреобразователей непосредственно над ними на поверхности грунта был устроен технологический пристрой для выполнения работ по мониторингу УГВ в зимний период.

Для запуска системы мониторинга в рабочую оболочку регистрирующего прибора РТМ-59 вводились следующие исходные параметры:

–тип термопреобразователей;

–фактическое сопротивление термопреобразователей с учетом кабелей подключения;

–частота опроса и архивации показаний термопреобразователей.

61

Тип использованных термопреобразователей – 50М.

Фактическое сопротивление с учетом кабелей для подключения определялось при помощи функций самого регистрирующего прибора.

Частота опроса термопреобразователей задавалась 1 раз в 1 мин, архивации – 1 раз в 1 ч. В архив записывались средние показания термопреобразователей за период (1 ч).

После запуска система работает автономно. Запись данных производится в энергонезависимую память регистрирующего прибора.

Во время работы регистрирующий прибор РТМ-59 на экране отображает текущие значения фиксируемых параметров виде графиков или табличной форме. В любой момент возможна перезапись архивных данных на флэш-карту без остановки работы регистрирующего прибора.

Результаты мониторинга распределения температурных по-

лей в грунтовом массиве. Мониторинг распределения температурных полей в грунтовом массиве был начат в октябре 2008 года. Для выполнения дальнейших исследований проведен анализ распределения температурных полей для первого годового цикла.

Результаты мониторинга распределения температурных полей в грунтовом массиве в течение 1 года с октября 2008 по октябрь 2009 года представлены в табл. 3.12 и на диаграмме на рис. 3.8. Анализ результатов мониторинга показал:

–колебания температуры в грунтовом массиве начиная с глубины 6,0 м незначительны. Максимальное отклонение от средней температуры не превышает 0,24 °С;

–на глубинах 8 и 14 м наблюдаются увеличение (скачки) температур грунтового массива и увеличение амплитуд годовых колебаний, что свидетельствует о неисправности термопреобразователей на данных глубинах. Возможной причиной этого является деформация и разгерметизация термопреобразователей при установке. В дальнейшем при использовании данных мониторинга значения температур на этих глубинах не учитывались;

–температура грунтового массива начиная с глубины 6,0 м составляет 13–10 °С, постепенно уменьшаясь с увеличением глубины, причем до глубины 12,0 м – 12 °С, с 10 до 16 м – 11 °С, с глубины

16м – 10 °С;

–минимальная температура поверхности грунта составляет ≈5 °С, что обусловлено условиями размещения термопреобразователей.

62

Таблица 3 . 1 2

Результаты мониторинга распределения температуры в грунтовом массиве

Примечание: в таблице указана среднемесячная температура (°С).

63

Рис. 3.8. Диаграмма распределения температуры в грунтовом массиве по глубине

64

Результаты мониторинга температуры наружного воздуха.

Для дальнейшего анализа результатов мониторинга температуры наружного воздуха необходимо проанализировать архивные данные

(табл. 3.13, рис. 3.9).

Таблица 3 . 1 3

Среднемесячная температура наружного воздуха за период с января 1999 по декабрь 2007 года (http://meteo.infospace.ru)

Анализ данных, представленных в табл. 3.13 и на рис. 3.9, показывает, что годовые колебания температуры наружного воздуха носят системный характер, среднее отклонение составляет 5 °С, максималь-

ное – 8,9 °С.

65

Рис. 3.9. Диаграмма среднемесячной температуры наружного воздуха за период с 1999 по 2008 год

Для оценки влияния температуры наружного воздуха на колебания температуры в грунтовом массиве произведен мониторинг температуры наружного воздуха (табл. 3.14, рис. 3.10).

Таблица 3 . 1 4

Среднемесячная температура наружного воздуха за период с октября 2008 по сентябрь 2009 года

Рис. 3.10. Диаграмма среднемесячной температуры наружного воздуха за период с октября 2008 по сентябрь 2009 года

Анализ данных мониторинга температуры наружного воздуха (см. табл. 3.14 и рис. 3.10) показал, что среднемесячные температуры в целом соответствуют средним температурам, полученным при анализе архивных данных, среднее отклонение составляет 2,0 °С, максимальное – 4,6 °С.

3.1.4. Мониторинг изменения уровня грунтовых вод

Мониторинг изменения уровня грунтовых вод проведен путем устройства наблюдательной скважины.

Глубина скважины определена в зависимости от гидрогеологических условий площадки. При бурении скважин для установки термодатчиков и определения свойств грунтов встречены два горизонта грунтовых вод: первый – на глубине 2,4 м, водоупорным слоем которого является тугая глина на глубине 8,0 м; второй – на глубине 15 м.

Колебания уровня грунтовых вод фиксировались для первого горизонта. Исходя из расположения 1-го водоупорного слоя и установившегося горизонта грунтовых вод на отметке –2,4 м от поверхности планировки, глубина скважины назначена 7,5 м.

67

Устройство скважины произведено следующим образом:

–пробурена скважина под защитой обсадной трубы диаметром

126 мм;

–изготовлена металлическая труба диаметром 63 мм, длиной 8,0 м. Нижний конец трубы длиной 3,0 м изготовлен с перфорацией. Для предотвращения заиливания отверстий перфорированный наконечник обмотан сначала металлической сеткой с крупной ячейкой, затем металлической сеткой с мелкой ячейкой;

–изготовленная труба помещена в пробуренную скважину, после чего обсадная труба извлечена.

Схема устройства наблюдательной скважины приведена на рис. 3.11, фото смонтированной скважины – на рис. 3.12.

Рис. 3.11. Схема устройства наблюдательной скважины: а – бурение скважины; б – установка перфорированной трубы; в – извлечение обсадной трубы; г – обжатие перфорированной трубы; 1 – бур; 2 – обсадная труба; 3 – перфорированная труба

Для фиксирования уровня грунтовой воды в смонтированной наблюдательной скважине в верхней части внутри трубы установлен пластиковый блок, через который натянута струна с нанесенными делениями через 10 см. В саму скважину погружен поплавок с пригрузом, к которому прикреплен один конец струны. На другой конец струны прикреплен противовес (рис. 3.13).

68

Рис. 3.12. Фото смонтированной наблюдательной скважины

Рис. 3.13. Схема работы наблюдательной скважины: 1 – перфорированная труба; 2 – пластиковый блок; 3 – струна с нанесенными делениями; 4 – поплавок; 5 – пригруз; 6 – противовес

Изменение уровня грунтовых вод показано на рис. 3.14. Анализ результатов мониторинга показал, что средний уровень грунтовых вод составляет –2,53 м, минимальный в зимний период времени –3,15 м, колебания уровня грунтовых вод во времени незначительны. Максимальный перепад УГВ составляет 0,95 м.

69

Рис. 3.14. График изменения уровня грунтовых вод

3.2. Создание модели изменения температурных полей грунтового основания

Для того чтобы создать адекватную численную модель изменения температурных полей грунтового массива, необходимо изучить работу различных типов фундаментов по отбору тепловой энергии.

С этой целью произведен выбор программного комплекса для выполнения расчета получаемой тепловой энергии численными методами моделирования, создана численная модель изменения температурных полей грунтового массива, произведена ее оценка. На основании разработанной модели решены тестовые задачи для трех основных типов конструкций энергоэффективных фундаментов.

3.2.1. Выбор программного комплекса и его описание

Рассмотрены следующие основные программы, позволяющие проводить термодинамические расчеты: GeoStudio (Канада), COSMOS/M (Рос-

сия), ANSIS (США).

При выборе программного комплекса необходимо учитывать:

–многофазность системы грунта;

–климатические данные конкретного района (температура воздуха, влажность, количество осадков и др.);

70