3.4.2. Теплофизические

Характеристики теплофизических свойств мерзлых и оттаявших грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, необходимы для выполнения теплотехнических расчетов.

Основными расчетными характеристиками теплофизических свойств мерзлого или оттаявшего грунта являются: теплоемкость С, коэффициент теплопроводности  и коэффициент температуропроводности a .

Эти характеристики связаны между собой соотношением

 = a С

Теплофизические свойства грунта зависят от его влажности, объемного веса, гранулометрического состава, сложения и температуры и должна определяться на образцах естественного сложения и влажности.

• Теплоемкость

Теплоемкость грунта характеризует его способность аккумулировать тепло. Различают удельную и объемную теплоемкость. Удельная теплоемкость грунта с численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы его массы на 1°, и выражается в ккал/кг·град. Объемная теплоемкость С численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°. Значения удельной и объемной теплоемкостей грунта связаны соотношением

С = с g _об   ккал/м³·град

где g_об - объемный вес грунта в кг/м³.

Удельная теплоемкость грунта не зависит от его сложения и объемного веса.

С достаточной для практических целей точностью величины удельной теплоемкости талого (с_т) и мерзлого (с_м) грунта можно определять расчетом по весовому соотношению основных составляющих грунта (минерального скелета, незамерзшей воды и льда) по формулам:

а) для талого грунта

б) для мерзлого грунта

где с_ск - удельная теплоемкость минерального скелета грунта;

с _в и с_л - удельные теплоемкости соответственно воды и льда;

W _с - весовая влажность грунта в долях единицы;

W _н - количество незамерзшей воды при заданной температуре мерзлого грунта в долях единицы.

Для мерзлого грунта различают его собственную и эффективную теплоемкость.

Собственная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения на 1° температуры единицы объема или массы грунта.

Эффективная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменений температуры единицы объема или массы грунта на 1° и фазового состава поровой влаги в нем.

Эффективная теплоемкость зависит от температуры грунта.

Удельная эффективная теплоемкость может быть приближенно выражена формулой

где с_м - собственная теплоемкость мерзлого грунта;

L = 80 ккал/кг - удельная теплота таяния льда;

  - объемный вес минерального скелета мерзлого грунта в кг/м³;

  - объемный вес мерзлого грунта в кг/м³;

  - изменение количества незамерзшей воды в долях единицы при изменении температуры мерзлого грунта на 1°.

• Теплопроводность и температуропроводность

Свойство теплопроводности грунта характеризуют величиной коэффициента теплопроводности, являющегося показателем пропорциональности между величиной удельного теплового потока и градиентом температуры в грунте. Коэффициент теплопроводности выражают в ккал/м·ч·град.

При теплотехнических расчетах оснований зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, величину коэффициента теплопроводности грунта определяют по таблице 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.

Образцы талого и оттаявшего грунта испытывают при неустановившемся тепловом режиме методом теплового импульса, исключающим перераспределение в них влаги. Максимальное изменение температуры образца при испытании не должно превышать 15° С.

Значение теплопроводности грунта при температуре выше -10 °С находят по формуле

где λ_м и λ _т - значение коэффициента теплопроводности грунта в мерзлом и оттаявшем со стоянии в ккал/м·ч·град ;

W ' _н и W _н - содержание незамерзшей воды в образце мерзлого грунта в долях единицы при заданной температуре грунта и температуре опыта;

W_c - суммарная влажность грунта в долях единицы.