им лабораторная 3, Сыпачев

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Институт недропользования

Кафедра прикладной геологии, геофизики и геоинформационных систем

ИНЖЕНЕРНОЕ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ

Лабораторная работа № 3

ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Вариант 9

Иркутск 2021

Цель работы

Научиться рассчитывать основные показатели физических и теплофизических свойств мерзлых горных пород (грунтов).

Задание

Вычислить и определить по таблицам для трех незасоленных грунтов своего варианта (табл. 3.4) характеристики их физических и теплофизических свойств.

Исходные данные: Приведены в табл. 3.5.

Указания к выполнению работы

1. Определяется величина w_w, предварительно берутся из табл. 3.1 значения k_w при температуре грунта T, C и числе пластичности I_p, полученному по формуле 3.3.

2. Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-це­мен­та) w_ic, определяется по формуле 3.4 , приняв w_m   w_p,

3. Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w_i, рассчитывается по формуле 3.5.

4. Суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot, определяется по формуле 3.6.

5. Льдистость грунта за счет ледяных включений i_i, опре­деляется по формуле 3.7, льдистость за счет льда-цемента i_iс, по формуле 3,8.

6. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле 3.9, предварительно определяется коэффициент пористости е, по формуле 3.10 и плотность скелета грунта _d, по формуле 3.11.

7. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (_th и _f, Вт/(мС)), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C_th и C_f, Вт·ч) принимаются по табл. 3.2, в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии (_d) и влажности w_tot.

8. Значение температуры начала замерзания грунта T_bf принимается по табл. 3.3 с учетом концентрации порового раствора с_ps.

9. Значение удельной теплоты таяния (замерзания) грунта L_, Вт·ч/м³, определяется по формуле 3.13. Размерность плотности сухого грунта _d берется в кг/м³.

10. Результаты представить в виде таблицы (пример – табл. 3.6), добавить значения температуры начала замерзания грунта T_bf и удельной теплоты таяния (замерзания) L_.

Суммарной влажностью называется отношение массы всех видов воды в мерзлом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180-84. Состоит из влажности мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w)_i и влажности мерзлых минеральных прослоек (w_m), которая в свою очередь слагается из влажности мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента) (w_ic) и влажности за счет не замерзшей воды (w_w):

w_tot = w_i + w_m = w_i + (w_ic + w_w). (1.1)

Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется также в соответствии с ГОСТ 5180-84, в случае если w_m нельзя определить опытным путем, то для глинистых грунтов принимается:

w_m=w_p , (1.2)

где w_p (д.ед.) - влажность, соответствующая нижнему пределу пластичности (влажность на границе раскатывания), доли единицы.

Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды, ww определяется опытным путем. Для мерзлых незасоленных грунтов допускается определять по формуле:

w_w = k_w·w_p, (1.3)

где kw - коэффициент, принимаемый по таблице 1.1 в зависимости от температуры грунта (Т, ^оС) и числа пластичности Ip, (д.ед.):

I_p = w_L – w_p, (1.4)

где w_L (д.ед.) - влажность грунта, соответствующая верхнему пределу пластичности (влажность на границе текучести).

Таблица 1.1 - Значения коэффициента kw

Грунты	Число пластичности Ip, доля единицы	Коэффициент kw при температуре грунта Т, оС
		-0,3	-0,5	-1	-2	-3	-4	-6	-8	-10
Пески и супеси	1р < 0,02	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Супеси	0,02 <1р< 0,07	0,6	0,5	0,40	0,35	0,33	0,30	0,28	0,26	0,25
Суглинки	0,07 <1р< 0,13	0,7	0,65	0,60	0,50	0,48	0,45	0,43	0,41	0,40
Суглинки	0,13 <1р< 0,17	*	0,75	0,65	0,55	0,53	0,50	0,48	0,46	0,45
Глины	1р > 0,17	*	0,95	0,90	0,65	0,63	0,60	0,58	0,56	0,55

Примечание. В таблице знак “*” означает, что вся вода в порах не замерзшая

Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), (wic) вычисляется по зависимости:

w_ic = w_m – w_w (1.5)

Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, (wi) определяется по формуле:

w_i = w_tot – w_m (1.6)

Весовая льдистость (i, д.ед.), отношение веса воды к весу всего грунта, определяется по формуле:

(1.7)

Суммарная льдистость мерзлого грунта (itot, д.ед.) - отношение объема содержащегося в нем льда к объему мерзлого грунта, определяется по формуле:

, (1.8)

где ρ_i - плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

ρ (г/см³) - плотность мерзлого грунта;

i (д.ед.) - весовая льдистость.

Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений (ii, д.ед.) - отношение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта, вычисляется по зависимости:

, (1.9)

где ρ_s (г/см³) - плотность частиц грунта.

Льдистость грунта за счет порового льда-цемента (iic, д.ед.) определяется из разности:

i_ic = i_tot - i_i (1.10)

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой (Sr, д.ед.) определяется по формуле:

, (1.11)

где wic (д.ед.) - влажность мерзлого грунта за счет порового льда, цементирующего минеральные частицы (лед-цемент);

е (д.ед.)- коэффициент пористости мерзлого грунта;

ρ_w - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Коэффициент пористости (е, д.ед.), определяется по формуле:

, (1.12)

где ρ_d (г/см³) - плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), определяемая по формуле:

, (1.13)

Плотность и пористость являются основными физическими показателями мерзлой породы, используемыми при определении теплофизических и механических свойств, степени водонасыщения и льдистости грунтов. Величина плотности необходима при расчете коэффициента теплопроводности талых и протаявших грунтов, при характеристике сопротивления грунтов нормальному давлению, сцепления мерзлого грунта, сопротивления мерзлого и оттаявшего грунта сдвигу и др. Пористость характеризует структуру, текстуру грунта и используется при расчетах степени льдонасыщения и коэффициента сжимаемости мерзлых грунтов.

Теплофизические (тепловые) свойства характеризуют процессы переноса тепла в горных породах, что является непосредственной причиной их промерзания и оттаивания. Характеристики показателей этих свойств широко используются при решении различных инженерных задач, связаных с прогнозом и расчетом процессов промерзания и оттаивания.

В состав теплофизических характеристик, определяемых для многолетнемерзлых грунтов, входят: теплоемкость (С), теплопроводность (λ), температура начала замерзания грунта (Tbf), теплота таяния (замерзания) грунта (Lv), температуропроводность (a).

Теплофизические характеристики грунта - теплопроводность - λ, [Вт/(м·^оС)] и объемная теплоемкость - С, [Вт-ч/(м³·^оС)], определяются опытным путем в соответствии с ГОСТ 26263-84. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (λth и λf), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C_th и C_f) песчаных и пылевато-глинистых грунтов, включая заторфованные и гравелистые, допускается принимать по таблице 3 СНиП 2.02.04-88 в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии (ρ_d).

Температура начала замерзания грунта T_bf, (°C), характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов T_bf следует устанавливать опытным путем. Для предварительных расчетов мерзлых оснований значение T_bf допускается принимать по таблице 2, СНиП 2.02.04-88, в зависимости от вида грунта концентрации порового раствора с_ps, (д.ед.), определяемой по формуле:

, (1.14)

где Ds (д.ед.) - степень засоленности грунта, устанавливаемая по ГОСТ 25100-95.

Для незасоленных песчаных и крупнообломочных грунтов Tbf принимается по «ГОСТ 25100-2020» равной 0 °С.

Теплота таяния (замерзания) грунта L_v, (Вт·ч/м³), принимается равной количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в единице объема грунта и определяется по формуле:

L_v = L₀(w_tot – w_w)·ρ_d (1.15)

где L₀=93 Вт·ч/кг - удельная теплота фазовых превращений «вода-лед» в расчете на единицу массы.

Список рекомендуемой литературы

1. ГОСТ 25100 – 2020 «ГРУНТЫ. Классификация». М.: Стандартинформ, 2020. – 38с.

2. Верхозин И.И. Основы мерзлотоведения: конспект лекций. – Иркутск: Изд-во ИРГТУ, 2005. – 91с.

3. Ершов Э.Д. Общая геокриология: учебник для вузов / Э.Д. Ершов. – Москва: Изд-во Московского ун-та, 2002. – 682 с.

4. Инженерная геокриология : справочное пособие / под ред. Э. Д. Ершова. – Москва: Недра, 1991. – 439 с.

5. В. Д. Ломтадзе. Инженерная геология. Инженерная геодинамика. Л., «Недра», 1977. 479 с.

6. Пендин В.В. Мерзлотоведение: учебное пособие. – Санкт-Петербург: Лань, 2017. – 325 с.

7. СП 493.1325800.2020. Инженерные изыскания для строительства в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

8. СП 25.13330.2012. Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

9. СП 11-105-97 Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. М.: ГОССТРОЙ РОССИИ 1999. – 68 с.

10. Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник. – М.: Изд.-во МГУ, 2005. – 540с.

11. СП 116.13330.2012. Свод правил. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов.

6