Локальные факторы

Под локальными факторами понимается тепловое воздействие зданий и инженерных сооружений на грунты основания. Определим область теплового влияния одиночного здания. Стационарное температурное поле в основании одиночного здания описывается аналитическим выражением, являющимся известным решением задачи Дирихле. При стационарном режиме все количество тепла, поступающее в мерзлый массив через поверхность пола здания, теряется им через поверхность грунта вне контура здания. Назовем ее поверхностью охлаждения. На рис. 2.2.1 показано распределение дополнительных теплопотоков по поверхности охлаждения и распределение теплопотоков, обусловленных геотермическим градиентом.

Рис. 2.2.1. Распределение вертикальных теплопотоков q по поверхности охлаждения. 1 – дополнительные теплопотоки от здания; 2 – теплопотоки, обусловленные геотермическим градиентом

Максимальная интенсивность теплопотоков наблюдается непосредственно у здания и по мере удаления от него резко падает. Однако в пределах 50 м от здания величина дополнительных теплопотоков превосходит величину теплопотоков, обусловленных только геотермическим градиентом (т. е. величину тех теплопотоков, которые существовали в природных условиях до возведения здания).

Таким образом, тепловое влияние даже одиночного здания распространяется на достаточно большое расстояние. Если учесть, что в черте застройки таких зданий множество и теплопотоки от них необходимо просуммировать, согласно принципу суперпозиции, то можно считать, что в черте застройки не существует территории, где бы не сказывалось влияние зданий и инженерных сооружений. Степень этого влияния зависит от плотности застройки и от продолжительности периода эксплуатации сооружений. Расчеты показывают, что локальное тепловое влияние зданий распространяется по всей застроенной территории уже через 50 лет с начала их эксплуатации.

Минимальная, или критическая, плотность застройки (учитываются только здания с тепловыделением в грунт), при которой происходит полная деградация вечномерзлой толщи, зависит от температуры грунта:

Температура грунта, ° С............................... -1 -2 -3 -5

Критическая плотность застройки, %.......... 8 15 20 31

Объем чаши протаивания увеличивается со временем тем больше, чем выше плотность застройки. Так, через 50 лет после начала эксплуатации здания объем чаши протаивания при плотности застройки 41%- в 1,5 раза превосходит объем чаши протаивания при плотности застройки 17%. Заметное различие в размерах чаш протаивания наблюдается уже через 15-20 лет после начала эксплуатации здания.

Предельные размеры чаша протаивания достигает через 50 лет только при плотности застройки 17%. При плотности застройки 41 и 33% протаивание не стабилизируется даже по прошествии 200 лет и более. В данном случае не существует предельных размеров чаш протаивания в их обычном понимании для одиночного здания, ибо протаивание происходит под всей застроенной территорией. Так, при плотности застройки 17% в районах с температурой грунта минус 0,5 и минус 2⁰ его протаивание под зданием не прекращается в течение 100 лет, при температуре минус 5⁰ оно заканчивается через 40-50 лет.

Таким образом, характер и скорость формирования локального температурного поля под конкретным инженерным сооружением, расположенным в черте застройки, во многом определяются общей направленностью теплового процесса в грунтах под застроенной территорией в целом, показателем которого является средневзвешенная по площади температура поверхности. Эта температура названа Л.Н. Хрусталевым (1971, 2005) среднеинтегральная температура поверхности (Т_ср). Значение средней интегральной температуры определяется по формуле:

Т _ср = (2.2.1)

где m – число источников и стоков тепла в пределах застройки (здания, коммуникации, дороги, дворы, скверы и пр.); Т_k – температура поверхности грунта в пределах k –го источника или стока тепла, S_k – площадь, занимаемая k –м источником или стоком тепла в % от общей застройки.

Если размеры застройки в плане бесконечно велики, что можно допустить, поскольку толща многолетнемерзлых грунтов, как правило, во много раз меньше линейных размеров застройки, то распределение температур пород Т по глубине z можно записать:

T(z)=T _ср+G z. (2.2.2)

где G геотермический градиент, ⁰С/м.

График этой функции показан на рис. 2.2.2, там же показано распределение по глубине среднегодовой температуры грунта в естественных условиях, подчиняющееся закону: T(z)=T ₀+G z.

Рис. 2.2.2. Распределение стационарной температуры по глубине на застроенной территории и в естественных условиях: 1 – в естественных условиях (Т₀); 2 – на застроенной территории при Т_ср < Т₀; 3 – на застроенной территории при Т_ср > Т₀; на застроенной территории при Т_ср > 0⁰C

Из рассмотрения графиков следует три важных вывода:

если Т_ср < Т₀, то в черте застройки увеличивается мощность и понижается температура многолетнемерзлых грунтов, т.е. произойдет развитие мерзлых толщ;

если Т_ср > Т₀, то в черте застройки уменьшается мощность и повышается температура многолетнемерзлых грунтов, т.е. произойдет деградация мерзлых толщ;

если Т > 0, то в черте застройки произойдет сквозное оттаивание многолетнемерзлых грунтов и температура грунта станет положительной.

Оценка интенсивности перечисленных процессов является сложной теплофизической задачей, решение которой в общем случае возможно лишь численным методом с использованием ЭВМ, например по программе WARM разработанной под руководством профессора Л.Н. Хрусталева.

Данные моделирования показывают, что увеличение объема оттаявшего под зданием грунта, связанное с увеличением плотности застройки, происходит в основном вследствие бокового развития чаши протаивания. При большой плотности застройки и высокой первоначальной температуре мерзлых грунтов чаши протаивания под отдельными зданиями уже через 50 лет с начала эксплуатации смыкаются, и в кварталах происходит повсеместное опускание верхней границы вечномерзлых пород. В натуре это явление наблюдается и ранее отмеченного срока, если на территории застройки имеются большие отложения снега и грунтовые воды.

Так, в квартале 7 г. Воркуты и на промышленной площадке шахты 18 общее понижение верхней границы вечномерзлых пород произошло уже через 10-11 лет после начала эксплуатации здании. Высокая плотность застройки и большие снегонакопления на рассматриваемых территориях обусловили положительную среднеинтегральную температуру поверхности грунта, следствием чего явилось повсеместное протаивание мерзлых пород.

Плотность теплоисточников в черте застройки и их интенсивность - наиболее существенные факторы, влияющие на динамику мерзлых толщ. При высокой плотности теплоисточников даже широкое применение различного рода мелиоративных мероприятий не ликвидирует процесс повсеместного протаивания грунтов на застроенной территории в тех районах, где естественные "запасы холода" невелики.

Например, в районе Воркуты при средней годовой температуре воздуха минус 5,7⁰ понизить температуру поверхности грунта за счет естественного охлаждения ниже минус 4-5⁰ не представляется возможным. Поэтому плотность застройки выше 30% в любых случаях вызовет полную деградацию мерзлых толщ.

В районах распространения высокотемпературных вечномерзлых пород особые трудности возникают при обеспечении устойчивости зданий с проветриваемыми подпольями, если их предполагается возводить в черте застройки.

Если на застроенной территории расположено только одно здание проветриваемым подпольем, то максимальная мощность мерзлого массива под ним всего 2,8 м. При расположении рядом трех здании с проветриваемым подпольем мощность мерзлого грунта возрастает до 5,5 м, а при 7 зданиях она составляет 11 м.

Таким образом, несмотря на чрезвычайно малое "выхолаживающее" влияние зданий с проветриваемым подпольем по сравнению с "отепляющим" влиянием зданий с полами на грунте, объем мерзлого массива неуклонно растет. Это объясняется понижением среднеинтегральной температуры поверхности вследствие увеличения площади охлаждения. Таким образом, в районах распространения высокотемпературных вечномерзлых пород устойчивость зданий, построенных на мерзлых основаниях, можно обеспечить только в том случае, если застройка кварталов выполнена по единому принципу, т.е. все здания в квартале построены с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии.

К локальным факторам относится также связанная с застройкой активная подготовка поверхности (снятие растительного покрова, отсыпка насыпей, бетонирование, асфальтирование и пр.). Однако тепловой эффект от этих мероприятий во многом зависит от существующего режима снежных отложений в данном населенном пункте. Поэтому тепловое воздействие на грунт, обусловленное активной подготовкой поверхности, следует рассматривать совместно с режимом снежных отложений.