Проблематика определения теплофизических свойств сезонно мерзлых грунтов Дальнего Востока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблематика определения теплофизических свойств сезонно мерзлых грунтов Дальнего Востока

Сячин С.E., Зарецкая M.А.

ТОГУ г. Хабаровск, Россия

Абстракт

промерзание грунт дальний восток теплофизический

Основную территорию Дальнего Востока России занимают районы сезонного промерзания и оттаивания грунтов. Глубина промерзания оказывает значительное влияние на структуру и глубину заложения подземных сооружений и конструкций нулевого цикла зданий. Кроме того, сезонно-промерзающие глины и пески подвержены морозному пучению, которое вызывает значительные напряжения и деформации, вплоть до разрушения объектов. Теплофизические свойства грунтов имеют крайне важное практическое значение при проектировании, строительстве и эксплуатации земляного полотна автомобильных и железных дорог, подземных тепловых и нефтегазовых сетей, фундаментов зданий и сооружений, в особенности мелкозаглубленных фундаментов под малоэтажные здания и сооружения.

В статье проведен анализ различных способов определения теплофизических свойств грунтов: прямой, косвенный и по данным строительных нормативов. На его основании сделан вывод о необходимости получения информации о теплофизических свойствах грунтов путем прямого исследования образцов в лаборатории.

Ключевые слова: промерзание, оттаивание, сезонное промерзание грунта, теплопроводность грунта, теплоемкость грунта, теплофизические свойства грунта.

Abstract

PROBLEMS OF DETERMINATION OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF SEASONALLY FROZEN SOILS OF THE FAR EAST

Siachin S.E., Zaretskaia M.A.

PNU, Khabarovsk, Russia

The main territory of the Russian Far East is occupied by areas of seasonal freezing and thawing of soils. The depth of freezing has a significant impact on the structure and depth of underground structures and structures of the zero cycle of buildings. In addition, seasonally frozen clays and Sands are subject to frost heaving, which causes significant stresses and strains, up to the destruction of objects. Thermophysical properties of soils are of great practical importance in the design, construction and operation of the roadbed and Railways, underground thermal and oil and gas networks, foundations of buildings and structures, especially shallow foundations for low-rise buildings and structures. The thermophysical properties of soils are characterized by the coefficient of thermal conductivity, weight (mass) or volume heat capacity and the coefficient of thermal conductivity.

The article describes the physical nature of the processes occurring in seasonally frozen soils. The main thermophysical parameters of soil and their influence on the depth of foundations are considered. The analysis of various methods of determination of thermophysical properties of soils is carried out: direct (according to research laboratories), indirect (according to various calculation methods) and according to construction standards. On its basis, it is concluded that it is necessary to obtain information about the properties of soils by direct examination of samples in the laboratory.

Keywords: freezing, thawing, seasonal soil freezing, soil thermal conductivity, soil heat capacity, thermal properties of the soil.

Введение

Территория Дальнего Востока - важнейшая пространственная и административная часть Российской Федерации. Дальний Восток России является весьма перспективным регионом и достаточно успешно осваивается. В сентябре 2019 года президент России Владимир Владимирович Путин провел заседание президиума Госсовета по национальной программе развития Дальнего Востока в период до 2025 года и на перспективу до 2035 года. Он заявил, что темпы роста промышленного производства на Дальнем Востоке в три раза превышают средние по России. В связи с этим возникает необходимость вести строительство различных объектов. Однако эта работа осложнена тем, что большая часть территории Дальнего Востока находится в зоне сезонного промерзания почвы [1, с. 240] (рис. 1).

Рис.1. Карта сезонного промерзания и оттаивания грунтов на территории РФ

1. Недостатки в требованиях нормативной литературы к определению глубины промерзания грунта

Промерзание - это переход грунта в мерзлое состояние. Оно связано с тепловыми потерями из грунта в атмосферу в зимний и переходный период, когда температура воздуха становится отрицательной. В научной литературе отмечают, как правило, следующие типы промерзания грунта: кратковременное, сезонное, зимнее и многолетнее промерзание. Сезонное промерзание возникает в результате смены сезонов, длится не более года, и почти повсеместно охватывает территорию российского Дальнего Востока.

Промерзание грунта сопровождается его затвердением в результате превращения воды, находящейся в порах, в лед. Как известно, любая стройка осложняет собой часть массива грунта, воспринимающую нагрузку от здания или сооружения и называемую основанием. В результате воздействия нагрузки в основании фундамента формируется деформируемый объем грунта, который называют сжимаемой толщей, или рабочей зоной основания. При проектировании объекта важно знать все напряжения и деформации, влияющие на работу основания.

Рассмотрим напряжения и деформации в промерзающих и мерзлых грунтах. Изменение термодинамического состояния породы, приводит к изменению объема породы, возникновению напряжений в ней и, в конечном счете, к деформациям породы. Процессы, приводящие к таким напряжениям, принято делить на следующие основные категории:

• миграционные;

• температурные;

• диагенетические.

Первые процессы приводят к неравномерному увеличению объема грунта при его промерзании как за счет кристаллизации воды, имевшейся в грунте, так и за счет замерзания новых объемов воды, перемещенной в него снаружи. Увеличение объема вызывает в грунте напряжения растяжения, что неизбежно приводит к пучению поверхности грунта, является наиболее распространенным процессом и происходит во всей части мерзлого грунта. В тонкодисперсных грунтах миграция воды более активна, и пучения в них, как правило, выше. Понижение температуры в мерзлой части грунта приводит к уменьшению объема, а увеличение температуры грунта - к увеличению его объёма. Поскольку изменение температуры грунта происходит в разных направлениях по-разному, то в грунте возникают неравномерные напряжения. Классификация грунтов по степени опасности проявления морозного пучения регламентированы строительными нормами. По указанной классификации к пучинистым грунтам отнесены все глинистые грунты, пески мелкие и пылеватые, а также обломочные грунты с пылевато-глинистым заполнением. В сухом же состоянии перечисленные грунты отнесены к малопучинистым [3, с. 79].

Разработку породы в условиях отрицательных температур осуществляют следующими методами:

• предохранением грунта от промерзания и последующей разработкой обычными методами;

• разработкой грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением;

• непосредственной разработкой мерзлого грунта;

• оттаиванием и его разработкой в талом состоянии.

На выбор оптимальной технологии разработки мерзлых грунтов огромное влияние оказывают конкретные геокриологические и климатические условия района земляных работ. Отметим лишь, что главными факторами выбора метода разработки мерзлого грунта являются: объём земляных работ и мощность мёрзлого грунта. Однако, с течением времени температурная обстановка на поверхности изменяется, из-за чего глубина промерзания так же меняется. Поэтому в технических расчетах необходимо учитывать нормативные глубины сезонного промерзания и протаивания, которые зависят от сочетаний климатических и микроклиматических показателей, от наличия и типа покрова, а так же в не малой степени от теплофизических свойств грунта [4, с. 68].

Рекомендации нормативной литературы [3] сводятся к определению нормативной глубины промерзания в различных грунтах и назначению соответствующей отметки заложения подошвы фундамента. Однако, для не больших сооружений и зданий малой этажности, разработка глубоко залегающих фундаментов является не целесообразной. Именно для них вопрос точного определения теплофизических свойств грунта и их влияния на процессы промерзания- оттаивания становится наиболее актуальным.

Основой для определения глубины промерзания и оттаивания грунта, а так же для расчета скорости данных процессов являются теплофизические свойства. Кроме того, четкое определение теплофизических свойств грунта необходимо для оценки устойчивости инженерных сооружений. Показатели теплофизических свойств мерзлых и оттаявших грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, требуются так же для выполнения теплотехнических расчетов.

2. Сравнительный анализ методик определения теплофизических свойств грунта

К наиболее значимым теплофизическим свойствам грунтов относятся:

• коэффициент теплопроводности, А, [Вт/К'м];

• удельная объемная теплоемкость, с' [Дж/м^3-К];

• удельная весовая теплоемкость, с [Дж/кгК];

• коэффициент температуропроводности, а [м²/с].

Теплопроводность в общем случае - это передача теплоты за счет переноса энергии микрочастицами (молекулами и атомами, а так же их отдельными составляющими). Коэффициент теплопроводности численно равен плотности теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.

Рисунок 2 - Значение коэффициента теплопроводности грунта, ккал/час /К м. I- не замерзшие пылеватые и глинистые грунты; II - замерзшие пылеватые и глинистые грунты; III - не замерзшие песчаные грунты; IV- замерзшие песчаные грунты.

Он показывает то количество тепловой энергии, которое передается теплопроводностью в толще грунта через 1 м² площади, если скорость изменения его температуры равна 1 [К/м]. Особенность теплопроводности мерзлых и талых грунтов заключается в их влажности и в агрегатном состоянии воды, входящей в их состав. Коэффициент теплопроводности сухого грунта не меняется при переходе через 0°. При влажностях до 6-- 10% в песчаных или до 12% в тонкоструктурных грунтах, теплопроводность мерзлого грунта будет тем ниже, чем большее количество льда он содержит. Но при увеличении влажности выше 10%, коэффициент теплопроводности мерзлого грунта становится больше, чем его значение для талого грунта. На рис. 2 показаны зависимости коэффициентов теплопроводности песчаных и глинистых грунтов в мерзлом и талом состоянии при различных значениях влажности образцов.

Отметим, что верхние области диаграмм имеют исключительно теоретический интерес, так как настолько небольшие значения объемного веса грунта не встречаются на практике и могут быть получены только в исследовательских лабораториях.

Удельная теплоемкость - количество тепловой энергии, требуемое для нагрева определенного количества вещества (кг или м³) на один градус. Иными словами, теплоемкость грунта определяется его способностью при нагревании поглощать и удерживать в себе тепловую энергию, а при охлаждении эту же энергию выделять. Так как грунт является многокомпонентной системой, его теплоемкость характеризуется теплоемкостью веществ, его составляющих (скелет грунта, связанная и не связанная жидкость, различные твердые и газообразные включения). Так, например, в нормативной литературе [4, с. 55] приводятся следующие значения для удельной весовой теплоемкости скелета грунтов (табл. 1).

Табл. 1. Расчетные значения удельной теплоемкости скелета грунтов

В общем случае температуропроводность это физическая величина, описывающая скорость выравнивания температуры материал в неравновесных тепловых процессах (когда все термодинамические параметры рассматриваемой системы изменяются с течением времени). Коэффициент температуропроводности определяется соотношением двух предыдущих показателей, изложенных в статье. Его рассчитывают по формуле

а = А,/с'

где а - коэффициент температуропроводности грунта, м²/с; к -- коэффициент теплопроводности грунта, Вт/К м; с' - удельная объемная теплоемкость грунта, Дж/м³ К.

Все реально протекающие процессы являются неравновесными. А от значения температуры грунта, в свою очередь, зависят все его остальные теплофизические свойства. Поэтому температуропроводность - крайне важная характеристика горной породы.

Определить теплофизические свойства грунта можно напрямую, в исследовательской лаборатории, или же путем расчета. Рассчитать теплофизические характеристики, а значит и глубину промерзания-оттаивания грунта, косвенным путем представляется довольно сложной задачей. Дело в том, что на теплофизические свойства грунта оказывают существенное влияние такие показатели, как: соотношение глинистых и песчаных частиц; фазовый состав поровой влаги (количество льда и воды в порах); химико-минералогический и механический состав грунта; влажность грунта; плотность грунта; температура грунта (мерзлое / талое состояние).

К настоящему моменту существует ряд методик, в основном зарубежных, позволяющих расчетным способом определить тепло физические свойства грунта. В статье [7] было произведено сравнение величин теплопроводности песчаного грунта, определенных по российской нормативной литературе и по двум зарубежным методикам, а также с данными эксперимента (табл. 2).

Табл. 2. Теплопроводность песчаного грунта

В результатах, полученных по двум зарубежным методикам, растет при увеличении влажности грунта, что объясняется зависимостью методики расчета от влагосодержания в грунте. Наиболее приближенные к лабораторным исследованиям данные получены по методике О. Johansen[8, 9]. Однако в целом, реальные значения теплофизических свойств грунтов могут существенно разниться с рассчитанными значениями. Следовательно, необходимо более полно изучать тепловые характеристики грунта, т.е. проводить прямые лабораторные исследования его теплофизических свойств.

К сожалению, в нормативной литературе содержится обязательное требование по определению теплофизических характеристик только для вечномерзлых грунтов, а для сезонно промерзающих грунтов, составляющих подавляющее большинство территории Дальнего Востока, это предписание не установлено.

Исследования O.Ravaskaи K.Kujuala[10] показали, что изменение коэффициента теплопроводности на 30% повлекло за собой изменение значения глубины промерзания на 16%. При уменьшении удельной теплоемкости грунта на 30%, расчетная глубина промерзания увеличилась на 5%.

Заключение

Из всего вышесказанного следует сделать вывод, что, точное определение теплофизических свойств сезоннопромерзающих грунтов является важной прикладной задачей современной науки. В особенности это значимо для строительства зданий и сооружений малой этажности. При проектировании подобных объектов проведение теплотехнических расчетов с использованием данных о теплофизических свойствах грунтов просто необходимо. Эксплуатация малозаглубленных фундаментов, автомобильных и железных дорог, а так же подземных трубопроводов и иных сооружений в условиях сезонно промерзающих грунтов Дальнего Востока напрямую зависит от точности определения теплофизических свойств грунта.

Библиографические ссылки на источники

2. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. НИИОСП им Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Строиздат,1979. - 39с.

3. СП 22.13330.2011.Сводправил. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция взамен СНиП 2.02.01-83.

4. СП 25.13330.2012. Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция взамен СНиП 2.02.04-88.

5. Невзоров, А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах: учебное пособие/ А.Л,Невзоров - М.: АСВ, 2000- 152 с.

6. Основы геокриологии: учебное пособие. А.Д. Маслов [и др.]; - Ухта: Институт управления, информации и бизнеса, 2005. - 176 с.

7. Медведев Д.П., Захаров А.В. Анализ сходимости результатов натурного измерения теплопроводности песчаного грунта с зарубежными расчетными методами // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2014. - № 4. - С. 129-137

8. JohansenO. Thermal conductivity of soils. - Hanover, New Hampshire: CRREL, 1977.-291p.

9. Farouki O.T. Thermal properties of soils . Trans. Tech. Publications. - 1986. - 136p.

10. Ravaska O., Kujuala K. Prediction of frost penetration depth by heat transfer analysis . 2nd European Spec. Conf. on Numerical Methods in Geotechn. Eng.-Santander, 1990. - P.293-302.

Размещено на Allbest.ru