Физические и теплофизические характеристики многолетнемерзлых грунтов
Б.1 В состав физических и теплофизических характеристик, определяемых для многолетнемерзлых грунтов, входят:
а) суммарная влажность мерзлого грунта - Wtot и влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями - Wm;
б) суммарная льдистость мерзлого грунта itot, представляющая собой отношение содержащегося в мерзлом грунте объема льда к объему мерзлого грунта и льдистость грунта за счет видимых ледяных включений ii, представляющая собой отношение содержащегося в мерзлом грунте объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта;
в) степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой - Sr, доли единицы;
г) температура начала замерзания грунта - Тbf, °С;
д) влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды - Ww, доли единицы;
е) теплофизические характеристики грунта (теплопроводность l, Вт/(м×°С) и объемная теплоемкость С, Дж/(кг×°С));
ж) теплота таяния льда (замерзания воды) в грунте - Lv;
з) степень засоленности - Dsal, %;
и) концентрация порового раствора - Cps, доли единицы;
к) объемная степень заторфованности - J, доли единицы;
л) степень заторфованности - G, доли единицы.
Б.2 Суммарная влажность мерзлого грунта - Wtot и влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями - Wm, определяются в соответствии с ГОСТ 5180.
Б.3 Суммарная льдистость мерзлого грунта - itot, льдистость мерзлого грунта за счет включений льда - ii, и степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой - Sr определяются в соответствии с ГОСТ 25100.
Б.4 Под засоленностью понимается наличие в мерзлом грунте воднорастворимых солей в таком количестве, которое существенно изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов.
Степень засоленности грунта Dsal, характеризует относительное содержание в грунте воднорастворимых солей, ее следует определять по ГОСТ 25100 как отношение массы солей gs к массе сухой навески грунта gd (включая массу содержащихся в нем солей) по формуле
Dsal = (gs/gd)100. (Б.1)
По степени засоленности Dsal грунты подразделяют согласно ГОСТ 25100. Концентрация порового раствора Сps характеризует степень минерализации грунтовой влаги. Ее допускается определять по формуле
Cps = Dsal/(Dsal + 100W), (Б.2)
где W - влажность засоленного грунта, принимаемая для грунтов с льдистостью itot £0,4 равной Wtot, а с itot > 0,4 равной Wm.
Засоленные грунты в зависимости от преобладающего ионного состава легкорастворимых солей разделяются по типу засоления на морской и континентальный в соответствии с ГОСТ 25100.
Б.5 Температура начала замерзания грунта Тbf, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания незаселенных, засоленных и заторфованных грунтов следует определять опытным путем, а в случаях предусмотренных в 5.9 температуру начала замерзания незаселенных и засоленных грунтов допускается принимать по формуле (Б.3) в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора Cps:
0148S10-30052
(Б.3)
где А - коэффициент, характеризующий температуру начала замерзания незасоленного грунта (таблица Б.1);
В - коэффициент, зависящий от типа засоления грунта; B = 0 для незасоленных грунтов; В = 1 для грунтов морского типа засоления; В = 0,85 для грунтов с континентальным типом засоления.
Таблица Б.1 - Температура начала замерзания незасоленного грунта А
| Грунты | А, °С |
| Пески разных фракций | -0,10 |
| Супеси и пылеватые пески | -0,15 |
| Суглинок | -0,20 |
| Глины | -0,25 |
Значение Тbf для заторфованных грунтов следует выбирать по величине температуры начала замерзания того компонента (торфяного или минерального), у которого она выше. Величина Тbf для торфа приведена в таблице Б.2.
Таблица Б.2 - Расчетные значения температуры начала замерзания Тbf для торфа
| Тип торфа | Wtot, доли единицы | Tbf, °C |
| Слаборазложившийся верховой | 7,30 | -0,14 |
| 5,90 | -0,16 | |
| 3,27 | -0,25 | |
| 1,64 | -0,35 | |
| Среднеразложившийся верховой | 3,50 | -0,13 |
| 0,90 | -0,20 |
Б.6 Влажность незасоленного, засоленного и заторфованного мерзлого грунта за счет незамерзшей воды Ww определяется опытным путем. В случаях предусмотренных в 5.9 для незасоленного и засоленного грунта, находящегося в охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания (0 °С > Т > Тbf), величина Ww принимается для грунтов с льдистостью itot £ 0,4 равной Ww = Wtot,а с itot > 0,4 равной Ww = Wm.
Для незасоленного и засоленного мерзлого грунта значения Ww допускается определять по формуле (Б.4), при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (T £ Tbf), последняя находится по формуле (Б.3)
W = kwWp + hDsal, (Б.4)
где kw - коэффициент, принимаемый по таблице Б.3 в зависимости от числа пластичности Ip и температуры грунта T;
Wp - влажность грунта на границе пластичности (раскатывания), доли единицы;
Dsal - степень засоленности грунта, доли единицы;
h - коэффициент, принимаемый равным 0 для незасоленных грунтов и по таблице (Б.4) для засоленных грунтов, в зависимости от числа пластичности Ip и температуры грунта Т, °С, для температур T < -15 °С величина h принимается равной значению h при T = -15 °С; если величина Ww определенная по формуле (Б.4), превысит значение Wtot тогда Ww = Wtot.
Таблица Б.3 - Расчетные значения коэффициента kw
| Грунты | Число пластичности Iр, доли единицы | Коэффициент kw при температуре грунта Т, °С | ||||||||
| -0,3 | -0,5 | -1 | -2 | -3 | -4 | -6 | -8 | -10 | ||
| Пески | ||||||||||
| Супеси | Iр £ 0,02 | |||||||||
| 0,02 < Iр £ 0,07 | 0,60 | 0,50 | 0,40 | 0,35 | 0,32 | 0,30 | 0,28 | 0,26 | 0,25 | |
| Суглинки | 0,07 < Iр £ 0,13 | 0,70 | 0,65 | 0,58 | 0,50 | 0,46 | 0,45 | 0,43 | 0,41 | 0,40 |
| 0,13 < Iр £0,17 | 0,80 | 0,75 | 0,65 | 0,55 | 0,51 | 0,50 | 0,48 | 0,46 | 0,45 | |
| Глины | Iр > 0,17 | 0,98 | 0,92 | 0,80 | 0,68 | 0,63 | 0,60 | 0,58 | 0,56 | 0,55 |
Таблица Б.4 - Расчетные значения коэффициента h
| Грунты | Число пластичности Iр, доли единицы | Величина коэффициента h при температуре грунта Т, °С | |||||||||
| -0,3 | -0,5 | -1 | -2 | -3 | -4 | -6 | -8 | -10 | -15 | ||
| Пески и супеси | Iр £ 0,02 | 6,5 | |||||||||
| Супеси | 0,02 < Iр £ 0,07 | 4,5 | 3,5 | ||||||||
| Суглинки | 0,07 < Iр £ 0,13 | 5,5 | 3,2 | 2,3 | |||||||
| Суглинки, глины | 0,13 < Iр | 9,5 | 6.5 | 2,5 |
Расчетные значения Ww для торфа и заторфованных грунтов, находящихся в охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания (0 °С > Т > Тbf), принимаются для грунтов с льдистостью itot £ 0,4 равной Ww = Wtot, а с itot > 0,4 равной Ww = Wm.
Для мерзлых торфа и заторфованных грунтов значения Ww допускается определять по формуле (Б.5) в зависимости от степени заторфованности J (доли единицы) и температуры Т, при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (Т £ Тbf)
(Б.5)
где Y - параметр, зависящий от объемной степени заторфованности J, принимается по таблице Б.5.
Таблица Б.5 - Расчетные значения коэффициента Y
| Тип грунта | Y, град4 |
| Торф | 1,6 |
| Супесчаные заторфованные грунты | 1,67J - 0,1 |
| Суглинистые заторфованные грунты | 1,6J |
Б.7 Теплофизические характеристики грунтов: коэффициент теплопроводности l, объемная теплоемкость С и коэффициент температуропроводности а определяются опытным путем. В случаях, предусмотренных в 5.9, значения объемной теплоемкости засоленных и незаселенных грунтов в талом, охлажденном Cth и мерзлом Сf состояниях допускается рассчитывать по формулам Б.6 - Б.9 в зависимости от удельной теплоемкости скелета грунта Ср, температурной и концентрационной зависимостях удельной теплоемкости незамершей воды Cw и льда Сi, влажности Wtot, температурной и концентрационной зависимости влажности за счет незамерзшей воды Ww, плотности скелета грунта rd,th,f и температуры начала его замерзания Тbf.
Для незасоленных грунтов, находящихся в талом и охлажденном состояниях, когда температура грунта выше температуры начала замерзания (Т > Тbf), величина Cth находится по формуле (Б.6)
Cth = (Сr + CwWtot)rd,th, (Б.6)
где Сr принимается по таблице Б.6; для незасоленных грунтов и торфа Cw = 4200 Дж/(кг×°С), а Тbf находится по таблице Б.2; для засоленных грунтов в охлажденном состоянии (0 °С > Т > Тbf) Тbf определяется по формуле (Б.3), а величина Cw рассчитывается по формуле (Б.7)
Cw = Cwt - 4550Cps, (Б.7)
где Cwt - удельная теплоемкость порового раствора, Дж/(кг×°С), определяется по таблице (Б.7);
Cps - концентрация порового раствора, доли единицы, определяется по формуле (Б.2).
Таблица Б.6 - Расчетные значения удельной теплоемкости скелета грунтов Сr
| Грунты | Песок | Супесь | Глина и суглинок | Торф | |
| низинный | верховой | ||||
| Сr, Дж/(кг×°С) |
Таблица Б.7 - Расчетные значения температурной зависимости удельной теплоемкости порового раствора Cwt
| T, °C | Cwt, Дж/(кг×°С) | T, °C | Cwt, Дж/(кг×°С) | T, °C | Cwt, Дж/(кг×°С) |
| 0,0 | -2,8 | -13,0 | |||
| -0,2 | -3,2 | -14,0 | |||
| -0,4 | -3,6 | -15,0 | |||
| -0,6 | -4,0 | -16,0 | |||
| -0,8 | -5,2 | -17,0 | |||
| -1,0 | -6,0 | -18,0 | |||
| -1,2 | -6,8 | -19,0 | |||
| -1,4 | -8,0 | -20,0 | |||
| -1,6 | -8,8 | -21,0 | |||
| -1,8 | -10,0 | -22,0 | |||
| -2,0 | -11,0 | ||||
| -2,4 | -12,0 |
Для незаселенных грунтов и торфа в мерзлом состоянии при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (Т £ Тbf), величина Cf находится по формуле
Сf = [Cr + CwWw + Ci(Wtot - Ww)]rdf, (Б.8)
где Ww рассчитывается по формуле (Б.4), а Сi - по формуле
Ci = 2120 + 7,8×Т. (Б.9)
Для засоленных грунтов в мерзлом состоянии, при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (Т £ Тbf), величина Сf находится по формуле
Сf = [Cr + CwWw + Ci(Wtot - Ww)]rd,th,f, (Б.10)
где Ww рассчитывается по формуле (Б.4), Cw - по формуле (Б.7), а Сi - по формуле (Б.9).
Значения объемной теплоемкости заторфованных грунтов в талом и охлажденном Cth и мерзлом Cf состояниях допускается рассчитывать по формулам (Б.11, Б.12) в зависимости от удельной теплоемкости минеральной Сrт и торфяной Crg составляющей органо-минерального скелета грунта, удельной теплоемкости незамершей воды Cw и льда Сi, весовой (массовой) доли торфа в заторфованном грунте G, суммарной влажности Wtot, влажности за счет незамерзшей воды Ww, плотности скелета грунта rd,th,f и температуры начала его замерзания Тbf.
Для заторфованных грунтов, находящихся в талом и охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания (Т > Тbf) величина Cth находится по формуле
Cth = [Сrм(1 - G) + CrgG + CwWtot]rd,th, (Б.11)
где удельная теплоемкость минерального скелета Сrм и торфа Crg находится по таблице Б.6; Cw = 4200 Дж/(кг×°С).
Для заторфованных грунтов, находящихся в мерзлом состоянии, когда температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (T £ Тbf), величина Сf находится по формуле
Сf = [Сrм(1 - G) + CrgG +CwWw + Ci(Wtot - Ww)rd,f, (Б.12)
где Ww рассчитывается по формуле (Б.5), Cw = 4200 Дж/(кг×К), а Сi - по формуле (Б.9).
В случаях, предусмотренных в 5.9, значение коэффициента теплопроводности незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов в талом lth и мерзлом lfm (для диапазона температур ниже Т £ -15 °С) состоянии приведены в таблице Б.8, в зависимости от влажности Wtot плотности скелета грунта rd,th,f и степени засоленности согласно ГОСТ 25100.
Таблица Б.8 - Расчетные значения коэффициента теплопроводности грунта в таломlth,мерзломlfm (Т £ -15 °С) состоянии
| Плотность сухого грунта rd,th, rdf, кН/м3 | Суммарная влажность грунта, Wtot, д.е. | Коэффициент теплопроводности грунтов l, Вт/(м×°С) | ||||||||||||||||
| Пески разной плотности | Супеси пылеватые | Суглинки и глины | Заторфованные грунты | |||||||||||||||
| Степень засоленности | Степень засоленности | Степень засоленности | ||||||||||||||||
| Незаселенные | Слабозасоленные | Среднезасоленные | Сильнозасоленные | Незасоленные | Слабозасоленные | Среднезасоленные | Сильнозасоленные | Незаселенные | Слабозасоленные | Среднезасоленные | Сильнозасоленные | |||||||
| lth | lf | lf | lf | lf | lth | lf | lf | lf | lf | lth | lf | lf | lf | lf | lth | lf | ||
| 1,0 | 9,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,81 | 1,34 |
| 1,0 | 6,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,40 | 0,70 |
| 1,0 | 4,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,41 |
| 1,0 | 2,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,12 | 0,23 |
| 2,0 | 4,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,81 | 1,33 |
| 2,0 | 2,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,52 |
| 3,0 | 3,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,93 | 1,39 |
| 3,0 | 2,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,41 | 0,70 |
| 4,0 | 2,0 | - | - | - | - | - | - | 2,16 | - | - | - | - | 2,10 | - | - | - | 0,93 | 1,39 |
| 7,0 | 1,0 | - | - | - | - | - | 2,14 | - | - | - | - | 2,00 | - | - | - | - | - | |
| 10,0 | 0,60 | - | - | - | - | - | 2,10 | - | - | - | - | 1,90 | - | - | - | - | - | |
| 12,0 | 0,40 | - | - | - | - | - | - | 2,02 | - | - | - | 1,57 | 1,80 | - | - | - | - | - |
| 14,0 | 0,35 | - | - | - | - | - | 1,80 | 2,00 | - | - | - | 1,57 | 1,76 | 1,68 | 1,65 | 1,59 | - | - |
| 14,0 | 0,30 | - | - | - | - | - | 1,74 | 1,98 | 1,95 | 1,91 | 1,88 | 1,45 | 1,65 | 1,59 | 1,56 | 1,50 | - | - |
| 14,0 | 0,25 | 1,91 | 2,48 | 2,37 | 2,21 | 2,08 | 1,57 | 1,84 | 1,81 | 1,78 | 1,73 | 1,33 | 1,58 | 1,50 | 1,46 | 1,36 | - | - |
| 14,0 | 0,20 | 1,57 | 2,09 | 2,00 | 1,90 | 1,82 | 1,33 | 1,63 | 1,58 | 1,53 | 1,48 | 1,10 | 1,31 | 1,23 | 1,20 | 1,10 | - | - |
| 14,0 | 0,15 | 1,39 | 1,83 | 1,75 | 1,65 | 1,58 | 1,10 | 1,35 | 1,30 | 1,25 | 1,20 | 0,87 | 0,99 | 0,94 | 0,92 | 0,87 | - | - |
| 14,0 | 0,10 | 1,10 | 1,35 | 1,30 | 1,25 | 1,21 | 0,93 | 1,09 | 1,06 | 1,03 | 0,99 | 0,70 | 0,77 | 0,75 | 0,73 | 0,71 | - | - |
| 14,0 | 0,05 | 0,75 | 0,84 | 0,82 | 0,80 | 0,77 | 0,64 | 0,73 | 0,71 | 0,69 | 0,67 | 0,46 | 0,48 | 0,43* | 0,41* | 0,40* | - | - |
| - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 1,68 | 1,94 | 1,80 | 1,74 | 1,65 | - | - |
| 16,0 | 0,25 | 2,50 | 2,92 | 2,86 | 2,78 | 2,70 | 1,80 | 2,00 | 1,96 | 1,92 | 1,88 | 1,51 | 1,75 | 1,68 | 1,62 | 1,49 | - | - |
| 16,0 | 0,20 | 2,15 | 2,50 | 2,43 | 2,36 | 2,30 | 1,62 | 1,78 | 1,75 | 1,71 | 1,67 | 1,33 | 1,56 | 1,46 | 1,41 | 1,30 | - | - |
| 16,0 | 0,15 | 1,80 | 2,10 | 2,03 | 1,96 | 1,90 | 1,45 | 1,60 | 1,56 | 1,52 | 1,49 | 1,10 | 1,23 | 1,17 | 1,15 | 1,08 | - | - |
| 16,0 | 0,10 | 1,45 | 1,68 | 1,62 | 1,56 | 1,50 | 1,16 | 1,29 | 1,26 | 1,22 | 1,19 | 0,87 | 0,97 | 0,92 | 0,90 | 0,86 | - | - |
| 16,0 | 0,05 | 1,05 | 1,16 | 1,10 | 1,08, | 1,05 | 0,81 | 0,87 | 0,85 | 0,84 | 0,82 | 0,58 | 0,60 | 0,56* | 0,55* | 0,53* | - | - |
| 18,0 | 0,20 | 2,67 | 3,05 | 2,92 | 2,80 | 2,69 | 1,86 | 2,05 | 2,00 | 1,94 | 1,88 | 1,57 | 1,86 | 1,70 | 1,61 | 1,48 | - | - |
| 18,0 | 0,15 | 2,26 | 2,75 | 2,63 | 2,52 | 2,44 | 1,68 | 1,83 | 1,79 | 1,74 | 1,70 | 1,39 | 1,60 | 1,47 | 1,40 | 1,36 | - | - |
| 18,0 | 0,10 | 1,97 | 2,30 | 2,23 | 2,17 | 2,10 | 1,45 | 1,59 | 1,55 | 1,51 | 1,47 | 1,06 | 1,26 | 1,14 | 1,09 | 1,02 | - | - |
| 18,0 | 0,05 | 1,45 | 1,56 | 1,52 | 1,48 | 1,45 | 0,98 | 0,99 | 0,98 | 0,98 | 0,97 | 0,70 | 0,75 | 0,69* | 0,68* | 0,65* | - | - |
| 20,0 | 0,10 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 1,28 | 1,46 | 1,35 | 1,30 | 1,25 | - | - |
Для нахождения величины lf у незаселенных и засоленных грунтов в мерзлом состоянии в диапазоне температур Тbf ³ Т > Тт где Тт = -15 °С можно использовать соотношение
lf = lfm - (lfm - lth)[Ww(T) - Ww(Tm)]/[Wtot - Ww(Tm)],(Б.13)
где lth и lfm находятся по таблице Б.8, Ww(T) и Ww(Тm) определяются по формуле (Б.4) для незасоленных грунтов при h = 0, а Тbf - по формуле (Б.3) для незасоленных грунтов при В = 0.
В случаях, предусмотренных в 5.9, значение коэффициента температуропроводности а (м2/с) для незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов находится по формуле
а = l/Сr, (Б.14)
где величины коэффициента теплопроводности l и объемной теплоемкости Сr находятся в соответствии с указаниями, приведенными в Б.7.
Б.8 Величина объемной теплоты замерзания (таяния) грунта Lv (Дж/м3) принимается равной количеству теплоты, необходимой для замерзания воды (таяния льда) в единице объема грунта и определяется по формуле
Lv = L0[Wtot - Ww]rd,th,f,(Б.15)
где L0 = 3,35×105 (Дж/кг) - значение удельной теплоты фазовых превращений вода-лед; величина Ww для незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов находится в соответствии с указаниями, приведенными в Б.6 при условии Тbf ³ Т, здесь Тbf находится в соответствии с указаниями, приведенными в Б.5.
Приложение В
(рекомендуемое)
Дата добавления: 2015-07-18; просмотров: 1659;