CC BY
0
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ
ГРУНТОВ
А.А. Кормина, студент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-1-237-241
Аннотация. В современном строительстве и геотехнике изучение теплофизических свойств грунтов играет важную роль при проектировании и эксплуатации различных инженерных объектов. Понимание теплофизических характеристик грунтов позволяет не только эффективно решать задачи теплоизоляции и теплообмена, но и оценивать тепловые режимы в грунтовых массах в различных климатических и эксплуатационных условиях.
В данной статье рассматривается методика определения теплофизических свойств грунтов, анализируются факторы, влияющие на теплопроводность и теплоемкость грунтов, и обсуждаются практические аспекты применения полученных данных в проектировании и строительстве.
Понимание и изучение этих параметров имеет большое значение для обеспечения эффективной работы инженерных систем и обеспечения комфортных условий в зданиях и сооружениях, построенных на грунтовых основаниях.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, коэффициент теплопроводности, теплоемкость, теплофизические свойства грунтов.
При расчете температурных задач, а также для учета особенностей процесса теплообмена в грунтах требуется определять теплофизические свойства грунтов, благодаря этим параметрам расчетом можно спрогнозировать глубину оттаивания и скорость промерзания и оттаивания основания.
К основным теплофизическим свойствам грунтов относятся коэффициент теплопроводности, объемная теплоемкость и коэффициент температуропроводности. Перечень необходимых характеристик для расчета регламентируется действующим СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» в Приложении Б. Нормативный документ содержит средние значения нормативных и расчетных характеристик грунтов. Соответственно они являются приближенными, в последующих тепловых расчетах, так как эти характеристики не учитывают особенностей формирования их в региональных мерзлотно-грунтовых условиях. Исходя из вышеперечисленного при последующих тепловых расчетах в исходных данных могут быть заложены неверные значения, что
в итоге может привести к завышенным или заниженным показателям расчетов и может привести к аварийным ситуациям.
Регламентирующим СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов» в п. 7.16 приводится требование о прямом определении прочностных, деформационных и теплофизических свойств грунтов для зданий I и II уровней ответственности, а для сооружений III категории ответственности характеристики возможно определять по физическим показателям плотности и влажности грунта в учетом требований СНиП 2.02.04, сейчас СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерз-лых грунтах».
В СП 25.13330.2020, в частности в приложении Б, представлены данные о теплопроводности грунтов в зависимости от плотности, влажности и степени засоленности. Однако многолетний опыт подтверждает, что измеренные значения теплопроводности не всегда совпадают с указанными в стандарте. Образцы грунта мо-
гут иметь параметры (влажность, плотность), превышающие установленные значения, и в таких случаях стандарт не предоставляет руководств по дальнейшим действиям. Множество факторов, таких как генезис, наличие льда, размеры частиц и другие, влияют на теплопроводность грунта. Поэтому прямое измерение данного параметра является критически важным для корректного проектирования ответственных сооружений.
В исследованиях Царапова М.Н., Котов П.И., Волхова С.С., Мотенко Р.Г., Пу-стовойт Г.П., Цаеева А.Н., в своей работе провели исследование и обобщили экспериментальные и теоретические исследования физико-механических свойств грунтов центральной Якутии и пришли к выводам, что строительные нормы
СП 25.13330.2020 не учитывают особенности характеристик а именно формирование в регионально мерзлотных условиях [0].
Определением важности зависимости теплофизических свой грунтов от физических свойств грунтов рассматривается в статье Ядовиной К.С. и Мащенко А.В. [0]. Авторы подчеркивают, что изучение теплофизики грунтов с использованием непосредственных лабораторных методов важно, поскольку фактические значения теп-лофизических характеристик могут существенно отличаться от расчетных или экспериментальных данных.
Особое внимание уделяется влиянию точности определения теплофизических свойств на процессы промерзания-оттаивания сезоннопромерзающих грунтов. Статья сравнивает различные методы расчета теплофизических характеристик грунтов опираясь на работы А.Л. Невзорова [0] и методики зарубежных авторов М. Ке^еп [0] и О. 1оЬап8еп [0] включая расчетные, экспериментальные и основанные на нормативной документации.
Результаты сравнения показывают необходимость изучения теплофизики грунтов прямыми лабораторными методами для повышения точности оценок. Так-
же отмечается, что свойства грунтов, включая теплофизические, могут определяться как косвенно (по нормативным документам и эмпирическим зависимостям), так и прямыми лабораторными методами.
Было проведено исследование и сравнение экспериментальных данных коэффициента теплопроводности согласно СП 25.13330.2020 и его расчетными показателями.
Экспериментальные исследования проводились на грунтах, отобранных с площадки объекта, и подготавливались в соответствии с методикой ГОСТ 28622-2012 в специальных формах, обеспечивающих точные размеры и параллельность торцов. В рамках данной статьи был рассмотрен грунт - суглинок (текучепластичный и мягкопластичный).
Выполненный объем исследований изменения теплофизических свойств глинистых грунта после цикла замораживания-оттаивания грунтов ненарушенного сложения (количество опытов: суглинки - 12) позволяет проанализировать изменение теплофизических свойств в качественном виде и обобщить результаты для сравнения с расчетными параметрами.
В результате лабораторного анализа, отобранных образцов грунта были получены следующие физические характеристики: влажность на границе пластичности а также плотность грунта р и плотность сухого грунта рd, также было определена суммарная влажность мерзлого грунта. Перед испытанием и после испытания производилось взвешивание образца и производилось высушивание в сушильном шкафу для определения влажности до и после промораживания согласно ГОСТ 5180-2015. Теплофизические свойства грунтов принимались по Приложению Б СП 25.13330.2020.
Нормативные и расчетные значения физических и теплофизических характеристик грунтов, согласно Приложению Б СП 25.13330.2020 представлены в таблице 1.
Таблица 1. Физические и теплофизические свойства грунтов
№ Разновидность Р pd wp wt Коэффициент теплопроводности Объемная теплоемкость Коэффициент температуропроводности
грунта ot Xth Xf Cth Cf ath af
вт/(м*С) МДж/(м3*С ) м2/с
1 Текучепластич-ный 2,0 8 1,6 6 0,2 5 0,2 1,402 1,650 2,97 9 2,51 4 0,471 0,656
2 Текучепластич-ный 1,9 5 1,5 2 0,2 8 0,2 1 1,278 1,504 2,79 1 2,40 9 0,458 0,624
3 Мягкопластич-ный 1,9 8 1,5 2 0,3 0,2 2 1,318 1,549 2,85 4 2,49 7 0,462 0,620
4 Мягкопластич-ный 1,8 9 1,4 5 0,3 0,2 2 1,245 1,456 2,72 5 2,33 1 0,457 0,625
5 Текучепластич-ный 1,8 3 1,4 0 0,3 1 0,2 2 1,192 1,418 2,61 8 2,30 1 0,455 0,616
6 Мягкопластич-ный 1,8 5 1,4 0 0,3 2 0,2 4 1,284 1,526 2,74 4 2,33 5 0,468 0,653
7 Текучепластич-ный 1,8 7 1,4 1 0,3 3 0,2 5 1,339 1,589 2,81 2 2,41 2 0,476 0,659
8 Текучепластич-ный 1,8 9 1,4 1 0,3 4 0,2 5 1,339 1,589 2,82 1 2,46 6 0,475 0,644
9 Текучий 1,9 0 1,4 0 0,3 5 0,2 6 1,354 1,594 2,85 9 2,44 5 0,474 0,652
1 0 Текучепластич-ный 1,8 5 1,3 6 0,3 6 0,2 6 1,310 1,547 2,77 8 2,35 2 0,472 0,658
1 1 Текучепластич-ный 1,8 3 1,3 4 0,3 7 0,3 0 1,330 1,563 2,95 2 2,47 0 0,451 0,633
1 2 Мягкопластич-ный 1,8 5 1,3 5 0,3 7 0,3 3 1,474 1,660 3,15 4 2,63 2 0,467 0,631
Согласно полученным данным, были мерзлого состояний грунта от влажности и составлены графики зависимости тепло- плотности сухого грунта рисунок 1 и 2. проводности и теплоемкости для талого и
♦ Талый ■ Мерзлый -----Линейная (Талый) ---- Линейная (Мерзлый)
1.7
UJ
1Д 1
0,25 0,28 0,3 0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,37 ПОКАЗАТЕЛИ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА (W)
Рис. 1. Зависимость теплопроводности от влажности грунта
Талый
Мерзлый -----Линейная (Талый) -----Линейная (Мерзлый)
3,400
С
* m
эе d
С О
О Л
3,200 3,000 2,800 2,600
2,400
2,200
2,08 1,95 1,98 1,89 1,83 1,85 1,87 1,89 ПЛТОТНОСТЬ СУХОГО ГРУНТА (PD)
1,90 1,85 1,83 1,85
Рис. 2. Зависимость теплоемкости от плотности сухого грунта
Анализ полученных графиков по результатам лабораторных испытаний показывает, рост теплопроводности при увеличении влажности грунтов, т.к. с увеличением влажности происходит замена низкотеплопроводного воздуха более теплопроводной водой, а с увеличением плотности скелета - улучшается контактная теплопроводность между более теплопроводными минеральными частицами.
При учете значимости теплофизических свойств грунтов согласно
вания возможно допустить серьезные ошибки в последующих теплотехнических расчетах. Для минимизации таких погрешностей и оптимального использования имеющихся ресурсов рекомендуется проводить прямые измерения теплофизи-ческих свойств грунтов, а также, при необходимости (при анализе больших объемов образцов грунта), выявлять закономерности в теплофизических параметрах, которые могут быть применимы для данного типа грунта и условий.
СП 25.13330.2020 уже на этапе проектиро-
Библиографический список
1. Ядовина К.С., Мащенко А.В. О практическом значении определения теплофизических свойств сезоннопромерзающих грунтов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2017. -Т. 8, № 1. - С. 81-89.
2. Обобщение экспериментальных теоретических исследований физико- и механических свойств грунтов Центральной Якутии: монография / Под общей редакцией С.А. Новицкой. - М.: «КДУ», «Университетская книга», 2020. - 162 с. - DOI: 10.31453/kdu.ru.91304.0131.
3. Johansen O. Thermal conductivity of soils. - Hanover, New Hampshire: CRREL, 1977. -291 p.
4. 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.
5. Невзоров А. Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. - М.: АСВ, 2000. -152 с.
DETERMINATION OF THERMAL PHYSICAL PROPERTIES OF PERMAFROST
SOILS
A.A. Kormina, Student
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Russia, Saint Petersburg)
Abstract. In modern construction and geotechnics, the study of the thermophysicalproperties of soils plays an important role in the design and operation of various engineering facilities. Understanding the thermophysical characteristics of soils allows not only to effectively solve problems of thermal insulation and heat transfer, but also to evaluate thermal regimes in soil masses under various climatic and operational conditions.
This article discusses the methodology for determining the thermophysical properties of soils, analyzes the factors influencing the thermal conductivity and heat capacity of soils, and discusses the practical aspects of applying the obtained data in design and construction.
Understanding and studying these parameters is of great importance for ensuring the efficient operation of engineering systems and ensuring comfortable conditions in buildings and structures built on soil foundations.
Keywords: permafrost soils, thermal conductivity coefficient, heat capacity, thermophysical properties of soils.
