для целей проектирования

Температурный режим грунтов в строительных целях характеризуется тремя параметрами: среднегодовой темпера­турой грунта, глубиной сезонного промерзания — оттаивания и глубиной многолетнего промерзания — оттаивания грунта. По среднегодовой температуре грунта, как показано в рабо­те [3], можно определить расчетные значения температур грунта. Там же даются формулы для определения этих тем­ператур. В унифицированном виде данные формулы приво­дятся в СНиП II- 18-76.

Применительно к I принципу использования грунтов в качестве оснований по унифицированным формулам опреде­ляются максимальные температуры под серединой и краем здания (t^с_м и t^к_м), температуры на любой глубине z от верхней поверхности вечномерзлого грунта (t^с_z и t^к_z) и эквивалентные температуры (t^с_э и t^к_э ). Для зданий с холодным подпольем:

под серединой здания

где t₀ — среднегодовая температура вечномерзлого грунта с учетом ее изменения при застройке территории; t'₀ — средне­годовая температура вечномерзлого грунта на его верхней поверхности, устанавливающаяся при эксплуатации зданий

и сооружений (назначается по СНиП II-18-76 из условия обеспечения требуемых расчетных температур грунта охлаж­дающими устройствами); t_{н з} -температура начала замерза­ния грунта, определяемая в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора; α_м,_z,_э — коэффициент се­зонного изменения температур, зависящий от свойств грунта и расстояния z от верхней поверхности вечномерзлого грун­та до уровня, на котором определяется температура; k_сt,с,э и k_кt,к,э —коэффициенты теплового влияния, зависящие от отно­шения z к ширине здания.

Как видно из приведенных формул, одной из основных величин, необходимых для расчета оснований и фундамен­тов, является среднегодовая температура грунта t₀.

При II принципе использования грунтов в качестве осно­вания среднегодовая температура является граничным усло­вием, необходимым для определения по СНиП II-18-76 ве­личины зоны оттаивания грунта под зданиями.

Помимо зданий, на территории застройки имеются доро­ги, площади, скверы, дворы, участки с санитарно-техническими сетями и т. п., где, как отмечалось, может происхо­дить деградация вечномерзлых грунтов (т. е. повышение тем­пературы и многолетнее оттаивание грунта) или, наоборот, на талых участках могут формироваться вечномерзлые грун­ты (т. е. будет происходить многолетнее промерзание грун­тов). Все это определяет способы устройства дорог, проклад­ки санитарно-технических сетей, вертикальную планировку и общее благоустройство застраиваемой территории в целом.

Глубина сезонного оттаивания является величиной, необ­ходимой для определения расчетных температур, так как на­чало отсчета в вышеприведенных формулах ведется от верх­ней поверхности вечномерзлых грунтов, т. е. от нижней по­верхности слоя сезонного оттаивания (I принцип использова­ния вечномерзлых грунтов в качестве основания). Глубина сезонного промерзания грунтов является величиной, необхо­димой для определения глубины заложения фундаментов (II принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве ос­нования). Значения как глубины сезонного промерзания, так и глубины сезонного оттаивания необходимы для расчета воздействия касательных сил пучения на фундаменты раз­личных сооружений. Кроме того, глубины сезонного промер­зания—оттаивания, так же как и глубины многолетнего про­мерзания—оттаивания, определяют способы устройства до­рог, прокладки санитарно-технических сетей, вертикальной планировки и общего благоустройства застраиваемой территории.

$ 2. Определение среднегодовой температуры грунта

Среднегодовая температура грунта, как отмечалось ранее, позволяет определить значения в зоне сезонных коле­баний температуры, оценить направление тепловых процес­сов в грунте, а также характер залегания и распространения вечномерзлых грунтов до и после застройки.

Если в естественных условиях среднегодовая температура грунта t₀^ест < t_н.з (сливающиеся вечномерзлые грунты), а после застройки измененная среднегодовая температура t₀ ^изм < t_н.з, то сохраняется вечномерзлое состояние грунтов; при t₀^изм < t₀^есг происходит понижение температуры грунта и обычно уменьшается глубина сезонного оттаивания; при t₀ ^изм> t₀ повышается температура грунта, увеличива­ется глубина сезонного оттаивания; при t₀ ^изм> t_н.з происхо­дит многолетнее оттаивание грунтов и вместо сезонного от­таивания устанавливается сезонное промерзание грунтов.

В том случае, когда в естественных условиях t₀^ест ≥ t_н.з (таликовые участки или участки с несливающимися вечномерзлыми грунтами), а после застройки измененная средне­годовая температура t₀^изм > t_н.з, сохраняется талое состояние грунтов или сохраняются несливающиеся вечномерзлые грунты; при t₀^изм > t₀^ест, повышается температура грунта, уменьшается глубина сезонного промерзания; при t₀^изм < t₀^ест понижается температура грунта, увеличивается глубина се­зонного промерзания; при t₀^изм < t_н.з происходит многолетнее промерзание грунтов и вместо сезонного промерзания уста­навливается сезонное оттаивание грунтов.

Среднегодовая температура грунта изменяется в резуль­тате изменений теплообмена как в зимний, так и в летний пе­риоды. При этом в одних районах области распространения вечномерзлых грунтов преобладающее значение имеют изме­нения теплообмена в зимний период, а в других — в летний. Формирование температурного режима грунтов происхо­дит в результате сложного взаимодействия процессов пере­носа тепла и влаги в системе грунт—атмосфера. Распростра­нение тепла в самих грунтах обычно сопровождается про­цессами промерзания—оттаивания и зависит от теплофизических свойств грунта в талом и мерзлом состояниях и от их влажности.

Интенсивность и направление тепловых процессов на по­верхности грунта изменяются в течение года по периодиче­скому закону; по тому же закону изменяется и температура поверхности грунта. Как и во всяком периодическом процес­се, колебания температуры поверхности происходят около некоторого среднего положения. Если бы в верхнем слое грунта не было фазовых переходов (вода—лед—вода и т. д.),

а из внутренних слоев земли не поступало геотерми­ческое тепло, то среднегодовая температура грунта была бы постоянна по глубине и равна среднегодовой температуре, поверхности грунта.

Изменение теплофизических свойств грунта в пределах слоя сезонных изменений температур и поступление тепла из недр земли приводит к тому, что среднегодовая температура грунта переменна по глубине и имеет минимальное значение на глубине нулевых годовых амплитуд температур (рис. 8). Среднегодовая температура грунта является осью сезонных колебаний температур. Экстремальные температуры грунта по глубине (амплитуды колебаний) представлены на рис. 8. Для практических целей изменение среднегодовой темпе­ратуры грунта по глубине можно принять несколько упро­щенное. Смещение ее на глубине ниже слоя сезонного оттаи­вания (с глубины H_т, рис. 8) до подошвы слоя сезонных из­менений температур (H₀) происходит вследствие изменения теплофизических свойств мерзлого грунта в течение года, за­висящих от содержания в нем незамерзшей воды, в свою очередь определяемого сезонными колебаниями темпера­туры При достаточно широком диапазоне изменения отри­цательных значений температур теплофизические свойства мерзлого грунта можно принять постоянными.

Геотермический градиент для области распространения вечномерзлых грунтов, если исключить геотермические ано­малии, составляет обычно 0,02°С на метр. Таким изменением температуры до глубины 10—15 м можно пренебречь. Поэто­му в дальнейшем принимаем, что среднегодовые температу­ры грунта по глубине от подошвы слоя сезонного оттаива­ния до глубины 10—15 м постоянны и равны температуре грунта на подошве слоя сезонных изменений температур (t₀). Смещение же среднегодовой температуры грунта можно учитывать лишь в пределах сезонно-талого слоя, где теплофизические свойства грунта в течение года претерпевают наибольшие изменения при переходе грунта из мерзлого со­стояния в талое и из талого в мерзлое (рис. 8, пунктир).

Понятие «подошва слоя сезонных изменений температур» весьма условно. Очевидно, что чем выше точность измерения температуры, тем на больших глубинах можно обнаружить колебания температур. Поэтому для определения указанного понятия должна быть установлена «мера точности». За «меру точности» можно принять 0,1°С, т. е. ту точность, с ко­торой обычно производят намерения температур грунтов во время исследований и изысканий. В этом случае подошва слоя сезонных изменений температур в различных районах области распространения вечномерзлых грунтов будет нахо­диться на разных глубинах.

Минимальная глубина залегания подошвы слоя сезонных

изменений температур будет в южных районах области рас­пространения вечномерзлых грунтов. Вблизи южной границы этой области, где зимой происходит промерзание верхнего слоя грунта, а в течение лета до наступления морозов —от­таивание этого слоя, температура грунтов, подстилающих слой сезонного промерзания — оттаивания, близка к 0°С или к температуре замерзания грунта. Здесь подошва слоя се­зонных изменений температур практически совпадает с по­дошвой слоя сезонного промерзания—оттаивания грунта.

В более северных районах оттаявший в летнее время слой грунта промерзает в течение части зимнего периода. В конце же зимнего периода происходит охлаждение вечномерзлых грунтов через промерзший слой сезонного оттаивания. Чем скорее он промерзает, тем большее время охлаждаются вечномерзлые грунты и тем глубже распространяются сезонные колебания температур.

В результате глубина залегания подошвы слоя сезонных изменений температур изменяется от 2—3 м (южная граница области вечномерзлых грунтов) до 30 м (северные районы). При этом нижнему пределу изменений соответствуют сред­ние годовые температуры грунта, близкие 0°С, а верхнему — порядка —10 ÷ —12°С. Очевидно, что для практических це­лей (применительно к основаниям зданий и сооружений) требуется тем меньшая точность измерения температуры грунтов, чем ниже эта температура. Последнее позволяет при определении среднегодовой температуры грунта в есте­ственных условиях ограничиться одним ее замером на глуби­не 10 м независимо от величины слоя сезонных изменений температур. Это нашло отражение и в СНиП II-18-76, где за расчетную температуру грунта, равную его температуре на подошве слоя сезонных изменений температур, принята температуру грунта на глубине 10 м. В дальнейшем подразу­мевается равенство этих температур.

Взаимосвязь температурного режима грунта с теплооб-

Рис. 8. Среднегодовая (t_ср ), минимальные (t_мин ) и макси­мальные (t_макс ) температуры грунта

меном на его поверхности выявлялась в процессе многочис­ленных исследований условий залегания и распространения вечномерзлых толщ (М .И. Сумгин, 1937 г.; В. А. Кудряв­цев, 1939 г.; В. К. Яновский, 1951 г.; А. И. Попов, 1953 г.; Н. Я. Баранов, 1965 г.; П. Ф. Швецов, 1968 г. и др.). Иссле­дователями В. Б. Шостаковичем (1928 г.) и А. А. Григорье­вым (1930 г.) были сделаны первые попытки количественной увязки условий теплообмена с температурой грунтов. В их работах предложены климатические критерии для характе­ристики территориального распространения вечномерзлых грунтов. М. И. Сумгин (1933 г.) и В. Ф. Тумель (1940 г.) подробно разобрали эти критерии и пришли к выводу, что неполнота исходных данных и, в частности, отсутствие ха­рактеристик грунтов приводят к противоречивым результа­там.

М. М. Крылов (1934 г.), исходя из неравенства (глубина сезонного промерзания должна быть больше глубины сезон­ного оттаивания грунтов), впервые получил условие образо­вания вечномерзлых грунтов:

где λ_т и λ_м — коэффициенты теплопроводности гранта в та­лом и мерзлом состояниях; Ω_з и Ω_л —суммы градусо-часов температуры на поверхности грунта в зимнее и летнее время.

Климатические критерии и условие М. М. Крылова могут дать ответ только на вопрос о возможности существования вечномерзлой толщи, но не позволяют количественно оце­нить температурный режим грунтов. Наиболее совершенна в этом отношении работа В. А. Кудрявцева (1954 г.), который, положив в основу своего метода анализ амплитуд колебаний температуры воздуха, получил зависимость для среднегодо­вой температуры грунта

где t_в —среднегодовая температура воздуха; А_в —годовая амплитуда средних месячных температур воздуха; H_с —вы­сота снежного покрова; а_с —коэффициент температуропро­водности снега; Т — период колебаний, равный году.

В формулу В. А. Курдявцева входят: среднегодовая тем­пература воздуха, амплитуда колебаний температур воздуха и величины, характеризующие снежный покров. Для учета других составляющих комплекса геолого-географических ус­ловий (растительности, рельефа, влажности и т. д.) В. А. Куд­рявцев (1954 г.) предложил эмпирические поправки.

В более поздней работе В. А. Кудрявцев (1958 г.) рас­сматривает влияние литологического состава и влажности

грунтов на их температурный режим. Он впервые показал смещение оси колебаний температуры грунта в пределах слоя сезонного промерзания — оттаивания. Это смещение — «сдвижка» обусловлено изменениями коэффициентов тепло­проводности и теплоемкости влажного грунта при переходе его из мерзлого состояния в талое и обратно.

В. А. Кудрявцев (1967 г.) дает ряд приближенных фор­мул для определения теплооборотов в пределах слоя сезон­ных изменений температур, величин слоя сезонного промер­зания или оттаивания и величины «сдвижки». Полученные им формулы довольно сложны для практического использо­вания, кроме того в них входят амплитуды температуры и среднегодовая температура поверхности грунта. Определить указанные граничные условия и, особенно, их изменения при освоении территории доступно далеко не всем специалистам в области геокриологии.

В работе Г.В. Порхаева и И.В. Шейкина (1964 г.) при­водится формула для определения среднегодовой температу­ры грунта с учетом составляющих внешнего тепло- и массообмена, теплофизических свойств грунта и снежного покро­ва, а также процессов фазовых переходов воды, содержа­щейся в грунте, при промерзании и оттаивании верхних сло­ев грунта:

без учета снежного покрова

при наличии снежного покрова

Т — период колебаний, принимаемый равным в формулах (7) и (8) 12 мес, в формулах (8 г) —8760 ч; λ_т, λ_м —коэффи­циенты теплопроводности грунта в талом и мерзлом состоя­ниях, ккал/м ч град; Ω_в.з— сумма среднемесячных темпера­тур воздуха за зиму, градусо-месяцы; Ω_е.з—сумма среднеме­сячных затрат тепла на испарение с поверхности грунта (снега) за зиму, ккал/м² ч; а₃—коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта (снега) к воздуху зимой,

ккал/м² ч град; Ω_в.л—сумма среднемесячных значений тем­ператур воздуха за лето, градусо-месяцы; Ω_Rл— сумма сред­немесячных значений радиационного баланса за лето, ккал/м² ч; Ω_kл —сумма среднемесячных затрат тепла на ис­парение с поверхности грунта за лето, ккал/м² ч; ơ_л —коэф­фициент теплоотдачи от поверхности грунта к воздуху ле­том, ккал/м² град; а_т— коэффициент температуропроводности мерзлого грунта, м²/ч; Н'_с — мощность снежного покрова во время промерзания грунта, м; λ'_с —коэффициент те­плопроводности снега во время промерзания грунта, ккал/м ч:

В этих формулах не учитывается тепло, которое расходу­ется на нагрев мерзлой толщи в летнее время. Поэтому вы­численные по ним значения среднегодовых температур полу­чаются несколько завышенными. Для северных районов, где среднегодовые температуры грунта составляют —5, — 12°С, расхождения могут достигнуть 1,5—2°С. Для южной зоны области распространения вечномерзлых грунтов, где мерзлая толща зимой очень мало охлаждается, а следовательно, в летнее время количество тепла, идущего на ее обогрев, так­же составляет ничтожную величину, точность расчетов по формулам (7) и (8) увеличивается.

Позднее И. В. Шейкин (1969 г.) вывел другую прибли­женную формулу для определения среднегодовой температу­ры грунта с учетом снежного покрова:

здесь η — то же, что и в формуле (8).

Формула (9) обладает теми же недостатками, что и фор­мула (8), кроме того, она более сложная.

Г. М. Фельдман (1970 г.) предложил приближенный ме­тод определения среднегодовой температуры грунта при установившимся процессе теплообмена в слое годовых коле­баний температур (ошибка, по данным самого автора, при определении t₀ может достигать 2°С). Этот метод не имеет заметных преимуществ по сравнению с приближенным мето­дом Г. В. Порхаева и И.В. Шейкина [4], но очень сложен, что делает его мало пригодным для практических расчетов. Среднегодовая температура грунта определяется по слож­ным формулам методом последовательных приближений к истинному значению. Разработанные Г. М. Фельдманом вспомогательные номограммы для вычисления некоторых па­раметров в формулах вызывают необходимость сложной ин­терполяции и поэтому существенно не облегчают расчет.

Метод Г. М. Фельдмана по сравнению с методом Г. В. Порхаева, и И. В. Шейкина не позволяет учитывать из­менение составляющих внешнего тепло и массообмена. Хотя метод предлагается автором для прогноза температурного режима вечномерзлых грунтов при освоении территории, он не дает возможности непосредственно учесть изменения при­родных условий на поверхности грунта (изменения теплои­золяции на поверхности грунта, последствия вертикальной планировки площадки и т. п.).

Наиболее простая и достаточно точная зависимость сред­негодовой температуры грунта от основных факторов, ха­рактеризующих условия теплообмена на поверхности грунта, предложена Г. В. Порхаевым (1970 г.). Эта зависимость с учетом температуры начала замерзания воды в грунте име­ет вид:

Поиск по сайту: