Прогнозные расчеты
На современном этапе при проектировании оснований и фундаментов, возводимых в сложных геотехнических условиях с применением технологии искусственного замораживания грунтов, требуется применение компьютерного моделирования для прогнозирования температурных полей и механических свойств грунтов. При выполнении теплотехнических расчетов грунтов необходимо учитывать замерзание и оттаивание грунтов с расчетом конвективной теплопередачи, миграции влаги к фронту промерзания, а также работу охлаждающих устройств.
Для компьютерного моделирования искусственного замораживания грунтов в НПО «Фундаментстройаркос» используется специализированное программное обеспечение - «ФСА - прогноз» (на базе программы «Frost 3D Universal»). На сегодняшний день данная программа является самой современной и точной из всех существующих аналогов.
«ФСА – прогноз» позволяет при помощи расчётных методов оценить, как поведут себя вечномерзлые грунты в основании здания, газовой скважины, опоры трубопровода и др. в реальных условиях эксплуатации. Моделирование помогает убедиться в эффективности и надежности принятых проектных решений с минимальными временными и материальными затратами.
Возможности программы:
• создание трехмерной расчетной области с учетом рельефа местности и строения грунтов;
• учет содержания незамерзшей воды в грунте и фазового перехода вода-лед;
• возможность учета конвективного переноса тепла при заданной постоянной скорости фильтрации в грунте;
• учет влияния толщины снежного покрова;
• возможность учета работы охлаждающих устройств – термостабилизаторов, глубинных СОУ, систем ГЕТ и ВЕТ;
• учет влияния внешних тепловых воздействий – солнца или газового факела.
В программе «ФСА-прогноз» можно проводить многолетнее прогнозирование состояния вечномерзлых пород в основании зданий и сооружений с учетом изменения множества факторов, таких как техногенное воздействие, изменение климата и условий эксплуатации.
Техническая информация о программе «ФСА-прогноз»
Область моделирования состоит из неоднородных слоев грунта, с различными теплофизическими свойствами – теплоемкостью, теплопроводностью, плотностью и влагосодержанием. В связи с этим для компьютерного моделирования искусственного замораживания грунтов необходимо построение трехмерной области моделирования, в которой учтено реальное распределение слоев грунта с различными теплофизическими свойствами. Такое распределение слоев грунта строится на основании данных, полученных по инженерно-геологическим скважинам.
Задание граничных условий в программе «ФСА-прогноз»
За верхнюю границу области моделирования, как правило, принимают поверхность земли, а нижнюю границу располагают на достаточно большой глубине, чтобы минимизировать её влияние на тепловые процессы в интересующей проектировщика области.
Граничные условия
На верхней границе области моделирования задаются условия теплообмена с окружающей средой, которые определяются температурой воздуха и коэффициентом теплообмена. При наличии источников теплового излучения, например, факела сжигания попутного газа, дополнительно задается температура источника излучения и степень черноты поверхности грунта. Учет влияния снегового покрова на теплообмен поверхности грунта. осуществляется путем задания изменения во времени толщины снежного покрова и его теплопроводности.
На нижней границе области моделирования задается температура грунта согласно термометрическим данным. На боковой поверхности области моделирования, как правило, задается нулевой тепловой поток. При этом боковые границы области моделирования должны быть расположены достаточно далеко от интересующего проектировщика участка, чтобы они не оказывали влияние на расчет тепловых процессов.
Дискретизация элементов
После задания всех входных данных осуществляется расчет компьютерной модели на необходимый период времени. Таким образом, проектировщики получают в свое распоряжение полную информацию о динамике трехмерного температурного поля в грунте на интересующий промежуток времени.
Результаты расчета в программе «ФСА-прогноз»