Главное меню

Сп глубина промерзания грунта


Нормативная глубина промерзания грунта | Расчет сезонного промерзания грунта по СНиПу

Калькулятор ГПГ-Онлайн v.1.0

Калькулятор по расчету нормативной и расчетной глубины промерзания грунта для регионов РФ, Украины, Белоруссии и др. Два поиска: быстрый (по названию города) и расширенный. Пояснения и рабочие формулы можно найти под калькулятором.

Расширенный поиск:

Страна Выберите странуРоссийская ФедерацияАзербайджанская республикаРеспублика АрменияРеспублика БеларусьГрузияРеспублика КазахстанКыргызская республикаРеспублика МолдоваРеспублика ТаджикистанРеспублика УзбекистанУкраина

Республика, край, область Выберите регион:

Город Выберите город:

Нормативная глубина промерзания (СП 131.13330.2012)

ГородГрунтГлубина промерзания, м
-Глина или суглинок0
Супесь, песков пылеватый или мелкий 0
Песок средней крупности, крупный или гравелистый0
Крупнообломочные грунты0

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта

Источники данных: СНиП 23-01-99* (СП 131.13330.2012); СНиП 23-01-99; СП 22.13330.2011 (СНиП 2.02.01-83*); СНиП 2.02.01-83

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Нормативную глубину сезонного промерзания грунта dfn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле:

dfn = d0 * √Mt

где Mt - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в них данных для конкретного пункта или района строительства - по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства;

d0 - величина, принимаемая равной, м, для:
суглинков и глин - 0,23;
супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28;
песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,30;
крупнообломочных грунтов - 0,34.

Значение d0 для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное в пределах глубины промерзания.

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта df, м, определяется по формуле:

df  = kh * dfn 

где dfn - нормативная глубина промерзания, определяемая;

kh - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемых сооружений - по табл.1; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений kh = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой.

П р и м е ч а н и я

  1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетная глубина промерзания грунта для неотапливаемых сооружений должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетная глубина промерзания должна определяться теплотехническим расчетом и в случае применения постоянной теплозащиты основания, а также если тепловой режим проектируемого сооружения может существенно влиять на температуру грунтов (холодильники, котельные и т.п.).
  2. Для зданий с нерегулярным отоплением при определении kh за расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.

Таблица 1

Особенности сооружения

Коэффициент kh при расчетной среднесуточной
температуре воздуха в помещении, примыкающем к наружным фундаментам, °С

0

5

10

15

20 и более

Без подвала с полами, устраиваемыми:
по грунту

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

на лагах по грунту

1

0,9

0,8

0,7

0,6

по утепленному цокольному перекрытию

1

1

0,9

0,8

0,7

С подвалом или техническим подпольем

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

П р и м е ч а н и я
1 Приведенные в таблице значения коэффициента kh относятся к фундаментам, у которых расстояние от внешней грани стены до края фундамента af< 0,5 м; если af 1,5 м, значения коэффициента kh повышают на 0,1, но не более чем до значения kh= 1; при промежуточном значении af значения коэффициента kh определяют интерполяцией.
2 К помещениям, примыкающим к наружным фундаментам, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии – помещения первого этажа.
3 При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент kh принимают с округлением до ближайшего меньшего значения, указанного в таблице.

Строительные калькуляторы

Глубина промерзания грунта СНИП и СП

Калькулятор позволит рассчитать нормативную и расчетную глубину промерзания грунта используя новые СП 131.13330.2018 "СНиП 23-01-99* Строительная климатология".

Данные актуальны для 2020 года.

Расчет можно осуществить для любой области - Московской, Ленинградской, Самарской и других. Кроме того в нашем калькуляторе есть Крым.

Область, край, республика: Алтайский крайАмурская областьАрхангельская областьАстраханская областьБелгородская областьБрянская областьВладимирская областьВолгоградская областьВологодская областьВоронежская областьЗабайкальский крайИвановская областьИркутская областьКабардино-Балкарская РеспубликаКалининградская областьКалужская областьКамчатский крайКарачаево-Черкесская РеспубликаКемеровская областьКировская областьКостромская областьКраснодарский крайКрасноярский крайКурганская областьКурская областьЛенинградская областьЛипецкая областьМагаданская областьМосковская областьМурманская областьНенецкий АОНижегородская областьНовгородская областьНовосибирская областьОмская областьОренбургская областьОрловская областьПензенская областьПермский крайПриморский крайПсковская областьРеспублика АдыгеяРеспублика АлтайРеспублика БашкортостанРеспублика БурятияРеспублика ДагестанРеспублика КалмыкияРеспублика КарелияРеспублика КомиРеспублика КрымРеспублика Марий ЭлРеспублика МордовияРеспублика Саха (Якутия)Республика Северная Осетия – АланияРеспублика Татарстан (Татарстан)Республика ТываРеспублика ХакасияРостовская областьРязанская областьСамарская областьСаратовская областьСахалинская областьСвердловская областьСмоленская областьСтавропольский крайТамбовская областьТверская областьТомская областьТульская областьТюменская областьУдмуртская РеспубликаУльяновская областьХабаровский крайЧелябинская областьЧеченская РеспубликаЧувашская Республика – ЧувашияЧукотский АОЯрославская область

Населенный пункт: ДмитровКашираМоскваНовомосковский АОТроицкий АО

Тип грунта: глина или суглиноксупесь, песков пылеватый или мелкийпесок средней крупности, крупный или гравелистыйкрупнообломочные грунты

Устройство полов: без подвала, полы по грунтубез подвала, полы на лагах по грунтубез подвала, полы по утепленному цокольному перекрытиюс подвалом или техническим подпольем

Температура в помещении: не отапливаетсяотапливается, 0°Cотапливается, 5°Cотапливается, 10°Cотапливается, 15°Cотапливается, более 20°C

всего расчетов - 1905 ×

Расчет глубины промерзания грунта очень актуальная задача при строительстве фундаментов. Правильный расчет гарантирует долгую службу этого важного строительного сооружения. К сожалению, сервисы, которые позволяют рассчитать глубину промерзания используют устаревшие данные и результаты из расчетов отличаются от актуальных на данный момент.

Наш калькулятор построен на самых новых и актуальных данных.

Кроме того в результатах расчета вы получите дополнительную информацию о местности:

На сайте вы также можете посмотреть строительную климатологию для любой местности нашей страны с более подробными климатическими данными.

Ваша оценка

[Оценок: 13 Средняя: 4.2]

Глубина промерзания грунта Автор admin средний рейтинг 4.2/5 - 13 рейтинги пользователей

Глубина промерзания грунта

Суглинки и глина
Супесь, пески мелкие и пылеватые
Пески гравелистые, крупные и средней крупности
Крупнообломочные грунты
* Значения нормативной глубины сезонного промерзания грунта рассчитаны для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м. (п. 5.5.3 ( СП 22.13330.2011))
Нормативная глубина промерзания грунта в районах, где dfn > 2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330.
** Глубина заложенных труб, считая до низа, должна быть на 0,5 м больше расчетной глубины проникания в грунт нулевой температуры. При прокладке трубопроводов в зоне отрицательных температур материал труб и элементов стыковых соединений должен удовлетворять требованиям морозоустойчивости. (п. 11.40 СП 31.13330.2012)
Примечание - Меньшую глубину заложения труб допускается принимать при условии принятия мер, исключающих: замерзание арматуры, устанавливаемой на трубопроводе; недопустимое снижение пропускной способности трубопровода в результате образования льда на внутренней поверхности труб; повреждение труб и их стыковых соединений в результате замерзания воды, деформации грунта и температурных напряжений в материале стенок труб; образование в трубопроводе ледяных пробок при перерывах подачи воды, связанных с повреждением трубопроводов.
*** Наименьшую глубину заложения канализационных трубопроводов необходимо определять теплотехническим расчетом или принимать на основании опыта эксплуатации сетей в данном районе. (п. 6.2.4 СП 32.13330.2012 )
При отсутствии данных минимальную глубину заложения лотка трубопровода допускается принимать для труб диаметром до 500 м - 0,3 м, а для труб большего диаметра - 0,5 м менее большей глубины проникания в грунт нулевой температуры, но не менее 0,7 м до верха трубы, считая от поверхности земли или планировки (во избежание повреждения наземным транспортом).

Глубина промерзания грунта по регионам России

Глубина промерзания грунта (df) — это нормативная величина, которая показывает уровень промерзания почвенного горизонта в зимний период и определяется на основании многолетних наблюдений в каждом регионе России. Нижняя граница этой зоны, называется точкой промерзания грунта.

Величина ГПГ является одним из самых важных параметров при определении глубины заложения фундамента, а значит нахождение этого коэффициента обязательно при любом строительстве. Знание глубины промерзания, позволяет обезопасить основание, так как в зимний период происходит перераспределение напряжения в грунтах, подземные воды переходят из жидкого состояния в лед, увеличивается их объем до 10-15% и начинаются процессы пучения.

Если подошву фундамента недостаточно заглубить, то на стенки будет воздействовать колоссальное вертикальное давление, которое непременно приведет к деформациям и нарушению целостности основания. Если же подошва фундамента будет располагаться ниже уровня ГПГ, то силы морозного пучения будет действовать на боковые стенки по касательной, то есть фундамент зимой будет выталкиваться наружу, а летом обратно погружаться внутрь.

 

Расчет глубины промерзания грунта

До недавнего времени расчет глубины промерзания грунта осуществлялся вручную с помощью СНиП и других нормативных документов – это не совсем удобно, так как приходится пролистывать больше количество страниц, чтобы найти нужны регион/город. Мы предлагаем воспользоваться нашим онлайн-калькулятором, который позволяет определить нормативную и расчетную глубину промерзания грунта в ОДИН КЛИК – вам требуется выбрать населенный пункт и нажать кнопку «Рассчитать». База данных нашей программы основывается на информации из СНиП 23-01-99 (СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»).

В нашем инструменте есть информация по всем регионам и городам России, среди которых: Московская область, Ленинградская область, Нижегородская, Свердловская, Ростовская, Самарская, Челябинская, Калининградская области, Пермский, Хабаровский, Приморский края, Башкортостан, Татарстан, Крым.

 

Карта промерзания грунтов СССР

 

 

Глубина промерзания грунта по регионам России (карта + таблица)

ГородГлубина промерзания грунта, см
Архангельск175
Владивосток180
Вологда170
Екатеринбург190
Иркутск190
Казань175
Калининград80
Красноярск200
Курск130
Москва130
Нижний Новгород155
Новосибирск220
Омск220
Орел130
Пермь190
Псков120
Ростов-на-Дону90
Рязань130
Самара165
Санкт-Петербург120
Саратов145
Симферополь70
Сургут270
Тюмень210
Хабаровск190
Челябинск215
Якутск240
Ярославль170

 

Карта промерзания грунтов Центральной России

 

Глубина промерзания грунта в Московской области

ГородГлубина промерзания грунта, см
Москва130
Балашиха125
Подольск130
Коломна115
Серпухов120
Орехово-Зуево125
Сергиев Посад130
Зеленоград130
Солнечногорск125

 

Глубина промерзания грунта в Ленинградской области

ГородГлубина промерзания грунта, см
Санкт-Петербург120
Гатчина120
Выборг125
Сосновый бор120
Кингисепп120
Луга115
Волхов120
Тихвин120
Свирица125

 

Пример расчета глубины промерзания грунта

СП 22.13330.2010 «Основания зданий и сооружений» подробно расписывает методику расчета глубины промерзания почвы, мы попробуем вкратце разобрать основные положения и разберем пример.

В разных регионах и тем более в различных широтах, глубина промерзания почвы может сильно отличаться. Большое влияние на эту величину оказывают климатические факторы, гранулометрический состав грунта и вышележащая поверхность. Но раз все они участвуют в формировании величины промерзания, значит их можно объединить в одно выражение.

Нормативная глубина промерзания грунта (формула): df = d0 × √Mt

Расчетная глубина промерзания грунта (формула): df = d0 × √Mt × kh

Первая формула позволяет выполнить расчет глубины промерзания грунта без учета вышележащей поверхности, то есть вы получите нормативное значение для данного участка местности. Но например, при расчете глубины промерзания грунта для фундамента применяется коэффициент kh, который вносит поправку на основании среднесуточной температуры (°С) примыкающего помещения, то есть это будет расчетное значение.

Конструктивные особенности здания

Значение коэффициента kh при температурах, °С

0

5

10

15

20 и больше

Без подвала, с полами на грунте

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

Без подвала, с полами на лагах

1

0,8

0,8

0,7

0,6

Без подвала, с полами на утепленном цоколе

1

0,9

0,9

0.8

0,7

С подвалом или техническим подпольем

0,8

1

0,6

0,5

0,4

Неотапливаемое помещение

1,1

 

Разберем пример расчета глубины промерзания в Москве.

Предположим, что у нас будет одноэтажный дом с полами на лагах без подвального помещения, расположенный на песчаном грунте. Планируется, что средняя температура в помещении будет +22 °С.

Согласно СНиП 23-01-99 (СП 22.13330.2010) из таблицы №3 документа, мы складываем отрицательные значения температур для города Москва и получаем – 32,9 °С.

Далее подставляем все значения в формулу:

df = 0,3 × √32,9 × 0,6 = 1,03 м

Расчетная глубина промерзания грунта для Москвы равна 1,03 м.

Расчет глубины заложения фундамента по СП 22.13330.2011

5.5.2. Нормативную глубину сезонного промерзания грунта dfn, м, принимают равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

При использовании результатов наблюдений за фактической глубиной промерзания следует учитывать, что она должна определяться по температуре, характеризующей согласно ГОСТ 25100 переход пластичномерзлого грунт

5.5.2. Нормативную глубину сезонного промерзания грунта dfn, м, принимают равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

При использовании результатов наблюдений за фактической глубиной промерзания следует учитывать, что она должна определяться по температуре, характеризующей согласно ГОСТ 25100 переход пластичномерзлого грунта в твердомерзлый грунт.

5.5.3. Нормативную глубину сезонного промерзания грунта dfnм, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле

                                                        (5.3)

где Мt - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СНиП 23-01, а при отсутствии в нем данных для конкретного пункта или района строительства - по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства;

d0 - величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28 м; песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,30 м; крупнообломочных грунтов - 0,34 м.

Значение d0 для грунтов неоднородного сложения определяют как средневзвешенное в пределах глубины промерзания.

Нормативная глубина промерзания грунта в районах, где dfn > 2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330

Онлайн расчет глубины заложения фундамента

Минимальную глубину заложения фундаментов во всех грунтах, кроме скальных, рекомендуется принимать не менее 0,5 м, считая от поверхности наружной планировки. (РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ , МОСКВА 1978).

Расчетная глубина промерзания

5.5.4. Расчетную глубину сезонного промерзания грунта df, м, определяют по формуле

df = kh dfn,                                                                (5.4)

где dfn - нормативная глубина промерзания, м, определяемая по 5.5.2 - 5.5.3;

kh - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений - по таблице 5.2; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений kh = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой.

Таблица 5.2

Особенности сооружения

Коэффициент kh при расчетной среднесуточной температуре воздуха в помещении, примыкающем к наружным фундаментам, °C

0

5

10

15

20 и более

Без подвала с полами, устраиваемыми:

         

по грунту

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

на лагах по грунту

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

по утепленному цокольному перекрытию

1,0

1,0

0,9

0,8

0,7

С подвалом или техническим подпольем

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

Примечания

1. Приведенные в таблице значения коэффициента kh относятся к фундаментам, у которых расстояние от внешней грани стены до края фундамента af < 0,5 м; если af>=1,5 м, значения коэффициента kh повышают на 0,1, но не более чем до значения kh = 1; при промежуточном значении af значения коэффициента kh определяют интерполяцией.

2. К помещениям, примыкающим к наружным фундаментам, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии - помещения первого этажа.

3. При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент kh принимают с округлением до ближайшего меньшего значения, указанного в таблице.

Примечания

  1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетная глубина промерзания грунта для неотапливаемых сооружений должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетная глубина промерзания должна определяться теплотехническим расчетом и в случае применения постоянной теплозащиты основания, а также, если тепловой режим проектируемого сооружения может существенно влиять на температуру грунтов (холодильники, котельные и т.п.).
  2. Для зданий с нерегулярным отоплением при определении khза расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.
Глубина заложения фундаментов

5.5.5. Глубина заложения фундаментов отапливаемых сооружений по условиям недопущения морозного пучения грунтов основания должна назначаться:

для наружных фундаментов (от уровня планировки) по таблице 5.3;

для внутренних фундаментов - независимо от расчетной глубины промерзания грунтов.

Глубину заложения наружных фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания, если:

специальными исследованиями на данной площадке установлено, что они не имеют пучинистых свойств;

специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную надежность сооружения;

предусмотрены специальные теплотехнические мероприятия, исключающие промерзание грунтов.

Таблица 5.3

Грунты под подошвой фундамента

Глубина заложения фундаментов в зависимости от глубины расположения уровня подземных вод dw, м, при

dw <=df 2

dw > df + 2

Скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности

Не зависит от df

Не зависит от df

Пески мелкие и пылеватые

Не менее df

То же

Супеси с показателем текучести IL < 0

То же

-

То же, при IL >= 0

-

Не менее df

Суглинки, глины, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем при показателе текучести грунта или заполнителя IL >= 0,25

-

То же

То же, при IL < 0,25

-

Не менее 0,5 df

Примечания

1. В случаях, когда глубина заложения фундаментов не зависит от расчетной глубины промерзания df, соответствующие грунты, указанные в настоящей таблице, должны залегать до глубины не менее нормативной глубины промерзания dfn.

2. Положение уровня подземных вод должно приниматься с учетом положений подраздела 5.4.

5.5.6. Глубину заложения наружных и внутренних фундаментов отапливаемых сооружений с холодными подвалами и техническими подпольями (имеющими отрицательную температуру в зимний период) следует принимать по таблице 5.3, считая от пола подвала или технического подполья.

При наличии в холодном подвале (техническом подполье) отапливаемого сооружения отрицательной среднезимней температуры глубину заложения внутренних фундаментов принимают по таблице 5.3 в зависимости от расчетной глубины промерзания грунта, определяемой по формуле 5.4 при коэффициенте kh = 1. При этом нормативную глубину промерзания, считая от пола подвала, определяют расчетом по 5.5.3 с учетом среднезимней температуры воздуха в подвале.

Глубину заложения наружных фундаментов отапливаемых сооружений с холодным подвалом (техническим подпольем) принимают наибольшей из значений глубины заложения внутренних фундаментов и расчетной глубины промерзания грунта с коэффициентом kh = 1, считая от уровня планировки.

5.5.7. Глубина заложения наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений должна назначаться по таблице 5.3, при этом глубина исчисляется: при отсутствии подвала или технического подполья - от уровня планировки, а при их наличии - от пола подвала или технического подполья.

5.5.8. В проекте оснований и фундаментов должны предусматриваться мероприятия, не допускающие увлажнения грунтов основания, а также промораживания их в период строительства.

5.5.9. При проектировании сооружений уровень подземных вод должен приниматься с учетом его прогнозирования на период эксплуатации сооружения по подразделу 5.4 и влияния на него водопонижающих мероприятий, если они предусмотрены проектом (см. раздел 11).


Калькулятор расчета глубина промерзания грунтов

keber

размещено: 09 Января 2015
обновлено: 06 Ноября 2020

Согласно СП131 по выбранному городу, типу грунтов и конструктивным особенностям выдает глубину промерзания грунтов. Кроме того выдает интерполированные значения солнечной радиации и разницу по времени с Москвой. Сравнивает выданные значения с данными СНиП23.01, так например в Санкт-Петербурге среднегодовая температура поднялась на 1 градус.
С изменениями 2018г.

10.56 МБ

СКАЧАТЬ

% PDF-1.4 % 548 0 объект > endobj xref 548 32 0000000016 00000 н. 0000001566 00000 н. 0000001716 00000 н. 0000002145 00000 н. 0000002280 00000 н. 0000002413 00000 н. 0000002527 00000 н. 0000002639 00000 н. 0000002666 00000 н. 0000003224 00000 н. 0000003251 00000 н. 0000003874 00000 н. 0000004769 00000 н. 0000005512 00000 н. 0000006181 00000 п. 0000006871 00000 н. 0000007580 00000 н. 0000008329 00000 н. 0000008995 00000 н. 0000009636 00000 н. 0000009706 00000 н. 0000009787 00000 н. 0000013849 00000 п. 0000014113 00000 п. 0000014548 00000 п. 0000014618 00000 п. 0000014711 00000 п. 0000025014 00000 п. 0000025282 00000 п. 0000025766 00000 п. 0000001376 00000 н. 0000000955 00000 п. трейлер ] / Назад 379665 / XRefStm 1376 >> startxref 0 %% EOF 579 0 объект > поток hb``d``gʻe` غ A ؀ coa @ G6 * ^ i * Y & 5Î ^ _w | z ⴕ.ʌoaNH #; ~ yffso6 | rL $ 7U4dvma 老 (@) [֚ G @ ZU70p-``l``Y; A, AC! Lz3k71] | ϷEg = tl; `° 9mot04lx $ 2n0NaN

.

Экспериментальные исследования характеристик морозного пучения гравийного грунта и прогноз многофакторной регрессии

Гравийный грунт обычно считается нечувствительным к морозному пучению. Однако многочисленные деформации фундамента в результате морозного пучения в сезонных промерзших регионах указывают на то, что гравийный грунт может также вызывать морозное пучение при определенных особых условиях. Чтобы получить более полное представление о характеристиках морозного пучения гравийного грунта, была проведена серия лабораторных экспериментов по одномерному морозному пучению в условиях пополнения запасов открытой и закрытой воды с использованием усовершенствованной экспериментальной установки.Проанализировано влияние различных факторов, включая начальную влажность, глинистость, плотность, перекрывающую нагрузку и водовосстановление, на коэффициент морозостойкости гравийного грунта. Были проанализированы основные характеристики пучения при морозе, включая величину пучения при морозе, скорость пучения при морозе, глубину промерзания, скорость замерзания и распределение влажности после замерзания в образце гравийного грунта. Обсуждались также соответствующие механизмы. Результаты показали, что в условиях пополнения открытой воды существует линейная зависимость между исходной влажностью, перекрывающей нагрузкой и коэффициентом морозного пучения, а также квадратичная полиномиальная зависимость между содержанием глины, плотностью и коэффициентом морозного пучения.Можно обнаружить, что коэффициент морозостойкости в условиях пополнения открытой воды увеличивается более чем в три раза, чем в условиях пополнения закрытой воды. Эмпирическая формула многофакторной регрессии была получена путем множественного регрессионного анализа для прогнозирования коэффициента морозостойкости гравийного грунта при определенном совмещении факторов и уровней при закрытых условиях пополнения запасов воды. Значительное влияние на коэффициент морозостойкости было, по порядку, пополнением воды> начальным содержанием влаги> содержанием глины> компактностью> перекрывающей нагрузкой.

1. Введение

Крупнозернистые грунты, которые могут показывать выдающиеся характеристики уплотнения, интенсивности сдвига, водопроницаемости и разжижения при динамической нагрузке, а также обладают такими преимуществами, как богатые запасы, легкий доступ и экономичность, широко используются в качестве натуральные материалы для фундамента при строительстве фундаментов, таких как шоссе, железные дороги, аэропорты, плотины и земляные работы. Традиционно крупнозернистые почвы обычно идентифицируются как материалы, нечувствительные к морозному пучению из-за большого размера зерна, небольшой поверхностной энергии зерна, слабых гидрофильных характеристик, небольшого количества воды в пленке, большой пористости, незаметной капиллярности и слабой миграции воды, а воду легко подвести. вмерзнуть в лед на месте [1–4].Однако, основываясь на наблюдениях за морозным пучением земляного полотна высокоскоростной железной дороги Харбин-Далянь в Северо-Восточном Китае и фундамента дорожной одежды аэропорта Гуолуо, расположенного в аэропорту Цинхай, Китай, Лю и др. [5, 6], Zhang [7] и Liu et al. [8] обнаружили, что крупнозернистые почвы также могут вызывать явное явление морозного пучение при сочетании определенного содержания глины (массовая доля частиц диаметром менее 0,075 мм), начального содержания влаги и температуры в сезонных промерзших регионах. .Таким образом, актуальным является комплексное исследование характеристик морозного пучения крупнозернистого грунта для эффективного предотвращения морозных деформаций крупнозернистого грунтового основания.

Это всегда было центром внимания и горячей точкой для проведения исследований характеристик морозного пучения почвы. С тех пор, как Эверетт [9] предложил первую теорию инея, а Миллер [10] выдвинул вторую теорию инея, было проведено множество исследований [11–19] в области механизма морозного пучения, и были достигнуты определенные результаты.По мере углубления представлений о механизме морозного пучения в вечной мерзлоте, также исследуются наполнители морозного пучения, особенно характеристики морозостойкости крупнозернистого грунта. После этого, в 1988 г., экспериментальные исследования Chen et al. [20] показали, что в условиях пополнения открытой воды коэффициент морозостойкости песчаного гравия увеличивается с уменьшением скорости замерзания как степенная функция, так как это способствует криосакции [21, 22]. Кроме того, поскольку небольшое количество измельченной глины было смешано с песчаным гравием, чувствительность гравия к морозному пучению в условиях пополнения открытой воды увеличивается с увеличением вязкости частиц.Винсон и др. [23] и Чен и Ван [24] обнаружили, что увеличение содержания мелкозернистой почвы и содержания глинистых минералов увеличивает чувствительность крупнозернистой почвы к морозному пучению. Среди них Винсон и др. [23] далее изучили влияние мелкодисперсных частиц на восприимчивость крупнозернистого грунта к морозному пучению, установили корреляцию между коэффициентом морозного пучения и потенциалом сегрегации, а затем указали, что чем меньше размер частиц, тем больше корреляция коэффициент.В ходе лабораторного эксперимента Сюй [25] указал, что при содержании порошка и глины в зернистом грунте менее 12% даже в условиях полного водонасыщения коэффициент морозостойкости не превышает 2%. При содержании порошка и глины более 12% коэффициент морозостойкости заметно увеличивается. Викландер [26] обнаружил, что пористость является важным фактором, влияющим на морозное пучение, при исследовании характеристик морозного пучения горных пород в цикле замерзания-оттаивания. Конрад и Лемье [27, 28] полагают, что при содержании мелкозернистой почвы в крупнозернистой почве менее 7% морозное пучение крупнозернистой почвы относительно невелико, но количество добавки воды очень очевидно. , а коэффициент морозостойкости 1% является стандартом для определения чувствительности крупнозернистого грунта к морозному пучению при лабораторных испытаниях на замерзание.Аренсон и Сего [29] определили положение пленки незамерзшей воды в процессе промерзания крупнозернистого грунта с помощью метода флуориметрического отслеживания. Согласно классификационным характеристикам материала для засыпки земляного полотна и критерию технического обслуживания железнодорожного пути Ye et al. [30] указали, что гравий с содержанием мелкого зерна менее 15% относится к материалам, нечувствительным к морозному пучению и может быть использован для создания антизамерзающего слоя земляного полотна. Lai et al. [31] изучали особенности морозного пучения и оттаивания насыпи нового типа и крупнозернистой насыпи.В ходе экспериментов по морозному пучению в помещении Nie et al. [32] указали на то, что характеристики морозостойкости отсортированного щебня в качестве наполнителя на поверхности фундамента зависят от содержания влаги, пористости и содержания мелких частиц, а содержание влаги является доминирующим фактором, влияющим на морозное пучение сортированный щебень. Благодаря ортогональному эксперименту и серому корреляционному анализу градации щебня в холодном регионе Zhao et al. [33], а также Wang et al.[34] указали, что основным фактором, влияющим на коэффициент морозостойкости сортированного щебня, было содержание влаги, за которым следовали содержание мелких частиц, компактность и температура холодного конца, и степень корреляции между ними не была значительной.

Подводя итог, можно сказать, что сочетание некоторых факторов и уровней крупнозернистого грунта также вызывает определенное морозное пучение. Факторы, влияющие на морозное пучение крупнозернистого грунта, включают следующие аспекты: градацию почвенных частиц, содержание мелких частиц и их минеральный состав, влажность, плотность, коэффициент проницаемости, капиллярное действие и внешнюю нагрузку [35–37 ].Однако результаты исследований закономерностей воздействия различных факторов на морозное пучение крупнозернистых грунтов и их интерпретация сильно различаются. В частности, недостаточно ясны представления о характеристиках морозного пучения при различных факторах. Необходимы дальнейшие исследования взаимодействия и корреляции между различными факторами, влияющими на коэффициент морозостойкости крупнозернистого грунта. Необходимо усилить взаимосвязь между результатами исследований и реальной инженерией. Поэтому необходимо систематически исследовать характеристики морозостойкости крупнозернистого грунта.Исследовательская группа в течение многих лет посвятила изучению повреждений от заморозков в сезонных промерзших регионах Цинхай-Тибетского плато, особенно систематическому и непрерывному мониторингу морозного пучения в гравийном грунтовом основании конструкции дорожного покрытия аэропорта Гуолуо [8, 38]. Поэтому гравийный грунт в сезонном мерзлоте региона Цинхай-Тибетского плато был выбран в качестве репрезентативного объекта исследования для изучения характеристик морозного пучения крупнозернистого грунта. Основываясь на уникальных климатических и почвенных характеристиках местности (см. Раздел 2.1 раздел подробно), была проведена серия лабораторных экспериментов по морозостойкости гравийного грунта в условиях пополнения открытой и закрытой воды с использованием усовершенствованной экспериментальной аппаратуры для систематического исследования характеристик морозного пучения. Обобщены и обсуждены законы влияния факторов, включая начальную влажность, глинистость, плотность, перекрывающую нагрузку и водовыполнение, на коэффициент морозостойкости. Были проанализированы и обсуждены основные характеристики морозного пучения, включая величину морозного пучения, скорость морозного пучения, глубину промерзания, скорость промерзания и распределение влажности после замерзания в образце гравийного грунта.Для прогнозирования коэффициента морозостойкости гравийного грунта при определенном совмещении факторов и уровней в условиях замкнутого пополнения воды эмпирическая формула многофакторной регрессии была получена с помощью множественного регрессионного анализа. Наконец, были выдвинуты эффективные предложения по предотвращению морозного пучения и борьбе с крупнозернистым грунтом на сезонных промерзших участках.

2. Материалы и методы
2.1. Подготовка образцов почвы

Аэропорт Гуолуо, расположенный в районе сезонного промерзшего грунта Цинхай-Тибетского плато, был выбран в качестве основы для исследования и прототипа в этой статье [39].Климат аэропорта Гуолуо характеризуется низкой температурой воздуха (среднегодовая температура около −4 ° C), обильным количеством осадков (снега) (среднегодовое количество осадков составляет 400–760 мм, а годовое количество дней с осадками составляет 118–175 дней). ), длительный период отрицательных температур (даже более 8 месяцев), большая глубина промерзания (максимальная глубина промерзания около 2,5 м), небольшая скорость охлаждения и длительное время удержания фронтов промерзания в почве. Соответственно, такие региональные климатические условия могут усилить миграцию влаги и морозное пучение.Все образцы почвы были собраны в секции полевых экспериментов в аэропорту Цинхай Гуолуо. Секция засыпки аэропорта Гуолуо была в основном заполнена натуральным гравием, но, как обычно в процессе строительства, в него может примешиваться поверхностный ил, что приводит к неравномерному распределению содержания глины. Поскольку при взятии, транспортировке и сохранении образцов нетронутой почвы возникли некоторые трудности, в этом исследовании было принято изменение формы нарушенной почвы путем упаковки в мешки, перевозки, фильтрации примесей и сушки на воздухе.В качестве основного объекта эксперимента мы выбрали природный гравийный грунт, а в качестве эталонного объекта - поверхностный ил. В результате отбора содержание глины в грунте из природного гравия составляет 6,9%, а содержание глины в поверхностном иле - 50%. Среднее содержание глины в почвенной основе дорожного покрытия аэропорта Гуолуо составляло 9,7%, содержание глины в некоторых измеренных точках даже достигало около 20%. Поэтому мы выбрали четыре типа глины с содержанием 10%, 15%, 20%, 25% для изучения влияния содержания глины на характеристики морозного пучения гравийного грунта и выбрали 45% в качестве группы сравнения.Пять видов образцов почвы с содержанием глины 10%, 15%, 20%, 25% и 45% были получены путем равномерного смешивания двух образцов почвы (естественный гравий и поверхностный ил) в соответствии с различными пропорциями.

2.2. Испытание физических характеристик гравийного грунта

В соответствии с требованиями к испытаниям (Методы испытаний грунтов для дорожного строительства), кривая градации двух вышеуказанных образцов грунта была получена с помощью испытания на анализ размера зерен, которое показано на рисунке 1. Это известно Из рисунка 1 видно, что содержание мелких частиц в грунте из природного гравия меньше, в то время как содержание мелких частиц в поверхностном иле больше.Более того, можно было получить, что коэффициент неоднородности и кривизна природного гравийного грунта (значения 47 и 2,1) больше, чем у поверхностного ила (значения 25 и 1,4). Коэффициент неоднородности поверхностного ила составляет не менее 5, а кривизна находится между 1 и 3, что указывает на хорошую градацию поверхностного ила. Однако коэффициент неоднородности природного гравийного грунта слишком велик, что свидетельствует об отсутствии промежуточных частиц и плохой градации.В фактическом процессе строительства поверхностный ил имеет тенденцию быть легированным в грунт из природного гравия и не только увеличивает содержание глины в грунтовом основании, но также в некоторой степени для заполнения недостающего среднего диаметра грунта из природного гравия. Этот эффект усугубляет явление морозного пучения песчано-грунтовых оснований.


В соответствии с методами, описанными в разделе «Подготовка образцов почвы», было подготовлено пять видов образцов почвы, содержащих 10%, 15%, 20%, 25% и 45% ила, соответственно, и результаты показаны в таблице 1.Из таблицы 1 можно получить, что оптимальное начальное содержание влаги увеличивалось с увеличением содержания глины, тогда как стандартная максимальная плотность в сухом состоянии уменьшалась с увеличением содержания глины.


Содержание глины (%) Стандартная максимальная плотность в сухом состоянии (г / см 3 ) Оптимальная начальная влажность (%)

10 2,36 6,69
15 2.33 7,00
20 2,29 7,66
25 2,25 8,27
45 2 13,02

Относительная плотность двух типов образцов почвы составляла 2,71, что указывает на то, что влияние состава зерна на относительную плотность зерна почвы было очень небольшим, и для всех видов глинистости гравийной почвы можно использовать одно и то же значение (2.71). Относительная плотность образца почвы с содержанием глины 10% измерялась сосудом, а образец почвы с содержанием глины 45% измерялся пикнометром.

2.3. Принцип эксперимента

Величина морозного пучения и коэффициент морозного пучения являются основными параметрами для измерения свойств грунтового пучения при морозе. Величина морозного пучения - это вертикальное смещение почвы, вызванное промерзанием почвы. В то время как последний (также известный как коэффициент морозного пучения) представляет собой отношение приращения продольной высоты к исходной высоте образца в условиях небоковой деформации и одномерного замораживания.Коэффициент морозного пучения обычно выражается следующим образом: где - коэффициент морозного пучения, - величина морозного пучения в конце промерзания (мм) и - глубина промерзания (см) (Методы испытаний грунтов для дорожного строительства ).

Глубину промерзания можно определить с помощью уравнения (2). Где - глубина промерзания, - расстояние между элементом измерения температуры (= 2,0 см), - количество слоев элемента измерения температуры от поверхности для расчета, - абсолютное значение отрицательной температуры уровня, а - абсолютное значение положительной температуры уровня, а расчетная диаграмма приведена на рисунке 2.


2.4. Усовершенствование экспериментальной аппаратуры

В соответствии с методами испытаний грунтов для дорожного строительства JTG E40-2007 [40], традиционная установка для экспериментов с морозным пучением состоит из контейнера для образцов грунта, системы давления, системы пополнения воды, системы контроля за перемещением, система контроля температуры и калоростат. Принципиальная схема традиционной установки для экспериментов с морозным пучением показана на рисунке 3.


Однако из-за небольшого размера прибора стандартное правило применимо только к почве небольшого размера, такой как связная почва и песчаный грунт, но не подходит для определения коэффициента морозостойкости гравийного грунта с большим размером частиц.Кроме того, традиционная установка для экспериментов по измерению коэффициента морозостойкости также имеет некоторые дефекты; поэтому были внесены следующие улучшения. (1) Размер ящика для образцов почвы был увеличен. По принципу подобия внутренний диаметр увеличен с 10 до 15 см, высота увеличена с 10 до 16 см, а расстояние между датчиками температуры увеличено с 1 до 2 см. (2) В эксперименте использовалась модифицированная система давления. Давление веса было заменено давлением в воздушном цилиндре, а диапазон давления был увеличен, чтобы сделать регулировку более удобной.Новая система давления состоит из воздушного компрессора, клапанов регулирования давления, воздушного цилиндра и соединительной трубы. (3) Улучшена система сбора данных. Циферблатный индикатор с точностью 0,05 мм был заменен датчиком перемещения с точностью до 0,001 мм для наблюдения за изменением величины морозного пучения. Все датчики могли автоматически собирать сигналы смещения и температуры, а сигналы записывались и сохранялись автоматически компьютером. (4) Усовершенствована система холодной ванны.В традиционном экспериментальном аппарате для определения коэффициента морозостойкости система холодной ванны устанавливала только фиксированную температуру замерзания, что не соответствовало действительному закону атмосферного охлаждения. Поэтому была принята система холодной ванны с функцией автоматического охлаждения, чтобы сделать температуру замерзания более соответствующей реальной ситуации. Кроме того, в традиционном экспериментальном аппарате для измерения коэффициента морозостойкости холодная сторона была установлена ​​внизу, что не соответствует фактическому охлаждению фундамента сверху вниз.В экспериментальной установке с улучшенным коэффициентом морозостойкости холодная сторона была установлена ​​наверху в соответствии с реальной ситуацией. (5) Усовершенствована система пополнения воды. Бутылка для пополнения воды Мэддокса использовалась для поддержания постоянного уровня воды, а импорт воды взимался сверху вниз для адаптации фактического пополнения подземных вод. Датчик перемещения, автоматически собирающий и сохраняющий данные, использовался для наблюдения за изменением уровня воды в системе пополнения воды. После усовершенствования новый аппарат для экспериментов с морозным пучкованием состоит из контейнера для образцов грунта, окружающей среды камеры с постоянной температурой и системы контроля температуры, системы мониторинга температуры, системы мониторинга блока сбора данных смещения, блока сбора данных, системы давления и системы пополнения воды, как показано на рисунках 4 и 5.



Датчик температуры, датчик перемещения и терминал сбора данных, использованные в эксперименте, были высокоточным оборудованием. Перед началом эксперимента все экспериментальные установки были откалиброваны, что обеспечило точность результатов эксперимента. При этом верхняя и нижняя стороны стенки цилиндра были стянуты, чтобы уменьшить погрешность, вызванную деформацией самого цилиндра с образцом. Ящик для образца грунта был окружен теплоизоляционным материалом для предотвращения потери температуры.Сверху и снизу на образец почвы помещали две фильтровальные бумаги, чтобы предотвратить потерю влаги во время эксперимента. Кроме того, чтобы проверить надежность усовершенствованной установки для экспериментов с морозным пучением, было проведено несколько групп испытаний по сравнению с традиционной установкой для экспериментов с морозным пучением.

В частности, лабораторные испытания на одномерное морозное пучение проводились с использованием традиционной экспериментальной установки и улучшенной экспериментальной установки, соответственно, в условиях одного и того же образца грунта (содержание глины 45%), одного и того же индекса фактора испытаний ( компактность 95%, максимальная нагрузка 20 кПа) и такая же охлаждающая среда.Результаты испытаний на контрастность показаны на фиг. 6. Можно видеть, что результаты двух групп результатов испытаний почти совпадают, подтверждая надежность усовершенствованной установки для экспериментов с морозным пучением. Следовательно, усовершенствованная установка для экспериментов с морозным пучением может быть использована для проверки коэффициента морозостойкости крупнозернистых грунтов.


2.5. Программа и процедуры эксперимента

Исходное содержание воды, глинистость, плотность и верхняя нагрузка были выбраны в качестве 4 факторов, и был выполнен многофакторный экспериментальный план.Исходное содержание влаги было рассчитано в соответствии с оптимальным исходным содержанием влаги для вышеуказанных 5 видов содержания глины в почве размером 3–18%, соответствующих 3-5 уровням. Учитывая, что компактность фактического фундамента аэропорта обычно контролировалась на уровне около 90–98%, мы выбрали 85%, 90%, 95% и 100% в качестве индексов уплотнения. Вышеуказанная нагрузка была выбрана из 4 уровней, таких как 10 кПа, 20 кПа, 30 кПа и 40 кПа. Для изучения порядка влияния различных факторов на коэффициент морозостойкости и получения эмпирической формулы многофакторной регрессии для прогнозирования коэффициента морозостойкости гравийного грунта при определенном совмещении факторов и уровней был проведен многофакторный анализ на основе результатов однофакторного тестирования.

Температура холодной бани и калорстата была установлена ​​на 1 ° C на 6 часов, чтобы гарантировать, что внутренняя температура образца достигла 1 ° C, после чего начался процесс замораживания. Во время процесса замораживания температура холодной ванны снижалась с 1 ° C со скоростью 0,2 ° C / ч, продолжаясь примерно 72 часа до стабилизации деформации, чтобы моделировать закон атмосферного охлаждения [41]. После замораживания образец сразу же извлекали из ящика для образцов почвы, а затем поровну делили на 7 частей по срезам.Распределение влаги в образце измеряли методом сушки.

3. Результаты и анализ
3.1. Влияние различных факторов на коэффициент морозостойкости
3.1.1. Исходное содержание влаги

Влияние различных начальных значений влажности на коэффициент морозостойкости показано в таблице 2. Коэффициент морозного пучения увеличивается с увеличением исходного содержания влаги, когда содержание глины остается неизменным. Причина заключается в следующем: увеличение влажности делает связь воды в образце почвы более плотной, и более очевидным становится непрерывное движение воды.Как видно из аппроксимирующих кривых, коэффициент морозостойкости и начальная влажность указывают на одинарную линейную зависимость. Порядок размера наклона аппроксимирующей кривой составляет 25%> 45%> 15%. Это может быть связано с тем, что сухая плотность образца грунта с содержанием глины 45% была наименьшей среди трех (см. Результаты стандартного испытания на уплотнение). Чем более рыхлая структура почвы, тем больше поры почвы, тем больше вмещается лед и тем меньше коэффициент морозного пучения. Сухая плотность образца почвы с содержанием глины 25% больше, чем плотность глины 45%, а миграция влаги была более очевидной из-за меньшей пористости почвы.Плотность в сухом состоянии и сила сцепления между частицами почвы в образцах почвы с содержанием глины 15% являются самыми большими среди трех. Таким образом, наиболее вероятно образование перекрывающейся и утолщающейся комбинированной водной пленки, что снижает проницаемость почвы и сужает канал миграции воды.


Номер испытания Плотность (%) Верхняя нагрузка (кПа) Содержание глины (%) Начальное содержание влаги (%) Степень морозного пучения (%) Кривая фитинга R 2

1 95 20 15 3 0.43 y = 0,093 x + 0,137 0,952
2 5 0,62
3 7 0,71
4 9 1,02
5 25 6,43 0,81 y = 0,244 x - 0,767 0,991
6 7,35 0,99
7 8.27 1,28
8 9,19 1,46
9 45 10 0,88 y = 0,173 x - 0,802 0,995
10 12 1,32
11 14 1,64
12 16 1,98
13 18 2,28

3.1.2. Содержание глины

Влияние различного содержания глины на коэффициент морозостойкости показано в таблице 3. Как видно из аппроксимирующих кривых, коэффициент морозостойкости увеличивается с увеличением содержания глины, что соответствует полиномиальной функции, когда степень насыщения остается неизменной. . Причина заключается в следующем: увеличение содержания глины приводит к увеличению общей площади поверхности и поверхностной энергии частиц почвы, а большая поверхностная энергия заставляет частицы почвы поглощать больше водной пленки.Пленка воды между частицами почвы соединена между собой, образуя тонкопленочный канал, способствующий непрерывной миграции влаги. Поскольку содержание глины фиксировано, коэффициент морозостойкости увеличивается с увеличением насыщения. Причина заключается в следующем: помимо того, что начальная влажность увеличивается с увеличением насыщенности, объем поры почвы уменьшается с увеличением насыщенности, и поры легче заполняются мерзлым льдом, который с большей вероятностью вызовет смещение частиц почвы при морозном пучении.Сравнивая коэффициенты трех аппроксимирующих кривых в таблице 3, известно, что коэффициент морозостойкости и содержание глины имеют нелинейную зависимость увеличения, а скорость роста постепенно уменьшается. При небольшом содержании глины быстро увеличивается морозостойкость. При большом содержании глины скорость роста морозостойкости постепенно замедляется.


Номер испытания Плотность (%) Верхняя нагрузка (кПа) Насыщенность Содержание глины (%) Степень морозного пучения (%) Кривая фитинга R 2

1 95 20 0.8 10 0,10 y = −0,0012 x 2 + 0,1012 x - 0,791 1
2 15 0,46
3 20 0,75
4 25 0,99
5 0,9 10 0,19 y = −0,0025 x 2 + 0,1589 x - 1.1395 0,9972
6 15 0,71
7 20 1,01
8 25 1,28
9 1 10 0,28 y = −0,0042 x 2 + 0,2258 x - 1,559 1
10 15 0,88
11 20 1.28
12 25 1,46

3.1.3. Компактность

Влияние различной плотности на коэффициент морозостойкости показано в таблице 4. Коэффициент морозного пучения сначала увеличивался, а затем уменьшался с увеличением компактности в виде полиномиальной функции и приближался к своему максимуму при компактности 95%. при превышении нагрузки исходная влажность и глинистость остаются неизменными.Когда компактность составляет менее 95%, непрерывность пленки незамерзшей влаги увеличивается с компактностью, что способствует миграции и замерзанию влаги и приводит к увеличению интенсивности морозного пучения. Когда компактность достигает некоторого критического значения, когда тонкопленочный канал наименьший, интенсивность морозного пучения приближается к своему максимуму. Однако с повышением плотности уменьшается морозостойкость грунта. Это происходит из-за уменьшения объема пор в почве и увеличения эффективной площади контакта между частицами почвы, что приводит к наложению водной пленки на периферию и препятствованию миграции влаги во время промерзания.

6

Номер испытания Верхняя нагрузка (кПа) Начальная влажность (%) Содержание глины (%) Плотность (%) Степень морозного пучения (%) Кривая фитинга R 2

1 20 7 15 85 0,51 y = −0.0022 x 2 + 0,4158 x - 18,939 0,9991
2 90 0,66
3 95 0,71
4 100 4 100
5 8,27 25 85 0,98 y = −0,0031 x 2 + 0,5869 x - 26,515 0,9871
1.18
7 95 1,28
8 100 1,17
9 18 45 85 2,08 y = −0,0023 x 2 + 0,4329 x - 18,105 0,9707
10 90 2,21
11 95 2,28
12 100 2.18

3.1.4. Верхняя нагрузка

Влияние различного начального содержания влаги на коэффициент морозостойкости показано в Таблице 5. Коэффициент морозного пучения уменьшается с увеличением перекрывающей нагрузки, что указывает на то, что перекрывающая нагрузка оказывает ингибирующее влияние на коэффициент морозостойкости. С помощью трех аппроксимирующих кривых в Таблице 5 установлено, что коэффициент морозостойкости плавно линейно уменьшался с увеличением перекрывающей нагрузки.


Номер испытания Плотность (%) Начальная влажность (%) Содержание глины (%) Верхняя нагрузка (кПа) Степень морозного пучения (%) Кривая фитинга R 2

1 95 6,69 10 10 0,22 y = −0.0021 x + 0,235 0,8909
2 20 0,19
3 30 0,16
4 40 0,16
5 7 15 10 0,76 y = −0,0022 x + 0,775 0,7118
6 20 0,71
7 30 0.73
8 40 0,68
9 7,66 20 10 1,07 y = −0,0034 x + 1,095 0,9323
20 1,01
11 30 1
12 40
.

Моделирование замерзания и оттаивания почвы для различных глубин залегания грунтовых вод

 @article {Chen2019SimulationOS, title = {Моделирование замерзания и оттаивания почвы для различных глубин залегания грунтовых вод}, автор = {Дж. Чен и Сюгуан Гао, Сюцин Чжэн и Ч. Мяо, Ю. Чжан, Ци Ду и Ю. Сюй}, journal = {Журнал зоны Vadose}, год = {2019}, объем = {18}, страницы = {1-14} } 
Во время периодов замерзания и оттаивания трансформация между грунтовыми водами и почвенными водами изменяет гидротермальные свойства почвы и влияет на промерзание и оттаивание почвы на мелководных участках подземных вод.Целью данного исследования было определить влияние четырех различных глубин залегания грунтовых вод (GTD) и двух текстур почвы на процесс замерзания и оттаивания почвы в течение двух последовательных периодов замораживания-оттаивания с использованием модели одновременного нагрева и воды (SHAW). Результаты показывают, что мороз… ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ

Сохранить в библиотеку

Создать оповещение

Cite

Запустить Research Feed

.

Влияние цикла замораживания и оттаивания на механические свойства и стабильность откоса мягких пород

Для изучения законов изменения механических параметров мягких пород и устойчивости сформированного откоса был проведен эксперимент с собранными образцами материала мягких пород и замораживанием и оттаиванием цикл был разработан. Между тем, был проведен анализ с помощью компьютерного моделирования устойчивости склона при промерзании-оттаивании. Проанализированы ключевые факторы, влияющие на прочность образцов мерзлых горных пород.Результаты показали, что влажность и количество циклов замораживания-оттаивания существенно влияют на механические параметры мягкой породы. С увеличением содержания влаги сцепление замороженных образцов мягких пород уменьшается по квадратичной функции, а угол внутреннего трения демонстрирует отрицательное экспоненциальное уменьшение. Коэффициент устойчивости откоса мягких пород в зоне сезонного промерзания грунта непрерывно снижается. С увеличением цикла замораживания и оттаивания, когезия и угол внутреннего трения мягкой породы уменьшаются по экспоненте.Чем выше содержание влаги, тем быстрее происходит восстановление. Такой коэффициент устойчивости представляет собой отрицательное экспоненциальное уменьшение. После трех циклов замораживания и оттаивания коэффициент устойчивости откоса изменяется незначительно. Результаты были окончательно подтверждены зарегистрированной базой данных.

1. Введение

Склон - это крутой холм с определенным углом, сложенный из почвы и камней. Это наиболее распространенное каменное строение [1]. Открытые разработки образуют откосы с большими геометрическими размерами.Безопасность и устойчивость откосов карьера являются важными факторами, ограничивающими безопасную и высокоэффективную добычу на руднике [2–5]. Деформация и выход из строя больших откосов приводят к огромным экономическим потерям и даже угрожают безопасности жизни рабочих [6–12]. Прочность на сдвиг горных пород на склоне является основным параметром, определяющим устойчивость откосов, на которую в значительной степени влияют внешние факторы. Температурные поля существенно влияют на механические свойства горных пород, особенно горных пород с повышенной влажностью и низкой жесткостью [13–19].В Китае ресурсы угля в основном сосредоточены в северных районах, где расположено более 10 угольных разрезов с годовой производительностью более 20 млн тонн. Эти районы относятся к участкам сезонного промерзания почв. Из-за повышения и понижения температуры во время смены сезона горные породы испытывают цикл физического замерзания и оттаивания, что легко может вызвать различные разрушения откосов, такие как морозное пучение, денудация горной массы и деформация ползучести. Циклы замерзания и оттаивания вызывают развитие трещин в горных породах, ухудшают физико-механические свойства горно-грунтового массива, снижают прочность откосов и, таким образом, легко приводят к оползневым авариям [20, 21].

Многие ученые проводят многолетние исследования проблем замерзания и оттаивания склонов. Разработан комплекс уникальных механических теоретических систем, основанных на механизме разрушения горных пород и грунта [22]. Было исследовано изменение физико-механических свойств породы с дефектами (например, трещина стыка) при цикле замерзания и оттаивания, а также фазовые переходы и характеристики влаго- и теплообмена, вызванные замерзанием свободной воды внутри склона [23]. Также изучалась эволюция макро- и микроповреждений горных пород, вызванных разным температурным режимом и содержанием влаги (льда).Такая механическая теория обеспечивает теоретическое руководство для проектирования и строительства горных пород в холодных регионах [24].

Существующие теоретические и экспериментальные исследования влияния диапазона низких температур (обычно менее 0 ° C) на физико-механические свойства горных пород можно разделить на три типа. Первый тип, основанный на механике сплошной среды и классической теории теплопередачи, изучает термогидромеханическое (THM) соединение горных пород при низкой температуре и циклах замерзания и оттаивания [25], а также законы распределения морозного пучения. давление под влиянием морозного пучения и температуры на горных породах, окружающих туннель, в холодных регионах [26, 27].Второй тип изучает основные механические свойства горных пород при циклах замерзания и оттаивания на основе механики повреждений. Николсон и др. [28] проанализировали повреждение 10 видов горных пород, вызванное циклами замерзания и оттаивания, и изучили макроскопическую эволюцию повреждений горных пород при замерзании и оттаивании с помощью графической записи. Ли и другие [29] изучали микроскопические повреждения горных пород при замерзании и оттаивании, используя передовую технику компьютерной томографии (КТ), и попытались создать конститутивную модель повреждений, которая использует КТ в качестве переменной повреждения при замораживании и оттаивании.На основе связанной теории механики разрушения, третий тип изучает развитие трещин и критерий разрушения треснувших горных пород при циклах замораживания, оттаивания и замораживания и оттаивания [30, 31].

Угольные ресурсы Китая в основном расположены в северных районах, которые относятся к зоне сезонных мерзлых почв и ежегодно проходят полные циклы замерзания и оттаивания. Из-за условий добычи предпочтительным методом добычи в этой области является открытый карьер. Поэтому строится большое количество высоких крутых спусков.Немногочисленные исследования по проектированию откосов карьеров исследуют механизм влияния циклов замерзания и оттаивания на деформацию и устойчивость откосов. На участках с сезонным промерзанием грунтов прочность, влажность, деформационные особенности и механические параметры откосов мягких пород существенно отличаются от других участков. Поэтому исследования деформации и устойчивости откоса в условиях промерзания и оттаивания должны основываться на его механическом состоянии и соответствующих физико-механических параметрах.Многолетняя инженерная практика уже доказала, что циклы замерзания и оттаивания играют важную роль в влиянии на нарушение устойчивости откосов. В результате изучение характеристик морозостойкости горных пород, физико-механических параметров и устойчивости откосов мягких пород во время циклов замерзания и оттаивания имеет очень важное инженерное значение и значение безопасности для карьеров в Северном Китае.

2. Влияние региональной геологии и циклов замерзания и оттаивания на склон
2.1. Внедрение карьера Вулинь

Карьер Вулинь находится в округе Линкоу, Северный Китай (Рисунок 1). Он окружен железными и автомобильными дорогами и, следовательно, имеет удобные транспортные условия. Все рудное поле в среднем составляет 5,2 км в длину и 0,82 км в ширину, занимая площадь 4,3 км 2 . Участок рудника относится к холмистому склону местности и равнине долины по рельефу, показывая относительно простую структуру. Самая низкая температура на покрываемой территории - январь (−30,3 ° C, −17.7 ° C в среднем), а самая высокая температура - в июле (29,7 ° C, в среднем 22,6 ° C). Максимальная глубина промерзания грунта - 2 м.


2.2. Влияние факторов замерзания и оттаивания

Территория рудника Вулинь относится к типичным сезонным промерзающим грунтам. После ноября поверхность почвы начинает постепенно промерзать. Толщина промерзшего грунта постепенно увеличивается до максимума. Затем в марте поверхность и максимальная глубина промерзания грунта начинают оттаивать.Слой промерзания между поверхностью и максимальной глубиной промерзания под землей называется слоем сезонного промерзания. Ноябрь считается типичным периодом замерзания рудника, а март - типичным периодом оттаивания. Время с ноября по март считается замороженным периодом.

Сезонный промерзающий слой в течение одного года подвергается как замерзанию, так и оттаиванию, вызывая морозное пучение и оттаивание незамерзшей воды в почве. Замерзание вызывает вспучивание на некоторых участках склона, увеличивает общую жесткость и изменяет плоскостность откоса.Оттаивание приводит к образованию неровной и неровной массы породы и грунта на поверхности склона и рабочих столов, а также на грязной поверхности дороги, что влияет на эффективность производства. После вступления в период оттаивания на поверхностном слое откосов часто возникают оползни разного масштаба, угрожающие безопасности рабочих и оборудования. Замерзание и оттаивание являются ключевыми факторами, влияющими на устойчивость откоса в этой шахте.

3. Эксперименты
3.1. Экспериментальная система сдвига

Вся структура испытательной системы показана на рисунке 2.Система состоит из следующих трех частей.

(1) Многофункциональная система моделирования мерзлых грунтов . Система для испытания мерзлого грунта имеет хорошие теплоизоляционные характеристики. Внутренняя стена имеет полиуретановое изоляционное покрытие толщиной 150 мм, а теплоизоляционный материал на внешней стене может снизить влияние температуры и обеспечить высокую точность результатов испытаний.

(2) Система охлаждения и контроля температуры . Система охлаждения и система контроля температуры обеспечивают экспериментальную среду.Используемая система охлаждения состоит из двух независимых охлаждающих устройств, которые могут обеспечивать низкотемпературную среду. Точность управления и точность отображения составляют 0,5 ° C и 0,1 ° C соответственно.

(3) Система испытаний на сдвиг . Испытательная система оснащена одним устройством прямого сдвига EDJ-1 с регулируемой деформацией. Диаметр врезного кольца 61,8 мм, высота 20 мм, скорость сдвига 0,8 мм / мин.

Поскольку металлы чувствительны к температуре, изменение температуры напрямую влияет на технические параметры кольца динаметра.Влияние температуры на кольцо динаметра было исправлено с помощью трехкратного предварительного прессования с максимальной нагрузкой при различной температуре окружающей среды. Алгоритм корректировки: где - скорректированное значение кольца динаметра (кПа / 0,01 мм), - исходное значение кольца динаметра (кПа / 0,01 мм), t - рабочая температура кольца динаметра (° C) , - заданная температура кольца динаметра (° C), и коэффициент температурной коррекции (0,0003 / ° C).

3.2. План и процедуры испытания на сдвиг

(1) Подготовка образца . Образцы были отобраны на южном откосе торцевой стенки карьера Вулинь, и основным компонентом образца породы является алевролит с размером зерен 0,1 мм. Известно, что средний удельный вес образца породы составляет около 18,3 кН / м 3 , а естественная влажность составляет около 15,3%. В лаборатории образцы были преобразованы в стандартные образцы диаметром 61,8 мм и высотой 20 мм, как показано на рисунке 3.


Важно убедиться, что образцы горных пород, используемые в лаборатории, обладают схожими свойствами с естественным состоянием, чтобы экспериментальные результаты, полученные в представленных исследованиях, могли быть репрезентативными для реального поведения рассматриваемых материалов. Кроме того, необходимое количество воды будет добавлено к образцу породы во время его подготовки, чтобы содержание влаги было таким же, как и в исходном состоянии.

(2) Условия и этапы испытаний .Используя метод контрольных переменных, в этом эксперименте были приготовлены образцы замораживающейся породы путем изменения начального содержания влаги, количества циклов замораживания и оттаивания, а также температуры замораживания и оттаивания по одному. Затем механическая прочность подготовленных образцов была проверена путем испытания на прямой сдвиг. На основе статистического анализа результатов испытаний выявлено влияние изученных факторов на механические свойства слабоконсолидированных мягких пород. Различные условия для подготовки образцов мягкой породы и испытания на прямой сдвиг устанавливаются в соответствии со следующим:

(a) Температура замерзания и оттаивания варьировалась в диапазоне от –20 ° C до + 20 ° C в каждом цикле замораживания и оттаивания; начальная влажность образцов горных пород была установлена ​​равной 15.3%, 18,1%, 20,3% и 23%.

(б) Исходная влажность образцов горных пород была постоянной. Диапазон температур замораживания и оттаивания составлял от –20 ° C до + 20 ° C. Число циклов замораживания и оттаивания было установлено на 1, 2, 3 и 5.

(c) Начальное содержание влаги и количество циклов замораживания и оттаивания оставались постоянными, но диапазон температур замораживания и оттаивания был установлен на От −20 ° C до + 20 ° C, от −15 ° C до + 15 ° C, от −10 ° C до + 10 ° C и от −5 ° C до + 5 ° C.

Конкретные этапы испытаний следующие:

(a) Образцы подготавливаются в системе моделирования низкотемпературного промерзания грунта в группе из четырех человек.Подготовленные образцы помещают в шкаф постоянной температуры и замораживают при –20 ° С на 12 ч.

(b) Отрегулируйте температуру системы моделирования до расчетной температуры испытания и поддерживайте ее в течение 24 часов.

(c) Образцы помещаются в систему моделирования для обработки изоляции. Термистор используется для измерения температуры в реальном времени. Испытание на прямой сдвиг начинается после того, как температура достигает расчетного значения.

(d) Покройте внутреннюю стенку бокса для испытания на прямой сдвиг вазелином.Поместите образцы в ящик и проведите испытание на сдвиг при четырех различных нормальных нагрузках. Скорость сдвига должна составлять 0,8 мм / мин. Данные записываются во время тестов.

(e) Угол сцепления и внутреннего трения рассчитывается на основе результатов испытаний.

3.3. Обработка и анализ данных испытаний на сдвиг

Для изучения влияния ключевых факторов на прочность образцов мерзлых пород было проведено несколько групп экспериментов по замораживанию и оттаиванию образцов горных пород, собранных на руднике Вулин.Ортогональный экспериментальный план был использован для уменьшения объема экспериментальной работы. Результаты эксперимента и механические параметры образца почвы с содержанием воды 23% показаны на рисунках 4 и 5. Эксперимент был оптимизирован равномерно по принципу трех факторов и четырех уровней. Схема эксперимента и данные испытаний приведены в таблице 1.


Номер Содержание влаги (%) Количество циклов замораживания и оттаивания Температура (° C) (кПа) (°)

(1) 15.3 1 −5 31,9 20,9
(2) 15,3 2 −10 27,1 19,8
(3) 15,3 3 −15 25,2 18,2
(4) 15,3 5 −20 22,7 17,2
(5) 18,1 1 −10 25.8 20,5
(6) 18,1 2 −5 23,1 19,8
(7) 18,1 3 −20 19,6 17,5
(8) 18,1 5 −15 17,9 16,8
(9) 20,3 1 −15 21,7 19,9
(10) 20.3 2 −20 18,7 18,6
(11) 20,3 3 −5 18,2 17,6
(12) 20,3 5 −10 15,3 16,7
(13) 23 1 −20 17,2 19,4
(14) 23 2 −15 15.6 18,2
(15) 23 3 −10 13,7 17,2
(16) 23 5 −5 12,7 16,4



Из таблицы 1 видно, что влажность и количество циклов замораживания и оттаивания существенно влияют на механические параметры мерзлой мягкой породы при замораживании и оттаивании. температура менее значима.Поэтому в данной статье основное внимание уделяется изучению влияния начальной влажности и количества циклов замораживания и оттаивания. Кривые зависимости начального содержания влаги (рис. 6) и количества циклов замораживания и оттаивания (рис. 7) с механическими параметрами мерзлого грунта были получены путем дополнительных экспериментов.


(a) Сцепление
(b) Угол внутреннего трения
(a) Сцепление
(b) Угол внутреннего трения
(a) Сцепление
(b) Угол внутреннего трения
(a) Сплоченность
(b) Угол внутреннего трения

Рисунок 6 (a) показывает, что сплоченность образца мерзлого грунта имеет линейную функцию уменьшения с увеличением содержания влаги, что следует формуле, где когезия; и - параметры, связанные с разностью температур, где и; влажность; это разница температур.

Такое снижение постепенно замедляется. Это происходит главным образом потому, что увеличение содержания влаги приводит к утолщению тонкого слоя воды, абсорбированной частицами в образцах горных пород, что увеличивает расстояние между внутренними частицами и ослабляет их прочность соединения.

На рисунке 6 (b), квадратичная функция уменьшения угла внутреннего трения наблюдается с увеличением содержания влаги. Такое уменьшение постепенно ускоряется, что можно описать следующим образом: где - угол внутреннего трения; , и - параметры, связанные с разностью температур, где,, и; влажность; это разница температур.

Когда поры между частицами заполняются водой, толщина водяной пленки увеличивается, а эффективная площадь контакта частиц уменьшается, так что коэффициент трения соответственно уменьшается. По результатам испытаний образец мерзлого грунта имеет критическую влажность. При превышении этого критического значения угол внутреннего трения массы почвы будет быстро уменьшаться с дальнейшим увеличением содержания влаги.

На рисунке 7 (а) сцепление образцов экспоненциально снижается с увеличением цикла замораживания и оттаивания.В период промерзания образующиеся в порах кристаллы льда разрушают внутреннюю связь частиц почвы и тем самым ослабляют структуру массива почвы. Несколько циклов замораживания и оттаивания разрушат внутреннюю связь частиц, что приведет к постоянному снижению сцепления. На рисунке 7 (b) угол внутреннего трения экспоненциально уменьшается с увеличением цикла замораживания и оттаивания. Циклы замораживания и оттаивания повреждают исходные пористые свойства образцов, изменяя тем самым внутренний скелет.После циклов замораживания и оттаивания обе точки контакта и трение между внутренними частицами уменьшаются, тем самым уменьшая угол внутреннего трения. Из рисунка 7 видно, что уменьшение когезии и угла внутреннего трения значительно замедляется после трех циклов замораживания и оттаивания. Это демонстрирует, что первые три цикла замораживания и оттаивания могут значительно ослабить сцепление и угол внутреннего трения породы и почвы, но они станут стабильными по мере дальнейшего увеличения количества циклов.

4. Анализ компьютерного моделирования

Температурное поле и поле напряжений на склоне мягких пород чувствительны к изменениям температуры. С помощью программного обеспечения FLAC было проанализировано влияние этих факторов на устойчивость откосов рудника Вулинь во время циклов замерзания и оттаивания. Создана модель откоса с масштабом 1: 1 фактического геометрического размера. Высота и угол откоса составляют 10 м и 65 ° соответственно. Вся модель была разделена на 1 125 сеток (Рисунок 8).Модель уклона имеет ограничение смещения и ограничение температуры. Для граничного условия смещения две стороны используют нормальную зависимость, а нижнюю - ограничение полного смещения. Для температурных граничных условий верхняя поверхность склона выбирает первый тип граничных условий, а температура устанавливается как минимальная температура воздуха в месяце. Другими словами, температурный градиент устанавливается как максимальная разница температур за месяц. Стороны откоса задаются условиями теплоизоляции, а нижняя часть модели учитывает тепловое воздействие земли и устанавливается постоянной.Используемые параметры, используемые в модели численного моделирования, перечислены в таблице 2.

40091 90

Температура / ° C −20 −10 −5 −1 1 5 10 19

Теплопроводность / Вт / (м ° C) 1,36 1,36 1,36 1,36 1,15 1.15 1,15 1,15
Удельная теплоемкость / Дж / (кг ° C) 1746,2 1746,2 1746,2 1746,2 2133,6 2133,6 2133,6 2133,6

(а) Распределение температурного поля
(б) Вектор силы морозной пучения
(а) Распределение температурного поля
(б) Вектор силы морозной пучения

Согласно - строение откоса площадки и испытанные физико-механические параметры замерзающих и оттаивающих пород, проведен имитационный анализ устойчивости откоса на разных этапах цикла промерзания и оттаивания.Это моделирование показало изменение коэффициента устойчивости откоса во время цикла замораживания и оттаивания. Исходная сила тяжести породы (), угол внутреннего трения (), сцепление ( C ), влажность, угол наклона ( β ) и высота ( H ) составляют 18,3 кН / м 3 , 21,3 °, 34,5 кПа, 15,3%, 65 ° и 10 м соответственно. На основании соответствующего правила потока FLAC, которое обычно используется для анализа устойчивости уклона, делается вывод, что коэффициент устойчивости исходного уклона равен 1.51, как показано на рисунке 9.


4.1. Период замерзания

Чтобы точно выявить влияние одного фактора на устойчивость склона замерзания и оттаивания, был применен подход с регулируемым управлением. Во-первых, влажность зоны промерзания поддерживалась на уровне 15,3%, а максимальная толщина промерзающего слоя почвы была установлена ​​на уровне 2 м. Физико-механические параметры нормальной зоны и области замерзания показаны в таблице 3. Изменение коэффициента устойчивости склона

.

Модель удельного сопротивления мерзлого грунта и метод удельного сопротивления высокой плотности для разведки прерывистой вечной мерзлоты

2.1. Модели удельного электрического сопротивления грунтов

Была предложена модель удельного электрического сопротивления, которая применима к насыщенным несвязным грунтам и чистым песчаникам, предполагая, что проводимость твердых частиц не учитывается [30]:

, где ρ - электрическое сопротивление. удельное сопротивление, ρw - удельное электрическое сопротивление поровой воды, n - пористость, a - экспериментальный параметр и неверный коэффициент цементирования.

Арчи [30] предложил модель удельного электрического сопротивления, которая связывает удельное электрическое сопротивление почвы со структурой почвы. Это расширило подходы к изучению микроструктуры почв. Эта предложенная модель, однако, учитывала только влияние удельного электрического сопротивления и пористости поровой воды на удельное электрическое сопротивление почвы. Это означает, что возможности применения предложенной модели удельного электрического сопротивления ограничены.

В более поздних работах модель удельного электрического сопротивления, предложенная Арчи [30], была расширена до следующего:

, где s - степень насыщения, а p - показатель насыщения.

В расширенной модели электросопротивления учитывается степень насыщения поровой воды. Таким образом, расширенная модель применима к ненасыщенным чистым песчаникам и несвязному песку. Однако расширенная модель игнорирует влияние других факторов на электрическое сопротивление почвы.

На основе экспериментальных исследований и с учетом влияния двойных электрических слоев на поверхности частиц почвы на удельное электрическое сопротивление всего тела почвы была предложена модель удельного электрического сопротивления, которая применима к ненасыщенным связным грунтам:

ρ = aρwn − msr1 − psr + ρwBQE3

, где B представляет удельное электрическое сопротивление заряда, электрические свойства которого противоположны свойствам поверхности частицы почвы в двойном электрическом слое, Q - емкость катионного обмена на единицу поры почвы. , BQ - удельное электрическое сопротивление двойного электрического слоя на поверхности частицы почвы.

Васман и Смитс [31] предложили модель удельного электрического сопротивления, которая учитывала влияние удельной электропроводности частиц почвы на удельное электрическое сопротивление почвы, что означает, что модель удельного электрического сопротивления, предложенная Смитсом, применима к ненасыщенным связным грунтам. .

Помимо поровой воды и частиц почвы, существует третий токопроводящий путь распространения связных грунтов, то есть последовательный путь распространения грунта и воды. Учитывая ранее упомянутые три проводящих пути распространения связных грунтов, было выведено следующее уравнение для модели удельного электрического сопротивления ненасыщенных связных грунтов:

ρ = [nsr − F′θ′1 + θ′BQ + nsr− F′θ′1 + θ′ρw + F ′ (1 + θ ′) BQ1 + BQρwθ ′] - 1E4

, где F ′ - коэффициент проводящей структуры (отношение ширины последовательно соединенного пути грунт-вода к длина стороны всего тела почвы), а θ '- объемное содержание воды в параллельно соединенной части почвы и воды.

Zha et al. [32] предложили модель удельного электрического сопротивления, которая учитывала влияние проводящих путей и органически сочетала удельное электрическое сопротивление почвы с такими факторами, как пористость, степень насыщения, удельное электрическое сопротивление поровой воды, структура почвы, состав частиц почвы и электрические параметры. двойные слои на поверхности частиц почвы. Это сделало модель ненасыщенных связных грунтов более разумной.

Уравнения, описывающие связь между удельным электрическим сопротивлением образца почвы и содержанием незамерзшей воды, а также между удельным электрическим сопротивлением образца почвы и содержанием льда, следующие [4, 5]:

где ρ - удельное электрическое сопротивление ( Ом · м), ρ - содержание незамерзшей воды (%), ρ - содержание льда (%), ρuw0 = 12820 Ом · м - эталонное удельное электрическое сопротивление для эталонного содержания незамерзшей воды wuw0 = 5%, ρio = 1316 Ом · м - эталонное удельное электрическое сопротивление для эталонная льдистость не менее 10%, а - = 1.73 - показатель степени зависимости удельного электрического сопротивления от ледяной массы.

Fortier et al. [5] предложили модель удельного электрического сопротивления, которая сначала учитывает влияние льдистости почвы. Таким образом, эта модель применима не только к незамерзшим грунтам, но и к мерзлым грунтам. Однако мерзлый грунт представляет собой сложное многофазное тело. Также есть много факторов, влияющих на мерзлый грунт. Эта модель, предложенная Fortier et al. [5] рассматривает только влияние содержания льда в почве на удельное электрическое сопротивление почвы.Кроме того, предварительно установленное эталонное значение удельного электрического сопротивления не имеет универсального значения.

Angelopoulos et al. [8] проанализировали мерзлый грунт из озера Парсонс на Северо-Западных территориях Канады с помощью метода электрического сопротивления, и результаты исследования показали взаимосвязь между электрическим сопротивлением мерзлого грунта и содержанием льда. В исследовании метод удельного электрического сопротивления был применен при разведке мерзлых грунтов и оказался очень полезным. Однако результаты были довольно дискретными и плохо коррелированными.Кроме того, метод удельного электрического сопротивления учитывает только влияние содержания льда на удельное электрическое сопротивление мерзлого грунта и поэтому ограничен.

2.2. Создание модели удельного электрического сопротивления мерзлых грунтов

Часть поровой воды почвы претерпевает фазовый переход в процессе замерзания. Поэтому характеристики удельного электрического сопротивления мерзлого грунта отличаются от характеристик незамерзшего грунта. В нашем исследовании мы предположили, что существует три проводящих пути (частицы почвы, смеси лед-вода и смеси почва-лед-вода, т.е.е., путь распространения газа не учитывается) для мерзлого грунта, как это также предполагалось в трехэлементной модели электропроводности и модели удельного электрического сопротивления ненасыщенных связных грунтов. Мы вывели уравнение для модели удельного электрического сопротивления мерзлых грунтов [33]:

ρ = [A × aθ − bw + ρd (B × aθ − bw + C) + D] −1E7

, где A - D представляют собой коэффициенты, которые относятся к структурным характеристикам мерзлого грунта и удельному электрическому сопротивлению каждого компонента мерзлого грунта, w - содержание воды в мерзлом грунте, aθ - бис - содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте, - - абсолютное значение температуры мерзлого грунта, а ρd - плотность замороженного грунта в сухом состоянии.

.

Смотрите также