Preview

Вестник НИЦ «Строительство»

Расширенный поиск

Метод стабилизации грунтового основания терморегулируемой пространственной железобетонной фундаментной платформы на вечномерзлом грунте

https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-1(32)-103-114

Полный текст:

Аннотация

Введение. Вследствие глобального потепления климата происходит оттаивание вечномерзлых грунтов в северных регионах, а также увеличиваются ветровые и снеговые нагрузки на здания, сооружения и их фундаментные основания. Скопления снеговых осадков создают теплоизолирующий слой, препятствующий замораживанию грунта в холодный период года, а в теплый период года подвергает грунт влагонасыщению, что приводит к деформированию опорных конструкций зданий и сооружений.

Целью исследования является усовершенствование пространственной железобетонной фундаментной платформы жилого здания на вечномерзлом грунте путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы с использованием системы автоматического управления и разработка терморегулируемой оболочки железобетонной фундаментной платформы с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения сильного снегопереноса в продуваемое подполье.

Материалы и методы. Для исследования системы автоматического управления процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы использовалась печатная плата Arduino Uno.

Результаты. На основе применяемого оборудования разработана структурная схема экспериментальной установки для фиксирования изменения температур воздуха окружающей среды и вечномерзлого грунта. Для изучения эффективности применения системы автоматического управления процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы, создана модель, реализованная в среде динамического моделирования технических систем SimInTech.

Выводы. Предложено новое техническое решение - терморегулируемая оболочка, выполненная из деревянных клееных панелей в виде модуля повышенной индустриализации, образующего с железобетонными плитами замкнутое пространство, причем во всех деревянных клееных панелях, установленных с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения снегопереноса, встроены регулируемые жалюзийные решетки с электроприводом. Запатентована пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте.

Для цитирования:


Климов А.С., Терехова И.И., Климова О.Л., Чумакова Е.В. Метод стабилизации грунтового основания терморегулируемой пространственной железобетонной фундаментной платформы на вечномерзлом грунте. Вестник НИЦ «Строительство». 2022;32(1):103-114. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-1(32)-103-114

For citation:


Klimovh A.S., Terehova I.I., Klimova O.L., Chumakova E.V. Method for soil base stabilization using the thermally controlled spatial reinforced concrete foundation platform in the permafrost soil. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2022;32(1):103-114. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-1(32)-103-114

Введение

Вследствие глобального потепления климата происходит оттаивание вечномерзлых грунтов в зоне экстремального северного региона [1–3]. Данная проблема выражается в увеличении ветровых и снеговых нагрузок на здания, сооружения и их фундаментные основания (рис. 1), отличающихся от нормативных значений, представленных в работе [4].

Рис. 1. Скопление снега во дворе (слева) и в вентилируемом подполье (справа)
жилого здания в г. Норильске

Fig. 1. Snow accumulation in the yard (left) and in the ventilated underfloor space (right)
of a residential building in the city of Norilsk

Большие скопления снеговых осадков создают теплоизолирующий слой, препятствующий замораживанию грунта. При естественных условиях верхний слой вечномерзлых земель подвергается регулярным температурным изменениям, а именно: испытывает летом – влагонасыщение, а зимой – пучение грунта, что приводит к деформированию опорных конструкций зданий и сооружений.

Обзор литературы

«По данным современных изысканий температуры грунта на глубине 10–15 метров могут составлять от +4 до +6 °С и отличаются от установленных в 70–80-х годах на 6–10 °С. Расчет оценки растепления вечномерзлых грунтов представлен в работе [5]. Согласно предварительным расчетам во второй половине XXI века мерзлотный слой полностью деградирует» [5].

Поэтому упрочнение грунта в зоне многолетней мерзлоты под фундаментом жилых зданий является одной из наиболее актуальных и одновременно трудно решаемых задач в условиях северного региона. В настоящее время большое внимание уделяется поиску новых перспективных решений по стабилизации вечномерзлого грунтового основания [6–8]. Данные задачи привели к проектным решениям и созданию многих систем и устройств [9–14].

Цель исследования

С учетом приведенных проблем целью исследования является усовершенствование пространственной железобетонной фундаментной платформы жилого здания на многолетнемерзлом грунте. Задачами исследований являются моделирование процесса охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы для изучения эффективности с использованием системы автоматического управления (САУ) и разработка терморегулируемой оболочки железобетонной фундаментной платформы с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения сильного снегопереноса в продуваемое подполье.

Материалы и методы

Поставленная цель решалась методом комплексного подхода, включающего в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы по проблеме исследования [6–8].

Для исследования САУ процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы использовалась печатная плата Arduino Uno (рис. 2).

Рис. 2. Печатная плата Arduino Uno

Fig. 2. Arduino Uno printed circuit board

Для работы необходимо подключить платформу к ПК при помощи кабеля USB, либо подключить питание посредством адаптера AC/DC или батареи. Описание печатной платы Arduino Uno представлено в табл. 1.

Таблица 1

Описание печатной платы Arduino Uno

Table 1

Description of the Arduino Uno Printed Circuit Board

Параметры

Значения

Рабочее напряжение

5 В

Входное напряжение (рекомендуемое)

7–12 В

Входное напряжение (предельное)

6–20 В

Микроконтроллер

ATmega 328

Аналоговые входы

6

Постоянный ток
для вывода 3.3 В

50 мА

ОЗУ

2 Кб (ATmega328)

EEPROM

1 Кб (ATmega328)

Цифровые входы/выходы

14 (шесть из которых могут использоваться как выходы ШИМ)

Флеш-память

32 Кб (ATmega328) из которых 0,5 Кб используется для загрузчика

Тактовая частота

16 МГц

Результаты исследования

На основе применяемого оборудования разработана структурная схема экспериментальной установки для фиксирования изменения температур воздуха окружающей среды и вечномерзлого грунта (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема экспериментальной установки:
1 – датчик температуры воздуха окружающей среды, установленный в продуваемом подполье; 2 – датчики температуры, установленные в массиве вечномерзлого грунта по периметру платформы; 3 – устройство ввода; 4 – блок перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства (ППЗУ); 5 – устройство вывода; 6 – электропривод регулируемых жалюзийных решеток; 7 – термоэлектрические модули

Fig. 3. Block diagram of the experimental setup:
1 – ambient air temperature sensor installed in the ventilated underfloor space; 2 – temperature sensors installed in the permafrost soil along the perimeter of the platform; 3 – input device; 4 – reprogrammable read-only memory unit (RROM); 5 – output device; 6 – electric drive of adjustable louvered grilles; 7 – thermoelectric modules

Построение модели и моделирование САУ процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы реализовано в среде динамического моделирования технических систем SimInTech отечественного разработчика. По характеристикам данных предложенный программный комплекс схожий с иностранными программами SumSim, Simulink и обладает следующими преимуществами: эффективные численные методы, практичный редактор структурных схем, встроенный язык программирования и широкая библиотека типовых блоков – позволяют осуществить модели практически любой степени сложности [15].

Рассмотрим моделирование процесса охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы (рис. 4) со следующими граничными условиями, заданными экспериментальным путем: температура воздуха окружающей среды в продуваемом подполье +1 °С; температура массива вечномерзлого грунта под нижней железобетонной плитой фундаментной платформы –5 °C.

Рис. 4. Модель ориентации термоэлектрических модулей и электропривода
к температурным изменениям

Fig. 4. Model of the orientation of thermoelectric modules and electric drive
to temperature variations

При повышении температуры воздуха внутри пространственной железобетонной фундаментной платформы выше +1 °С время формирования команды электроприводу о закрытии жалюзийных решеток и создания замкнутого пространства составляет 6,8 с (рис. 5) при параллельной работе с термоэлектрическими модулями.

Рис. 5. Время формирования команды электроприводу

Fig. 5. Time of generating command to the electric drive

При повышении температуры массива грунта под нижней железобетонной плитой фундаментной платформы выше –5 °С время формирования команды о включении термоэлектрических модулей для охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы и замораживания под ней массива многолетнемерзлых грунтов составляет 2,2 с (рис. 6) при параллельной работе с электроприводом жалюзийных решеток.

Рис. 6. Время формирования команды термоэлектрическим модулям

Fig. 6. Time of generating command to thermoelectric modules

В результате моделирования выполнен процесс охлаждения грунтов путем включения термоэлектрических модулей для охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы и стабилизации массива многолетнемерзлых грунтов за 2,2 с, иформирования команды электроприводу о закрытии жалюзийных решеток для создания замкнутого пространства за 6,8 с.

Технической проблемой, решаемой изобретением [16], является повышение эффективности процесса охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы с использованием САУи предотвращения сильного снегопереноса в продуваемое подполье [16].

Согласно изобретению [16], новым является то, что терморегулируемая оболочка выполнена из деревянных клееных панелей в виде модуля повышенной индустриализации, образующий с железобетонными плитами замкнутое пространство, причем во всех деревянных клееных панелях, установленных с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения снегопереноса, встроены регулируемые жалюзийные решетки с электроприводом. Предложенное техническое решение позволяет существенно уменьшить большие объемы воздухопроницаемости нагретых потоков в теплый период года в продуваемое подполье, сохраняет отрицательную температуру внутри замкнутого пространства, что снижает риски растепления массива грунта в зоне вечной мерзлоты. В холодный и переходный периоды года терморегулируемая оболочка фундаментной платформы позволяет холодным потокам воздуха попадать во внутрь через регулируемые жалюзийные решетки для естественного охлаждения массива грунта, а также является преградой для снежных отложений в продуваемом подполье.

На рис. 7 приведена терморегулируемая пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте. На рис. 7, фиг. 1 схематично показан общий вид; на рис. 7, фиг. 2 схематично показан общий вид, разрез А-А показан на рис. 7,фиг. 1.

Рис. 7. Терморегулируемая пространственная железобетонная фундаментная
платформа на вечномерзлом грунте [16]: 1 – деревянные клееные панели; 2 – регулируемые жалюзийные решетки; 3 – датчик температуры воздуха окружающей среды, установленный в продуваемом подполье; 4 – датчики температуры, установленные в массиве вечномерзлого грунта по периметру платформы; 5 – электропривод регулируемых жалюзийных решеток; 6 – термоэлектрические модули

Fig. 7. Thermally-controlled spatial reinforced concrete foundation platform
on the permafrost soil [16]: 1 – laminated timber panels; 2 – adjustable louvered grilles; 3 – ambient air temperature sensor installed in the ventilated underfloor space; 4 – temperature sensors installed in the permafrost soil along the perimeter of the platform; 5 – electric drive of adjustable louvered grilles; 6 – thermoelectric modules

«Терморегулируемая пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте включает объединенные между собой верхние и нижние плиты, которые соединены железобетонными фермами раскосными или безраскосными или балками, между фермами или балками в поперечном направлении установлены крестовые связи, а между верхними и нижними плитами образовано вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье. По периметру платформы установлены ограждающие деревянные клееные панели 1, образующие с железобетонными плитами замкнутое пространство. При этом во всех деревянных клееных панелях 1, установленных с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения снегопереноса, встроены регулируемые жалюзийные решетки 2. Кроме того, пространственная железобетонная фундаментная платформа содержит систему автоматического управления процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы, включающую датчик температуры воздуха окружающей среды 3, установленный в продуваемом подполье, датчики температуры 4, установленные в массиве грунта по периметру платформы, связанное с датчиками устройство ввода 5, для преобразования аналогового сигнала в цифровой, блок перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства (ППЗУ) 6, связанный с устройством ввода 5 и с устройством вывода 7, для преобразования цифрового сигнала в аналоговый, а устройство вывода 7 связано с электроприводом 8 регулируемых жалюзийных решеток 2 и с термоэлектрическими модулями 9, в виде батареи элементов Пельтье, установленными по периметру на поверхности нижней железобетонной плиты фундаментной платформы в замкнутом пространстве продуваемого подполья» [16].

Стабилизация грунтового основания терморегулируемой пространственной железобетонной фундаментной платформой на вечномерзлом грунте решается следующим образом. «При повышении температуры воздуха окружающей среды выше +1 °С сигнализирует датчик температуры 3, который подает сигнал на устройство ввода 5, преобразующее сигнал из аналогового в цифровой, и далее в блок ППЗУ 6. При повышении температуры массива грунта под нижней железобетонной плитой фундаментной платформы выше –5 °C сигнализируют датчики температуры 4, которые подают сигналы на устройство ввода 5, преобразующее сигналы из аналоговых в цифровые, и далее в блок ППЗУ 6. Блок ППЗУ 6 выполняет расчетные операции в соответствии с алгоритмом, а именно сравнивает поступившие цифровые сигналы из устройства ввода 5 с запрограммированными в ППЗУ 6 оптимальными температурами многолетнемерзлых грунтов и оптимальной температурой воздуха окружающей среды. При несоответствии оптимальным температурам многолетнемерзлых грунтов блок ППЗУ 6, в свою очередь, через устройство вывода 7, которое преобразует цифровой сигнал в аналоговый, подает сигнал о включении термоэлектрических модулей 9 для охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы и замораживания под ней массива многолетнемерзлых грунтов. Также при несоответствии оптимальной температуре воздуха окружающей среды блок ППЗУ 6 подает сигнал электроприводу 8 о закрытии регулируемых жалюзийных решеток 2 для создания замкнутого пространства и сохранения отрицательной температуры внутри пространственной железобетонной фундаментной платформы» [16].

Расчетное обоснование эффективности предложенного метода стабилизации грунтового основания выражено в процентах понижения температуры массива грунта при текущем охлаждении нижней железобетонной плиты фундаментной платформы. Входными данными для определения процента получаемой температуры массива грунта является сигнал о состоянии температуры нижней железобетонной плиты фундаментной платформы. Расчет выполнен в блоке программирования (рис. 8).

Рис. 8. Эффективность метода стабилизации грунтового основания

Fig. 8. Effectiveness of the soil base stabilization method

Выводы и заключение

  1. Разработана структурная схема экспериментальной установки для фиксирования изменения температур воздуха окружающей среды и вечномерзлого грунта.
  2. В программном комплексе SimInTech реализована модель системы автоматического управления процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы.
  3. Предложено новое техническое решение – терморегулируемая оболочка, выполненная из деревянных клееных панелей в виде модуля повышенной индустриализации, образующего с железобетонными плитами замкнутое пространство, причем во всех деревянных клееных панелях, установленных с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения снегопереноса, встроены регулируемые жалюзийные решетки с электроприводом.

Список литературы

1. Jafarov E.E. Numerical modeling of permafrost dynamics in Alaska using a high spatial resolution dataset / E.E. Jafarov, S.S. Marchenko, V. E. Romanovsky // The Cryosphere. - 2012. - Vol. 6, no. 3. - P. 613-624.

2. Rotta Loria A.F. A non-linear constitutive model for describing the mechanical behaviour of frozen ground and permafrost / A.F. Rotta Loria, B. Frigo, B. Chiaia // Cold Regions Science and Technology. - 2017. -Vol. 133. - P. 63-69. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.010.

3. Ran Y. Climate warming over the past half century has led to thermal degradation of permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau / Y. Ran, X. Li, G. Cheng // Cryosphere. - 2018. - Vol. 2, no. 12. - P. 595-608. https://doi.org/10.5194/tc-12-595-2018.

4. Амельчугов С.П. Проблемы безопасности зданий арктического региона Восточной Сибири / С.П. Амельчугов, И.С. Инжутов, А.С. Климов [и др.] // Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности и защиты от чрезвычайных ситуаций. Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции 26 апреля 2019 года, г. Железногорск, Россия. - 2019. - С. 166-172.

5. Nicolsky D.J. Estimation of soil thermal properties using in-situ temperature measurements in the active layer and permafrost / D.J. Nicolsky, V.E. Romanovsky, G.G. Panteleev // Cold Regions Science and Technology. - 2009. - Vol. 55, no. 1. - P. 120-129.

6. Филимонов М.Ю. Моделирование термостабилизации грунта при эксплуатации инженерных объектов в условиях арктических и субарктических регионов / М.Ю. Филимонов, Н.А. Ваганова // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. - 2017. - Т. 1. - № 2. - С. 391-401.

7. Абу-Хасан М.С. Термостабилизация вечномерзлых грунтов при возведении сооружений в северных климатических зонах / М.С. Абу-Хасан, В.В. Егоров, Л.Р. Куправа, Д.Г. Чарник // БСТ: Бюллетень строительной техники. - 2019. - № 4 (1016). - С. 40-42.

8. Суриков В.И. Исследования условий эксплуатации устройств термостабилизации грунтов с учетом воздействия технических объектов на многолетнемерзлые грунты / В.И. Суриков, А.А. Коротков, Е.А. Мельникова // Нефтяное хозяйство. - 2017. - № 8. - С. 116-119.

9. Inzhutov I.S. A comparative analysis of foundation design solutions on permafrost soils / I.S. Inzhutov, V.I. Zhadanov, M.Yu. Semenov, A.S. Klimov, S.P Amelchugov // E3S Web of Conferences. 2018 International Science Conference on Business Technologies for Sustainable Urban Development, SPbWOSCE 2018. -2019. - No. 110. - P01019. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911001019.

10. Inzhutov I.S. Research of permafrost soil thawing under the structural foundation platform / I.S. Inzhutov, V.I. Zhadanov, M.Y. Semenov, S.P. Amelchugov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Novosibirsk, Russia. 2018. - No. 1(456). https://doi.org/10.1088/1757-899X/456/1/012046

11. Belash T.A. Earthquake resistance of buildings on thawing permafrost grounds / T.A. Belash, T.V. Ivanova // Magazine of civil engineering. - 2020. - No. 1(93). - P. 50-59. https://doi.org/10.18720/MCE.93.5.

12. Патент РФ 38789. Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности / Н.П. Абовский и др.; патентообл.: Красноярская государственная архитектурно-строительная академия. Заявл. 2004107322/22, 11.03.2004, опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19.

13. Патент РФ 181936. Ограждающая конструкция вентилируемого подполья / А.С. Климов, М.Ю. Семенов, С.П. Амельчугов, И.С. Инжутов; патентообл.: ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». Заявл. 2018112898, 09.04.2018., опубл. 27.07.2018. Бюл. № 21.

14. Патент РФ 2728004. Терморегулируемый ограждающий модуль вентилируемого подполья / А.С. Климов, А.С. Степанян; патентообл.: ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». Заявл. 2020105067, 03.02.2020, опубл. 28.07.2020. Бюл. № 22.

15. Справочная система SimInTech [Электронный ресурс]. - URL: https://help.simintech.ru/#o_simintech/o_simintech.html (дата обращения: 22.01.2022).

16. Патент РФ 2706495. Пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте / А.С. Климов, М.Ю. Семенов, С.П. Амельчугов, И.С. Инжутов; патентообл.: ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». Заявл. 2019119260, 18.06.2019, опубл. 19.11.2019. Бюл. № 32.


Об авторах

А. С. Климов
Сибирский федеральный университет
Россия

Климов Алексей Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, доцент инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (904) 893-49-61



И. И. Терехова
Сибирский федеральный университет
Россия

Терехова Ирина Ивановна - кандидат технических наук, доцент инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (391) 206-28-16



О. Л. Климова
Сибирский федеральный университет
Россия

Климова Оксана Леонидовна - магистрант инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (391) 206-27-34



Е. В. Чумакова
Сибирский федеральный университет
Россия

Чумакова Екатерина Витальевна - магистрант инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (391) 206-27-34



Дополнительные файлы

Рецензия

Для цитирования:


Климов А.С., Терехова И.И., Климова О.Л., Чумакова Е.В. Метод стабилизации грунтового основания терморегулируемой пространственной железобетонной фундаментной платформы на вечномерзлом грунте. Вестник НИЦ «Строительство». 2022;32(1):103-114. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-1(32)-103-114

For citation:


Klimovh A.S., Terehova I.I., Klimova O.L., Chumakova E.V. Method for soil base stabilization using the thermally controlled spatial reinforced concrete foundation platform in the permafrost soil. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2022;32(1):103-114. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-1(32)-103-114

Просмотров: 52


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2224-9494 (Print)
ISSN 2782-3938 (Online)