Водно-тепловой режим

Под водно-тепловым режимом понимают распределение влажности и температуры в основании сооружений в разные времена года. Тепловой режим грунтов в основаниях оказывает влияние на их устойчивость и долговечность. Тепловой режим сооружений характеризуется: 1) теплоёмкостью, 2) теплопроводностью и 3) температуропроводностью грунтов. Все эти тепловые характеристики связаны определенными зависимостями с плотностью и влажностью грунтов и определяются в лаборатории.

 

  Теплоёмкость грунтов – величина переменная и показывает способность грунтов поглощать тепловую энергию при теплообмене.  

 

Эта величина зависит от минерального состава, влажности и газовой фазы грунтов, и является основной характеристикой при теплотехнических расчётах оснований.

Различают теплоёмкость объёмную и удельную (весовую). Объёмная теплоёмкость (Соб) численно равна количеству теплоты, необходимой для изменения температуры 1 см3 грунта на 1оС. Размерность её Джоуль на Кельвин (Дж/К). Чаще всего пользуются удельной теплоемкостью (Су), которая численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить единице массы грунта для изменения его теплоты на 1оС при отсутствии перемещения воды. Размерность – Дж/(кг К). Удельная теплоемкость большинства минералов составляет 0,71 – 0,92; для скелетных частей гравия и щебня – около 837,4; частиц песков ~711,8; супесей ~753,7, суглинков ~795,5 – 837,9; глин ~879,3 – 921,1. Теплоёмкость влажных грунтов всегда выше теплоёмкости сухих грунтов того же минерального состава.

 

  Теплопроводность– способность грунтов передавать тепло.  

 

Величина теплопроводности возрастает с увеличением влажности и плотности грунтов.

 

  Температуропроводность – скорость распространения температуры в грунтах. Оценивается коэффициентом «а» и размерностью см2/с (или м2/ч). Коэффициент характеризует глубину суточных, сезонных и годовых изменений температур в толщах грунтов и насыпей. Увеличение влажности грунтов снижает величину температуропроводности.  

 

Температурные характеристики всегда изучают одновременно с исследованиями режима влажности грунтовых толщ. В связи с этим введено понятие водно-теплового режима грунтов.

 

Водные свойствагрунтовых толщ складываются из описания и оценки поступления, расхода и передвижения воды. Для верхних частей грунтовых массивов, сложенных песками и глинистыми грунтами, в зависимости от климата характерны три типа режима: I ) промывной, II ) непромывной и III) выпотной (рис. 32).

Рис. 32. Три типа режима водных свойств:

1 - объект (например, автодорога); 2 – атмосферные осадки; 3 – зона насыщения грунтов; 4 – инфильтрация воды; 5- испарение; 6 – сухая зона.

 

  При промывном режиме количество поступающей воды превышает величину испарения и поступления воды из глубины грунтовых толщ.  

 

Такие условия (избыточное увлажнение) характерны для северных территорий России.

 

  При непромывном режиме количество поступающей в толщу грунтов воды недостаточно для насыщения всей толщи глубоко залегающей грунтовой воды.  

 

Вблизи поверхности земли образуются горизонты верховодок, ниже располагается зона с постоянно низкой влажностью. Такой режим типичен для степных районов с недостаточным увлажнением.

 

  При выпотном режиме испарение превышает количество поступающей в грунт воды, т.е. выпадающих осадков.  

 

Вода для испарения подтягивается из глубины, от горизонтов грунтовых вод в виде капиллярной и парообразной воды. Это характерно для районов полупустынь.

 

  Для строителей и эксплуатационников особый интерес представляет годовой цикл изменения влажности и температур грунтов в верхних слоях в зависимости от сезонов. Эти изменения наиболее чётко проявляются в лесной и лесостепной зонах.  

 

В состав годового цикла входят следующие стадии:

1. Осенняя – увеличение атмосферных осадков и уменьшение испарения, повышение влажности в глинистых грунтах в верхней части толщ грунтов и земляного полотна, а в песках – проникновение воды в глубину.

2. Зимняя – промерзание грунтов, образование льда, подтягивание воды из глубины.

3. Весенняя – оттаивание льда, накопление воды, иногда даже больше величины естественной влажности W и потеря грунтами прочности.

4. Летняя – период просыхания грунтов за счёт испарения воды.

Все четыре стадии тесно взаимосвязаны и представляют собой единый процесс движения воды в верхней части грунтовых. Наиболее устойчиво в переменных условиях влажности ведут себя грунты оптимального гранулометрического состава и при оптимальной влажности (Wопт). В таких грунтах закрытые поры воду не пропускают и грунты сохраняют прочность.

При проектировании всегда предусматриваются мероприятия по искусственному регулированию водно-теплового режима: 1) поднимают поверхность насыпи над уровнем грунтовых вод; 2) снижают уровень грунтовых вод дренажами; 3) отсыпают насыпи из грунтов оптимального гранулометрического состава; 5) уплотняют насыпи до оптимальной плотности и т.д.

В тех случаях, когда не обеспечен должный отвод атмосферных вод и уровень грунтовых вод в зимнее время остается высоким, под твёрдым покрытием скапливается лёд, что приводит к возникновению процессов пучения.