Страница 3: Практическое руководство по производству тепловых расчетов оснований в районах с вечномерзлыми грунтами (46583)

4.1. 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) определяются по указаниям соответствующих глав СНиП или специальных методик и рекомендаций.

4.4. Температура поверхности участков естественной поверхности рассчитывается по формулам:

- среднегодовая температура

                                          (14)

- температура у поверхности грунта в теплый период года (с положительными температурами воздуха)

                                                       (15)

- температура у поверхности грунта в холодный период года принимается равной температуре воздуха.

В правые части формул (14) и (16) 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

                                                    (16)

где, кроме известных обозначений

tср - средняя температура тепло- или хладоносителя в трубе, величина которой должна быть известна из условий задачи,

q?? - относительная температура, определяемая по табл. 3 в зависимости от критерия

Таблица 3

Зависимость  от Вi

Величина  в выражении для Вi находится из выражений:

- для круглой трубы

                                            (17)

(x - коэффициент теплопроводности хладоносителя)

- для круглой щели между двумя коаксиально расположенными трубами

                                      (18)

Физические константы некоторых хладоносителей приведены в приложении II.

5. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

5.1. 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

В = qс(0,9 - 0,7А)2 - 0,7 ккал/см2 мес.                                 (19)

Суммарная солнечная радиация определяется из выражения

Qc = Qo[1 - (1 - Kc)nоб]                                                  (20)

где Kc - коэффициент, показывающий какая доля солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу облаков, доходит до поверхности земли.

Величины Qo 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

                                                     (21)

5.5. Месячные суммы затрат тепла на испарение (ккал/см2 мес) в естественных условиях определяются из выражения

LE = 1,8Е,                                                            (22)

где Е - интенсивность испарения, мм/сут., устанавливаемая с помощью рис. 16.

Таблица 4

Среднеширотные значения суммарной солнечной радиации при безоблачном небе Qo ккал/см2 мес

Рис. 15. Изолинии температур tп и to 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:

                                               (23)

где Г = Р2/30(tв + 2)2/256

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 ??к ккал/(м  час  град) вычисляются по формулам

                                                     (24)

                                                   (25)

Вычисленные по формуле (24) среднегодовые величины к показаны на схематической карте (рис. 17).

5.8. Термическое сопротивление снежного покрова м2 · час ?? град/ккал рассчитывается с помощью соотношений

Rсн = hсн/сн                                                       (26)

сн = 0,87??сн + 0,018                                                (27)

Рис. 17. Изолинии среднегодовые 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  в области с вечномерзлыми грунтами.

6. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

6.1. Теплофизические свойства грунтов характеризуются коэффициентами тепло- и температуропроводности, а также удельной Су или объемной С теплоемкостью. Эти величины связаны между собой соотношениями:

а = /с; С = Су  g                                                     (29)

6.2. Коэффициенты теплопроводности талого и полностью промерзшего грунта определяются по формуле

 = min + (??max - ??min)Gj = ??min + (??max - ??min)??e??lnG                        (30)

где lmin, lmax - коэффициенты теплопроводности при G = 0 и G = 1, а j - безразмерный коэффициент, определяемые по табл. 7 в зависимости от параметра .

Удельная теплоемкость талого грунта Сут рассчитывается по формуле

                                     (31)

Удельные теплоемкости компонентов грунтового комплекса, входящие в уравнения для теплоемкости грунта, определяется по табл. 6.

6.3 Коэффициент теплопроводности м и удельная теплоемкость промерзающего (оттаивающего) грунта Сум рассчитываются по формулам:

????м = ??т[1 + (м/т - 1) ?? (1 - Wн/Wc)]                                     (32)

             (33)

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 расчёт средние значения Wн и  в температурном интервале значительных фазовых превращений. Среднее значение  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 Wп в выражении для степени водонасыщения рассчитываются по формулам:

                                                           (34)

                                                  (35)

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

                                             (36)

здесь, кроме известных обозначений

Су, и - удельная теплоемкость хладоносителя, ккал/кг ?? град и его истинная теплопроводность, ккал/м  час  град.

g = 9,8 м/сек2 - ускорение силы тяжести,

Ap - 1/427 ккал/кг ?? м - тепловой эквивалент работы,

j - отношение надземной части термосвай к подземной.

Рис. 19. Изолинии значений tсн на территории с вечномерзлыми грунтами

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 min, lmax (ккал/м ?? час ?? град) и у в зависимости от параметра П