PZ Syrvacheva (1227705), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Противопучинные мероприятия можно подразделить на две группы. К первой относятся мероприятия, снижающие интенсивность касательных и нормальных сил пучения, действующей на объект. Ко второй – мероприятия, повышающие устойчивость объекта в условиях действия на них сил морозного пучения грунтов. Часто применяют несколько противопучинных мероприятий, в том числе мероприятия из разных групп [23].

По продолжительности действия различают противопучинные мероприятия кратковременные (срок действия один – два года) и долговременные (срок действия свыше двух лет).

К противопучинным мероприятиям первой группы относятся:

• гидромелиоративные и тепломелиоративные;

• физико-химические (гидрофобизация и засоление грунтов).

К противопучинным мероприятиям второй группы относятся:

• конструктивные (применение анкерных устройств, балластировка трубопровода).

Гидромелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов у сооружений, сводятся к понижению уровня грунтовой воды и влагосодержания грунтов в пределах сезонномёрзлого слоя, к предохранению грунтов от насыщения поверхностными водами. Снижение обводненности промерзающего массива грунта в основании фундамента. Осушение грунтов строительной площадки за счет понижения уровня поверхностных вод осуществляется посредством устройства водосборных канав, лотков, траншей (открытого и закрытого типа), дренажей (мелкого и глубокого заложения), дренажных песчаных прослоек и т.п. Этот способ достаточно эффективен, но требует проведения дорогостоящих работ по устройству дренажной системы для отвода поверхностных и грунтовых вод.

Тепломелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов у сооружений, сводятся к укладке теплоизоляционного слоя из того или иного материала, обеспечивающего уменьшение глубины промерзания грунта у сооружения, повышение температуры промерзающего грунта и, как следствие, уменьшение действующей на сооружение суммарной силы выпучивания. Для этих целей теплоизоляционные материалы (шлак, керамзит, пенопласт и др.). Но следует тщательно подбирать теплоизолирующий материал, т. к. у большинства из них в условиях водонасыщения снижаются теплотехнические качества [24].

Физико-химические противопучинные мероприятия, применяемые для сооружений, сводятся к специальной обработке грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким (гидрофобным) и теряет свои пучинистые свойства, а также к насыщению грунта солевыми растворами, понижающими его температуру замерзания и тем самым способствующими уменьшению глубины промерзания грунта.

Гидрофобизацию грунтов производят жидкими нефтяными битумами, жидкими каменноугольными дёгтями, торфяными и нефтяными дёгтями и другими материалами. Применение обмазок и покрытий фундаментов, предотвращающих их смерзание с грунтом. Практика показывает, что полезное действие их является временным и ненадежным, так как многократное замерзание и оттаивание пучинистого грунта, контактирующего с обмазками, вызывает быструю потерю свойств смазочного материала.

Засоление грунтов относится к противопучинным мероприятиям кратковременного действия (один - два года), если грунты не защищены от воздействия поверхностных или грунтовых вод. Кроме кратковременности действия у этого способа есть и другие недостатки. Соли влияют на начальную структуру грунта, вследствие чего в дальнейшем грунт может оказаться более морозоопасным, чем до засоления. Кроме того, наличие солей повышает температуропроводность грунта. Наконец, засоление грунтов ускоряет разрушение строительных материалов, ускоряет их коррозию. Вследствие этого засоление как противопучинное мероприятие для мостов и водопропускных труб применять не рекомендуется.

Замена пучинистого грунта в основании фундамента на непучинистый. Этот способ достаточно эффективен, но нецелесообразен по экономическим соображениям, поскольку связан с большим объемом земляных работ. Кроме того, он осуществим только при на этапе строительства объекта.

Конструктивные противопучинные мероприятия в большинстве своём направлены на восприятие касательных сил пучения, действующих на сооружение. Данные мероприятия наиболее приемлемы как долгосрочные.

Конструктивные противопучинные мероприятия представляют собой устройства анкерных конструкций и балластирующих устройств. В зависимости от конкретных условий участка трассы трубопровода, характеристик грунтов, уровня грунтовых вод и схемы прокладки трубопровода применяются утяжеляющие грузы, охватывающие трубопровод по боковым образующим (типа УБО), опирающиеся на него, седловидные (типа УБК) и кольцевые и др. Закрепление трубопроводов в траншее на проектных отметках в талых грунтах может осуществляться с помощью винтовых или свайных раскрывающихся анкерных устройств, а в вечномерзлых грунтах - дисковых, винтовых и стержневых. Заанкеривания в талых или мерзлых грунтах, производят глубже сезоннопромерзающего слоя. Балластировка трубопроводов минеральными, склонными к самоуплотнению и самоупрочнению, грунтами засыпки траншеи может осуществляться на участках прогнозируемого обводнения, обводненных и заболоченных территориях, а также на переходах через болота с мощностью торфяной залежи, не превышающей глубины траншеи. Как правило, конструктивные мероприятия применяются при сооружении трубопроводов или капитальном ремонте [25].

На основании изученной литературы можно сказать, что существует четыре основные группы мероприятий, против сил морозного пучения: гидромелиоративные, тепломелиоративные, физико-химические и конструктивные.

3 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НЕФТЕПРОВОДА В ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ FEM MODELS

3.1 Описание программного обеспечения FEM Models модуль «Termoground»

Существуют универсальные программы, реализующие широкий круг теплотехнических задач – определение температурных полей и градиентов, тепловых потоков в строительных конструкциях. Эти программ ориентированы на расчет трехмерных изотропных и ортотропных твердых тел. Они позволяют рассчитывать стационарное состояние и переходные процессы в линейной и нелинейной постановке с моделированием следующих краевых и начальных условий: температура, тепловой поток, теплообмен путем конвекции и радиационного излучения с объемным тепловыделением. При решении теплофизических задач в геотехнике с помощью вышеперечисленных программ исследователи вводят в расчеты ряд искусственных приемов, которые искажают истинный характер распределения температурных полей [26].

Благодаря программам, реализующим метод конечных элементов, появилась возможность решать более широкий круг геотехнических задач точным методом. Одна из наиболее распространенных российских программ является «FEM Models» .

Программный комплекс «FEM models », разработанный сотрудниками НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект» под руководством профессора Улицкого В.М., позволяет выполнять численное моделирование напряженно-деформированного состояния армогрунтовых конструкций. Решение задач производится в пространственной постановке [27].

В библиотеке моделей программного комплекса содержатся различные модели грунтов – от простейших упруго-пластических до весьма сложных реологических, учитывающих особенности поведения слабых глинистых грунтов при нагружении. Очень важным достоинством является возможность выполнения совместных расчетов сооружения и основания.

Разработан модуль программного комплекса, позволяющий решать трехмерные теплофизические задачи для сооружений и их оснований (автор профессор С.А. Кудрявцев), в частности определять параметры противопучинных конструкций или моделировать напряженно-деформируемое состояние вечномерзлых грунтов. Математическая модель «Termoground» позволяет анализировать процессы промерзания, морозного пучения и оттаивания по установившимся температурным и влажностным полям. Программный модуль «Termoground» был реализован в программном комплексе «FEM models» [27].

Для исследования теплотехнических задач в программном модуле «Termoground» в основу математической модели теплофизических процессов принята модель промерзающего, оттаивающего и мерзлого грунта предложенная Н.А.Цытовичем и Я.А.Кроником, исходящая из принципов равновесного состояния фазовых переходов воды в грунте в интервале отрицательных температур, которая учитывает механические и физико-химические процессы, физико-механическое состояние и переменность характеристик грунтов в зависимости от изменения их температуры и напряженно-деформированного состояния и потому может быть названа термомеханической моделью промерзания-оттаивания грунта. Эта модель позволяет учитывать изменение тепловой энергии, сохраненной в грунте в процессе промерзания-оттаивания с изменением температуры грунта [28] [29].

Эта модель включает четыре зоны с соответствующими температурными интервалами, в которых теплофизические и термодинамические параметры грунта изменяются по определенным закономерностям.

1 Зона талого и переохлажденного (ниже 0°С) грунта с диапазоном температур от положительной до температуры начала замерзания грунта, соответствующей началу замерзания свободной поровой влаги в крупных порах.

2 Зона замерзания (оттаивания) свободной поровой воды (в основном, в крупных порах) или зона максимальных фазовых переходов в промерзающих (оттаивающих) грунтах с диапазоном температур от начала замерзания грунта до температуры начала замерзания связанной воды.

3 Зона замерзания (оттаивания) связанной поровой воды, или зона промерзающего (оттаивающего) грунта, с интервалом температур от начала замерзания грунта до температуры практически мерзлого состояния грунта, близкого к полному замерзанию рыхлосвязанной влаги, когда количество незамерзшей воды весьма близко к количеству прочносвязанной воды.

4 Зона практически мерзлого грунта с температурой от практически мерзлого состояния грунта и ниже.

Модель грунтовой среды в процессе промерзания-оттаивания передает тепло из областей с высокой температурой в области с более низкой и наоборот в зависимости от времени года. Для талой грунтовой среды теплопроводность может быть принята постоянной без заметной ошибки в большинстве инженерных расчетов. Однако для мерзлого грунта теплопроводность существенно зависит от содержания незамерзшей воды, которое является также функцией температуры. Теплопроводность грунта при замерзании грунта повышается и уменьшается при оттаивании грунта. В программном модуле «Termoground» теплопроводность выражена как функция изменения температуры [29].

Задачи оценки деформаций морозного пучения при промерзании отличаются большой сложностью. При их решении необходимо устанавливать поля температур в массиве, объем притекающей к фронту промерзания влаги и НДС в области решения задачи. Рассмотрим кратко реально действующие факторы и возможные пути их схематизации в расчетах [28].

1. Морозное пучение грунта происходит при развитии в массиве поля отрицательных температур, вызывающих замерзание грунтовой влаги. Образование льда сопровождается выделением тепла кристаллизации. Точка перехода воды в лед, соответствующая нулевой температуре, соответствует чистой воде. В водонасыщенных грунтах замерзание воды при 0⁰С характерно для крупнозернистых грунтов и ограничивается песками средней крупности. Для всех остальных грунтов, содержащих связанную воду, ее замерзание происходит в некотором интервале температур, вплоть до нескольких градусов ниже нуля. Таким образом, строгое решение температурной задачи промерзания водонасыщенного связного грунта заставляет учитывать теплоту фазовых переходов в так называемом спектре отрицательных температур.

2. Миграция влаги к фронту промерзания происходит под действием совокупности многих сил, физическая сущность которых к настоящему времени не вполне ясна. При расчете объема мигрирующей к фронту влаги формально можно исходить из термодинамических соображений.

3. Напряженно-деформированное состояние промерзающего грунта предполагает описание его поведения той или иной моделью. Такая модель может быть простейшей, а именно линейно упругой. Кроме того, модель может быть упругопластической (Кулона-Мора), а также моделью упрочняющегося грунта. Последняя, на первый взгляд, представляется наиболее естественной, так как прочностные и деформационные характеристики грунта значительно возрастают при промерзании.

3.2 Система уравнений метода конечных элементов для решения теплофизических задач

Математическая модель «Termoground» позволяет анализировать процессы промерзания, морозного пучения и оттаивания по установившимся температурным и влажностным полям [28].

Процессы промерзания-оттаивания описываются уравнением теплопроводности для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве следующим уравнением.

(3.1)

где С_th(f) – удельная теплоемкость грунта (талого или мерзлого); _d – плотность сухого грунта; Т – температура; t – время; λ_th(f)– теплопроводность грунта (талого или мерзлого); x, y, z – координаты; q_V – мощность внутренних источников тепла.

Это уравнение позволяет определять величины входящего и выходящего теплового потока из элементарного объема грунта, оставляя основной поток объема грунта в точке во времени равным изменению величины теплооборотов.

Характеристики

Список файлов ВКР