Анализ фундаментов по тепловым полям

Анализ фундаментов по тепловым полям для уменьшения глубины заложения

При назначении глубины заложения фундаментов гражданских зданий проектировщики
преимущественно руководствуются двумя критериями: первый – глубина заложения
фундаментов (обозначен в п.5.5.5 СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений») и
второй — значения глубин промерзания, указанные в инженерно-геологическом расчете.
Следует учитывать, что преимущественно строительство в нашей стране происходило в
районах, где наличие глубины промерзания нивелировалась необходимостью и
удобством устройства подвала, но в последнее время интенсивность строительства
начинается и в более холодных регионах России, где глубина промерзания глубже, чем
высота подземной части здания, необходимой для удобной эксплуатации. И здесь, на
наш взгляд, при инженерно-геологических изысканиях необходимо уделить внимание
теплофизическим характеристикам грунтов, по примеру отраслевых исследований
многолетнемерзлых грунтов.
На примере одной из жилых застроек в Амурской области в г. Свободный,
принципиальная схема которой показана на рис. 1, проанализируем и сравним
экономическую эффективность двух типов фундаментов. График температуры
распределения за два года представлен на рис. 2. Теплофизические характеристики
грунтов, взяты из таблицы руководства [2].

Рис.1. Принципиальная схема
Рис.2. График разделения уличной температуры за два года

Тип I (рис. 3). Глубина заложения фундаментов — согласно табл.5.3. СП 22.13330.2018 «Основания и фундаменты», наружная температура для г. Свободный с графиком распределения помесячно на два года. Стены подвала утеплены. Температура в подвале +5℃.

Тип II (рис. 4). Глубина заложения фундаментов на 1,5 м меньше в сравнении с I типом, наружная температура для г. Свободный с графиком распределения помесячно на два года. Утеплен только горизонтальный участок на 2 м от здания. Температура в подвале +5℃.

Рис.3. Схема Тип 1.
Рис. 4. Схема Тип 2.

Кратко отметим, что процесс морозного пучения связан с объемным деформированием грунтов вследствие замерзания воды, более подробно здесь мы на этом останавливаться не будем, с описанием этого процесса можно ознакомится во многих источниках – к примеру, [3], [4]. Другими словами, для гражданских зданий, где температура под зданием ниже ноля — опасно, где выше – нет. Соответственно, используя тепло в существующем здании (в расчетных схемах на рис.3 и рис.4  это тепловая нагрузка 5 градусов температура подвала, фактически она больше, но в данном случае для качественного анализа достаточно и этого значения), применяя утепление горизонтального участка по периметру здания и зная теплофизические характеристики грунта, возможно уменьшить глубину промерзания и как следствие получить более оптимальный и экономически выгодный результат.

Определим тепловые поля двух типов фундаментов, решая задачу по нестационарной теплопередаче в расчетном комплексе ЛИРА-САПР. Изополя соответствуют периоду года, во время которого происходит наибольшее по глубине промерзание грунта (рис. 5, 6). И в том, и в другом случае температура под пятном застройки положительная, значит — процесс морозного пучения отсутствует, и, как следствие, имеют место неравномерные деформации и другие сопутствующие второго предельного состояния. Разница только в том, что второй тип фундаментов более экономичен. Для количественного анализа возьмем для фундаментов I типа котлован размером 90 х 25 м и аналогичные размеры подвала глубиной 2,8–4,5 м, для фундаментов II типа такие же размеры котлована и глубину, соответственно, 1,3-3,0 м. Средний показатель расхода железобетона для подвальных этажей в гражданских зданиях 0,45 м³/м² (при высоте подвала 2,8 м). Сравнительные характеристики по объему выемки грунта и железобетона относительно типов фундаментов показаны в таблице.

Таблица. Сравнение экономических показателей фундаментов I и II типов

Рис. 5. Изополя Тип 1.
Рис. 6. Изополя Тип 2.

Другим примером влияния теплофизических свойств на технические решения и их экономическую целесообразность может служить анализ расчета при прогреве котлована в процессе строительства. Теплофизические характеристики также определены в соответствии [2]. Греющий кабель заложен с шагом 1 м и нагревается до температуры 8 ℃. Сверху уложен утеплитель толщиной 100 мм (рис. 7).

Рис.7. Схема утепления котлована с расположением греющего кабеля

На рис. 8 показаны изополя распределения температуры в самый холодный месяц в процессе возведения, и здесь также можно видеть положительную температуру – соответственно, негативные процессы морозного пучения не затронут начинающуюся стройку.

Рис.8. Изополя распределения температуры при прогреве греющим кабелем котлована.

Для определения экономической составляющей проведем количественный анализ. Для нагрева до температуры 8 ℃ возьмем кабель мощностью 16Вт/м.п. для площадки 10 х 10 с шагом раскладки 1 м — длина кабеля составит 100 м. В месяц это решение будет потреблять (16 х 100 х 720)/1000 = 1152 кВт.ч. Усредним среднюю стоимость за электроэнергию и примем ее 8 руб./кВт.ч. Таким образом, в месяц получится чуть меньше 9000 руб. за участок 100 м² при постоянном прогреве, учитывая, что интенсивность прогрева под утеплителем 0,25 сумма уменьшается в четыре раза при максимальной низкой температуре и составит чуть больше 2000 руб. в месяц. То есть, зная удельную тепло- емкость и теплопроводность грунтов и рассчитывая тепловые поля, режим прогрева можно подобрать с максимальной эффективностью, в приведенном примере греем 20 минут через 60 минут.

Таким образом, следует сделать вывод, что для получения более оптимального и экономически выгодного результата при проектировании фундаментов в районах с существенными значениями глубины промерзания необходимо при инженерных изысканиях больше внимания уделять исследованиям теплофизических характеристик грунтов и их пучинистых свойств.

Источники

1. Практическое руководство по производству тепловых расчетов оснований в районах с вечномерзлыми грунтами. НИИ «Красноярский ПромСтройНИИПроект» 1976 г.
2. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. НИИ по инженерным изысканиям в строительстве Госсстроя СССР. Москва 1973г.
3. Киселев М.Ф. Предупреждение деформации грунтов от морозного пучения. – Л,: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1985.
4. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. Москва Стройиздат 1986.