Методы определения параметров процесса нагрева и промерзания влажных грунтов
6. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Теплофизические свойства характеризуют изменения, происходящие в грунтах, вызванные изменением температур. Тепловые свойства пород в значительной степени определяют энергомассообменные процессы, такие как промерзание и оттаивание пород, криогенное пучение, осадка при оттаивании, термокарст, термоэрозия и др.
Знание теплофизических свойств имеет большое значение для познания таких природных процессов, как выветривание и почвообразование, а также для оценки устойчивости инженерных сооружений, особенно в области развития многолетнемерзлых пород. Показатели теплофизических свойств мерзлых и оттаявших грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, необходимы для выполнения теплотехнических расчетов.
6.1. Показатели теплофизических свойств грунтов
В состав теплофизических характеристик, определяемых для грунтов, входят:
Теплоемкость является одной из основных теплофизических характеристик грунта. Обычно различают удельную и объемную теплоемкости. Удельная теплоемкость грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы его массы на 1 градус, и выражается в Дж/(г • °С) (или кДж/’кг • °С, или ккал/кг • °С). Объемная теплоемкость, Дж/(м 3 • °С), ккал/(м 3 • °С), численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1 фадус.
Для мерзлого грунта различают его собственную и эффективную теплоемкость. Собственная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения на I градус температуры единицы объема (или массы грунта), при сообщении тепла грунту допускается, что в нем соотношение воды и льда не изменяется. Эффективная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменений температуры единицы объема или массы грунта на I градус и фазового состава поровой влаги в нем. При экспериментальных определениях теплофизических характеристик грунтов нельзя разделить затраты тепла, идущие на таяние льда и нагрев грунта, поэтому на основании экспериментальных определений калориметрическим методом получают величину эффективной теплоемкости мерзлого грунта. В теплотехнических расчетах промерзания и протаивания грунтов в качестве расчетного параметра принимают величину собственной теплоемкости мерзлого грунта. Затраты тепла на фазовые переходы воды учитывают отдельно, полагая условно, что такие переходы происходят на границе промерзания.
При теплотехнических расчетах оснований зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, величину коэффициента теплопроводности грунта определяют по табл. 6.1 расчётных значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов.
Экспериментальные определения теплопроводности грунтов предусматривают при строительстве в сложных мерзлотно-грунтовых условиях, а также на сильнольдистых, переувлажненных и засоленных грунтах. Преимущественно коэффициент теплопроводности мерзлых грунтов следует определять методом стационарного теплового режима на образцах грунта размером не менее чем 20 * 20 см в плане. Метод основан на измерении установившегося во времени потока тепла, проходящего через исследуемый образец грунта. Поток тепла, возникающий при постоянной разности температур на поверхности образца, измеряют малоинерционным тепломером. Метод применим для определения коэффициента теплопроводности мерзлых песчано-глинистых и гравелистых грунтов с размером отдельных минеральных включений до 10 мм, а также льдистых грунтов среднеслоистой и сетчатой текстуры при температуре наиболее нагретой поверхности образца не выше минус 1 °С.
Теплопроводность грунтов как в талом, так и в мерзлом состоянии зависит от таких факторов, как минеральный состав, плотность, влажность, температура, структура и текстура.
Минеральный состав пород играет большую роль в теплофизических свойствах пород, однако оценить его значение сразу при испытании пород не всегда представляется возможным. Сравнительный анализ опытных данных показывает, что теплопроводность интрузивных пород увеличивается от 2 до 5 Вт/(м • °С) в ряду дуниты-габбросиениты- диориты-граниты, т. е. от основных к кислым. Такая закономерность объясняется разницей количественного содержания SiCb: чем его больше, тем выше теплопроводность.
Теплопроводность эффузивных пород также зависит от химико-минерального состава и степени раскристаллизации и изменяется по данным опытов в диапазоне 2,0. 3,6 Вт/(м • °С).
С увеличением количества SiCb их теплопроводность возрастает в ряду порфиры- андезиты-трахиты-базальты.
Теплопроводность немерзлых пылеватых и глинистых сцементированных пород, представленных алевритами и аргиллитами, в среднем ниже, чем у крупно- и мелкообломочных пород, и изменяется в диапазоне 0,8. 2.2 Вт/( м • °С), что объясняется их более тонкозернистой структурой, для которой характерно большее число контактных тепловых сопротивлений.
Увлажнение существенно увеличивает величину 2, так как низкотеплопроводный воздух (0,023 Вт/(м • °С) заменяется более теплопроводными жидкостью (0,57 Вт/( м • °С)) или льдом (2,29 Вт/( м • °С).
Теплопроводность породы, в отличие от теплоемкости, не является аддитивной величиной, что и определяет существенную зависимость 2 от факторов строения породы, т. е. ее структуры, текстуры и сложения. При этом определяющее значение имеет то, каким образом осуществляется передача тепла в породе: непосредственно по частицам, от частицы к частице в местах их контакта или от частицы к частице через промежуточную среду [57].
Температура начала замерзания грунта Ту; °С, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Под температурой начала замерзания засоленного грунта понимают отрицательную температуру, при которой в поровом растворе появляются кристаллы льда. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов следует устанавливать опытным путем по данным замера температуры грунта в процессе его промерзания (либо оттаивания). При этом образец помещается в среду с постоянной температурой. Наиболее оптимальной температурой окружающей среды при замораживании образцов является температура минус 8. 10 °С. Для незаселенных песчаных и крупнообломочных грунтов значение Ту принимается равным 0 °С.
Температуру начата замерзания порового раствора определяют для мерзлых грунтов массивной криогенной текстуры, а также для минеральных прослоек или макроагрегатов мерзлых грунтов слоистой и сетчатой криогенной текстуры, содержащих только поровый лед. В засоленных грунтах массивной криогенной текстуры незамерзшая вода состоит из различных категорий связанной воды и раствора солей. Для таких грунтов температуры начала замерзания и таяния практически совпадают, так как они зависят от концентрации порового раствора. В засоленных мерзлых грунтах слоистой и сетчатой криогенной текстуры ледяные включения практически не содержат солей и оттаивают при 0 °С.
Расчетные точении теплофизических характеристик грунтов [104]
Плотность сухого грунта рь т/м’
Влажность грунта д, ед.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Теплофизические свойства характеризуют изменения, происходящие в грунтах, вызванные изменением температур. Тепловые свойства пород в значительной степени определяют энергомассообменные процессы, такие как промерзание и оттаивание пород, криогенное пучение, осадка при оттаивании, термокарст, термоэрозия и др.
Знание теплофизических свойств имеет большое значение для познания таких природных процессов, как выветривание и почвообразование, а также для оценки устойчивости инженерных сооружений, особенно в области развития многолетнемерзлых пород. Показатели теплофизических свойств мерзлых и оттаявших грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, необходимы для выполнения теплотехнических расчетов.
Показатели теплофизических свойств грунтов
В состав теплофизических характеристик, определяемых для грунтов, входят:
Теплоемкость является одной из основных теплофизических характеристик грунта. Обычно различают удельную и объемную теплоемкости. Удельная теплоемкость грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы его массы на 1 градус, и выражается в Дж/(г • °С) (или кДж/’кг • °С, или ккал/кг • °С). Объемная теплоемкость, Дж/(м 3 • °С), ккал/(м 3 • °С), численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1 фадус.
Для мерзлого грунта различают его собственную и эффективную теплоемкость. Собственная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения на I градус температуры единицы объема (или массы грунта), при сообщении тепла грунту допускается, что в нем соотношение воды и льда не изменяется. Эффективная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменений температуры единицы объема или массы грунта на I градус и фазового состава поровой влаги в нем. При экспериментальных определениях теплофизических характеристик грунтов нельзя разделить затраты тепла, идущие на таяние льда и нагрев грунта, поэтому на основании экспериментальных определений калориметрическим методом получают величину эффективной теплоемкости мерзлого грунта. В теплотехнических расчетах промерзания и протаивания грунтов в качестве расчетного параметра принимают величину собственной теплоемкости мерзлого грунта. Затраты тепла на фазовые переходы воды учитывают отдельно, полагая условно, что такие переходы происходят на границе промерзания.
При теплотехнических расчетах оснований зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, величину коэффициента теплопроводности грунта определяют по табл. 6.1 расчётных значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов.
Экспериментальные определения теплопроводности грунтов предусматривают при строительстве в сложных мерзлотно-грунтовых условиях, а также на сильнольдистых, переувлажненных и засоленных грунтах. Преимущественно коэффициент теплопроводности мерзлых грунтов следует определять методом стационарного теплового режима на образцах грунта размером не менее чем 20 * 20 см в плане. Метод основан на измерении установившегося во времени потока тепла, проходящего через исследуемый образец грунта. Поток тепла, возникающий при постоянной разности температур на поверхности образца, измеряют малоинерционным тепломером. Метод применим для определения коэффициента теплопроводности мерзлых песчано-глинистых и гравелистых грунтов с размером отдельных минеральных включений до 10 мм, а также льдистых грунтов среднеслоистой и сетчатой текстуры при температуре наиболее нагретой поверхности образца не выше минус 1 °С.
Теплопроводность грунтов как в талом, так и в мерзлом состоянии зависит от таких факторов, как минеральный состав, плотность, влажность, температура, структура и текстура.
Минеральный состав пород играет большую роль в теплофизических свойствах пород, однако оценить его значение сразу при испытании пород не всегда представляется возможным. Сравнительный анализ опытных данных показывает, что теплопроводность интрузивных пород увеличивается от 2 до 5 Вт/(м • °С) в ряду дуниты-габбросиениты- диориты-граниты, т. е. от основных к кислым. Такая закономерность объясняется разницей количественного содержания SiCb: чем его больше, тем выше теплопроводность.
Теплопроводность эффузивных пород также зависит от химико-минерального состава и степени раскристаллизации и изменяется по данным опытов в диапазоне 2,0. 3,6 Вт/(м • °С).
С увеличением количества SiCb их теплопроводность возрастает в ряду порфиры- андезиты-трахиты-базальты.
Теплопроводность немерзлых пылеватых и глинистых сцементированных пород, представленных алевритами и аргиллитами, в среднем ниже, чем у крупно- и мелкообломочных пород, и изменяется в диапазоне 0,8. 2.2 Вт/( м • °С), что объясняется их более тонкозернистой структурой, для которой характерно большее число контактных тепловых сопротивлений.
Увлажнение существенно увеличивает величину 2, так как низкотеплопроводный воздух (0,023 Вт/(м • °С) заменяется более теплопроводными жидкостью (0,57 Вт/( м • °С)) или льдом (2,29 Вт/( м • °С).
Теплопроводность породы, в отличие от теплоемкости, не является аддитивной величиной, что и определяет существенную зависимость 2 от факторов строения породы, т. е. ее структуры, текстуры и сложения. При этом определяющее значение имеет то, каким образом осуществляется передача тепла в породе: непосредственно по частицам, от частицы к частице в местах их контакта или от частицы к частице через промежуточную среду [57].
Температура начала замерзания грунта Ту; °С, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Под температурой начала замерзания засоленного грунта понимают отрицательную температуру, при которой в поровом растворе появляются кристаллы льда. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов следует устанавливать опытным путем по данным замера температуры грунта в процессе его промерзания (либо оттаивания). При этом образец помещается в среду с постоянной температурой. Наиболее оптимальной температурой окружающей среды при замораживании образцов является температура минус 8. 10 °С. Для незаселенных песчаных и крупнообломочных грунтов значение Ту принимается равным 0 °С.
Температуру начата замерзания порового раствора определяют для мерзлых грунтов массивной криогенной текстуры, а также для минеральных прослоек или макроагрегатов мерзлых грунтов слоистой и сетчатой криогенной текстуры, содержащих только поровый лед. В засоленных грунтах массивной криогенной текстуры незамерзшая вода состоит из различных категорий связанной воды и раствора солей. Для таких грунтов температуры начала замерзания и таяния практически совпадают, так как они зависят от концентрации порового раствора. В засоленных мерзлых грунтах слоистой и сетчатой криогенной текстуры ледяные включения практически не содержат солей и оттаивают при 0 °С.
Расчетные точении теплофизических характеристик грунтов [104]
Плотность сухого грунта рь т/м’
Влажность грунта д, ед.
ГОСТ 24847-81 Грунты. Методы определения глубины сезонного промерзания
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ
государственный комитет ссср по делам строительства
Научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР
Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя СССР
Всесоюзным научно-исследовательским институтом транспортного строительства Минтрансстроя
Государственным всесоюзным дорожным научно-исследовательским институтом Минтрансстроя
Производственным объединением по инженерно-строительным изысканиям «Стройизыскания» Госстроя РСФСР
Государственным институтом по проектированию оснований и фундаментов «Фундаментпроект» Минмонтажспецстроя СССР
М.Ф. Киселев, д-р техн. наук; Р.В. Жаброва (руководители темы); Р.М. Саркисян, канд. техн. наук; Л.Н. Слоев, канд. техн. наук; М.Б. Корсунский, д-р техн. наук; В.И. Рувинский, канд. техн. наук; В.Н. Гайворонский, канд. техн. наук; Ю.А. Юдичев; Г.М. Фельдман, д-р географ. наук; И.Н. Капустина; И.Д. Демин
ВНЕСЕН Научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР
Директор Б.С. Федоров
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 15 июня 1981 года № 95
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Методы определения глубины сезонного промерзания
Soils. Determination methods of seasonable depth of freezing
Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 15 июня 1981 г. № 95 срок введения установлен
Настоящий стандарт распространяется на глинистые, песчаные и крупнообломочные грунты и устанавливает методы определения глубины из сезонного промерзания и глубины проникания в грунт нулевой температуры.
Стандарт не распространяется на скальные грунты, а также на грунты, слой сезонного промерзания которых сливается с вечномерзлой толщей.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Глубина сезонного промерзания глинистого грунта в природных условиях, определяемая расстоянием по вертикали от поверхности площадки до границы слоя грунта в твердомерзлом состоянии, при уровне грунтовых вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания, измеряется мерзлотомером Ратомского (МР) в целях:
обоснования значений нормативной глубины сезонного промерзания;
назначения глубины заложения и выбора типа фундаментов зданий и сооружений, а также разработки мероприятий, исключающих возможность появления недопустимых деформаций оснований и фундаментов.
Переходный пластично-мерзлый слой грунта, располагаемый между твердомерзлым и талым грунтами, в толщину твердомерзлого слоя не включается.
1.2. Глубина проникания нулевой температуры в песчаный, глинистый или крупнообломочный грунты в природных условиях независимо от глубины залегания грунтовых вод измеряется мерзлотомером Данилина (МД) в целях:
назначения глубины заложения трубопроводов (водопровода, канализации и т.п.) и разработки их конструктивных решений, удовлетворяющих требованиям морозоустойчивости;
разработки конструктивных решений и мероприятий, исключающих возможность появления недопустимых деформаций земляного полотна и покрытия автомобильных дорог.
1.3. Определение глубины фактического промерзания грунта следует производить на горизонтально расположенной площадке, очищенной в течение всего периода измерений от растительности и снега на расстоянии (в радиусе) от мерзлотомера, равном удвоенной нормативной глубине сезонного промерзания грунта, принимаемой в соответствии с главой СНиП II-15-74.
2. ОБОРУДОВАНИЕ
трубка из некорродирующей стали с прорезями, служащими для заполнения трубки глинистым грунтом и определения границы слоя в твердомерзлом состоянии;
деревянный стержень переменной длины (500; 1000; 1500 мм) для регулирования глубины погружения металлической трубки в зависимости от значений глубины промерзания грунтов;
обсадная фенопластмассовая (эбонитовая) трубка, предохраняющая стенки скважины от осыпания и оплывания.
обсадная фенопластмассовая (эбонитовая) трубка.
2.3. С наружной стороны металлической трубки МР и резиновой трубки МД должны быть нанесены деления через 10 мм, обозначенные цифрами через каждые пять делений, для отсчета глубины промерзания грунта.
2.4. Обсадные трубки должны быть герметичны и иметь с наружной стороны белую отметку, до которой они погружаются в грунт.
Комплект резиновой трубки мерзлотомера Данилина
3. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
3.1. Подготовку к измерениям глубины сезонного промерзания и проникания в грунт нулевой температуры необходимо проводить в следующем порядке:
выбрать площадку и места установки на ней мерзлотомеров;
пробурить скважины с одновременным отбором образцов грунта;
установить обсадные трубки;
смонтировать и проверить оборудование мерзлотомеров;
3.2. Местоположение площадки, в пределах которой определяется глубина сезонного промерзания грунта или глубина проникания в грунт нулевой температуры, а также места расположения на ней мерзлотомеров устанавливаются проектной или строительной организацией с учетом рельефа местности, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, расположения существующих и проектируемых зданий или сооружений.
3.3. Подготовка площадки и проверка оборудования для измерения глубины сезонного промерзания или определения положения нулевой изотермы грунта должны производиться за месяц до начала промерзания грунта.
После установки оборудования надлежит произвести геодезическими методами планово-высотную привязку мест установки мерзлотомеров и закрепить их соответствующими знаками.
3.4. Скважина для установки мерзлотомера должна проходиться буром, имеющим диаметр наконечника 37 мм, до глубины, превышающей не менее чем на 30 см глубину прогнозируемого промерзания грунта.
3.5. В процессе проходки скважины для установки мерзлотомера должны отбираться пробы грунта через каждые 10 см по глубине в целях определения его природной влажности. Одновременно из каждого слоя грунта, но не реже чем через 50 см отбираются образцы для определения зернового (гранулометрического) состава и пределов пластичности грунта.
3.6. Результаты данных анализа грунта, взятого из каждой скважины, а также краткое описание места расположения скважины, грунтовых напластований и условий их увлажнения (поверхностными или грунтовыми водами) регистрируются в журнале наблюдений (рекомендуемое приложение 1 ).
МД, размещаемый в пределах дорожного покрытия, должен погружаться заподлицо с ним.
Применение суглинков с числом пластичности более 0,12 и глин для заправки металлической трубки МР не допускается.
3.9. Металлическую трубку МР после заправки ее грунтом надлежит немедленно поставить в обсадную трубку и отметить в журнале наблюдений время установки мерзлотомера.
3.10. Резиновая трубка МД приводится в рабочее состояние следующим образом: из трубки вынимаются верхняя и нижняя капроновые пробки; трубка в U-образном положении заполняется дистиллированной водой до краев; концы трубки закрываются пробками; резиновая трубка опускается в обсадную трубку.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. Наблюдения за глубиной промерзания или проникания в грунт нулевой температуры следует проводить с начала промерзания до полного оттаивания грунта через каждые 5 дней после наступления отрицательной температуры воздуха.
4.2. Проведение измерений по МР
4.2.1. Измерение глубины сезонного промерзания грунта по МР следует проводить в следующей последовательности:
замерить высоту патрубка обсадной трубки мерзлотомера;
вынуть металлическую трубку, заправленную глинистым грунтом;
определить границу слоя грунта в твердомерзлом состоянии путем его прокола тупой иглой или стальной проволокой диаметром 2 мм;
зафиксировать фактическую глубину сезонного промерзания грунта и результаты измерений занести в журнал наблюдений;
после очередного замера металлическую трубку следует немедленно опустить в обсадную трубку мерзлотомера.
4.3. Проведение измерений по МД
4.3.1. Определение глубины проникания в грунт нулевой температуры по МД следует проводить в следующей последовательности:
замерить высоту патрубка обсадной трубки мерзлотомера;
вынуть резиновую трубку, заправленную дистиллированной водой;
определить конец ледяного столбика путем прощупывания;
зафиксировать границу между льдом и водой и результаты измерений занести в журнал наблюдений;
после очередного замера резиновую трубку следует немедленно опустить в обсадную трубку мерзлотомера.
4.3.2. При промерзании всей воды в резиновой трубке следует заменить ее другой с делениями шкалы от 1500 до 3000 мм, опускаемой в обсадную трубку за счет соответствующего удлинения льняного (капронового) шнура, для продолжения наблюдений.
4.4. В процессе наблюдений необходимо следить за вертикальным перемещением обсадной трубки по белой отметке на ней. При обнаружении вертикального смещения обсадной трубки в отсчеты фактической глубины промерзания должны вводиться соответствующие поправки со знаком минус (если отметка окажется выше поверхности грунта) или со знаком плюс (если отметка окажется ниже поверхности грунта).
4.5. Вычисление значения глубины промерзания или положения нулевой изотермы грунта с учетом поправки следует производить немедленно после замера; в случае неувязки вычисленной величины с предыдущим замером необходимо сделать повторный замер.
4.6. Наблюдения за промерзанием грунта следует продолжать и в том случае, если показания мерзлотомера не изменяются или уменьшаются по сравнению с предыдущими замерами.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
5.1. Результаты наблюдений за сезонным промерзанием грунта для каждой скважины следует оформлять в виде:
графика изменения глубины промерзания грунта Н в мм во времени (рекомендуемое приложение 2);
описания физических характеристик грунта, условий увлажнения грунтовых напластований.
Приложение 1
Рекомендуемое
ЖУРНАЛ № ________
НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ПРОМЕРЗАНИЕМ ГРУНТА
Местоположение площадки ________________________________________________
Тип мерзлотомера ________________________________________________________
Абсолютная отметка устья скважины № ______________________________________
Дата измерений: начало __________________ окончание _______________________
Физические характеристики образцов грунта
Глубина отбора проб, см
Влажность, доли единицы
Число пластичности Ip
на границе текучести WL
на границе раскатывания WP
Зерновой состав грунта, %, при размерах частиц, мм