Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 [ 93 ] 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148

ГЛАВА VIII

О ТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ НА ЗАСТРАИВАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ

§ 1. Значение проблемы и пути ее решения

Вопрос о температурной устойчивости вечномерзлых грунтов на застраиваемых территориях имеет существенное практическое значение для выбора метода строительства - по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов основания или с учетом оттаивания их в процессе эксплуатации сооружений.

Под температурной устойчивостью вечномерзлых грунтов, или точнее, устойчивостью отрицательного температурного поля вечномерзлых грунтов мы будем понимать такое температурное состояние вечномерзлых грунтов, когда в течение длительного времени (соизмеримого со сроком эксплуатации основных сооружений) не будет происходить общего повышения температуры толщи вечномерзлых грунтов на застраиваемой территории, т. е. не будет иметь места деградация вечномерзлых грунтов.

Идея прогноза температурной устойчивости вечномерзлых грунтов и способ оценки их общей температурной устойчивости на застраиваемой территории были предложены автором еще в начале 30-х годов *.

Было принято, что устойчивость температурного режима вечномерзлой толщи грунтов на застраиваемой территории будет обеспечена, если глубина промерзания грунта в основании сооружений,, вычисленная на основе баланса тепла по фактической средней месячной температуре грунта на различных глубинах, его влажности-льдистости, теплопроводности и теплоемкости и учета теплопотери полом здания, будет больше глубины его летнего оттаивания, определенной тем же методом.

Отметим, что исходя из описанного условия в 1931 г. была впервые рассчитана устойчивость температурного режима вечномерзлых грунтов в основании строящейся в Якутске тепловой электростанции (ЯЦЭС) ** и запроектированы соответствующие меры по сохранению мерзлого состояния грунтовых оснований; правильность принятых при этом предпосылок тепловых расчетов полностьк> подтвердилась бесперебойной эксплуатацией станции до настоящего времени, т. е. уже около 40 лет, причем не наблюдается каких-либо недопустимых деформаций.

Ниже на основе детальных теплофизических исследований (С. С. Ковнера, В. П. Ушкалова, С. В. Томирдиаро и особенно ценных для практики теплофизических работ Г. В. Порхаева с сотруд-

* 1. Н. А. Цытович. Лекции по расчету фундаментовВ условиях вечно» мерзлоты. Изд. Ленинградского института сооружений, 1933; 2. См. сноску на стр. 83.

** Н. А. Цытович, Н. И. Салтыков, В. Ф. Ж у к о в [и др.]. Фундаменты электростанции на вечной мерзлоте. Изд-во АН СССР, 1967.

никами, а также Л. Н. Хрусталева и др.) более подробно освещается вопрос о температурной устойчивости как общей, так и локальной.

Рассматривая детально вопрос о температурной устойчивости толщи вечномерзлых грунтов, прежде всего отметим, что всякое об-житие местности существенно сказывается на изменении температурного режима вечномерзлых грунтов в результате сложнейшего взаимодействия многих факторов, главнейшими из которых будут:

хозяйственное освоение местности (нарушение мохового, снежного, кустарникового и других естественных покровов, вырубка леса, сельскохозяйственное использование и пр. и пр.);

застройка территории с возведением тепловыделяющих зданий и сооружений, подземной прокладкой тепловых и водных коммуникаций и пр. и пр.

Следуя Г. В. Порхаеву и В. К. Щелокову *, а также Л. Н. Хру-сталеву**, можно -разделить многочисленные факторы, влияющие на температурный режим застраиваемых территорий, на три группы: общие, локальные и специфические. К общим факторам относятся составляющие внешнего теплового и влажностного обмена; к локальным - воздействия открытых водоемов, водотоков, различного рода зданий и сооружений (особенно с положительной температурой внутри помещений) и подземных коммуникаций (водных, тепловых и др.); к специфическим - гидрогеологические особенности (наличие межпластовых вод и т. п.), особый режим снежных отложений, минерализации грунтовых вод и др.

Все перечисленное обусловливает сложнейшее взаимодействие внешних факторов и температурного поля толщи вечномерзлых грунтов, причем в зависимости от общих геолого-географических и геокриологических особенностей района и благоприятных условий для развития некоторых специфических факторов результаты внешних воздействий могут быть весьма различны. Так в большинстве случаев для районов с высокотемпературной толщей вечномерзлых грунтов обжитие местности ведет к ослаблению (деградации) вечномерзлой толщи и к опусканию верхней ее границы; в других же условиях, при наличии низкотемпературных вечномерзлых грунтов,, наоборот, к усилению отрицательной температуры и к повышению (поднятию) верхней границы вечномерзлой толщи. Например, наблюдения в районе г. Воркуты показали, что верхняя граница веч> померзлых грунтов опускается, а температура их повышается.

Точно такое же явление наблюдается и в г. Игарке, и в ряде других мест южной зоны распространения вечномерзлых грунтов. Последнее объясняется, во-первых, увеличением суммарной ради-

* Г. В. Порхаев, Г. М. Фельдман, В. К. Щелоков [и др.]. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов под ред. Г. В. Порхаева, гл. V «Изменение температурного режима грунтов при освоении территории». Изд-во «Наука», 1964.

** Теория и практика мерзлотоведения в строительстве. «Влияние застройки на температурный режим многолетиемерзлых грунтов», гл. II, под ред. Л. Н. X р у-сталева, Л. А. Братцева и В. Ф. Жукова. Изд-во «Наука», 1965.

ации в застроенных территориях (городах) но сравнению со свободной территорией (вследствие загрязнения слоя атмосферы над городами и поселками конотью, пылью и пр.); во-вторых, выделением тепла зданиями, промышленными установками и транспортом, что обусловливает повышение температуры в городах на величину порядка +0,5- -Ц,5°С, а иногда и более; в-третьих, увеличением турбулентности воздушного потока в городах и поселках летом, вызванным неравномерным нагреванием отдельных частей зданий и сооружений; в-четвертых, меньшим испарением влаги в застроенных территориях по сравнению с незастроенными и, наконец, наличием подземных непроветриваемых тепловых коммуникаций.

В некоторых местах северной и центральной зон распространения вечномерзлых грунтов в определенных условиях (нри отсутствии движения грунтовых вод и значительном уплотнении или снятии верхнего теплоизолирующего слоя почвы- мохо-торфяного, снегового и пр.) наблюдается поднятие верхней поверхности вечномерзлых грунтов и понижение их температуры на глубине нулевых теплооборотов (но данным, например П. А. Соловьева, температура грунта в Якутске на глубине 10 м за 300 лет понизилась от -2 до -6" С), что является результатом сложного теплового взаимодействия многих факторов, в том числе увеличения мощности и увлажненности верхнего насыпного, так называемого культурного слоя грунта, уменьшения теплоизолирующих свойств поверхностных слоев (мохового, снежного и пр.); изменения гидрогеологических условий и т. п.

Для практики весьма важно установить как общее направление криогенного процесса на застраиваемой территории (будет ли иметь место его усиление, или наоборот, деградация и постепенное потепление вечномерзлых грунтов с их протаиванием), так и динамику изменения температуры мерзлых толщ во все время существования сооружений, так как от величины отрицательной температуры мерзлых грунтов в высокой степени будут зависеть все прочностные и деформативные характеристики мерзлых грунтов, по величине которых производятся расчеты на прочность и устойчивость возводимых на них сооружений.

На температурный режим грунтов застраиваемой территории оказывают влияние не только первоначальные геокриологические условия и степень предпостроечной подготовки территории с последующим ее благоустройством, но также и общая плотность застройки, особенно при значительной ее величине (примерно большей 30-40%), и наличие локальных сосредоточенных источников тепла с высокой температурой (горячие цехи промышленных предприятий с большим количеством отработанной воды, бани, прачечные и особенно прокладка подземных водных коммуникаций при отсутствии их вентиляции).

Как пример, на рис. 124 приведены кривые изменения теплосодержания в грунте на территории застройки в районе Воркуты (при мощности слоя вечномерзлых грунтов в 80 ж и начальной тем-