Определение теплофизических свойств многолетнемерзлых 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 вечномерзлых 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 теплофизических 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 M. Kersten [0] и O. Johansen [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 пластичноcти (w), а также плотность грунта ρ и плотность сухого грунта ρd, 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 грунта	p	pd	wp	wt ot	Коэффициент теплопроводности		Объемная теплоемкость		Коэффициент температуропроводности
						λth	λf	Cth	Cf	αth	αf
						вт/(м*С)		МДж/(м3*С )		м2/с
1	Текучепластичный	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	Текучепластичный	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	Мягкопластичный	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	Мягкопластичный	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	Текучепластичный	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	Мягкопластичный	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	Текучепластичный	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	Текучепластичный	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	Текучепластичный	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	Текучепластичный	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	Мягкопластичный	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 составлены графики зависимости теплопроводности и теплоемкости для талого и мерзлого состояний грунта от влажности и плотности сухого грунта рисунок 1 и 2.

—♦— Талый   —■— Мерзлый -----Линейная (Талый) - ■ — Линейная (Мерзлый)

ПОКАЗАТЕЛИ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА (W)

Рис. 1. Зависимость теплопроводности от влажности грунта

Талый  — ■ — Мерзлый

Линейная (Талый)         Линейная (Мерзлый)

3,400

3,200

* m x 3,000

c[

{3   2,800

о

О 2,600

С ш

2,400

2,200

2,08   1,95   1,98   1,89   1,83   1,85   1,87   1,89   1,90   1,85   1,83   1,85

ПЛТОТНОСТЬ СУХОГО ГРУНТА (PD)

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 увеличе- нием 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 СП 25.13330.2020 уже на этапе проектиро- вания возможно допустить серьезные ошибки в последующих теплотехнических расчетах. Для минимизации таких погрешностей и оптимального использова- ния имеющихся ресурсов рекомендуется проводить прямые измерения теплофизических 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.