научная статья по теме УЧЕТ ОДНОРОДНОСТИ ГРУНТА В МЕТОДИКАХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТА Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук
Текст научной статьи на тему «УЧЕТ ОДНОРОДНОСТИ ГРУНТА В МЕТОДИКАХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТА»
Строительство и архитектура
Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов
Майны Ш.Б., аспирант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета
УЧЕТ ОДНОРОДНОСТИ ГРУНТА В МЕТОДИКАХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТА
Выявленные закономерности могут послужить основанием для разработки новых методик теплотехнического расчета сетей канализации, прокладываемых в условиях глубокого сезонного промерзания грунта.
Ключевые слова: теплотехнический расчет, сезонное промерзание грунта, канализационные сети.
THE ACCOUNT OF UNIFORMITY OF THE GROUND IN TECHNIQUES OF THERMAL CALCULATION OF SEWER PIPELINES IN THE CONDITIONS OF DEEP SEASONAL FREEZING THE GROUND
The revealed laws can form the basis for working out of new techniques теплотехнического calculation of networks of the water drain laid in the conditions of deep seasonal freezing of a ground.
Keywords: thermal calculation, seasonal is freezing a ground, sewer networks.
В условиях глубокого сезонного промерзания грунтов прокладка канализационных сетей в слое сезонного промерзания (в отличие от рекомендации СНиП 2.04.03.85* Канализация. Наружные сети и сооружения) позволит получить существенный экономический эффект с учетом дополнительных расходов на мероприятия по обеспечению надежной работы трубопровода за весь расчетный срок его эксплуатации.
Существующие методы расчета тепловых потерь подземным трубопроводом можно разделить на две группы.
К первой группе относятся методы, исходящие из предположения стационарности теплового процесса и предназначенные главным образом для тепловых расчетов постоянно действующих трубопроводов с назначенными колебаниями режимов их работы. Основой этой группы являются аналитические формулы Форхгеймера:
а) для определения теплового потока от трубопровода в грунт;
б) для определения температурного поля грунта вокруг трубопровода.
Формулы выведены в предположении, что тепловой процесс стационарен, теплообмен происходит только за счет теплопроводности; грунт однороден и температура его постоянна по всему массиву и равна температуре на поверхности грунта.
Вторая группа объединяет методы расчета, учитывающие нестационарность теплообмена трубопровода с мерзлым грунтом и температурного поля вокруг трубопровода. Неоднородность грунтовых условий, меняющиеся во времени температуры окружающей среды и теплоносителя, фазовые превращения в грунте и некоторые другие факторы, влияющие на процесс теплообмена, при аналитическом решении учету не поддаются. Поэтому методика расчета нестационарного теплообмена базируется в основном на результатах экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях.
В.Г. Шуховым предложена формула, учитывающая нестационарность теплообмена трубопровода с окружающим грунтом, в которой присутствует коэффициент К0. Это обобщенный эмпирический коэффициент теплопередачи, зависящий от многих факторов - теплофи-зических, характеристик грунтов, гидравлического режима работы трубопровода, его диаметра, глубины заложения и т. д.
М.Я. Чернышев [5] установил, что значение К0 колеблется в широких пределах - от 1 до 70 Вт/(м2 °С) в зависимости от совокупности воздействия целого комплекса факторов. Исследования других авторов также показали, что коэффициент носит частный характер и может быть использован в расчетах только при идентичных условиях эксперимента и проектируемого трубопровода.
Таким образом, вторая группа методов расчета требует предварительного экспериментального определения коэффициента К0, что сопряжено с большими трудностями, а порой и невозможно.
Тепловой режим сооружений неглубокого заложения рассматривался профессором В. Д. Мачинским [2]. Предполагая, что вне зоны теплового действия сооружения грунт имеет естественную температуру, он ввел понятие «радиуса теплового влияния», для определения которого нужно знать ряд факторов, в том числе осредненный вертикальный тепловой поток в грунте около сооружения, амплитуду одиночных колебаний температуры грунта, период колебаний.
Сложность определения периода и амплитуд колебаний теплового потока и температуры грунта в его верхних слоях ограничили применение этого метода. В инженерной практике он наиболее успешно применяется для расчета сооружений значительной высоты в условиях устоявшегося их теплового режима.
Из анализа вышеперечисленных работ можно сделать вывод, что рассмотренные нами существующие методики теплотехнических расчетов охватывают большой спектр направлений для решения задач адаптации трубопроводов в разных грунтовых и природно-климатических условиях.
Однако, перечисленные выше работы имеют свои недостатки, и к основным из них относятся:
- теплотехнические расчеты трубопроводов выполняются по отдельным расчетным участкам, на протяжении которых расход воды, диаметр трубопровода и условия его теплообмена (характеристика грунта) неизменны;
- существующие теплотехнические расчеты имеют ограниченный спектр возможных решений;
- достоверность расчетных данных существующих методик актуальна только при точечных расчетах.
Получается, что если на проектируемом участке трубопровода длиной 100 м диаметром 200 мм состав грунта по длине расчетного участка изменяется каждые 10 м по горизонтали и каждые 0,5 м по вертикали, то по существующим методикам теплотехнического расчета, расчет надо произвести для каждого участка изменения состава грунта (т. к. существующие методики не рассматривают изменение состава грунтов расчетного участка по вертикали и горизонтали). Это может привести к таким серьезным случаям, когда к проектированию приступают, не имея достаточно полных и достоверных результатов инженерно-геологических изысканий, или же допускают непростительные погрешности при анализе исходных данных.
Следовательно, при использовании существующих методик теплотехнического расчета мы получаем только точечные данные по длине проектируемого трубопровода, т. е. при больших объемах расчетных и изыскательских работ это приводит к большим затратам времени и трудовых ресурсов. В случае обоснованного сомнения в достоверности данных или при недостаточной их полноте проектировщики обязаны требовать проведения дополни-
тельных изысканий, поскольку их стоимость и трудоемкость в десятки, а иногда в сотни раз меньше по сравнению с затратами на ликвидацию аварий.
Следует помнить, что каждый случай неправильной оценки однородности грунта по длине расчетного участка при строительстве инженерных сетей различного назначения приводит к дополнительным затратам в сотни тысяч рублей, связанным с устранением последствий аварий.
Для решения рассматриваемой задачи нами предлагается методика, основанная на классических методиках [3] решения теплотехнических задач трубопроводов при глубоком сезонном промерзании грунтов, которая наиболее полно учитывает все вышеперечисленные недостатки существующих методик теплотехнических расчетов и позволяет учесть применение характеристик грунтов по трассе трубопровода, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.
В данной работе предлагается ввести понятие однородности грунта, по длине расчетного участка, зависящее от теплофизических и других характеристик грунтов-включений по длине и вертикали расчетного участка.
Необходимо подчеркнуть, что даже при однородном массиве грунта по длине расчетного участка довольно часто теплофизические свойства одного и того же вида грунта могут быть различны за счет особенностей слагающих грунты частиц.
Понятие однородности грунта по длине расчетного участка в связи с вышеперечисленными свойствами залегания грунтов становится еще более актуальным и учет его при проектировании сетей становится практически необходимым условием.
Величина удельной теплоты замерзания воды (таяния льда) в единице объема грунта а определяется по формуле (в Дж/м3):
СТ = 2 - Wн ) У ж , (1)
где Z= 3,36*104 Дж/н - скрытая теплота плавления льда (замерзания воды);
уск - объемный вес скелета грунта в Н/м3;
Жс - суммарная весовая влажность грунта в долях единицы;
Жн - весовое содержание незамерзшей воды при данной температуре грунта в долях единицы. Приближенно значения Жн можно определять по формуле:
где Жр - влажность грунта на границе раскатывания в долях единицы;
Кн - коэффициент, принимаемый по табл. 3 [3] в зависимости от вида грунта, числа пластичности Ж„ и температуры мерзлого грунта.
При общей оценке однородности грунта на исследуемом участке можно пользоваться значениями коэффициента однородности грунта по длине расчетного участка (при приближении значения Ьо.г. к единице однородность грунта максимизируется), Ь0.г. - коэффициент изменения однородности грунта, по длине расчетного участка проектируемого трубопровода.
Также учитываются максимальные неблагоприятные условия введением теплофизиче-ских коэффициентов:
Кн.о.г. - максимальное значение коэффициента Кн для всех составляющих массив грунтов, принимаемый по табл. 1 в зависимости от вида грунта, числа пластичности Ж„ и температуры мерзлого грунта.
Жр.о.г. - максимальное значение коэффициента Жр для всех составляющих массив грунтов;
№н.о.г. - максимальное значение коэффициента Жн для всех составляющих массив грунтов;
Кс.о.г. - максимальное значение коэффициента Жс для всех составляющих массив грунтов;
уск.о.г. - максимальное значение коэффициента уск для всех составляющих массив грунтов;
ао г. - максимальное значение коэффициента а для всех составляющих массив грунтов;
В таблице 1 приведены теплофизические характеристики грунтов г. Кызыла. В табл. 2 показана зависимость сочетания различных видов грунтов от коэффициента однородности грунта по длине расчетного участка.
Теплофизические характеристики по некоторым видам грунтов (в г. Кызыле)
№ п/п Грунт Кн, Wр, Wc, Уск, Н/м3 о, Дж/м3
1 Суглинки 0,4 0,2 0,1 0,2 0,2 6,2
2 Супеси 0,25 0,2 0 0,2 0,2 7,5
3 Пески 0 0 0 0,1 0,1 2,8
Зависимости сочетания различных видов грунтов от коэффициента однородности грунта по длине расчетного участка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.