ГЕОТЕХЭКСПЕРТИЗА
научно-исследовательский центр
  • Тюмень
  • +7 (3452) 97-98-80
  • geo-exp@mail.ru
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ

Тепловые расчеты

При строительстве на мерзлых и пучинистых грунтах тепловые расчеты являются определяющими в выборе способа и конструкции инженерной защиты сооружения. Тепловые расчеты включают в себя все возможные расчеты, связанные с передачей тепла:
— расчеты глубины оттаивания мерзлых грунтов и интенсивности сегрегационного льдовыделения при промерзании пучинистых грунтов в основаниях зданий, промышленных сооружений, нефтяных и газовых резервуаров, трубопроводов и дорог.
— расчеты сезонно-охлаждающих устройств при проектировании энергонезависимой температурной стабилизации мерзлых грунтов;
— расчеты теплообменного оборудования вертикальных и горизонтальных естественно-действующих систем температурной стабилизации мерзлых грунтов.

Тепловые расчеты позволяют прогнозировать следующие опасные для сооружений геокриологические процессы:
1. Оттаивание ледяных линз и шлиров, сопровождающееся консолидацией грунтового основания с оттеснением оттаявшей воды и неравномерной просадкой фундаментов;
2. Инфильтрация гравитационной воды и миграция капиллярно-плёночной воды при промерзании грунта и сопутствующее шлирообразование, морозное пучение и деформация фундаментов.

Для компьютерного моделирования этих процессов мы используем информацию о физико-механических и тепловых свойствах грунтов из результатов инженерно-геологических изысканий и данные о климате района из инженерно-гидрометеорологических изысканий. Однако, результатов стандартных изысканий, как правило, недостаточно для построения полной модели «основание-фундамент-сооружение». Поэтому чтобы наиболее точно прогнозировать процессы морозного пучения, оттаивания и просадки льдистых грунтов, мы внедрили в практику моделирования результаты собственных фундаментальных и прикладных исследований, посвященных изучению процессов миграции воды под действием градиента неизрасходованной поверхностной энергии минерального скелета грунта, кинетике фазовых превращений через метастабильное состояние и конвективно-концентрационной диффузии растворенных солей.

При выполнении тепловых расчетов мы применяем следующую математическую модель грунта:

где T – температура, К; ψw – изобарно-изотермическое понижение потенциала Гиббса воды в грунте, Дж/кг; μw – изобарно-изотермическое понижение потенциала Гиббса воды в растворе, Дж/кг; ωw, ωs – концентрация воды и соли в поровом растворе, д.ед.; jws – конвективный поток водно-солевого раствора, кг/(с∙м2); λP – коэффициент влагопроводности ненасыщенного грунта, м/с; jw, js – диффузионные потоки воды и соли, кг/(с∙м2); Dws – коэффициент диффузии, м2/с; ℘i, ℘w, ℘s, ℘ns, – содержание льда, воды, растворенной и нерастворенной соли в единице объема грунта, кг/м3; ℘sk – плотность скелета грунта, кг/м3; λT – коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м∙К); cw, ci, cs, cns, csk – изобарная теплоемкость воды, льда, растворенной соли, нерастворенной соли, скелета грунта, Дж/(кг∙К); Twi – температура плавления льда: 273,15 К; Lw – скрытая теплота плавления льда, 333000 Дж/кг; Ls – теплота кристаллизации соли из раствора, Дж/кг; τΩ1 – параметр кристаллизации воды, Дж·с·м3/кг2; τΩ2 – параметр плавления льда, Дж·с·м3/кг2; τs1 – время релаксации кристаллизации соли из раствора, сек; τs2 – время релаксации растворения соли из кристаллического состояния, сек; ωsmax – максимальная равновесная концентрация соли при данной температуре, д.ед.

Вы можете ознакомиться с методиками в наших научных работах, которые можно скачать по ссылкам ниже.

Механические расчеты

Механические расчеты предназначены для прогнозирования просадок, осадок и крена фундаментов, напряженно-деформированного состояния конструкций. Механические расчеты включают в себя все расчеты, связанные с силовым и моментным нагружением:
— расчет просадок и крена фундамента при оттаивании сильнольдистых мерзлых грунтов;
— расчет фундаментов на устойчивость при воздействии нормальных и касательных сил морозного пучения грунтов;
— расчет устойчивости склонов и сооружений на них в районах распространения мерзлых грунтов;
— расчет напряженно-деформированного состояния строительных конструкций при возникновении крена фундамента;
— расчет просадок и напряженно-деформированного состояния трубопроводов различного назначения.

Механические расчеты являются завершающим этапом в оценке эффективности мероприятий по инженерной защите сооружений от воздействия морозного пучения и развития термокарстов.

При расчете деформаций оснований и фундаментов мы применяем следующую математическую модель грунта:

Уравнения равновесия:

Уравнения обобщенного закона Гука с учетом объемной деформации грунта от морозного пучения:

Уравнения связи между касательными напряжениями и сдвиговыми деформациями:

Геометрические соотношения между деформациями и перемещениями:

где σ1, σ3 – наибольшее и наименьше главное напряжение, Па; φs – угол внутреннего трения, рад; Cs – сцепление, Па; Es0 – модуль деформации на начальном участке нагружения, Па.

Вы можете ознакомиться с методиками в наших научных работах, которые можно скачать по ссылкам ниже.

Гидравлические расчеты

Гидравлические расчеты являются промежуточным звеном между тепловыми и механическими расчетами трубопроводных коммуникаций. Они позволяют установить связь между распределением температуры продукта по длине в различное время года, глубиной оттаивания – промерзания грунтов и напряженно-деформированным состоянием трубопроводов.

Гидравлические расчеты включают в себя все расчеты, связанные с перекачиванием продукта по трубопроводам:
1. Расчет производительности и потерь давления при перекачивании одно- и многофазных смесей.
2. Расчет распределения температуры продукта по длине с определением горячих, теплых и холодных участков.
3. Определение участков с вероятным выпадением парафинов, газовых гидратов и конденсата углеводородных газов.
4. Расчет времени безопасной остановки трубопровода.

Вы можете ознакомиться с методиками в наших научных работах, которые можно скачать по ссылкам ниже.

ГЕОТЕХЭКСПЕРТИЗА
научно-исследовательский центр

Контакты

РФ, Тюменская область, г. Тюмень
+7 (3452) 97-98-80
geo-exp@mail.ru

© 2019 Геотехэкспертиза