Количественная оценка теплового влияния зданий и сооружений

Количественную оценку влияния зданий на темпера­турный режим вечномерзлых грунтов проведем, основываясь на следующих предпосылках:

1) фильтрация воды в грунтах, а следовательно, и пере­нос тепла фильтрующей водой отсутствуют;

2) фазовые переходы происходят на границе зоны оттаи-ванвд грунта под зданием;

3) перенос тепла в грунте (мерзлом и талом) подчиняет­ся уравнению теплопереноса Фурье.

Первая предпосылка основывается на том, что наличие фильтрации приводит к таким нарушениям температурного режима, которыми невозможно управлять путем естествен­ного регулирования температур в основании зданий (венти­лируемые подполья, каналы и т. д.). Поэтому фильтрацию воды в грунтах необходимо устранять, используя различные противофильтрацирнные завесы, в том числе и мерзлотные.

Переход грунта из талого состояния в мерзлое хорошо фиксируется в естественных условиях в виде четко выражен­ной границы раздела. На этом основана вторая предпо­сылка.

Третья предпосылка достаточно хорошо подтверждается сопоставлением температур грунта, полученных расчетом пу­тем решения уравнения Фурье для конкретных задач, с дан­ными натурных наблюдений.

По существу количественные оценки взаимного теплово­го влияния зданий и сооружений на температурный режим вечномерзлых грунтов на застроенной территории произво­дились С. В. Томирдиаро, Г. В. Порхаевым и Л. Н. Хрусталевым на основе указанных предпосылок. В работах С. В. Томирдиаро (1963 г.) и Г. В. Порхаева (1963 г.) да­ются решения, в основу которых положены стационарные расчетные схемы.

В более поздней работе Г. В. Порхаева (1970 г.) отмеча­ется ограниченность применения методов расчетов для ста­ционарного теплового состояния и возможность распростра­нения их только на область низкотемпературных вечномерз­лых грунтов, а также приводится решение задачи о тепло­вом влиянии зданий и сооружений с учетом времени форми-

рования температурного режима грунта в их основаниях. Указанная методика [3] может быть использована для оцен­ки влияния зданий на изменение температурного режима грунта на всей застроенной территории.

Рассмотрим тепловое влияние здания на температурный режим грунта территории, прилегающей к нему. По этому вопросу существуют различные мнения. Г. В. Порхаев и В. К. Щелоков (1961 г.) пришли к выводу об ограниченном локальном влиянии зданий и сооружений. Л. Н. Хрусталев (1965 г.) высказывает мнение о распространении теплового влияния зданий на всю территорию застройки и ставит в зависимость от плотности застройки территории деградацию вечномерзлых грунтов и выбор принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий и сооруже­ний.

Л. Н. Хрусталев рассматривает стационарное темпера­турное поле в основании здания, описываемое известным аналитическим выражением:

где х, у — координаты точки в грунтовом массиве, для ко­торой определяется температура (при начале координат на поверхности массива под серединой здания), м; t₁ — темпе­ратура поверхности грунта под зданием, °С; t₂ — температу­ра поверхности грунта вне здания, равная температуре по­верхности грунта в естественных условиях, °С; В — ширина

здания, м.

При этом он получает следующее значение теплового по­тока через поверхность грунта вне здания, обусловленного количеством тепла, поступающего от здания:

где λ—коэффициент теплопроводности грунта, ккал/ч °С. Принимая исходные данные: t₁ = 12°С, t₂ = -1°С, В = -14 м, λ = 1,5 ккал/м ч °С и тепловой поток, обусловленный геометрическим градиентом q_г ≈0,04 ккал/м² ч, автор полу­чил, что в пределах 60 м от здания величина тепловых пото­ков от него превышает величину тепловых потоков, обуслов­ленных только геотермическим градиентом, т. е. тепловых потоков, которые существовали в природных условиях до воз ведения здания. Из этого он делает вывод, что влияние даже одиночного здания распространяется на большое рас­стояние, и, если учесть, что таких зданий много и теплопотоки от них суммируются, то в черте застройки не существует территории, где бы не сказывалось влияние зданий и соору­жений.

Применив для данного случая решение с подвижной гра­ницей раздела талой и мерзлой зон (нестационарное состоя­ние) Г. В. Порхаева [3], получим значение температуры в мерзлом массиве по формуле

В расчетах принимались исходные данные из приведенно­го примера. Глубина оттаивания грунта под краем здания определялась при содержании воды в грунте ω = 200 кг/м³ и времени эксплуатации здания τ = 50 лет по методике, изло­женной в СНиП II-18-76 (при коэффициентах κ₁ = 1, α = 0, β = 0, 083, Ј= 2,5, ζ = 0,95). Тогда глубина оттаи­вания грунта под краем здания Н_к = 0,95-14 = 13,3 м.

Как видно, при расчетах с учетом времени протекания процесса даже через 50 лет после начала эксплуатации здания

тепловой поток от него превышает тепловой поток, обуслов­ленный геометрическим градиентом, на расстоянии всего 16—17 м от здания. Тепловое влияние здания при расчете для нестационарного режима оказывается значительно мень­ше, чем это получается при расчете для стационарного ре­жима. Следует также учитывать, что для примера взят наи­более невыгодный случай, когда температура грунта очень высока, а под зданием образуется зона оттаивания больших размеров. При более низкой температуре грунта и меньших размерах зоны оттаивания тепловое влияние здания будет еще меньше.

Отметим, что рассмотрена идеализированная схема теп­лового влияния здания, когда на поверхности грунта вне здания принимается постоянная температура, равная тем­пературе поверхности грунта в естественных условиях, т. е. без учета изменений природных условий, вызванных заст­ройкой территории. Изменение в результате застройки снеж­ного и растительного покровов, составляющих радиационно­го баланса, состава грунта при вертикальной планировке и т. п. приводит, как известно, к изменению температуры грун­та, а следовательно, и тепловых потоков через поверхность грунта. Оценим изменение величины последних.

Воспользовавшись данными наблюдений за среднегодо­выми температурами грунтов, проведенных Л. А. Мейстером (1943 г.) в Игарке, В. Г. Зольниковым (1940 г.) и П. И. Мельниковым (1947 г.) в Якутске, В. Г. {эялыницкой (1947 г.) в Сковородино и И. Т. Рейнюком (1963 г) в пос. Мяунджа, и вычислив градиенты среднегодовых температур грунта, получим значение теплопотерь грунта в годовом раз­резе для различных площадок. При вычислении градиентов температура грунта в верхнем слое не принималась во вни­мание, так как его свойства резко меняются в течение года и поэтому не могут характеризовать тепловые потоки в веч-номерзлых грунтах.

Результаты расчетов сведены в табл. 11. Приведенные значения тепловых потоков являются приближенными, так как цель подсчета — определение соотношения величины тепловых потоков. Тем не менее из таблицы ясно, что уда­ление и уплотнение снега приводит к резкому увеличению теплооттока, иногда в 10 раз и более. Уничтожение расти­тельного покрова может привести к увеличению или умень­шению теплового потока. Так, для Сковородино, учитывая незначительное изменение теплового потока на оголенной площадке, можно предположить, что снятие растительного покрова привело здесь к уменьшению теплооттока, вызван­ного удалением снега.

Сравнивая эти данные с величинами теплопотоков, обус­ловленных влиянием здания (стр. 000), можно заключить,

Таблица 11

Поиск по сайту: