| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Министерство строительства предприятий тяжелой Проектный и научно-исследовательский институт ПРАКТИЧЕСКОЕ
РУКОВОДСТВО Красноярск 1976 В Руководстве освещаются практические методы определения температурных полей оснований, а также обуславливающих их составляющих внешнего теплообмена и теплофизических характеристик. Знание этих величин необходимо для проектирования фундаментов в соответствии с главой СНиП II-Б.6-66 «Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах». Руководство предназначается для изыскателей и проектировщиков, связанных с работой в районах с вечномерзлыми грунтами и глубоким сезонным промерзанием. Руководство написано канд. геогр. наук А.А. Коноваловым. В составлении II раздела принимали участие канд. физ.-мат. наук А.Г. Конюшенко и инж. Л.А. Наумова. ВВЕДЕНИЕОдним из основных этапов проектно-изыскательских работ в районах с вечномерзлыми грунтами или глубоким сезонным промерзанием (южная граница этих районов проходит примерно по изолинии среднегодовой температуры воздуха минус 1 °С) является производство тепловых расчетов, связанных с определением температурных полей грунта или обуславливающих его величин - составляющих внешнего теплообмена и теплофизических характеристик грунта. Методика большей части этих расчетов изложена в соответствующих нормативных документах. Однако практика и дальнейшее развитие теории ставят перед проектировщиками новые задачи в области тепловых расчетов, прикладное решение которых раньше не являлось первой необходимостью. Например, для расчета несущей способности грунтового основания по существующей главе СНиПа II-Б.6-66 достаточно знать его стационарное (предельное, при стремлении времени к бесконечности) температурное поле. В то же время известно, что предельно-длительные сопротивления мерзлого грунта зависят от температуры, изменяющейся во времени. Но поскольку не было известно, как учитывать при определении сопротивлений изменение температуры во времени, не возникало потребности в расчете нестационарных температурных полей в основаниях зданий и сооружений. В настоящее же время, когда получено [1] уравнение для предельно-длительных сопротивлений, в которое температура входит как функция времени, появилась необходимость в разработке методов расчета нестационарных температурных полей. Представляется также важным на базе существующих решений создать унифицированную, максимально приспособленную для практического применения методику расчета температурных полей грунта под естественными и искусственными тепловыми источниками (или стоками) наиболее типичных геометрических форм и режимов теплообмена. В настоящем Руководстве предпринята попытка отработки такой методики. Руководство состоит из 6 разделов с приложениями. В I разделе приводится перечень исходных и искомых величин, их условных обозначений. Для искомых величин указывается номер пункта, в котором излагается способ их определения. Следует отметить, что одни и те же переменные могут быть как исходными, так и искомыми величинами, это зависит от условий конкретной задачи. Поэтому в перечне не проводится грани между исходными и искомыми величинами. Методика определения стационарных и нестационарных температурных полей грунта (в том числе с учетом фазовых превращений грунтовой влаги, возбуждаемых тепловыми источниками различной конфигурации) освещается во 2 и 3 разделах Руководства. Необходимость в определении стационарных полей возникает при установлении расчетных (наихудших) условий проектирования фундаментов на мерзлых грунтах, используемых по принципу I (СНиП II-Б.6-66); при вычислении предельной глубины оттаивания; при расчете температур под естественными источниками (водоемами, различными типами местности и т.д.). Стационарные (предельные) температуры, кроме того, в любом случае, определяется в качестве исходных величин при расчете нестационарных температурных полей. Нестационарные температурные поля определяются для расчета предельно-длительных сопротивлений мерзлого грунта с учетом меняющейся во времени температуры, определения осадок оттаивающих оснований при расчете фундаментов по принципу II, прогнозирования изменения температурного режима грунтов на осваиваемой территории и т.п. Инженерные сооружения, водоемы, участки с измененными условиями теплообмена на поверхности и др., в дальнейшем для краткости именуемые тепловыми источниками, обычно имеют правильную (симметричную относительно центральной оси) геометрическую форму. Если исключить некоторые частности, то все разнообразие встречающихся конфигураций таких источников можно разбить на три группы: а) наземные (поверхностные) источники в форме бесконечной полосы, прямоугольников с различными соотношениями длины и ширины, круга; б) их заглубленные или приподнятые над общей поверхностью грунта аналоги в форме, соответственно, горизонтального бруса бесконечной длины, три грани которого находятся в грунте, - для заглубленного аналога, или - лежат выше общей поверхности грунта - для приподнятого аналога (к таким сооружениям относятся, например, здания на подсыпках, дорожные насыпи и т.п.); такого же бруса, но конечной длины (параллелепипеда); вертикальной трубы конечной длины; в) источники в форме горизонтальной трубы или бруса квадратного сечения, полностью находящиеся в грунте. Учитывая относительно небольшие сроки возведения сооружений по сравнению с продолжительностью их службы, процесс установления граничных условий на поверхности контакта сооружения с грунтом (ограничивающей поверхности) можно считать практически мгновенным. При этом обычные для систем «атмосфера-грунт» или «инженерные сооружения - грунт» граничные условия третьего рода (когда задается температура теплоносителя) удается заменить на граничные условия первого рода (когда известной величиной является температура ограничивающей поверхности), обеспечивающие более простое решение. Исследования института «Красноярский промстройниипроект» показали, что под центрами источников перечисленных конфигураций нестационарные температурные поля удовлетворительно подчиняются уравнению, выведенному Лахенбрухом [2] для центра круглого поверхностного источника. где θ и θпр - относительные (избыточные) температуры, соответственно нестационарная и стационарная;
α - коэффициент температуропроводности; y - глубина, считая от низа источника; τ - время. Это видно из табл. 1, в которой приведены значения θ для двух крайних из рассматриваемых случаев, когда верхнее граничное условие - температура θ = 1 - задана на части поверхности, имеющей форму круга и полосы. В первом случае температуры рассчитывались по формуле (1), во втором - по опубликованной в [13]. Таблица 1 Значения Q в зависимости от Qпр и F0 для центров полосы (числитель) и круга (знаменатель)
Однотипность нестационарных температурных полей под центрами источников различной формы и сравнительная простота описывающего их уравнения открывают большие возможности для решения задач о более сложными условиями однозначности. В частности, на основе уравнения (1) получено приближенное решение задачи типа Стефана для двух - и трехмерного случаев [4] (см. п.п. 3.6 - 3.7 Руководства), при единственном допущении, заключающемся в следующем: при отыскании производной глубины промерзания (оттаивания) по времени принято, аналогично [5] и по расчетам, что предельное температурное состояние в промерзающем (оттаивающем) грунте наступает практически мгновенно. Основной исходной величиной в уравнении (1), отражающей влияние формы источника и нуждающейся в определении, является безразмерная стационарная температура θпр. Решение стационарных температурных полей в Руководстве даны для поверхностных источников и горизонтальной трубы в грунте. Стационарные температурные поля заглубленных и приподнятых источников определяются по формулам и графикам для поверхностных источников, только вместо координат реальной плоскости x, y подставляются координаты вспомогательной полуплоскости ξ, v на которой прямоугольные поперечные сечения заглубленных и приподнятых источников - бесконечного бруса, параллелепипеда и вертикальной трубы - конформно отображаются на поперечные сечения (линия на полуплоскости) своих поверхностных аналогов - полосы, прямоугольника и круга. Решения представлены в окончательном, удобном для практического использования виде (графиков, таблиц), с промежуточными выкладками можно ознакомиться в [2 - 6]. Основные расчетные формулы даны в приложении 1. Графики для стационарных температурных полей в системе «термосвая-грунт» (конвективный теплообмен жидкого теплоносителя в термосвае учитывается методом эквивалентной теплопроводности) и нестационарных температурных полей получены путем обобщения результатов расчетов на электро- и гидроинтеграторе. Графики для определения положения фазовой изотермы во времени (рис. 7 - 11) построены при допущении а2/а1 = 1 и В 4 - 6 разделах Руководства изложена методика определения исходных величин для расчета температурных полей грунта - составляющих внешнего теплообмена и теплофизических характеристик грунта (и коэффициента эквивалентной теплопроводности жидкого теплоносителя в термосвае). При составлении этих разделов ставилась цель - свести к минимуму количество исходных данных, определяемых в полевых и лабораторных условиях, т.е. упор делался на более доступные проектировщикам косвенные (расчетные) методы определения, основывающиеся на данных метеостанции и справочном материале. Методика определения некоторых вспомогательных данных вынесена в приложение. В приложении приводятся также примеры расчета, помогающие лучшему пониманию излагаемой методики. 1. ИСХОДНЫЕ И ИСКОМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ, ИХ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯКоординаты параметры (размеры в м, время в час) x и y - соответственно, горизонтальная и вертикальная координаты пространства, отсчитываемые от центра координат, расположенного под краем теплового источника (или под его центром - в задачах раздела 3 и в решении для горизонтальной трубы в грунте в разделе 2, а также в формулах приложения 1); r - радиальное расстояние от центра источника (для круга и цилиндра) до точки, в которой определяется температура; yц - глубина под центром источника, отсчитываетcя от его низа (за вычетом мощности слоя сезонного промерзания и оттаивания - для поверхностных источников); ξ - глубина промерзания или для бесконечного цилиндра - радиус промерзания; b и l - ширина и длина источника; r0 - радиус круга или цилиндра; rтр - радиус горизонтальной трубы; rиз - внешний радиус теплоизоляционного покрытия; hиз - толщина теплоизоляции; h и hтр - расстояние по оси у, соответственно, до низа заглубленного источника или, до центра горизонтальной трубы; hтер - общая длина термосваи; hп, hн - длина подземной и надземной частей термосваи; d2, d1 - диаметры большей и меньшей труб, образующих круглую щель; τ - время; τг - годовой отрезок времени, 8760 час. Показатели температуры (°С) t0 - температура грунта за пределами источника (начальная температура - при расчете нестационарных температурных полей), устанавливаемая по наблюдениям за пределами зоны (или до начала) теплового влияния источника; tпр - предельная (стационарная) температура грунта в точке с заданными или искомыми координатами; t'пр - предельная температура с учетом геотермического градиента; tτ - нестационарная температура грунта в точке с заданными или искомыми координатами; tсг - среднегодовая температура в естественных условиях, определяемая разовым замером на глубине 10 м; tmax - максимальная за год температура грунта; tп - температура ограничивающей поверхности (температура на контакте источника с грунтом), устанавливается согласно п.п. 4.1 - 4.6. Климатические показатели tв - температура воздуха, град. (5.2)*); *) Здесь и далее в скобках указан номер пункта, в которой изложена методика определения данного показателя. Aм - годовая амплитуда колебаний температуры воздуха, град. (5.2); В - радиационный баланс, ккал/м2 · мес. (5.3); LE - затраты тепла на испарение, ккал/м2 · мес. (5.5); Qc = S + D - суммарная солнечная радиация, ккал/м2 · мес. (5.3); S и D - прямая и рассеянная солнечная радиация, ккал/м2 · мес. (5.4); A - альбедо поверхности, доли единицы (прил. III); αк - коэффициент конвективного (турбулентного) теплообмена, ккал/м2 · час · град. (5.6); E - интенсивность испарения, мм/сутки (5.5); nоб - общая облачность, доли единицы, по данным метеостанций; P - количество осадков, мм/декада, по данным метеостанций; Vв - скорость ветра на высоте флюгера, м/сек, по данным метеостанций; hсм, γсн - высота и плотность снежного покрова, м, по данным метеостанций с учетом п. 5.7. Физические и теплофизические константы λ, a, vк и с - коэффициенты теплопроводности (ккал/м · час · град), температуропроводности (м2/час), кинематической вязкости (м2/час) и объемная теплоемкость; для грунтов, определяемые согласно п.п. 6.1 - 6.4, для прочих веществ и материалов - по справочникам; Cус, Cуз, Cув - удельные теплоемкости частиц грунта, льда и воды (ккал/кг · град) (6.4); γск - объемный вес скелета грунта, кг/м3; γу и γ - удельный и объемный вес грунта, кг/м3; wc и wн - суммарная влажность и влажность за счет незамерзшей воды, доли единицы (6.3); q - степень заторфованности (отношение веса торфа к весу всего грунта), доля единицы (6.4); v - скорость движения хладоносителя, м/час; G - степень водонасыщения, доли единицы (6.4); γв и γл - плотность воды и льда, кг/м3 (6.4); wп - полная влагоемкость, доли единицы (6.4); λэ - эквивалентный коэффициент теплопроводности хладоносителя в термосвае, ккал/м · час · град (6.5); λиз, Rиз - коэффициент теплопроводности, ккал/м · час · град и термическое сопротивление изоляции, м2 · час · град/ккал, определяемые по справочному материалу; λсн - коэффициент теплопроводности снега, ккал/м · час · град (5.7); Rсн - термическое сопротивление снега, м2 · час · град/ккал (5.7); Gr - геотермический градиент, принимаемый по наблюдениям, или приближенно 0,03 град/м; ρ - скрытая теплота фазовых превращений, воды 80 ккал/кг, α - коэффициент теплоотдачи, ккал/м2 · час · град (4.6). Безразмерные обобщенные величины
Индексами «М» и «Т» в тексте обозначены теплофизические константы и температуры соответственно мерзлого и талого грунтов. Индексами «МИН» и «ОР» - удельные теплоемкости соответственно минеральных и органических частиц грунта. Цифрами 1 и 2 помечены теплофизические константы и температура в мерзлой и талой зонах в случае промерзания и, наоборот, - в случае оттаивания. 2. ПРЕДЕЛЬНЫЕ (СТАЦИОНАРНЫЕ) ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ГРУНТА2.1. Предельные температурные поля рассчитываются по формулам; - для теплофизически однородного (мерзлого или талого) грунта t'пр = t0 + θпр · (tп - t0) + Gr · yп (2) - для двухслойной среды из мерзлого и талого грунта; в верхней (ближайшей к источнику) зоне - в нижней зоне
здесь и далее yп - глубина, отсчитываемая от поверхности грунта. 2.2. Величина θпр в выражениях (1) - (3') определяется с помощью формул в приложении 1 графиков на рис. 1 - 7 и в соответствии с указаниями п.п. 2.3 - 2.7. 2.3. Для поверхностных источников (полосы прямоугольника, круга), а также бесконечной горизонтальной трубы в грунте, изолинии температурных полей которых являются дугами окружностей (или по форме близки к ним), графики (рис. 1) даны только для осей симметрии (центров источника). Определение положения искомой изотермы в других точках плоскости x, y производится в таком порядке; - по формуле (4) вычисляется радиус изотермы rим rим = 0,5yn(1 + δ) (4) где δ - параметр равный:
- описывается окружность радиусом rим (искомая изотерма) из точки на оси симметрии, отстоящей от yц в сторону источника на величину rим. 2.4. При действии нескольких (n) источников с одинаковой температурой ограничивающей поверхности θпр вычисляется по формуле θпр = θпр(1) + θпр(2) + ... + θпр(n) (5) Величины θпр(1) - θпр(n) в уравнении (5) определяются по формулам приложения 1 или согласно п. 2.3. Аналогично рассчитываются температурные поля под источниками сложной формы, если их удается представить совокупностью простых тел (прямоугольников, полос, секторов круга). 2.5. Если длина источника в два или более раз превышает ширину, а отношение ширины к глубине, на которой определяется температура, больше некоторой критической величины b/zкр, зависящей от температурного перепада tn - t0 (табл. 2), величину θпр под центром источника с практической точностью можно принимать равной 1. Таблица 2 Значение величины b/zкр
Около границ таких источников θпр определяется по формуле θпр = 0,5 ± или графику на рис. 1 как для полосы, но при δ = (x/y)2 (x - отсчитывается от контакта между участками с отрицательной и положительной температурой). Знаки перед вторым слагаемым подбираются так, чтобы под источником (участком с температурой tп) θпр лежала в пределах: 0,5 < θпр < 1; вне его 0 < θпр < 0,5. В углах - величина θпр рассчитывается по формуле 3 прил. 1 как для сектора круга с центральным углом β = 0,5π. 2.6. Предельные температурные поля заглубленных и приподнятых источников в форме бесконечного бруса, параллелепипеда, вертикальной трубы определяются также как и наземных (см. п.п. 2.2 - 2.5), только вместо X, Y и 0,5b в соответствующие формулы и графики подставляются координаты вспомогательной полуплоскости 1 + з, v и 1 + зв, найденные в зависимости от Г и Н с помощью графика на рис. 3, при этом величина зв, определяется при Г = 0,5b/h и H = 0. При расчете температурных полей заглубленных источников используется нижняя часть графика рис. 3 (v > 0), приподнятых - верхняя (v < 0). Центр координат размещается под низом левого края источника. 2.7 На рис. 4 - 6 приведены графики для нахождения предельных температурных полей в системе «термосвая-грунт» для трех значений ε = λэ/λм на конец холодного периода. Величины ε могут изменяться от 1 до ∞. При ε = 1 величина θпр - 0,63θпр.кр. (θпр.кр. - предельная температура под источником в форме круга, определяемая согласно п.п. 2.2 - 2.3), при ε = ∞ величина θпр определяется как для вертикальной заглубленной трубы (п. 2.6). Для промежуточных значений ε предельные температуры ищутся в такой последовательности: - при заданных значениях переменных H, μ и η определяется θпр для пяти значений ε (0, 22, 43, 86, ∞) - по этим данным строится график зависимости θпр от exp(-0,01ε) - с помощью указанного графика находится θпр для заданного значения. Рис. 1 Стационарные (предельные) температурные поля под центрами (x = 0,5b, z = 0) поверхностных источников. Рис. 2 Стационарные (предельные) температурные поля под центром (X = 0) горизонтальной трубы в области y = rтр + hтр; aтр = (h2тр - r2тр)/y2 Рис. 3 Сетка для перевода координат X, Y в координаты з, v и обратно. Рис. 4 Стационарные (предельные) температурные поля в системе грунт-термосвая при ξ = 85. Рис. 5 Стационарные (предельные) температурные поля в системе грунт-термосвая при ξ = 43. Рис. 6 Стационарные (предельные) температурные поля в системе грунт-термосвая при ξ = 22 Примечание. Размерные температуры в системе «грунт-термосвая» вычисляются по формуле (2), но вместо tn в этом случае подставляется tв - среднезимняя температура воздуха, вместо t0 - tmax 2.8. Наличие термического сопротивления между сооружением и грунтом учитывается приближенно - удлинением координат глубины под сооружением (или логарифма относительного радиуса в пределах высоты цилиндрического источника) на величину эквивалентного слоя, т.е. в соответствующие формулы или графики вместо y и η подставляется
3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ГРУНТА3.1. Нестационарные температурные поля в грунтовом полупространстве при отсутствии фазовых превращений влаги (К0 = 0) рассчитывается по формуле tτ = t0 + θ · (tп - t0) + Gr · yп (9) 3.2. Относительная температура θ в уравнении (9) для тепловых источников любой формы (за исключением бесконечного цилиндра) рассчитывается в такой последовательности: - по п.п. 2.2 - 2.4, 2.6 находится θпр в точке с заданными координатами и затем - глубина под центром источника, в которой наблюдается найденное значение θпр; - на этой глубине по графикам на рис. 7 при К0 = 0 или, более точно, формуле (1), определяется величина θ, которая и будет искомой. Рис. 7 Нестационарные температурные поля под центрами источников в форме полосы, прямоугольника, круга, их заглубленных аналогов, а также - горизонтальной трубы в грунте при θпр = 1 и θпр = 0,1. Рис. 8 Нестационарные температурные поля под центрами источников в форме полосы, прямоугольника, круга, их заглубленных аналогов, а также - горизонтальной трубы в грунте при θпр = 0,9 и θпр = 0,2.
Рис. 9 Нестационарные температурные поля под центрами источников в форме полосы, прямоугольника, круга, их заглубленных аналогов, а также - горизонтальной трубы в грунте при θпр = 0,8 и θпр = 0,3. Рис. 10 Нестационарные температурные поля под центрами источников в форме полосы, прямоугольника, круга, их заглубленных аналогов, а также - горизонтальной трубы в грунте при θпр = 0,7 и θпр = 0,4. Рис. 11 Нестационарные температурные поля под центрами источников в форме полосы, прямоугольника, круга, их заглубленных аналогов а также - горизонтальной трубы в грунте при θпр = 0,6 и θпр = 0,5. Рис. 12 Нестационарные температурные поля источника в форме бесконечного цилиндра (К0 = 0). Рис. 13 Графики для определения температур вечномерзлого грунта на любой отрезок времени года (пунктиром показаны графики для определения экстремальных температур). Рис. 14 Графики для определения К в зависимости от Б 3.3. При расчете температурных полей, возбуждаемых цилиндрическими источниками с μ > 70 и (для горизонтального цилиндра) расположенных глубже 10 м, в плоскостях, отстоящих от торцов более чем на 4r0 в сторону середины цилиндра, при определении θ допускается использовать решение для бесконечного цилиндра (рис. 12). 3.4. Расчет температурных полей, формируемых несколькими источниками, а также источниками сложной формы, осуществляема по формуле (5), только вместо предельных относительных температур θпр(1), θпр(2) ... θпр(n) подставляются нестационарные температуры θ1, θ2, ... θn, найденные согласно п. 3.2 - 3.3. 3.5. До глубины около 10 м температуры грунта испытывают сезонные колебания. Расчет температур однородного (талого или мерзлого) грунта в годовом цикле колебаний в естественных условиях, а также под зданиями и наземными сооружениями, основания которых охлаждаются атмосферным воздухом, либо подземными сооружениями, расположенными выше отметки 10 м, производится с помощью графика на рис. 11, при этом в случае расчета температур под зданиями и сооружениями вместо tсг - подставляется значение tпр, вычисленное согласно п.п. 2.2 - 2.5. Учет сезонных колебаний при расчете температурных полей грунта, возбуждаемых тепловыми источниками в форме вертикального цилиндра конечной длины (в том числе - автономными холодильными устройствами), осуществляется путем прибавления к температуре вычисленной по формуле (1), величины Δt Δt = (tсг
- tmax) · здесь (τ - τ0) - время работы теплового источника, час.
θ1y, θ2y и θ1ξ, θ2ξ в формулах (11) - (12) определяются согласно п.п. 3.1 - 3.3 при соответствующих значениях теплофизических констант. В выражение F0 при вычислении θy подставляется заданная глубина, а при вычислении θξ - глубина промерзания, если рассчитываются температуры промерзающего грунта, или оттаивания, если рассчитываются температуры оттаивающего грунта. 3.7. Глубина промерзания (оттаивания) под сооружениями различной формы определяется с помощью графиков на рис. 7 - 11 (а более точно, с помощью формулы в приложении 1). Радиус промерзания (оттаивания) для источника в форме бесконечного цилиндра определяется в такой последовательности: из соотношений (13) находятся параметры К и Б - по графикам на рис. 14 определяется значения η = ξ/r0 и затем ξ. В выражение для θ при определении глубины или радиуса промерзания (оттаивания) вместо tτ подставляется температура начала замерзания грунтовой влаги tнз, для песчаных грунтов, а в первом приближении также и для глинистых, принимаемая равной нулю. Более точно величина tнз определяется по методике, изложенной в приложении IV. 3.8. Учет термической изоляции между тепловым источником и грунтом во всех задачах нестационарной теплопроводности осуществляется приближенно, согласно п. 2.10. 4. ТЕМПЕРАТУРА ОГРАНИЧИВАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ4.1. При решении тепловых задач, связанных со строительным проектированием, обычно встречаются два типа ограничивающей поверхности - плоская и цилиндрическая. 4.2. Плоскую ограничивающую поверхность имеют крупные инженерные сооружения (жилые и общественные здания, склады, холодильники и т.д.), а также различного рода и назначения участки естественной поверхности с измененными условиями теплообмена (затененные от прямой солнечной радиации, с убираемым или уплотненным снежным покровом и т.п.). 4.3. Температуры ограничивающих поверхностей для инженерных сооружений (температура у поверхности пола для зданий с полами на грунте, либо у поверхности подвала или подполья) определяется по указаниям соответствующих глав СНиП или специальных методик и рекомендаций. 4.4. Температура поверхности участков естественной поверхности рассчитывается по формулам: - среднегодовая температура - температура у поверхности грунта в теплый период года (с положительными температурами воздуха) - температура у поверхности грунта в холодный период года принимается равной температуре воздуха. В правые части формул (14) и (15) подставляются значения входящих величин соответственно средних за год и средних за искомый период (но не менее, чем за декаду). 4.5. Цилиндрической ограничивающей поверхностью обладают различного рода инженерные сети, трубопроводы, а также охлаждающие или нагревающие устройства. 4.6. Температура цилиндрической поверхности вычисляется по формуле tп = t0 + θ' · (tср - t0) (16) где, кроме известных обозначений tср - средняя температура тепло- или хладоносителя в трубе, величина которой должна быть известна из условий задачи; θ' - относительная температура, определяемая по табл. 3 в зависимости от критерия Bi = α · r0/λ. Таблица 3 Зависимость θ' от Bi
Величина α в выражении для Bi находится из выражений: - для круглой трубы
(λx - коэффициент теплопроводности хладоносителя) - для круглой щели между двумя коаксиально расположенными трубами Nuх = 0,015Re0,8Pr0,4(d2/d1)0,25 (18) Физические константы некоторых хладоносителей приведены в приложении II. 5. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ5.1. Влияние климата на температуру грунта опосредовано температурой ограничивающей поверхности. Входящие в формулу (14) величины отражают влияние основных климатических показателей - температуры воздуха и амплитуды ее колебаний, радиационного баланса, затрат тепла на испарение и конвективный (турбулентный) теплообмен, термического сопротивления снежного покрова на температурный режим грунта. 5.2. Температура воздуха и амплитуда ее колебаний устанавливаются по климатическим справочникам и ежегодникам. Среднегодовые температуры воздуха и грунта (левая часть формулы (14) показаны на схематической карте рис. 15. 5.3. Радиационный баланс за месяц вычисляется по формуле B = Qc(0,9 - 0,7А)2 - 0,7 ккал/см2 · мес. (19) Суммарная солнечная радиация определяется из выражения Qc = Q0[1 - (1 - Kc) · nоб] (20) где Kc - коэффициент, показывающий какая доля солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу облаков, доходит до поверхности земли. Величины Q0 и Kc находятся по табл. 4 и 5, а величина альбедо - по справочному материалу или приложению III. 5.4. Прямая солнечная радиация рассчитывается по формуле
LE = 1,8E, (22) где Е - интенсивность испарения, мм/сут., устанавливаемая с помощью рис. 16. Таблица 4 Среднеширотные значения суммарной солнечной радиации при безоблачном небе Q0 ккал/см2 · мес.
Рис. 15 Изолинии температур tn и t0 на территории распространения вечномерзлых грунтов. Рис. 16 Зависимость испарения от температуры и давления воздуха (е, мб). Таблица 5 Среднеширотные значения Кс
На участках с поверхностью, экранированной от прямого солнечного облучения, месячные затраты тепла на испарение вычисляются по формуле:
где tв - среднемесячная температура воздуха Qc и D - суммарная и рассеянная солнечная радиация, ккал/см2 · мес. 5.6. Для перевода месячных сумм солнечной радиации и затрат тепла на испарение с размерностями ккал/см2 · мес. в систему размерностей ккал/м2 · час, принятую в технике, результаты, полученные в соответствии с п.п. 5.3 - 5.5, умножаются на коэффициент 1,39. 5.7. Среднегодовые (сг) и среднемесячные (см) значения αк ккал/(м · час · град) вычисляются по формулам
Вычисленные по формуле (24) среднегодовые величины αк показаны на схематической карте (рис. 17). 5.8. Термическое сопротивление снежного покрова м2 · час · град/ккал рассчитывается с помощью соотношений Rсн = hсн/λсн (26) Рис. 17 Изолинии среднегодовых значений конвективного теплообмена Рис. 18 Изолинии значений Rсн на территории с вечномерзлыми грунтами Сетевые метеостанции дают величину максимальной за декаду высоты снежного покрова. Переход от максимальных декадных высот к среднемесячным осуществляется с помощью выражения hсн = 0,25(h0 + h1 + h2 + 0,5h3) (28) где h0 - максимальная высота снежного покрова за предшествующую декаду (h0 = 0, если определяется высота снежного покрова за первый зимний месяц); h1, h2, h3 - соответственно максимальные высоты снежного покрова за первую, вторую и третью декады месяца. На рис. 18, 19 представлены схематические карты
распределения величин Rсн рассчитанных по формулам (26)
- (27) и
6. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ6.1. Теплофизические свойства грунтов характеризуются коэффициентами тепло- и температуропроводности (λ и С), а также удельной Cy или объемной C теплоемкостью. Эти величины связаны между собой соотношениями: a = λ/C; C = Cy · γ (29) 6.2. Коэффициенты теплопроводности талого и полностью промерзшего грунта определяются по формуле λ = λmin + (λmax - λmin)Gφ = λmin + (λmax - λmin)eφlnG (30) где λmin, λmax - коэффициенты
теплопроводности при G = 0 и G = 1, а φ - безразмерный коэффициент,
определяемые по табл. 7 в зависимости от параметра П
= Wн/ Удельная теплоемкость талого грунта Сут рассчитывается по формуле
Удельные теплоемкости компонентов грунтового комплекса, входящие в уравнения для теплоемкости грунта, определяются по табл. 6. Коэффициент теплопроводности λ'м удельная теплоемкость промерзающего (оттаивающего) грунта Сум рассчитываются по формулам: λ'м = λт[1 + (λм/λт - 1)(1 - Wн/Wс)] (32) Влажность за счет незамерзшей воды и производная этой величины от температуры зависят от температуры (см. приложение IV), но поскольку в уравнения для температурных полей они входят в виде констант, приходится идти на упрощение - брать в расчет средние значения Wн и dWн/dt в температурном интервале значительных фазовых превращений. Среднее значение dWн/dt в этом интервале для всех грунтов составляет минус 0,03 град. Средние значения Wн принимаются по табл. 6. Методика определения содержания незамерзшей воды в грунтах, в том числе засоленных, как функции от температуры, приведена в приложении IV. 6.4. Степень заторфованности грунтов и полная влагоемкость Wн в выражении для степени водонасыщения рассчитываются по формулам: где А (м3/кг) и В (безразмерный) - параметры, зависящие от состава минеральной части заторфованного грунта, принимаемые соответственно равными 3460 и 1,3 - для песчаных заторфованных грунтов, 3260 и 1,9 - для глинистых заторфованных грунтов. Удельные веса составляющих грунтового комплекса приведены в табл. 6. 6.5. Эквивалентный коэффициент теплопроводности хладоносителя в автономных охлаждающих устройствах (термосваях) вычисляется по формуле λэ
= 30λи(j + 0,4)Ф Рис. 19 Изолинии значений Δtсн на территории с вечномерзлыми грунтами здесь, кроме известных обозначений Су, λи - удельная теплоемкость хладоносителя, ккал/кг · град и его истинная теплопроводность, ккал/м · час · град. g = 9,8 м/сек2 - ускорение силы тяжести. Ар = 1/427 ккал/кг · м - тепловой эквивалент работы, j - отношение надземной части термосвай к подземной. Таблица 6 Удельные веса (кг/м3), теплоёмкости (ккал/кг · град), а также средние значения влажности за счет незамерзшей воды и параметра П (град0,25) для типичных (незасоленных) грунтов (компонентов грунта)
Таблица 7 Значения λmin, λmax (ккал/м · час · град) и) и φ в зависимости от параметра П
ПРИЛОЖЕНИЯI. Формулы для расчетов температурных полейа) стационарные (предельные) температурные поля под поверхностными источниками в форме: 1) бесконечной полосы - 2) прямоугольника - 3) круга где
Для центра круга (β = 2π, r = 0) это уравнение значительно упрощается - 4) горизонтальной трубы в грунте - б) нестационарные температурные поля грунта под центрами сооружений любой формы при отсутствии фазовых переходов - 5) в) то же, при наличии фазовых переходов - 6) уравнение связи времени и глубины промерзания (оттаивания) под центром сооружений где: В выражение σ' в отличие от σ величина F0 входит с множителем Кa. Примечание: В формулах (5 и 6) глубина отсчитывается от низа сооружения, а его форма учитывается через величину θпр. II. Физические и теплофизические свойства некоторых хладоносителейТаблица 8
ПРИМЕЧАНИЕ: В таблице 8 приведены средние значения в интервале температур от -10 °С до -50 °С. III. Значения альбедо (%) некоторых поверхностей
IV. Определение содержания незамерзшей воды в мерзлом грунте в зависимости от температурыСодержание незамерзшей воды в грунте (отношение веса незамерзшей воды к весу сухого грунта) определяется по формуле Wн = Wп · T-0,35 = Wп · e-0,35lnT (*) где T = t/tнз t - температура грунта, tнз - температура начала замерзания свободной воды в грунте, определяемая по формуле:
где Р - концентрация солей в грунтовой (поровой) влаге; Pэ и tэ - эвтектические значения концентрации и температуры, определяемые по табл. 9. Таблица 9
Производная величины Wн по температуре, которая входит в формулу для расчета эффективной теплоёмкости, равна
V. Примеры расчетаа) к разделу 2 1. Определить стационарную температуру грунта под длинным холодильником в форме заглубленного бруса при следующих исходных данных: tп = -5, t0 = -1, x = 3 м, y = 4 м, h = 6 м, b = 12 м (помнить, что начало системы координат в левом углу заглубления). Находим безразмерные переменные Г = 3/6 = 0,5; Н = 4/6 = 0,67; 0,58/h = 1 С помощью рис. 3 по найденным значениям Г, Н определяем значения з = 3,8; зв = 5,7; v = 2,5 В формулу (1) приложения 1 вместо x подставляем 1 + з = 4,8 вместо 0,5b 1 + зв = 6,7, вместо y v = 2,5 тогда имеем По формуле (2) основного текста вычисляем tпр tпр = -1 + 0,76(-4) + 10 · 0,03 = -3,74 2. Определить стационарную температуру в системе «грунт - термосвая» при следующих исходных данных: hп = 4 м, r0 = 0,1 м, y = 1 м, r = 0,5 м, tв = -21, t0 = -1, ε = 86. Определяем безразмерные переменные μ = 40; η = 5, Н = 0,25. По графику на рис. 4 находим искомую предельную температуру θпр = 0,12. По формуле (2) вычисляем tпр = -1 + 0,12(-20) + 1 · 0,03 = -3,37 б) к разделу 3. 3. Определить нестационарную температуру грунта при исходных данных примера 1 и αм = 0,004 м2/час; τ = 1200 час. По графику на рис. 1 определяем относительную глубину, на которой θпр = 0,76 наблюдается под центром источника на вспомогательной плоскости с координатами з и v. С учетом того, что зв = 5,7 (см. пример 1), величина v равна 6,7 · 0,35 = 2,35. С помощью рис. 3 переводим величину v = 2,35 (при зв = 5,7) в yц; yц/h = 0,67, yц = 4. Определяем F0: По графику на рис. 9 при К0 = 0, θпр = 0,76 ≈ 0,8 и F0 = 0,3 находим: θ = 0,23. По формуле (9) вычисляем t(τ): t(τ) = -1 + 0,23(-4) + 10 · 0,03 = -1,62 4. Определить время, за которое нулевая изотерма достигнет глубины y = 4 м под центром здания (b = 12 м, L = 19 м) с холодным подпольем (tг = -3,5); необходимые для расчета исходные характеристики грунта: t0 = +0,5; aм = 0,004 м2/час; Wс = 0,1; γск = 1600 кг/м3; См = 400 ккал/м3 · град. С помощью графика на рис. 1 в зависимости от y/0,5b = 0,67 находим величину θпр: θпр = 0,6. Вычисляем К0 = 80 · 0,1 · 1600/(400 · 4) = 8 и θ = (0 - 0,5)/(-3,5 - 0,5) = 0,125. По графику на рис. 11 находим P0 = 6, откуда τ = 6 · 16/0,004 = 2400 час ≈ 2,7 года в) к разделу 4. 5. Определить температуру поверхности скважины (d2 = 0,4), охлаждаемой холодным воздухом через трубу меньшего диаметра (d1 = 0,1 м), коаксиально расположенную в скважине; λм = 1 ккал/м · час · град. V = 5 м/сек, tср = -10, t0 = -1. Из формулы (18), подставив в нее указанные значения V, d2 и d1, а также значения v и a для воздуха, по приложению II находим величину коэффициента теплоотдачи: α = 13,5 ккал/м2 · час · град. Вычисляем критерий Био: Bi = 13,5 · 0,2/1 = 2,6 По табл. 3 находим значение θ': θ' = 0,86 По формуле (16) вычисляем температуру поверхности скважины tп = -1 + 0,86(-10 + 1) = -8,7 г) к разделу 5. 6. Определить величину радиационного баланса бетонного (светлосерого) покрытия за июль на 70° широте при общей облачности nоб = 0,6. По таблицам 4 и 5 определяем Q0 и Kc, а по приложению А: Q0 = 20,3 ккал/см2 · мес; Kc = 0,5; А = 0,23. По формуле (20) вычисляем Qс: Qс = 20,3[1 - 0,5 · 0,6] = 14,2 ккал/см2 · мес. По формуле (19) находим величину радиационного баланса B = 14,2(0,9 - 0,16)2 - 0,7 = 7,1 ккал/см2 · мес 7. Определить величину Δtсн в районе Якутска По схематической карте (рис. 19) находим Δtсн = 4,8. д) к разделу 6. Определить теплофизические характеристики заторфованной глины со следующими характеристиками Wс = 0,43; γузг = 2,320 кг/м3, γ = 1620 кг/м3; t = -2, tнз = -0,5. С помощью формул (34), (35) и по приложению IV определяем исходные обобщенные характеристики: g = 3260 : 2320 - 1,19 = 0,21 G = 0,43/0,48 = 0,89; По формуле (*) приложения IV рассчитываем влажность за счет незамерзшей воды: Wн = 0,27. Определяем параметр П = Wн/ По формуле (30) вычисляем λт и λм λт = 1,1 ккал/м · час · град; λм = 1,6 ккал/м · час · град. По формуле (32) рассчитываем коэффициент теплопроводности при t = -2 λ' = 1,1 · 1 + (1,45 - 1)(1 - 0,63) = 1,28 ккал/м · час · град. По формулам (30), (33) с учетом (***) табл. 9 и выражения для объемного веса скелета грунта γск = γ/(1 + Wc) определяем эффективную объемную теплоемкость С = 1140[0,22 · 0,79 + 0,38 · 0,21 + 0,5 · 0,43 - 0,27(-0,5) + 0,02 · 80] = 2508 ккал/м3 · град. ЛИТЕРАТУРА1. Вялов С.С. Длительная прочность мерзлых грунтов при переменной нагрузке и температуре. Труды V Всесоюзного совещания-семинара по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях. Т. 2, вып. 5. Тюмень, октябрь, 1968. Красноярск, 1968. (Институт «Красноярский промстройниипроект»). 2. Lachenbruch A.H. Three-dimentional heat conduction in permafrost beneath heated buildings. Geol. Surv. Bull. № 1052-В, 1957. 3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967. 4. Коновалов А.А. Метод определения температурных полей промерзающих или оттаивающих оснований зданий и сооружений. В сб.: Строительство в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера, вып. 26. Красноярск, 1973. (Институт «Красноярский промстройниипроект») 5. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. М., «Наука», 1970. 6. Конюшенко А.Г., Коновалов А.А. К расчету стационарных температурных полей заглубленных сооружений. В сб.: Строительство в районах Восточной Сибири и крайнего Севера, вып. 26, Красноярск, 1973. (Институт «Красноярский промстройниипроект»). 7. Иванов Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах. М., «Наука», 1969. 8. Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений на вечномёрзлых грунтах. М., Стройиздат, 1969. 9. Руководство по расчетным способам определения прочностных деформативных и теплофизических характеристик мерзлых, промерзающих и оттаивающих грунтов. Красноярск, 1972. (Институт «Красноярский промстройниипроект»). 10. Будыко М.И. Тепловой баланс поверхности земли. Гидрометеоиздат. Л., 1956. 11. Константинов А.С. Испарение в природе. Гидрометеоиздат. М., 1963. 12. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Госэнергоиздат. Л., - М. 1959. СОДЕРЖАНИЕ
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
© 2013 Ёшкин Кот :-) |