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].

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.

«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].

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.

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).

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.

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

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.

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.

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.

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.

«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).