Оценка эффективности теплоизоляции многолетнемерзлых грунтов

УДК 624.139.2: 622.271.7

Стетюха Владимир Алексеевич Vladimir Stetyukha

Рахвалова Наталья Викторовна Nataliya Rakhvalova

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

THE ESTIMATION OF THERMAL INSULATION EFFECTIVENESS OF PERMAFROST

Оттаивание многолетнемерзлых грунтов в основании зданий и сооружений нередко вызывает существенные изменения их свойств. Неравномерное изменение деформационных свойств грунтов может приводить к аварийным ситуациям. В работе исследуется один из способов увеличения надежности оснований. В качестве фактора воздействия рассматривается укладка теплоизолирующих материалов в массиве грунта на разной глубине.

Целью исследования является установление оптимальной глубины заложения теплоизоляции, обеспечивающей минимальную глубину оттаивания основания. Для оценки глубины оттаивания используется эффективная математическая модель. Она обеспечивает достоверное определение температуры и влажности в основании при техногенных факторах воздействия на высокотемпературные многолет-немерзлые грунты.

Приводимые в работе графические материалы позволяют давать количественную оценку влияния теплоизоляции на состояние грунтов оснований

Ключевые слова: основания, теплоизоляция, температура, оттаивание

Thawing of permafrost at the bases of buildings and structures often results in essential changes of its properties. Non-uniform change of deformation properties of soils can result in emergency situations. One of the ways of the bases reliability increasing is investigated in the article. The laying of heat-insulating materials in soil at different depths is considered as a factor of influence.

The purpose of research is the calculation of optimum depth of thermal insulation laying, providing the minimal depth of the basis thawing. The effective mathematical model for estimating the depth of thawing is used. It provides an authentic calculation of temperature and humidity of the basis in connection with the technogenic factors actions on high-temperature permafrost.

Graphic materials, presented in the article allow evaluating a quantitative influence of thermal insulation on the soil bases condition

Key words: bases, thermal insulation, temperature, thawing

Техногенные воздействия и глобальное потепление климата [9] часто приводят к увеличению глубины сезонного оттаивания, к деградации многолетнемерзлых грунтов. Неравномерное по глубине и в плане от-

таивание мерзлых грунтов может вызывать деформации оснований зданий и сооружений, приводящие к аварийным ситуациям. Высокотемпературные многолетнемерзлые грунты (ВММГ) в наибольшей степени

чувствительны к повышениям температуры. Необходимо обеспечивать достоверное моделирование поведения таких грунтов при неравномерных температурных воздействиях с целью принятия необходимых технических решений для сохранения грунтов в естественном природном состоянии.

Для сохранения естественного природного состояния грунта в него укладывают теплоизолирующие материалы. Укладку теплоизоляции применяют при строительстве автомобильных и железных дорог [5], в промышленном и гражданском строительстве [1] и горном производстве [3, 6, 8].

Для эффективного использования теплоизоляции необходимо подбирать опти-

мальную глубину размещения утеплителя

о /"Ч о

от дневной поверхности. С этой целью в работе определяется глубина оттаивания ВММГ при различном размещении теплоизолирующего материала толщиной 20 см в массиве грунта. Рассматриваются варианты размещения утеплителя на глубине 0,2 м; 0,6 м; 1 м и 1,4 м от дневной поверхности (рис. 1). Для теплоизоляции грунта (влажного суглинка) используется экстру-зионный пенополистирол «Пеноплэкс35» со следующими характеристиками: плотность у=33...38 кг/м3, удельная теплоемкость с0=1,6 кДж/кг °К, коэффициент теплопроводности Х=0,3 Вт/(м°С) [10].

Дневная поверхность

/////////////// //А

Вариант 1 Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

/// ////// ////// ////// ///

^ ///

е

чо

0.0 — 0.1 * 0.2 0.3 0,4 0.5 0.6 -0.7 0.8 0.9 1.0 -1.1 1.2

1.3

1.4 -

1.5

1.6

1.7

1.8 1.9 2.0

Рис. 1. Варианты размещения теплоизоляции

Глубина оттаивания грунта опреде- работе [7]. Перенос тепла и влаги в грунте ляется с использованием математической описывается дифференциальными уравне-модели тепломассообмена, изложенной в ниями:

ЗТ утс,-УУ + В,-8-УТ)-УТ | е-1 + _Ч+ • ^ 'Л, \дТ/ду); (1) дт с с  (1 -е) дт с-рЛ с  рЛ

У = в -УУ+в .¿.у2т-,/(1 -с).™.+К+д.ау.

т от оу

где Т — температура грунта, °С;

Ж — влажность грунта, % ;

у — координата, м;

т — время, с;

с — удельная теплоемкость грунта, Дж/ кгх°С;

е — критерий фазового перехода;

Ь — удельная теплота кристаллизации льда, Дж/кг;

— коэффициент диффузии влаги,

м2/с;

8 — термоградиентный коэффициент,

1/°С;

К у — коэффициент электроосмоса, м2/ (Вхчас);

и — напряжение, В;

Ьу — расстояние между рядами электродов, м;

а = А/(с  р^) — коэффициент температуропроводности, м2/с;

Я — коэффициент теплопроводности, Дж/(мхчх°с);

рл — плотность скелета грунта, кг/м3;

ЧУ — плотность внутренних тепловых источников или стоков тепла, Дж/(м3хч);

с„ — удельная теплоемкость воды, Дж/ (кгх°С);

Кк — коэффициент влагопереноса, м/с;

Qv — скорость электроосмотического переноса влаги, м/ч;

— плотность воды, кг/м3.

В разрешающих уравнениях учитываются перенос влаги, вызванный градиентом температуры, и теплопередача за счет диф-фузивного переноса влаги. Перенос влаги в зоне насыщения при ее наличии описывается известным уравнением фильтрации.

Уравнение теплового баланса используется в виде

дТ

л-^+(1 - 4?; (г)+^ (г)]- {*) - Чк (0 - Ч, 0") + Чв9 = О,

(т) — эффективное излучение наклонной поверхности, Дж/м2хс;

Чк (т), (т) и ч) - потоки тепла, связанные с конвективным переносом, испарением и электроосмосом соответственно, Дж/м2хс.

Уравнение баланса влаги формируется на основе выражений, приводимых в [2, 4]. В результате условия поступления влаги в грунт предлагается представить в виде

АЖТ = /кр - С, при I > /кр; ДЖКСЛ = X - 5 - Е - С, при I < I

(

С = - л

дЖ

5-

дТ

\

су 5у

- К„ --

кр :

К и

Ь„

При этом количество влаги, поступившей к поверхности I , и предельное количество влаги, способное впитаться за единицу времени I , определяются из выражений:

Чвз

I = X - 5 - Е; 1кр =

где А — альбедо поверхности;

ЧР (т) и ч1 (т) — тепловые потоки от прямой и рассеянной солнечной радиации на наклонную поверхность соответственно,

Дж/м2хс;

где X — приток влаги извне, включая техногенные источники, м/с;

С — интенсивность перемещения влаги под действием градиентов температуры, влажности, гравитационных сил и электрического тока, м/с;

5 и Е — интенсивности стока и испарения соответственно, м/с;

Чвз — предельная скорость впитывания за время Ат, определяемая по формуле И.А. Золотаря;

А Жксл — изменение содержания влаги в слое грунта, м/с.

Условия на границе слоев учитывают непрерывность влагосодержания, непрерывность потоков влаги и тепла, равенство температур. Разрешающие уравнения записываются в разностной форме.

Результаты определения глубины оттаивания с изменением температуры грунта в течение одного года для четырех вариантов размещения слоя теплоизоляции представлены на рис. 2, где приводятся графики распределения температуры по глубине в августе, октябре, декабре, феврале, апреле

и июне. Укладка теплоизоляции производится в середине июля. Графики, повторно отражающие распределение температуры в августе, соответствуют распределению температуры через год после начала наблюдений. Для каждого месяца приводятся по пять графиков: для вариантов 1...4 пре-

дусмотрена укладка теплоизоляции в соответствии с рис. 1, графики по варианту 0 получены при отсутствии теплоизоляции. На всех графиках по вертикальной оси откладывается глубина исследуемой толщи, по горизонтальной оси — температура грунта, С.

Август, вар. 0 - 4

Температура, °С 5 10

0,0 -

С У * Глубина, м

4 *

г / г \ Вар.0 Вар.1 Вар.2 Вар . 3 Вар.4

X 5 10

3,5 -

Декабрь, вар. 0 - 4

Температура, °С -10 -5

0,0 - 0,0 - 5 5 - Я1

0,5 - < 55 --

а Вар.0 Вар.1 Вар.2 Вар.3 Вар.4 ш ч N Ч N. Вар.0 Вар.1 Вар.2 Вар.3 Вар.4

X 5 из X 5 10 ч Ч

3,5 - 3,5 -

Февраль, вар. 0 - 4

Температура, °С -10 -5

Рис. 2. Графики распределения температуры грунта по глубине

-5

15

20

-15

-15

5

Как видно из графиков, в середине августа, через месяц после укладки теплоизоляции, разница в температурах грунта для всех вариантов остается незначительной.

В октябре с понижением температуры наружного воздуха под слоем теплоизоляции сохраняется более низкая температура грунта, чем в естественных условиях. Для варианта 1 такая зависимость наблюдается только на глубине более 1 м.

В декабре теплоизоляция замедляет промерзание грунта. Глубина промерзания для 1...3-го вариантов ограничивается слоями теплоизолятора. Для варианта 4, при размещении теплоизоляции на глубине 1,4 м, глубина промерзания не достигает слоя теплоизоляции.

В феврале утепляющая роль теплоизоляции становится еще более заметной. При варианте 1 глубина промерзания распространяется ниже слоя утеплителя и достигает 0,5 м. При варианте 2 граница промерзания размещается в слое теплоизоляции. При вариантах 3 и 4 она достигает слоев утеплителя, которые ограничивают ее дальнейшее распространение.

В июне и августе с повышением температуры наружного воздуха утеплитель ограничивает поступление тепла в грунт.

В июне для варианта 1 граница оттаивания достигает низа теплоизоляции, для вариантов 2, 3, 4 она ограничивается слоями теплоизоляции, размещаясь в их толще. При этом глубина заложения теплоизоля-

ции при варианте 4 остается больше глубины оттаивания в естественных условиях, так как слой, размещенный над теплоизоляцией, прогревается лучше.

В августе только при варианте 1 глубина оттаивания перемещается ниже слоя теплоизоляции. В остальных случаях (варианты 2, 3, 4) глубина оттаивания ограничивается слоями пенополистирола.

Очевидно, что при размещении утеплителя на большой глубине эффект ограничения глубины оттаивания снижается. По истечении одного года после укладки теплоизоляции только ее размещение по вариантам 1 и 2 позволяет сохранить отрицательную температуру грунта в приповерхностных слоях летом. При вариантах 3 и 4 глубина оттаивания остается близкой к естественным условиям, что указывает на нецелесообразность такого использования теплоизоляции.

Эффективность укладки теплоизоляции по вариантам 1 и 2 с точки зрения ограничения глубины оттаивания (промерзания) грунта можно оценить количественно по графикам, приводимым на рис. 3. Здесь по горизонтальной оси указаны месяцы, для которых проводятся результаты вычислений, по вертикальной оси — разность между глубиной оттаивания ( промерзания) под теплоизоляцией по вариантам 1 и 2 и глубиной оттаивания (промерзания) в естественном природном состоянии (вариант 0).

октябрь декабрь февраль апрель

август

1,2

—♦—отклонение варианта"! —— отклонение варианта 2

Рис. 3. Отклонение глубины оттаивания (промерзания) грунта под утеплителем по сравнению с естественными условиями

Как следует из рис. 3, при оттаивании грунта применение утеплителя указанной толщины позволяет повысить границу оттаивания грунта в июне на 0,65 и 0,45 м, в августе — на 1 и 0,8 м при укладке утеплителя на глубине 0,2 и 0,6 м соответственно.

Рациональное использование теплоизоляционных материалов обеспечивает сохранение температуры грунта в приповерхностных слоях и уменьшает диапазон ее колебаний. Наибольший эффект по за-

Литература_

1. Бек-Булатов А.И. Морозозащищенные фундаменты мелкого заложения // Строительные материалы. 2006. №6. С. 68-69.

2. Бондаренко Н.Ф. Физические основы мелиорации почв. Л.: Колос, 1975. 258 с.

3. Гончаров С.А., Бельченко Е.Л. Теплоизоляция талых золотоносных песков при условии допущения их промерзания на заданную глубину / / Горный информационно-аналитический бюллетень. 1998. №6. М.: МГГУ. С. 28-32.

4. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов. М.: Наука,1984. 230 с.

5. Использование синтетических изоляторов для сохранения мерзлотных условий в основании железнодорожной насыпи / Е.С. Ашпиз [и др.] // Криосфера Земли. 2008. Т. XII. №2. C. 84-89.

6. Разработка сезонномерзлых грунтов Восточной Сибири траншейными экскаваторами: монография / С. И. Васильев [и др.]. Красноярск: Сиб. федер. ун-т. 2010. 139 с.

7. Стетюха В.А. Оценка эффективности природоохранных технологий при ведении горных работ в условиях многолетнемерзлых пород // Известия вузов. Горный журнал. 2006. №6. С. 43-50.

8. Стетюха В.А. Тепловые и геомеханические процессы в неустойчивых геокриологических системах: монография. Чита: ЗабГУ, 2012. 158 с.

9. Стратегический прогноз изменений климата Российской Федерации на период до 2010-2015 г.г. и их влияния на отрасли экономики России, М.: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). 2005. URL: http://www.meteo.ru (дата обращения: 26.12.2012).

щите ВММГ от оттаивания достигается при укладке теплоизоляции вблизи от дневной поверхности. Из рассмотренных вариантов размещение утеплителя на глубине 0,2 м от поверхности является наиболее эффективным и позволяет уменьшить глубину оттаивания грунта на величину, составляющую около 1 м. Такой способ может быть использован для сохранения свойств грунтов оснований и повышения надежности возводимых зданий и сооружений.

_References

1. Bek-Bulatov A.I. Stroitelinye materialy. (Building Materials). 2006. no 6. P. 68-69.

2. Bondarenko N.F. Fizicheskie osnovy melio-ratsii pochv. (Physical Bases of Soil Reclamation). L.: Kolos, 1975. 258 p.

3. Goncharov S.A., Belichenko E.L. Gorny in-formatsionno-analiticheskiy byulleten. (Mining Information-Analytical Bulletin). 1998. no.6. Moscow: Moscow State Mining University. Р. 28-32.

4. Grechishhev S.E., Chistotinov L.V., Shur Yu.L. Osnovy modelirovaniya kriogennyh fiziko-geo-logicheskih protsessov. (Basics of modeling cryogenic physical and geological processes). Moscow: Nauka, 1984.230 p.

5. Ashpiz E.S. [i dr.]. Kriosfera Zemli. (Earth Cryosphere). 2008. V. XII. no. 2. P. 84-89.

6. Vasiliev S.I. [i dr.]. Razrabotka sezonnomer-zlyh gruntov Vostochnoy Sibiri transheynymi ekskava-torami: monografiya (Mining of seasonally frozen soils of Eastern Siberia by trench excavators: monograph). Krasnoyarsk: Sib. Feder. Un-t. 2010. 139 p.

7. Stetyuha V.A. Izvestiya vuzov. Gorny zhurnal. (News of high schools. mining journal). 2006. no.6. P. 43-50.

8. Stetyuha V.A. Teplovye i geomehanicheskie protsessy v neustoychivyh geokriologicheskih siste-mah: monografiya. (Thermal and Geomechanical Processes in Unstable Geocryological Systems: monograph). Chita: ZabGU, 2012. 158 p.

9. Strategichesky prognoz izmeneniy klimata Rossiyskoy Federatsii na period do 2010-2015 g.g. i ih vliyaniya na otrasli ekonomiki Rossii, M.: Federali-naya sluzhba po gidrometeorologii i monitoringu ok-ruzhayushhey sredy (Rosgidromet). 2005. (Strategic Prognosis for Climate Change in the Russian Federation for Period 2010-2015 and Its Influences on Different Sectors of Economy of Russia, M: Federal Service

10. ТУ 5767-006-56925804-2007 Плиты по-листирольные вспененные экструзионные ПЕНОП-ЛЭКС. URL: http://www.mkmgr.ru

for Hydrometeorology and Environmental Monitoring (Roshydromet). 2005). Available at: http: //www. meteo.ru (data obrashhenija: 26.12.2012).

10. TU 5767-006-56925804-2007 Plity polisti-rolinye vspenennye ekstruzionnye PENOPLEKS. (TU 5767-006-56925804-2007 Foamed Polystyrene Extrusive Plates PENOPLEX). Available at: http:// www.mkmgr.ru (date of access: 28.12.2012).

Коротко об авторах_

Стетюха В.А., д-р техн. наук, доцент, профессор каф. «Технология лесопереработки и механики», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия Тел.: 41-68-66

Научные интересы: проблемы горной теплофизики и геомеханики в Восточной Сибири, надежность оснований

_Briefly about the authors

V. Stetyukha, doctor of technical sciences, associate professor, professor, Technology of Wood Processing and Mechanics department, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: problems of mining thermo-phys-ics and geo-mechanics under conditions of Eastern Siberia, reliability of bases

Рахвалова Н.В., ст. преподаватель, каф. «Строи- N. Rakhvalova, senior lecturer, Building depart -

тельство», Забайкальский государственный универ- ment, Transbaikal State University, ситет, г. Чита, Россия Тел.: 31-61-22

Научные интересы: геомеханика, надежность Scientific interests: geo-mechanics, reliability of

оснований фундаментов foundation bases