Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
шдм-уп13ИГК.rtf
Скачиваний:
8
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
127 Мб
Скачать
☆

Рекомендуемая литература

1. Вялов С.С. Термодинамические основы механики мерзлых грунтов // Термодинамические аспекты механики мерзлых грунтов. – Москва: Наука,1988. – С. 3-18.

2. Роман Л.Т. Механика мерзлых грунтов / Л.Т.Роман. – М.: Изд-во МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. – 426 с.

3. Савельев Б.А. Физико-химическая механика мерзлых пород/ Б.А.Савельев. – М.: Недра, 1989. – 1989 с.

4. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов: учеб.пособие/ Н.А.Цытович. – М.: Высшая школа, 1973. – 446 с.

Глава 6. Теплофизические свойства грунтов криолитозоны

Основными характеристиками теплофизических свойств грунтов, являются коэффициенты их теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта в талом , и и мерзлом , , стояниях.

Теплопроводность грунта - теплофизическая характеристика грунта, определяющая его способность проводить тепло и численно равная плотности теплового потока в нем при градиенте температур равном единице. Единица измерения - Вт/(м·°С), [ккал/(м·ч·°С)].

Теплоемкость грунтов величина аддитивная и может быть получена расчетным путем. Удельная теплоемкость грунта это количество тепла, необходимого для повышения температуры 1 г грунта на 1ºС, объемная – количество тепла для повышения температуры 1 см3 на 1ºС [39] Объемная теплоемкость грунта является суммой теплоемкостей за счет минерального скелета, льда и незамерзшей воды:

(6.1)

(6.2)

где , , - соответственно удельная теплоемкость скелета глин – 0,71, суглинков - 0, 77, супесей – 0,83, песка – 0, 88); воды – 4,19 и льда – 2,09, кДж/(кгºС).

6.1. Эмпирические модели оценки теплофизических свойств грунтов

Значения коэффициентов теплопроводности грунтов можно вычислить по формулам (табл. 6.1) и определить по таблице [78].

Таблица 6.1.

Расчетные значения теплофизических характеристик грунтов в талом и мерзлом состоянии

d,th, df,

т/м3

wtot, д.ед.

Коэффициенты теплопроводности грунта Вт/(м×° С, (ккал/(м×ч×° С)

Объемная теплоемкость

(ккал/(м3×° С)

Дж/(м3×° С)10–6

Пески разной крупности и гравелистые

Супеси

пылеватых

Суглинки

и глины

Заторфованные грунты и торфы

th,

f

th,

f

th,

f

th,

f

Cth,

Cf

0.1

9.00

–

–

–

–

–

–

0.81

1.34

4.00

2.31

–

–

–

–

–

–

0.1

6.00

–

–

–

–

–

–

(0,70)

(1,15)

(950)

(550)

–

–

–

–

–

–

0,40

0,70

2,73

1,68

0.1

4.00

–

–

–

–

–

–

(0,35)

(0,60)

(650)

(400)

–

–

–

–

–

–

0,23

0,41

1,88

1,26

0.1

2.00

–

–

–

–

–

–

(0,20)

(0,35)

(450)

(300)

–

–

–

–

–

–

0,12

0,23

1,05

0,64

0.2

4.00

–

–

–

–

–

–

(0,10)

(0,20)

(250)

(200)

–

–

–

–

–

–

0,81

1,33

3,78

2,40

0.2

2.00

–

–

–

–

–

–

(0,70)

(1,15)

(900)

(570)

–

–

–

–

–

–

0,23

0,52

2,10

1,47

0,3

3.00

–

–

–

–

–

–

(0,20)

(0,45)

(500)

(350)

–

–

–

–

–

–

0,93

1,39

4,15

2,40

0.3

2.00

–

–

–

–

–

–

(0,80)

(1,20)

(990)

(570)

–

–

–

–

–

–

0,41

0,70

3,32

2,10

0.4

2.00

–

–

–

(0,35)

(0,60)

(750)

(500)

–

–

–

2,10

–

2,10

0,93

1,39

3,78

2,73

0.7

1.00

–

–

–

(1,80)

(1,80)

(0,80)

(1,20)

(900)

(650)

–

–

–

2,10

–

2,00

–

–

3,60

2,10

Продолжение табл. 6.1.

1.0

0.60

–

–

–

(1,80)

(1,75)

–

–

(855)

(500)

–

–

–

2,00

–

1,90

–

–

3,44

2,18

1.2

0.40

–

–

–

(1,75)

(1,65)

(820)

(520)

–

–

–

1,90

1,57

1,80

–

–

3,11

2,12

1.4

0.35

–

–

–

(1,65)

(1,35)

(1,55)

(740)

(505)

–

–

1,80

1,86

1,57

1,66

–

–

3,35

2,35

1.4

0.30

–

–

(1,55)

(1,60)

(1,35)

(1,45)

(800)

(560)

–

–

1,74

1,80

1,45

1,57

–

–

3,02

2,18

1.4

0.25

(1,50)

(1,55)

(1,25)

(1,35)

(720)

(520)

1,91

2,14

1,57

1,68

1,33

1,51

–

–

2,78

2,06

1.4

0.20

(1,65)

(1,85)

(1,35)

(1,45)

(1,45)

(1,30)

(660)

(490)

1,57

1,86

1,33

1,51

1,10

1,22

–

–

2,48

1,89

1.4

0.15

(1,35)

(1,60)

(1,15)

(1,30)

(0,95)

(1,05)

(590)

(450)

1,39

1,62

1,10

1,27

0,87

0,99

–

–

2,18

1,76

1.4

0.10

(1,20)

(1,40)

(0,95)

(1,10)

(0,75)

(0,85)

(520)

(420)

1,10

1,27

0,93

1,05

0,70

0,75

–

–

1,89

1,74

1.4

0.05

(0,95)

(1,10)

(0,80)

(0,90)

(0,60)

(0,65)

(450)

(415)

0,75

0,81

0,64

0,70

0,46

0,52

–

–

1,60

1,47

1.6

0.30

(0,65)

(0,70)

(0,55)

(0,60)

(0,40)

(0,45)

(380)

(350)

-

-

1,86

1,97

1,68

1,86

–

–

1,84

2,48

1.6

0.25

(1,60)

(1.70)

(1,45)

(1,55)

(835)

(590)

2,50

2,73

1,80

1,91

1,51

1,68

–

–

3,15

2,35

1.6

0.20

(2,15)

(2,35)

(1,55)

(1,65)

(1,30)

(1,45)

(750)

(560)

2,15

2,37

1,62

1,74

1,33

1,51

–

–

2,31

2,14

1.6

0.15

(1,85)

(2,05)

(1,40)

(1,50)

(1,15)

(1,30)

(670)

(510)

1,80

2,00

1,45

1,57

1,10

1,22

–

–

2,48

2,02

1,6

0.10

(1,55)

(1,75)

(1,25)

(1,35)

(0,95)

(1,05)

(590)

(480)

Окончание табл. 6.1.

1.6

0.10

1,45

1,62

1,62

1,28

0,87

0,93

–

–

2,16

1,80

1.6

0.05

(1,25)

(1,40)

(1,00)

(1,10)

(0,75)

(0,80)

(515)

(430)

1,05

1,10

0,81

0,87

0,58

0,64

–

–

1,83

1,68

1.8

0.20

(0,90)

(0,95)

(0,70)

(0,75)

(0,50)

(0,55)

–

–

(435)

(400)

2,67

2,84

1,86

1,97

1,57

1,80

–

–

3,17

2,41

1.8

0.15

(2,30)

(2,45)

(1,60)

(1,70)

(1,35)

(1,55)

–

–

(755)

(575)

2,26

2,62

1,68

1,80

1,39

1,57

–

–

2,78

2,26

1.8

0.10

(1,95)

(2,25)

(1,45)

(1,55)

(1,20)

(1,35)

–

–

(600)

(540)

1,97

2,20

1,45

1,57

1,05

1,22

–

–

2,42

2,04

1.8

0.05

(1,70)

(1,90)

(1,25)

(1,35)

(0,90)

(1,05)

–

–

(575)

(485)

1,45

1,51

0,99

0,99

0,70

0,75

–

–

2,04

1,89

1.8

0.05

(1,25)

(1,30)

(0,85)

(0,85)

(0,60)

(0,65)

(485)

(450)

2,73

2,90

1,74

1,86

1,28

1,39

–

–

2,68

2,26

2.0

0.30

–

–

(1,80)

(2.10)

(1,44)

(1.75)

–

–

(770)

(530)

–

–

–

–

–

–

–

–

2.0

0.25

(2,26)

(2,72)

(1,73)

(1,93)

(1,35)

(1,65)

–

–

(705)

(510)

–

–

–

–

–

–

–

–

2.0

0.20

(2,00)

(2,42)

(1,56)

(1,75)

(1,24)

(1,50)

–

–

(650)

(490)

–

–

–

–

–

–

–

–

2.0

0.15

(1,76)

(2,20)

(1,40)

(1,50)

–

–

–

–

(590)

(470)

–

–

–

–

–

–

–

–

2.0

0.10

(1,25)

(1,30)

(0,85)

(0,85)

(0,60)

(0,65)

–

–

(485)

(450)

2,73

2,90

1,74

1,86

1,28

1,39

–

–

2,68

2,26

2.0

0.05

(2,35)

(2,50)

1,50

1,60

1,10

1,20

–

–

(640)

(540)

2,10

2,14

–

–

–

–

–

–

2,26

2,10

   th,  f  – теплопроводность соответственно талого и мерзлого грунта;    Cth, Cf  – объемная теплоемкость соответственно талого и мерзлого грунта; d,th,  df  – плотность соответственно талого и мерзлого грунта в сухом состоянии; wtot – суммарная влажность

Значения Cf в таблице даны для температуры -10° С. В интервале температур от -0,5 до -10° С  значение  определяется в зависимости от количества незамерзшей воды при заданной температуре по формуле 

(6.3)

Таблица 6.2.

Формулы для оценки коэффициентов теплопроводности талых и мерзлых грунтов [99]

Тип грунта

Формула

Крупно-

обломочные [46]

Пески [42]

,

Супеси [42]

Суглинки и

глины [42]

Примечание: - плотность талого и мерзлого грунта, кг/м3; w,wm – влажность талого грунта и мерзлого грунта между ледяными включениями, д. ед.; -льдистость включений, д.ед., Vк– соответственно объем крупнообломочной составляющей в объеме V крунообломочного грунта, k = , - соответственно коэффициент теплопроводности крупнообломочных грунтов – эффективной и составляющих: глыб, щебня, дресвы (по значениям коэффициентов теплопроводности для пород их образующих) и мелкодисперсной - песка, супеси, суглинка и глины [37]. Температуропроводность грунтов характеризует способность изменять температуру в данной точке, под воздействием изменившейся в соседней точке этого же грунта. Коэффициент теплопроводности а, является характеристикой скорости выравнивания температуры в различных точках температурного поля массива грунта. Изменение его значения характеризует скорость нагревания или охлаждения массива грунта. Количественное значение, а можно вычислить по формуле:

, (6.4)

где а, можно получить для мерзлого и для талого грунта, если использовать значения , ,Cthи .

В супесчаных и суглинистых крупнообломочных породах темп изменений коэффициентов теплопроводности в исследуемом диапазоне температур от -10 до +4ºС различен и зависит от темпа изменения содержания незамерзшей воды. Наиболее ярко это выражено в интервале от от -4 до 0 ºС (рис. 6.1).

Рис. 6.1.Зависимость коэффициентов теплопроводности крупно-обломочных пород ( ) от изменений температуры (t) [94]:

мелкодисперсная составляющая крупнообломочных пород: а – песок, б – супесь, в – суглинок; содержание щебня в породе: 1 – 75, 2 – 35, 3 – 0, 4 – 55%; изменение содержания незамерзшей воды (Wнз): 5 – в супеси, 6 – в суглинке, 7 – в щебне песчаника.

Для горных пород коэффициент теплопроводности изменяется: от 1,2 до 17,0 - воды при изменении температуры от 0 до 40 ºС; от 2 до 2,3, - льда при изменении температуры от 0 до -80 ºС; от 8 до 8,5 КДж/(м ч ºС).

В аналитических моделях для решения теплотехнических задач используется еще один показатель – теплота фазовых переходов (Qф), в нормативных документах ее называют теплотой таяние (замерзания) грунта  и обозначают как  zn . Величина zn равна количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в единице объема грунта. Значение zn, Дж/м3 (ккал/м3), вычисляется по формуле

zn = z0(wtot – ww)rd,                                  (6.5)

где zo = 3,35×105 Дж/кг (80 ккал/кг) – удельная теплота фазовых превращений вода–лед в расчете на единицу массы.

Аналитический способ оценки теплоемкости многолетнемерлых скальных массивов криолитозоны Массивы скальных пород криолитозоны в общем случае состоят из блоков, разделенных трещинами, в которых содержится определенное количество воды, льда и мелкообломочного заполнителя. Их соотношение и свойства, а также температурный режим и являются определяющими в формировании теплофизических характеристик массивов пород криолитозоны – коэффициентов теплопроводности - l?, температуропроводности - а и теплоемкости - С, между которыми существует связь в следующем виде - а = l?/C.

Теплоемкость горных пород является аддитивной величиной и зависит от изменения значений теплоемкостей и содержания компонент, их слагающих. В теплотехнических расчетах используют обычно значения удельной - С­ или объемной - Со теплоемкости.

Удельную теплоемкость тонкодисперсного заполнителя в талом С­з.т­ и в мерзлом состоянии Сз. м­ можно вычислить по формулам:

С­з. т­= (С­ск.з­ + Св. Wе. з) / (1+ Wе. з), (6.6)

­

С­з. м = [С­ск.з+ Сл.(Wtot. з - Wнз. з) + С в Wнз. з] / ­(1+ Wtot. з), (6.7)

где С в, Сл, С­cк­ - удельные теплоемкости воды, льда и скелета породы, ­­­ Wе. з – естественная и Wtot. з - суммарная (весовая) влажность породы, ­­ Wнз. з­ - содержание незамерзшей воды.

Аналогично выражениям (6.6) и (6.7) можно записать формулы для вычисления коэффициентов удельной теплоемкости талых (С­б. т) и мерзлых (Сб. м) блоков скальных пород:

С­б. т­= (С­ск.б­ + Св. Wе. б) / (1+ Wе. б), (6.8)

­

С­б. м = [С­ск.б+ Сл.(W.tot. б - Wнз. б) + Св Wнз. б] / ­(1+ Wtot. б). (6.9)

На основе принципа аддитивности выражения (6.6) – (6.9) для вычисления коэффициентов удельной теплоемкости талых (Сгп. т) и мерзлых (С­гп. м) скальных горных пород можно представить в общем виде:

Сгп. т = Кб. тС­б. т+ Кз. тС­з. т, (6.10)

С­гп. м = Кб. мС­б. м+ Кз. мС­з. м, (6.11)

где К­б = Рб/ Ргп и Кз­ = Рз/ Ргп - коэффициенты, показывающие на относительное весовое содержание блоков (Рб.­) скальных пород и заполнителя (Р­з) в массивах горных пород (Ргп­).

Коэффициенты объемной теплоемкости талых (Ссо. т) и мерзлых (Ссо. м) скальных пород вычисляются по формулам:

Ссо. т = Кб×r?ск.б. т×Сб. т + Кз×r?ск.з. т×Сз. т, (6.12)

Ссо. м=Кб×r?ск.бм×Сб. м + Кз×r?ск.м×Сз. м, (6.13)

где r?ск.б. м, r?ск.б. т ­и r?ск.з. м, r?ск.з. т - плотность скелета скальных блоков и тонкодис-персного заполнителя в мерзлом и талом состоянии.

Зная диапазлны изменений удельной теплоемкости скальных грунтов нами были составлены номограммы для определения объемной теплоемкости талых и мерзлых пород интрузивной (рис. 6.2) и осадочно-метаморфической (рис. 6.3) формаций.

Рис. 6.2. Номограммы для вычисления объемной теплоемкости талых и мерзлых грунтов, представленных гранитодидами интрузивной формации [94]:

1-3 удельная теплоемкость блоков скальных грунтов Cб, Дж/(кг.оС): 1 – 600, 2 – 800, 3 – 1 000; 4-6 – плотность блоков, кг/м3: 4 - 2 500, 5 – 2 700, 3 – 2 900; 7,8 – вклад льда или воды в изменение объемной теплоемкости массивов мерзлых грунтов при колебании значений заполнения ими трещин от 0 до 1; ключ для определения значения по номограмме, направлен вправо – талые массивы грунтов, влево – мерзлые массивы грунтов (12), - обьемная трещиноватость массивов скальных грунтов.

Рис. 6.3. Номограмм для вычисления объемной теплоемкости талых и мерзлых грунтов, представленных осадочно-метаморфическими терригенными формациями [94]:

1-4 удельная теплоемкость блоков скальных грунтов Cб, Дж/(кг.оС): 1 – 400, 2 – 800, 3 – 1 200, 4 - 1 600; 5-8 – плотность блоков, кг/м3: 5 - 2 000, 6 – 2 400, 7 – 2 600, 8 – 2 800; 9,10 – вклад содержания льда или воды в изменение объемной теплоемкости массивов грунтов при полном заполнени трещин (удельная теплоемкость льда – 2 175, воды – 4 242 Дж/(кг.оС)), 11-14 - изменение объемной теплоемкости

Диапазоны изменений удельных теплоемкостей пород различных формаций принимались в указанных выше пределах. Интервалы колебаний плотности скелета и влажности горных пород задавались в соответствии со значениями, характерными для пород района исследований масивов скальных грунтов при колебании значений трещин от 0 до 1; ключ для определения значения по номограмме, направлен вправо – талые массивы грунтов, влево – мерзлые массивы грунтов (15), - обьемная трещиноватость массивов скальных грунтов.