На какую глубину промерзает земля: Глубина промерзания грунта по регионам России. Таблица — Свой Дом

Содержание

Глубина промерзания грунта при строительстве и углублении колодца, при монтаже водопровода

Будущие владельцы и те, кто уже является обладателем собственного колодца сталкиваются с проблемой нормального функционирования источника, одна из сложностей — эксплуатация зимой.

Что такое промерзание грунта

Промерзание грунта – расширение почвы, уплотнения земли из-за превращения влаги в кристаллы льда. Сам процесс происходит по-разному, в зависимости от типа земли, региона, глубины. Данный фактор влияет на функционирование колодца, мерзлая почва вызывает горизонтальное и вертикальное смещение бетонных колец. При наличии в опалубке трещин или разломов, вода проникая в них, замерзает распирая бетон, это приведет дорогостоящему ремонту.

Типы и характеристики земли

Из разнообразия земляного покрова выделим основные с противоположными характеристиками:

  • Суглинок — на 60-70% состоит из глиняных пластов с примесями влажного песка. Данный вид покрова обладает малой пластичностью.
  • Супесь — рыхлая земля, состоящая, из песчаных частиц с небольшой концентрацией (5-15%) глинистых частиц. Вероятно, самый часто встречающийся вариант в Московской области.
  • Торф, насыпные пласты — располагаются в местах бывших руслах рек и водоемов. На данных видах покрова, строительство колодцев, их углубление, последующая эксплуатация — проблематична, происходит это из-за пластичности провоцирующей деформацию колец, труб водопровода из гидросооружения.
  • Насыщенная глина — как и предыдущий тип, глину характеризует пластичность, способность аккумулировать влагу и воду. Вода, замерзающая в почве вызывает пучение, оказывая давление на ЖБИ кольца и трубы подачи воды, если они установлены выше уровня промерзания земли.
  • Галечный, крупнозернистые грунты — для обустройства колодца, идеальное основание. Этот вид покрова надежно зафиксирует положение шахты и оборудования подведенного от нее. Такие породы в Москве, Подмосковье и территории Московской области встречается не более чем в 10% участков, а глубина залежей воды, в большинстве случаев, глубже среднестатистических.

Существует несколько методов определения вида земли. Один из легких, который можно выполнить прямо сейчас – выройте четыре ямы по периметру участка глубиной по 50-60 сантиметров и сравните с таблицей на картинке.

Почему именно по периметру и нужно четыре ямы? Участок может состоять из различных типов почв, не исключен вариант — на разных концах территории у вас будут разные типы земли.

Таблица промерзания различных типов почв

Вид грунта Промежуток до грунтовых вод зимой Залегание трубопровода из колодца или фундамента дома
Скальные и полускальные Любое Любая, вне зависимости от глубины
Пески гравелистые, крупные и средние Любое Независимо от глубины, но не менее 0,5 метра
Пески мелкие, пылеватые Более чем на 2 метра, ниже уровня промерзания Более чем на 2 метра, ниже уровня промерзания
Супеси Превышает расчетный уровень обмерзания почвы менее чем на 2 метра Не менее 3/4 расчетной глубины покрова, но не менее 0,7 метра
Суглинки, глины Менее расчетной глубины Не менее расчетного уровня

Факторы влияния

На уровень промерзания влияют следующие природные показатели:

  • Растительность на участке;
  • Слой снежного покрова;
  • Температура на поверхности;
  • Тип поверхности;
  • Интенсивность влажности почвы.

При нуле градусов промерзают галечные и грунты крупной фракции. Мелкодисперсные типы промерзают при более низких температурах, мелкозернистые пласты состоят из мелких жилок, соответственно, вбирают большее количество жидкости.

Усредненные данные, при идентичных дневных температурах глубина следующая:

  • Суглинки — 130-140 сантиметров;
  • Глина, насыпные пласты 135-145 сантиметров;
  • Галечные почвы — 172-176 сантиметров;

Региональная нормативная глубина промерзания

Область Суглинки, глины Пески мелкие, пылеватые Пески гравелистые, средние Галечный грунты, крупнозернистые
Москва 1,35 1,64 1,76 2,00
Дмитров 1,38 1,68 1,80 2,04
Владимир 1,44 1,75 1,88 2,12
Тверь 1,37 1,67 1,80 2,03
Калуга 1,34 1,64 1,75 1,98
Тула 1,34 1,63 1,74 1,98
Рязань 1,41 1,72 1,84 2,09
Ярославль 1,48 1,80 1,93 2,19
Вологда 1,50 1,82 1,95 2,21
Нижний Новгород 1,49 1,81 1,94 2,20
Санкт-Петербург 1,16 1,41 1,51 1,71

Грунты для строительства колодцев

Возведение нового колодца, мероприятие не из дешевых, важно на первоначальных стадиях учесть нюансы строительства и эксплуатации, которые не возможно устранить впоследствии. Если залежи воды близки к поверхности, подойдет любой тип почвы. Если участок находится на торфе или иле, глубине залежей жидкости ниже десяти метров и уровне промерзания около двух, потребуется усиление конструкции шахты, утеплению стен источника.

Лучший земляной покров для рытья — скалистый, средние и крупные пески, с небольшой глубиной промерзания.

Преимущество породы:

  • Почва не подвержена пучению;
  • Не промерзает;
  • Не деформируется;
  • Ее подмывает и не размывает.

Проблема породы — работа на таком виде почв требует затрат времени и опыта колодезных мастеров.

При рытье гидросооружения, значимый фактор — уровень подземных вод, они должна быть ниже глубины промерзания. При нахождении жидкости выше, она будет замерзать, что приведет к пучению земляных пластов, происходит это неравномерно, что приводит к деформации или частичному смещению бетонных колец.

Если ваш участник расположен на следующих типах почв: пылеватых и мелких песках, суглинках и супесях, вам необходимо еще до строительства источника определить уровень залегания грунтовых вод.

Для выявления таких покровов используйте следующий способ: киньте фрагмент земли в воду, он быстро превратился в жидкую субстанцию? — такая почва при намокании будет проседать и легко поддаваться воздействию ледяного грунта. При таком виде земли обязательно требует усиления конструкции колодца.

Снег на участке также влияет на глубину промерзания. Чем его больше, тем больше тепла под землей и выше температура земляного покрова.

Как обезопасить колодец

Чтобы обезопасить колодец от возможных проблем при промерзании грунты и пучения почвы, выход из положения — усиление конструкции шахты.

Если у вас сделана подводка воды из колодца, трубы необходимо расположить ниже промерзания.

Установка скоб и анкеров

Чтобы обеспечить стволу источника воды стабильность, прочность, предотвратить смещение колодезных колец и не допустить образования вертикальных разрывов, проводится скобирование, то есть жесткое сочленение стыков ЖБИ анкерами и металлическими скобами. Скрепление конструкции осуществляется также, как при строительстве, так и у действующих источников (в качестве одного из этапов профилактических, ремонтных работ).

Фиксация может быть произведена двумя способами — установкой колец с замком и скоб. Замковые кольца способны противостоять боковому давлению грунтов, но не решают проблемы вертикальных разрывов. Без скобирования некоторые кольца во время подвижки грунта могут сместиться, в результате чего происходит искривление шахты.

Как проводится скрепление колец?

Для установки используется по 2-4 скобы на каждый стык (количество зависит от места монтажа). Перед монтажом на соседних кольцах (недалеко от шва) перфоратором проделываются отверстия нужного размера, в которые и устанавливаются скобы или анкера, закрепляемые мощными болтами. В итоге «держатель» связывает верх нижнего кольца и низ верхнего.

Особенности качественного скрепления:

  • Желательно скобировать всю шахту, независимо от типа грунта для достижения наилучшей стабильности конструкции;
  • Скрепление лишь 2-3 верхних стыков не допускается, если колодец стоит на плывуне, песчаных грунтах, а также в местности, где выпадают обильные осадки; во всех этих случаях нужно полностью скобировать шахту;
  • Работы по скреплению проводятся с применением специального инструмента, с соблюдением правил безопасности, поэтому не стоит спускаться в шахту без необходимого оборудования и при отсутствии навыков проведения ремонтных работ в колодце.

Утепление шахты и водопровода

Утепление колодца — процесс обустройства для сохранения тепла внутри резервуара. Подробнее о технологию утепления шахты, так же ознакомьтесь для чего нужно утеплять шахту.

Если утеплить шахту можно уже после эксплуатации источника, то водопровод из колодца и трубы, нужно до подводки воды.

Траншея копается ниже уровня промерзания с запасом в 20-30 сантиметров, а качестве страховки используется технология греющего кабеля. Вокруг трубы или внутри ее протягивают кабель на который подается тепло, это тепло помогает поддерживать постоянную температуру в системе водопровода.

Возможно, материал будет полезен вашим знакомым. Поделитесь статьей в социальных сетях.

Оцените статью

Другие интересные статьи

Вернуться к списку статей

Глубина промерзания грунта в Подмосковье

Из данной статьи вы узнаете, что собою представляет понятие глубины промерзания грунта и почему его необходимо учитывать при проектировании фундаментов. Мы рассмотрим нормативные величины ГПГ для разных регионов России и узнаем, как определить фактическую и расчетную величину глубины промерзания почвы согласно действующим нормативам СНиП.

Оглавление:

Глубина промерзания грунта (ГПГ) — нормативное понятие, которое описывает среднестатистическую глубину, на которою почва промерзает в холодное время года.

Для расчета глубины промерзания берется среднестатистический показатель сезонного промерзания в конкретном регионе за последние 10 лет.

Рис. 1.0:  Карта нормативной глубины промерзания почвы в разных регионах России

Уровень промерзания почвы — одна из основных величин, которые учитываются при проектировании фундаментов любого типа. Если в основе расчетов будет лежать неправильный показатель ГПГ, либо данный фактор будет не учитываться вообще, проектировщик не сможет рассчитать требуемую глубину заложения фундамента.

Важно учесть! Плитные и ленточные фундаменты, не обладающие достаточной глубиной заложения, отличаются чрезмерной подверженностью воздействиям морозного пучения почвы — они неустойчивы, подвержены деформациям и разрушениям.

Рис. 1.1:  Характерный признак неправильно рассчитанной глубины заложение фундамента и, как следствие, повреждение здания под воздействием пучения грунта

Морозное пучение происходит в промерзших пластах почвы, пропитанных влагой. Грунтовые воды, при замерзании, склонны к увеличению своего объема на 2-9%, в результате такого расширения пропитанная водой почва начинает подниматься вверх и давить на фундамент здания, оказывая на него выталкивающее воздействие.

Важно! Чтобы избежать негативных влияний пучения, ленточные и плитные фундаменты должны закладываться ниже глубины промерзания почвы.

При таком расположении основание полностью лишено воздействия вертикальных сил пучения (выталкивающего давление почвы, находящейся под фундаментной лентой). Фундамент подвергается лишь касательному пучению (в результате трения стенок основания и боковых пластов пучинистой почвы), влияние которого можно устранить с помощью обустройства уплотняющей отсыпки по периметру стенок фундамента.

Рис 1.2:  Схема промерзания участка застройки

Перед началом любого строительства, проводящегося на пучинистых грунтах, необходимо выяснить ГПГ в конкретном регионе, чтобы в дальнейшем иметь возможность подобрать оптимальную глубину заложения фундамента.

Внимание! Как неправильный расчет нагрузки на фундамент может привести к большим финансовым потерям: ссылка.

Глубина промерзания СНИП

ГПГ — величина, которую без наличия специального оборудования невозможно определить непосредственно перед началом строительства, поскольку ее расчеты требуют предварительного анализа конкретной местности на протяжении более чем 10-ти лет. В строительной практике, для определения глубины промерзания, используются нормативные данные о ГПГ и базовая информация для ее расчета, заложенная в документах СНиП.

До недавнего времени основным документом, в котором были приведены данные о глубине промерзания грунта, являлся СНиП № 20101-82 «Климатология и геофизика строительства», и сопутствующие ему карты разных регионов Российской Федерации. 


Важное замечание! С недавних пор данный нормативный документ был разделен на две отдельные справки — СНИП № 20201-83 «Фундаменты зданий о сооружений» и СНИП № 2301-99 «Климатология строительства».

В данный документах приведены среднестатистические показатели глубины промерзания почвы для конкретных регионов РФ, ознакомится с которыми вы можете в таблице 1.1























Город Сезонная глубина промерзания разных видов почвы (см)
Глиняный грунт и суглинок Супеси и мелкие сухие пески Крупные и гравелистые пески
Ярославль 143 174 186
Архангельск 156 190 204
Челябинск 173 211 226
Вологда 143 174 186
Тюмень 173 210 226
Екатеринбург 157 191 204
Сургут 222 270 290
Казань 143 175 187
Саратов 119 144 155
Курск 106 129 138
Санкт-Петербург 98 120 128
Москва 110 134 144
Самара 154 188 201
Нижний Новгород 145 176 189
Рязань 136 165 177
Новосибирск 183 223 239
Ростов на Дону 66 80 86
Орел 110 134 144
Псков 97 118 127
Пермь 159 193 207

Таблица 1.1:  Нормативная глубина промерзания почвы в разных городах России

ГПГ зависит от двух основных факторов — среднестатистических минусовых температур в конкретных регионах и типа грунта.

Косвенным фактором, влияющим на ГПГ, является толщина снежного покрова, которым укрыт грунт — чем он толще, тем меньшей будет глубина промерзания. Стоит учитывать, что данные, указанные в нормативных таблицах СНИП, не учитывают толщину снежного покрова, поэтому фактическая величина ГПГ в регионе всегда будет меньшей, чем глубина, указанная в таблице 1.1.

Рис. 1.3:  Схема зависимости ГПГ от толщины снежного покрова

Важное замечание! Всем домовладельцам, сталкивающимся с проблемой пучения почвы, стоит помнить о том, что они сами себе могут доставить дополнительных неприятностей, очищая снег и формируя сугробы возле стен дома.

Неравномерное пучение, которое происходит в местах, где почва обладает разной глубиной промерзания, крайне негативно сказывается на состоянии фундамента — из-за различных выталкивающих сил, воздействующих на фундаментную ленту, основание дома перекашивается, в результате чего возникают трещины на стенах и цоколе. Если вы очищаете снег вокруг постройки — делайте это по всем периметру здания, и не формируйте сугробы возле одной из стен дома.

Глубина промерзания грунта в Подмосковье

Как свидетельствуют отзывы опытных строителей, свыше 80% грунтов в Москве и области представлены пучинистой почвой — суглинком, глиной, песками, супесями. При строительстве домов на таких грунтах крайне важно учитывать глубину их промерзания, поскольку фундамент, заложенный выше требуемого уровня, не будет обладать ожидаемой от него надежностью и долговечностью.

ГПГ в Подмосковье варьируется достаточно сильно — от 90 до 200 сантиметров. Такие колебания обусловлены разной плотностью грунтов — чем большая плотность, и чем выше уровень залегания грунтовых вод, тем сильнее будет промерзать почва.

Среднестатистической расчетной величиной ГПГ, учитываемой при строительстве зданий в Подмосковье, принято считать 140 сантиметров. Более детальные показатели для разных городов Подмосковья вы можете увидеть в таблице 1.2.


























Город Сезонная глубина промерзания почвы (см)
Дубна 150
Талдом 130
Сергиев Посад, Александров 140
Орехово-Зуево 130
Егорьевск 130
Коломна 110
Ступино 120
Серпухово 100
Обнинск 110
Балабаново 110
Можайск 125
Волоколамск 120
Клин, Солнечногорск 120
Звенигород, Истра 110
Наро-Фоминск 125
Чехов 120
Воскресенск 110
Павловский Посад, Ногинск, Пушкино 110
Дмитров 140
Пушкино, Щепково, Балашиха 150
Одинцово, Болицыно, Кубинка 140
Подольск, Домодедово, Люберцы 100
Железнодорожный 110
Мытища, Лобня 140

Таблица 1.2:  Глубина промерзания грунта в Московской области

Внимание! Почему пучение способно разрушить ваше будущее строение:как обезопасить себя

Расчетная глубина промерзания грунта

Расчетная величина ГПГ, согласно нормативам СНИП, определяется по формуле: h = √M*k, в которой:

  • М — сумма максимальных показателей минусовых температур в холодное время года;
  • k — коэффициент, отличающийся для разных видов грунтов.

Величина коэффициента, использующегося в расчетной формуле, составляет:

  • 0,23 — для глинистой почвы и суглинков;
  • 0,28 — для пылеватой и мелкой песчаной почвы, супесей;
  • 0,3 — для средне крупных гравелистых и крупных песков;
  • 0,34 — для почвы с вкраплениями крупнообломочных горных пород.

Для примера, определим расчетную величину ГПГ для Вологды. Данные среднемесячных минусовых температур для этого города мы можем взять в документе СНИП № 2101.99.

Для Вологды она составляет:

Из данной таблицы мы определяем значение M — для этого нам нужно суммировать показатели месяцев, обладающих минусовыми температурами.

  • M = 11,6 + 10,7 + 5,4 + 2,9 + 7,9 = 38,5.

Теперь нам нужно извлечь квадратный корень из получившейся величины:

Что позволяет выполнить расчеты согласно основной формуле, учитывая коэффициент типа грунта, на котором будут выполняться строительные работы. Для примера используем коэффициент суглинистой почвы, он равен 0,23.

В результате мы получаем расчетную величину промерзания суглинистой почвы в Вологде равную 143 сантиметрам. Аналогичным образом расчеты выполняются для любых видов почв в других городах России.

Как определить реальную глубина промерзания грунта

Внимание! Фактические и нормативные показатели ГПГ всегда будут отличаться между собой из-за ряда сопутствующих факторов, таких как толщина снега и льда, которыми укрыт грунт.

Рис. 1.4:  Нормативная глубина промерзания грунта в РФ (данные на 2006 год)

Для определения реальной глубины промерзания используется специальный прибор — мерзлотомер. Данное устройство представляет собою обсадную трубку, внутри которой размещен наполненный водой шланг с внутренними ограничителями передвижения льда. На шланг нанесена сантиметровая разметка.

Мерзлотомер погружается в грунт на глубину, равную фактической величине ГПГ (все измерения проводятся в холодное время года). Вода в трубке мерзлотомера превращается в лед на участке, где с прибором контактирует промерзшая почва.

Рис. 1.5:  Фактическая глубина промерзания почвы в РФ

Спустя 10-12 часов после погружения устройства в почву шланг с водой изымается из обсадной трубки и по замершему участку воды определяется реальная глубина промерзания почвы.

Наши услуги

Услуги компании «Богатырь» это забивка свай и лидерное бурение. Мы имеем собственный автопарк бурильно-сваебойной техники и готовы поставлять сваи на объект с дальнейшим их погружением на строительной площадке. Цены на забивку свай представлены на странице: цены на забивку свай. Для заказа работ по забивке железобетонных свай, оставьте заявочку.

Глубина промерзания грунта – как определяется и на что влияет

Глубина промерзания почвы относится к основным фактору, который нужно учитывать при монтаже септика, водопровода, заложении фундамента.

Несмотря на существующие стандарты, глубина промерзания является постоянно меняющейся величиной, т.к. зависит от множества климатических и погодных факторов.

Глубина промерзания грунта по регионам РФ

Определить степень промерзания непосредственно перед планируемым строительством невозможно. Расчет глубины промерзания грунта основывается на анализе определенной местности за 10-летний период.

Для определения ГПГ используется базовая информация, а также нормативные данные, содержащиеся в документации СНиП. Основными документами, которые содержат точные цифры, являются СНиП 20201-83 и СНиП 2301-99, а также карта промерзания грунтов России.

Таблица глубины промерзания грунтов по регионам России

Данная документация содержит средние показатели для определенных регионов РФ. На ГПГ оказывают влияние тип почвы и среднестатистические отрицательные температуры конкретных регионов.

Немалое значение имеет и толщина снежного слоя, покрывающего землю. Нужно помнить, что нормативная глубина сезонного промерзания грунта может существенно отличаться от фактической.

Промерзание почвы для водопроводов и септиков

Для прокладывания трубных магистралей водоснабжения учитывается глубина промерзания грунтов СП 131.13330.2012, соответствующая конкретным регионам.

При несоблюдении нормативных требований, в трубопроводе происходит замерзание воды зимой. Если на дачном участке имеется возможность прогреть трубы, то жителям города остается только ждать весны.

При укладывании трубопровода, учитываются следующие факторы:

  • вид грунта;
  • граница промерзания;
  • глубина прохождения грунтовых вод;
  • минимальный предел температуры зимой;
  • прогрев почвы солнечными лучами;
  • толщина снега;
  • наличие зеленых насаждений;
  • функциональность водопроводной системы;
  • циркуляция воды и ее температура;
  • скорость промерзания грунта при отрицательных температурах.

Несоблюдение базовых требований при строительстве трубопровода приводит к расползанию льда по магистрали, порыву труб, поломке насоса.

Важные факторы при заложении фундамента

При сооружении основания для планируемого строительства, нужно учитывать:

Наименование

  • вес фундамента, давящий на грунт;
  • степень сопротивления почвы;
  • силу выталкивания при пучении;
  • касательные силы;
  • высоту поднятия фундамента силой пучения;
  • глубину прохождения грунтовых вод;
  • на сколько промерзает земля зимой.

Пренебрежение проведением расчетов способно спровоцировать непоправимые проблемы.

Как определить глубину промерзания грунта

Определить температуру грунта на разных глубинах позволяет мерзлотомер. Конструкция содержит обсадную трубку с расположенным внутри шлангом, заполненным водой. Также предусмотрены сантиметровая разметка и внутренние ограничители перемещения льда.

Работы проводятся в зимний период. Прибор погружается в землю на глубину, соответствующую ГПГ. В точке промерзания, жидкость в мерзломере замерзает, превращаясь в лед.

Знать, при какой температуре промерзает земля, нужно не только для проведения водопроводных систем и сооружении фундаментов.

Учитывать степень промерзания нужно и при установке септиков, обустройстве колодцев, бурении скважин. Если самостоятельно определить уровень промерзания и вид грунта нет возможности, следует воспользоваться услугами специалистов.

Морозное пучение – чем опасно

Пучение грунта – деформация, происходящая в процессе замерзания/оттаивания. Основным фактором, влияющим на степень пучения, является количество воды, которая содержится в грунте.

Влажные грунты сильнее деформируются. Максимальные показатели морозного пучения грунтов наблюдаются на глинистых, а также пылеватых почвах. При промерзании, их объем возрастает до 10%.

Песчаный грунт обладает пониженными показателями увеличения объема, гравелистый или каменистый – практически не подвержены пучению.

Параметры пучения нужно учитывать при проектировании фундамента. К противопучинистым вариантам относятся:

  • винтовые сваи;
  • конструкции, изготовленные с использованием технологии ТИСЭ;
  • заглубленный ленточный фундамент, оснащенный широкой песчаной подушкой;
  • монолитные плиты, расположенные ниже уровня промерзания.

Чтобы придать основанию функцию «якоря», его углубляют за границу промерзания.

Способы защиты от морозного пучения

Существует немало способов, которые позволяют предотвратить разрушающие воздействия морозного пучения.

Круглогодичное отопление зданий

Если на протяжении всего года в здании планируется поддержание температуры в пределах 15 градусов, в качестве основания можно использовать мелкозаглубленный ленточный или плавающий плитный фундамент.

При этом возводится полностью закрытый непродуваемый цоколь, с последующим утеплением по наружному периметру.

Утеплителем служит экструдированный пенополистирол. Толщина его для центрального региона должна составлять 50-100мм. Этим же материалом утепляется отмостка на ширину более 1.2 метра или уровень промерзания грунта. Выполнение этих рекомендаций снизит степень пучения на 80%.

Дренаж

Назначением системы является отведение талых или дождевых вод от здания и осушение участка. Ливневая система — это целый комплекс водоотведения, который содержит отмостку, водостоки, ливневые желоба, отводящие от строения воду. Это один из способов, позволяющих уменьшить промерзание почвы и силу морозного пучения.

Армопояс

Важный элемент, которым многие пренебрегают при строительстве. От воздействия морозного пучения, стены из бетонных блоков или кирпича могут растрескаться.

Для предотвращения таких неприятностей используется специальный армопояс. Монолитная металлическая балка, расположенная внутри стены, стягивает строение, препятствуя образованию трещин.

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер конструктор. Стаж в проектировке очистных сооружений — 18 лет.

Написано статей

Просмотров: 140

Скорость промерзания грунта при отрицательных температурах

Скорость и глубина промерзания зависит от:

  • характера зимы, времени выпадения первого снега и наступления сильных морозов, продолжительности их действия, температуры наружного воздуха,
  • свойств грунта, в том числе его влажности,
  • характера поверхностного покрова,
  • скорости потока грунтовых вод (чем она больше, тем промерзание меньше).

Грунты с порами, заполненными влагой лишь до известной степени, грунты плотные мелкопористые при прочих равных условиях промерзают глубже и быстрее, чем рыхлые и сухие, так как теплопроводность первых больше.

Наибольшая глубина промерзания грунта бывает обычно при влажности 30—40%.

При дальнейшем ее увеличении глубина промерзания уменьшается в связи с увеличением скрытой теплоты замерзания.

Так как теплопроводность камня фундаментов больше, чем теплопроводность грунта, то, как это подтверждено и практическими наблюдениями, при ширине каменного фундамента более 0,5 м грунт под ним может промерзать ниже глубины промерзания, нормальной для грунтов данного района.

Уменьшению глубины промерзания грунта способствует верхний защитный покров в виде снега, густой травы, сухих листьев или хвои. Наличие в открытой местности сильных и продолжительных ветров, сдувающих снежный покров, способствует увеличению глубин промерзания.

Скорость промерзания грунта зависит от:

  1. температуры промораживания,
  2. размера пор и особенно от влажности грунта.

Чем поры мельче, тем более связана находящаяся в грунте вода силами капиллярного и молекулярного притяжения и тем более низкая температура и более длительный срок требуются для промерзания грунта. Промерзание при прочих равных условиях происходит тем быстрее, чем меньше влажность грунта, крупнее гранулометрический состав его (т. е. чем крупнее в нем поры), плотнее основная порода и меньше в грунте органических остатков газов и воздуха.

При производстве земляных работ глубина промерзания устанавливается замером ее в натуре. Для предварительных соображений глубина промерзания берется равной среднему значению ее максимума на основе наблюдений метеорологических станций в районе строительства за последние 15—20 лет.

Зависимость глубины промерзания грунта от длительности промораживания при различных температурах наружного воздуха

Пунктиром показан пример определения глубины промерзания грунта в течение 40 суток за три этапа промерзания, в том числе 25 суток при —5°, 10 суток при —10 и 5 суток при —15°. Глубина промерзания составляет~0,75 м и складывается из трех отдельных величин, соответствующих трем этапам: 0,42+0,23+0,10=0,75 м/

скорость промерзания грунта

Ориентировочные данные о глубине промерзания грунта в зависимости от температуры воздуха и продолжительности ее действия приведены на рис.

Кривые промораживания дают ориентировочные величины глубины промерзания грунтов средней влажности (25—30%) при поверхности, лишенной снежного покрова.

При наличии снежного покрова следует вводить коэффициент 0,85 при толщине покрова 0,25 м, коэффициент 0,7 при толщине 0,5 м и 0,65 при толщинe 0,75 м.

Оттаивание грунта происходит постепенно, идет одновременно сверху и снизу и продолжается довольно длительное время. Полное оттаивание наступает не ранее второй половины мая.

Колебания влажности грунта

Промерзание и оттаивание грунта связаны с движением грунтовых вод. Горизонт грунтовых вод, несколько повышенный осенью, зимой понижается, а при начале таяния резко повышается. Грунтовые воды могут соприкасаться с нижней поверхностью мерзлого грунта и благодаря своей сравнительно высокой температуре (4—6°) значительно ускорять его оттаивание.

После кратковременного весеннего поднятия уровень грунтовых вод падает, и оттаивание опять несколько замедляется.

Глубина промерзания грунта

В течение всего осенне-зимнего периода происходит перемещение влаги между зонами мерзлого и талого грунта всегда по направлению от теплых к холодным его слоям, обусловливаемое целым рядом физических явлений

Глубина промерзания грунта СНиП: нормативы, таблица по регионам

При строительстве зданий нужно принимать в расчет глубину промерзания грунта по СНиП. Без этого параметра нельзя точно рассчитать, насколько должно быть углублено основание здания. Если его не учитывать, в будущем фундамент может деформироваться и повредиться из-за давления почвы при воздействии на него низких температур.

Строительные нормы и правила

Строительные нормы и правила (СНиП) – это совокупность нормативных актов, регламентирующих деятельность строителей, архитекторов и инженеров. Информация, содержащаяся в этих документах, позволяет возвести долговечное и надежное здание или правильно проложить трубопровод.

Карта, с нанесенными на ней цифрами глубины промерзания грунта, была создана еще в СССР. Она содержалась в СНиП 2.01.01-82. Но позже на смену данному нормативному акту был создан СНиП 23-01-99, карту в него не включили. Сейчас она есть только на сайтах.

Содержащие информацию о глубине промерзания грунта СНиП имеют номера 2.02.01-83 и 23-01-99. В них перечислены все условия, от которых зависит степень воздействия мороза на почву:

Карта нормативной глубины промерзания почвы в разных регионах России

Карта нормативной глубины промерзания почвы в разных регионах России

  • цель, с которой было возведено сооружение;
  • характеристики конструкции и нагрузка на фундамент;
  • глубина расположения коммуникаций;
  • расположение фундаментов соседних зданий;
  • текущий и будущий рельеф территории застройки;
  • физические и механические параметры грунта;
  • особенности наложений и количество слоев;
  • гидрогеологические характеристики района стройки;
  • сезонная глубина, на которую промерзает земля.

В настоящее время установлено, что применение для установления глубины промерзания грунта СНиП 2.02.01-83 и 23-01-99 дает более точный результат, чем использование значений, взятых с карты, так как в них учитывается больше условий.

Следует отметить, что рассчитанная степень воздействия низких температур не равна действительной, так как некоторые параметры (уровень нахождения грунтовых вод, уровень снежного покрова, влажность почвы, параметры минусовых температур) не являются постоянными и меняются со временем.

Реальное промерзание грунта

Реальное промерзание грунта

Расчет уровня почвенного промерзания

Расчет глубины, на которую промерзает почва, производится по образцу, указанному в СНиП 2.02.01-83: h=√М*k, где М – это абсолютные среднемесячные температуры, сложенные вместе, а k – показатель, значение которого зависит от вида земли:

Таблица - глубина промерзания грунта СНИП

Таблица — глубина промерзания грунта по СНИП

  • суглинки или глинистые земли – 0,23;
  • супеси, пылеватые и мелкодисперсные пески – 0,28;
  • пески крупной, средней и гравелистой фракции – 0,3;
  • крупнообломочный вид – 0,34.

Из вышеприведенных цифр становится понятно, что степень грунтового промерзания прямо пропорциональна увеличению его фракции. При работе на глинистых почвах нужно брать в расчет еще один фактор, а именно количество содержащейся в ней влаги. Чем больше воды содержится в земле, тем выше степень морозного пучения.

Фундамент дома должен быть расположен ниже уровня промерзания. В противном случае сила вспучивания вытолкнет его вверх.

Правильное и неправильное заложение основания относительно уровня промерзания грунта

При расчете этого параметра лучше не надеяться на собственные силы, а обратиться к специалистам, обладающим полной информацией обо всех факторах, от которых зависит влияние низких температур на основание здания.

Влияние морозного пучения грунта

Под термином «морозное пучение» понимается уровень деформации грунта во время оттаивания или замерзания. Он зависит от того, какое количество жидкости содержится в слоях почвы. Чем больше этот показатель, тем сильнее промерзнет почва, поскольку по физическим законам при замерзании молекулы воды увеличиваются в объеме.

Сила морозного пучения

Сила морозного пучения

Еще одним фактором, влияющим на пучение при морозах, являются климатические условия региона. Чем больше месяцев с минусовой температурой, тем значительнее промерзает земля.

Больше всего подвержены морозному пучению пылеватые и глинистые грунты, они могут увеличиться в размере на 10% от своего изначального объема. Меньше подвержены пучению пески, совсем отсутствует это свойство у каменистых и скалистых.

Глубина грунтового промерзания, указанная в СНиП, рассчитывалась с учетом наихудших климатических условий, при которых снег не выпадает. Фактический уровень, на который промерзает земля, меньше, так как сугробы и лед играют роль теплоизоляторов.

Земля под фундаментом зданий промерзает меньше, так как в зимний период ее дополнительно согревает отопление.

Воздействие пучения грунта на плитный фундамент

Воздействие пучения грунта на плитный фундамент

Чтобы сберечь почву от замерзания, можно дополнительно утеплить территорию на расстоянии 1,5–2,5 метров по периметру основания дома. Так можно устроить мелкозаглубленный ленточный фундамент, являющийся, к тому же, более экономичным.

Влияние толщины снежного покрова

В холодные месяцы снежный покров является теплоизолятором и напрямую влияет на степень глубины промерзания грунта.

Тепловые потери в фундаменте при неправильной теплоизоляции

Тепловые потери в фундаменте при неправильной теплоизоляции

Обычно владельцы расчищают снег на своих участках, не догадываясь, что это может привести к деформации фундамента. Земля на участке промерзает неравномерно, из-за этого повреждается основание дома.

Дополнительной защитой от сильных морозов могут быть кустарники, посаженные по периметру здания. На них будет скапливаться снег, защищающий фундамент от низких температур.

Видео по теме: Реальная глубина промерзания грунта

Для чего нужно учитывать глубину промерзания грунта

В холодное время года земля промерзает на определенную глубину. Один и тот же природный процесс протекает по-разному в различных регионах РФ. Показатель промерзания зависит в первую очередь от климата и типа грунта.

Таблица: Глубина промерзания грунта по географическому положению и типу грунта

Географическое положение

Средний уровень промерзания земли

Уровень промерзания по типу грунта

суглинки, глины

мелкий песок, супесь

крупный и гравелистый песок

в Самарской области

1,6 м

1,54 м

1,88 м

2,01 м

в Ростовской области (в Ростове на Дону)

1,0 м

0,66 м

0,80 м

0,86 м

в Пермском крае

1,9 м

1,59 м

1,93 м

2,07 м

в Башкортостане

1,8 м

1,70 м

2,00 м

2,30 м

в Тульской области

1,4 м

1,34 м

1,63 м

1,75 м

в Татарстане

1,7 м

 

1,59 м

 

в Саратовской области

1,5 м

1,19 м

1,44 м

1,55 м

в Ярославской области

1,4 м

1,48 м

1,80 м

1,93 м

в Рязанской области

 

1,36 м

1,65 м

1,77 м

в Кирове

1,7 м

1,60 м

1,76 м

 

в Кемеровской области

2,00 м

1,90 м

2,30 м

2,40 м

в Ставропольском крае (Ставрополь)

0,68 м

0,57 м

0,70 м

0,74 м

Зачем нужны данные по глубине промерзания

Информация по глубине промерзания грунта необходима для расчета заглубления фундамента. Учитываются особенности местности и вид почвы, уровень подземных вод, морозное пучение. Почва являет собой естественное самостоятельное органически-минеральное тело, которое находится в поверхностном слое земной литосферы. А понятие грунта включает в себя не только почву, но и горные породы, и техногенные образования, и осадки.

Учет глубины промерзания

Учет глубины промерзания

Фундамент, как несущая строительная конструкция, принимает на себя нагрузки от конструкций, расположенных сверху. Нагрузки распределяются по основанию строения, то есть по грунтовым массивам определенного объема. Фундаменты чаще всего делают из камня, стали или бетона и закладывают ниже глубины промерзания. Такой подход позволяет предотвратить выпучивание (деформацию с расширением объема в результате замерзания воды) и избыточное давление на несущую конструкцию.

В зависимости от региона, типа грунта и соответствующей глубины заложения, строителям целесообразно использовать следующие виды фундаментов:

  • по конструктивным особенностям — столбчатый, ленточный, свайный, плитный, континуальный;
  • по выбранному материалу — каменный, железо- или ячеистобетонный.

Виды фундаментов

Виды фундаментов

Способы определения глубины промерзания

Что показывает глубина промерзания грунта? Число обозначает максимальное расстояние от поверхности до нулевой температурной отметки внутри почвы в сезон минимальных температур. Данные определяются инструментальным методом в течение десятилетия, заносятся в специальные таблицы. Вся вода, которая есть в почве, расширяется при преобразовании в лед. Вспученный таким образом грунт будет давить на фундамент. Чтобы избежать этих рисков, нужно делать закладку ниже уровня промерзания.

Давление грунта на фундамент

Давление грунта на фундамент

Наиболее точно глубину сезонного промерзания (и проникания в грунт нулевой температуры) определяют с помощью мерзлотомера (см. ГОСТ 24847-81 — Методы определения глубины сезонного промерзания). Указанная методика распространяется на песчаные, глинистые и крупнообломочные грунты – кроме скальных грунтов и вечной мерзлоты.

Специалисты по строительству, действующие согласно нормативов РФ, перед закладкой фундамента всегда учитывают глубину промерзания грунта. Этот усредненный показатель можно посмотреть на карте в строительных нормах и правилах (СНиП 2.01.01-82) или высчитать по формулам из СНиП 2.02.01-83, пункт 2.27. Таким образом, если вы будете углубляться в вопрос и искать информацию, вам пригодится официальная документация: строительные нормативы «Строительная климатология и геофизика», а также «Основания зданий и сооружений».

Мерзлотомер

Мерзлотомер

Определяем глубину промерзания грунта по формуле

В случаях, когда глубина промерзания грунта в вашем географическом регионе не превышает 2,5 метров, можно определить норматив сезонного промерзания по формуле.

dfn=dО ·√ Mt,

где

  • dfn – сезонное промерзание грунта в метрах;
  • dО – средневзвешенная величина в пределах глубины промерзания для неоднородных грунтов или цифра из таблицы, в метрах;
  • Mt – коэффициент, выражающий суммарное значение абсолютных показателей среднемесячных зимних минусовых температур в определенном регионе (данные берут из СНИПа по климатологии и геофизике либо используют информацию гидрометеорологов).

Есть формула расчетного значения сезонной глубины промерзания грунта:

df  = kh · dfn,

в которой kh является коэффициентом с учетом влияния теплового режима здания или сооружения. Значение kh в зданиях без отопления принимается за 1,1 (актуально для наружных и внутренних фундаментов только для районов с положительной среднегодовой температурой), а для внешних фундаментов отапливаемых зданий берется из таблицы. Если вас интересует расчет df для региона с отрицательной среднегодовой температурой, воспользуйтесь СП 25.13330: Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

Морозное пучение грунта

Морозное пучение грунта

Разница между нормативной и фактической глубиной промерзания

Представленные в таблицах данные по глубине промерзания грунта немного отличаются от реальных. Если провести эксперимент и замерить температуру грунта в холодное время года на произвольно выбранном участке, глубина промерзания может быть на 30% меньше, чем в нормативных таблицах. Особенно на этот показатель влияет фактор отопления здания в холодное время года. Глубина расположения нулевой температуры может находиться выше, если участок или дом имеют теплоизоляцию (тепло на участке сохраняет даже слой снега или льда, посаженные по периметру дома кустарники, специальные ленточные утеплители).

Сильное влияние на глубину промерзания оказывает уровень залегания грунтовых вод в данной местности. Чем выше расположен этот уровень, тем более значительное разрушающее воздействие может оказать замерзшая вода. Большое количество подземных вод делает грунт склонным к вспучиванию. Чтобы снизить нагрузку на фундамент, обеспечить снижение водяной подпитки и степень пучинистости почвы, применяют гидротехнические методы, в частности, обустраивают дренажные системы и глиняные экраны.

Закладка Постоянная ссылка.

Глубина и скорость промерзания грунта и их влияние на процессы пучения — SGround.ru

Глубина и скорость промерзания грунта и их влияние на процессы пучения

Связь пучения со скоростью, глубиной промерзания

Оглавление:

  1. Введение
  2. Скорость промерзания грунта
  3. Глубина промерзания грунта
  4. Заключение
  5. Связанные статьи

1. Введение

Одними из наиболее значимых факторов, определяющих величину поднятия дневной поверхности (степень пучинистости) при промерзании грунтов являются глубина и скорость их промерзания.

Дневная поверхность грунта – жаргонный термин в строительной геологии, обозначающий поверхность современного рельефа. Можно заменить терминами: поверхность земли, уровень земли. В случае если на рассматриваемом участке выполнялась или будет выполняться планировка (насыпь или выемка грунта), то поверхность следует называть «уровень планировки»

Глубина и скорость промерзания грунтов зависит от большого числа факторов: значений отрицательной температуры наружного воздуха в зимний период, от продолжительности зимнего периода, от толщины и плотности снегового покрова и динамики изменения этих показателей в течении зимы, теплопроводности грунта, наличия теплоизолирующих покрытий (бывают как естественные, например, моховый или торфовый слой, так и искусственные), интенсивности воздействия солнечной радиации на конкретный участок поверхности, от смен холодной погоды на оттепели и от положения уровня грунтовых вод.

2. Скорость промерзания грунта

Увеличение объема грунта и величина подъема поверхности земли зависят от скорости промерзания, а скорость, в свою очередь, зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха и теплотехнических свойств грунта.

Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания грунт меньше увеличивается в объеме.

На величину вспучивания оказывает влияние и коэффициент фильтрации глинистого грунта, которой обусловливает подток капиллярной влаги к фронту промерзания. В образцах, замерзающих при большой скорости промерзания, визуально не наблюдается образования ледяных включений в виде прослоек и линз, следовательно, грунт незначительно ухудшает свои физические свойства при оттаивании.

При быстром промерзании в грунте не успевает накопиться влага, поступающая по капиллярам, поэтому он меньше проявляет пучение

При малой скорости промерзания грунта происходит формирование льдистой текстуры за счет постоянного притока влаги по капиллярам из нижележащих слоев талого грунта, сопровождающееся повышенным накоплением ледяных включений в нем. Такие грунты при оттаивании резко ухудшают свои физические свойства. Иногда грунты, имеющие твердую или пластичную консистенцию до промерзания, превращаются в текучее состояние после промерзания и оттаивания.

Наибольшее количество льда в грунтах природного сложения скапливается при промерзании грунта на глубину до 1-1,2 м так как на этих глубинах больше сказывается колебание отрицательной температуры наружного воздуха, например, при смене холодной погоды на оттепели, что позволяет накопить в структуре грунта больше влаги в виде льда

3. Глубина промерзания грунта

Значение глубины промерзания грунтов оказывает большое влияние на вспучивание дневной поверхности грунта. Например, в Забайкалье подъем поверхности грунта достигает 40 см при глубине промерзания суглинистого грунта 2,6-2,8 м, а сильнопучинистый суглинок в Московской области вспучивается на 15 см при глубине промерзания на 1,5 м.

Глубина промерзания грунта может в зависимости от региона РФ и локальных условий меняться в широких пределах: от 0 до 6 м. Максимальные значения глубины промерзания грунтов наблюдаются в Забайкалье, ближе к границе Монголии, преимущественно на песчаных и крупнообломочных грунтах и большей частью на северных склонах.

Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают заметно меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.

Чем более крупные частицы слагают грунт, тем больше будет глубина его промерзания при прочих равных условиях, однако крупнодисперсные грунты не подвержены пучению

Так как глубина промерзания зависит от действительно большого числа факторов, для начала разберемся что на этот счет говорится в нормативной литературе.

В нормативной документации на проектирование фундаментов рассматривается только глубина промерзания грунта. Эта величина рассчитывается по формулам в зависимости от среднемесячных температур в холодный период года и типа грунта без учета всех остальных факторов (не учитывается снеговой покров, солнечная радиация, свойства и влажность грунта и пр.).

Действующий на данный момент норматив в области проектирования фундаментов — СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений гласит:

СП 22.13330.2016 п. 5.5.1 Глубину заложения фундаментов следует принимать с учетом: …- глубины сезонного промерзания грунтов. Выбор оптимальной глубины заложения фундаментов в зависимости от указанных условий необходимо выполнять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов.

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 ее следует определять в соответствии с ГОСТ 24847.

5.5.3 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 следует вычислять по формуле

, (5.3)

где 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;

Мt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СП 131.13330, а при отсутствии в нем данных для конкретного пункта или района строительства — по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства.

Значение d0для грунтов неоднородного сложения определяют как средневзвешенное в пределах глубины промерзания. (прим. если промерзает несколько разных слоев то необходимо определять осредненное значение коэффициента d0)

Нормативную глубину промерзания грунта dfn в районах, где >2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), следует определять теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330.

5.5.4 Расчетную глубину сезонного промерзания грунта df, м, вычисляют по формуле

, (5.4)

где 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;

dfn — нормативная глубина промерзания, м, определяемая по 5.5.2 и 5.5.3.

Примечания:

  1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетную глубину промерзания грунта для неотапливаемых сооружений следует определять теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетную глубину промерзания следует определять 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.

dfn — нормативная глубина промерзания, определяемая по СП 22.13330.2016 не учитывает множественные факторы т.к. нормативы нацелены на получение наиболее надежного результата. Эта величина показывает насколько промерзает грунт на свободной от снега поверхности, не прогреваемой солнцем в течении всей зимы (под навесом). Реальная глубина промерзания будет меньше или такой же в зависимости от количества снега и солнечной радиации на поверхности

Таблица 5.2

Для того, чтобы определить реальную глубину промерзания с учетом множества факторов, включая снеговой покров, солнечную радиацию и тепловой режим сооружения необходимо выполнить теплотехнический расчет. Теплотехнические расчеты сложны и трудоемки, а так же требуют большого количества исходных данных. Для отдельных случаев существуют упрощенные расчеты, некоторые из которых приведены в СП 25.13330. Вопросы теплотехники грунтов затрагиваются в этой статье.

4. Заключение

Для правильного учета сил морозного пучения и выбора мер по защите от его воздействия необходимо и достаточно верно определить глубину промерзания грунта. Для этого следует пользоваться расчетами, приведенными в нормативной литературе.

Учет скорости промерзания в расчетах невозможен из-за сложности определения этого показателя и его изменчивости.

Учитывать снеговой покров в надежде что он снизит глубину промерзания не следует, так как после возведения сооружения снег скорее всего будет переноситься ветром от одной части сооружения к другой и с наветренной стороны поверхность грунта будет оголена. Если же сооружение поднято над землей, то под ним будет оголенная поверхность без снега и с температурой наружного воздуха, что так же увеличит глубину промерзания.

Если глубина промерзания грунта больше 2,5 м и если среднегодовая температура в регионе отрицательная, то для определения нормативной глубины промерзания необходимо выполнять теплотехнический расчет.

Так же теплотехнический расчет следует выполнять если, например, применяется утепление грунта.

Для принятия решений по фундаментам используется расчетное значение глубины промерзания, которое в 1,1 больше нормативного для неотапливаемых сооружений и ниже нормативного для отапливаемых сооружений.

5. Связанные статьи

FAQ по замораживанию грунта | Groundfreezing.com

Как следует пересмотреть строительные процедуры с учетом мерзлого грунта?

Открытая мерзлая поверхность стены подвержена ухудшению и возможной нестабильности из-за нескольких факторов, включая 1) тепловую нагрузку от солнца, дождя и движущегося окружающего воздуха, 2) осыпание частично насыщенных мерзлых гранулированных грунтов из-за сублимации льда, и 3) ненадлежащие методы строительства, связанные с удалением воды и почвы из котлована.Замерзшая земля может быть защищена, если следующие строительные методы будут тщательно продуманы и, возможно, реализованы:
Защита открытой замерзшей земли
Открытая замерзшая стена, если ее оставить неизолированной, будет ежедневно осыпаться в небольшом количестве, пока не станет нестабильным. Одного слоя усиленной светоотражающей пластмассы или пенопласта часто бывает достаточно, чтобы предотвратить шелушение. Обычно рекомендуется облицовывать шахты бетоном с интервалом в 10 футов по мере продвижения земляных работ.
Мерзлую землю можно выкапывать струей воды, взрывать взрывчаткой, резать вращающимися закаленными металлическими битами или ломать с помощью пневматических или гидравлических ударных инструментов. Из этих альтернатив наибольшую опасность для замерзшей земли представляют собой взрывные работы и водоструйная очистка.
Укладка бетона против мерзлой земли
При необходимости бетон можно укладывать прямо на мерзлую землю, несмотря на то, что низкие температуры снижают скорость отверждения. Опыт показал, что для бетона, помещенного при температуре 15-18 ° C, прилегающий мерзлый грунт будет оттаивать на глубину, примерно равную 50-100% толщины бетона.Со временем почва снова промерзнет.
Обычно ни замерзание, ни снижение скорости затвердевания не представляют проблемы для обычного бетона, уложенного в секции толщиной более 250 мм. Для более тонких секций необходимо увеличить теплоту гидратации и / или скорость схватывания, используя следующее (в порядке желательности и стоимости): 1) более низкое водоцементное соотношение, 2) более богатый состав смеси, 3) высокий ранний или регулируемый цемент, 4) ускоряющие добавки, 5) глиноземистый цемент или 6) высокие концентрации (9-15%) хлорида кальция.

.

Как образуется мерзлый грунт?

the Ice Bowl, a 1967 football game played on frozen ground

Рис. 1. В 1967 году «Грин Бэй Пэкерс» и «Даллас Ковбойз» с трудом смогли встать на ноги, когда они играли в чемпионат по футболу на замерзшей земле. (Изображение с высоким разрешением недоступно)
Кредит: Зал славы профессионального футбола

На что похожа земля, когда она замерзает? При каких условиях он замерзает и остается замороженным? Очень известный футбольный матч в канун Нового года помогает проиллюстрировать ответы.

31 декабря 1967 года «Грин Бэй Пэкерс» и «Даллас Ковбойз» соревновались за звание чемпиона Национальной футбольной лиги в Грин-Бей, штат Висконсин. Температура в тот день была низкой, до -25 ° по Цельсию (-13 ° по Фаренгейту). Игроки заметили, что футбольное поле под их ногами стало твердым, поэтому их очищенные ботинки не могли врезаться в обычно мягкую почву. Игроки поскользнулись и изо всех сил пытались удержаться на ногах. Почему? Земля замерзла. Спортсмены не понаслышке испытали мерзлую землю.Историческая игра стала известна как Ice Bowl (Рисунок 1).

Почему замерзает земля?

Что значит сказать, что земля замерзла? Это означает, что вода между камнями, почвой и галькой и даже внутри камней замерзла. Эта замороженная вода называется поровым льдом . Земля замерзает, когда вода в ней становится льдом, как это было во время Ледяной чаши.

Земля тает при таянии порового льда. Обратите внимание, что, говоря о таянии мерзлого грунта, ученые не используют слово «таять».«Этот термин означает, что твердое вещество становится жидким. Когда мерзлая почва оттаивает, оно остается твердым.

A giant iceberg in the ocean near Antartica

Рис. 2. Этот гигантский айсберг плавает в океане около Антарктиды, потому что лед менее плотен, чем жидкая вода.
Авторы и права: Роб Бауэр и Тед Скамбос, NSIDC

Как вода внутри земли превращается в лед?

Вода, как и все вещества, замерзает при определенной температуре. Температура замерзания воды составляет 0 градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту).Когда температура воды опускается до 0 градусов Цельсия и ниже, она начинает превращаться в лед. Когда он замерзает, он выделяет тепло в окружающую среду.

Однако в некоторых отношениях вода не похожа на другие типы материи. Такое же количество воды заполняет еще пространства, когда оно превратилось в лед. Ученые используют слово «плотность», говоря, что жидкая вода более плотная, чем лед. Поскольку лед не такой плотный, как вода, он плавает. В этом можно убедиться, положив кубики льда в стакан с водой: они плавают.То же самое и с айсбергами, которые плавают в океане (рис. 2).

Какое отношение имеет плотность воды к мерзлому грунту?

Когда вода превращается в лед, она может расширяться с огромной силой. Образующийся в почве лед толкает землю, вызывая ее разбухание.

Люди, живущие в районах с холодным зимним сезоном, знают, что промерзшая земля может повредить дороги. Например, вода, превращающаяся в лед под дорогами, иногда создает морозное пучение . Расширяющийся лед толкает дорогу и создает горб.Когда вода замерзает, а затем тает, это способствует образованию выбоин и углублений на проезжей части.

Иногда в очень холодных местах под почвой образуется слой чистого льда. Этот слой называется сегрегированный лед — он не смешивается с почвой (рис. 3). Толщина сегрегированного льда может составлять несколько метров (до 10 футов). Сегрегированный лед образуется, когда поры льда притягивают воду, которая замерзает и притягивает еще больше воды. Этот эффект называется криосакцией . Криосакция заставляет замороженный слой расти, а растущий слой еще больше расширяет почву.Криосакция может увеличить размер вечно мерзлого грунта на 50 процентов.

hillside of segregated ice, small person in foreground

Рис. 3. Тонкие сероватые слои около колен человека на фотографии представляют собой сегрегированный лед. Выше льда слои наносов.
Источник: Natural Resources Canada

Все ли подземные слои имеют одинаковую температуру?

Когда температура земли опускается ниже 0 ° по Цельсию (32 ° по Фаренгейту), она замерзает. Однако температура земли может отличаться от температуры воздуха над ней.Слои глубоко в земле могут быть холоднее или теплее, чем слои у поверхности земли.

Верхний слой земли может реагировать на условия на поверхности, но нижние слои могут меняться не так быстро. В теплый летний день поверхность земли может поглощать тепло и становиться горячее воздуха. Но температура на глубине метра (несколько футов) под землей может быть намного ниже, чем в воздухе. Зимой происходит обратное. Поверхность земли охлаждается, но слой глубоко под землей может оставаться теплее, чем поверхность.Верхний слой земли не позволяет теплу перемещаться между холодным воздухом и более глубокими слоями земли. В результате земля изолируется.

Земля — ​​не единственное, что изолирует себя от воздуха. Например, представьте себе озеро в жаркий летний день. Первые несколько футов озера будут теплыми. Но ближе ко дну озера вода будет намного прохладнее. Солнечное тепло в меньшей степени влияет на воду, находящуюся глубоко под поверхностью.

Этот слой температур называется температурным градиентом.Летний температурный градиент в холодном месте, таком как Фэрбенкс на Аляске, может выглядеть так: температура воздуха выше нуля, поверхность земли выше нуля, но более глубокие слои почвы постоянно замерзают.

A diagram of sun

Рис. 4. На этой диаграмме показано, как атмосфера Земли и земля отражает и поглощает энергию Солнца.
Авторы и права: Центр данных НАСА по атмосферным исследованиям

Тип почвы в районе также влияет на то, как земля будет аккумулировать тепло.На рыхлых почвах, таких как песок, больше места для воды. В рыхлых почвах с крупными частицами легче образуется лед. Плотные почвы с мелкими частицами не имеют столько места для воды. Глина, например, замерзает не так легко, как песок.

Насколько глубоко может промерзать земля?

Глубина промерзания грунта во многом зависит от того, как долго воздух будет холодным. Чем дольше будет холодный период, тем глубже промерзнет земля. Но глубина мерзлого грунта ограничена, потому что Земля внутри теплая.

Большая часть тепла Земли исходит от Солнца (рис. 4). Земля сохраняет много солнечного тепла, а остальное отражает в воздух. Снег и лед светлые и отражают больше тепла. Океанская вода и голая земля отражают меньше тепла, а не поглощают его. Этот перенос тепла между землей и воздухом называется потоком поверхностной энергии.

Тепло также исходит изнутри Земли. Ядро Земли очень горячее, и его тепло движется к поверхности (рис. 5).Это движение тепла к поверхности называется геотермальным тепловым потоком. Геотермальный тепловой поток может предотвратить промерзание земли. Даже в очень холодных регионах земля может замерзнуть только до того, как геотермальный тепловой поток остановит ее.

A cross-section of the Earth

Рис. 5. Глубоко внутри Земля горячая. Мантия и жидкое внешнее ядро ​​- это расплавленная порода. Внутреннее ядро ​​твердое, но оно тоже горячее. Это тепло перемещается через слои Земли к поверхности.
Источник: Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса

Тепло от вулканов, рек, озер и других источников также может распространяться через землю.Это тепло сохраняет некоторые участки незамерзшими даже при низкой температуре поверхности.

В целом, более глубокая вечная мерзлота старше. Один исследователь обнаружил, что самая глубокая часть вечной мерзлоты под заливом Прудхо-Бэй на Аляске была заморожена более 500000 лет. Замерзшая земля под океаном называется подводная вечная мерзлота .

Какие виды мерзлого грунта?

Мерзлый грунт — это может быть сезонно мерзлый грунт или вечная мерзлота .Сезонно мерзлый грунт зимой промерзает, а летом оттаивает. Более чем на половине территории Северного полушария есть сезонно мерзлый грунт.

Вечная мерзлота — это тип мерзлого грунта, температура которого не ниже 0 ° по Цельсию (32 ° по Фаренгейту) не менее двух лет. Вечной мерзлоты нет

.

Заморозка грунта | Geoengineer.org

В этом отчете представлен подробный обзор искусственного замораживания грунта (AGF) как метода улучшения условий на стройплощадке для проектов гражданского строительства.

Искусственное замораживание грунта (AGF) — это метод улучшения грунта, при котором масса грунта определенной геометрии замораживается с использованием процесса охлаждения, включающего охлаждающий агент, либо охлажденный рассол, либо жидкий азот, который циркулирует через замораживающие трубы, встроенные в земля.AGF обычно используется для стабилизации грунта и контроля грунтовых вод в самых разных областях, включая все типы почв.

Этот отчет основан на обзоре доступной литературы по промерзанию грунта и содержит краткую историю промерзания грунта и его влияния на типичные инженерно-геологические свойства. Далее обсуждаются соображения по внедрению замораживания грунта в полевых условиях, а также преимущества и недостатки этого процесса. Наконец, рассмотрены два тематических исследования внедрения AGF в полевых условиях.

История

Искусственное замораживание грунта (AGF) — это метод стабилизации грунта, включающий отвод тепла от земли для замораживания поровой воды почвы. Концепция промерзания грунта была впервые представлена ​​во Франции, а промышленное применение относится к 1862 году, когда оно использовалось в качестве метода строительства шахтного ствола в Южном Уэльсе (Schmidt 1895). В конце концов, этот метод был запатентован немецким горным инженером Ф. Х. Поетчем в 1883 году (иногда называемый процессом Поэтша). Способ включает систему труб, состоящую из внешней трубы и концентрических внутренних питающих труб, по которым циркулирует охлажденный хладагент (обычно хлорид кальция).Хладагент закачивается по внутренней трубе и обратно по внешней трубе. Затем он снова охлаждается в процессе охлаждения и возвращается по системе трубопроводов. Дальнейшее развитие технологии AGF произошло во Франции в 1962 году, когда жидкий азот (LN2) закачивался в замораживающие трубы вместо охлажденного рассола хлорида кальция. Это позволяет при необходимости намного быстрее промерзать грунт. Жидкий азот проходит по трубам замораживания и испаряется в атмосферу (Sanger and Sayles, 1979).

В настоящее время AGF применяется в большом количестве инженерных проектов, где важны стабильность, состояние грунтовых вод и локализация. Примеры ситуаций включают в себя: строительство вертикального ствола для горных работ или проходки туннелей, стабилизация непроектированных земляных насыпей (большие препятствия), площадки, требующие горизонтального доступа (например, навес ТБМ для строительства поперечного прохода), боковая и вертикальная локализация загрязняющих веществ, перенаправление загрязняющих веществ, грунтовые воды отсечка (может быть привязана к коренным породам) и аварийная поддержка / стабилизация с использованием LN2 (Schmall and Braun 2006).

Во время процесса тепло отводится от почвы по цилиндрической форме вокруг замораживающих труб. Это создает столбики из мерзлого грунта. Столбцы продолжают расширяться, пока не пересекутся. Отсюда замерзшая масса будет расширяться наружу, создавая стену или твердое кольцо из мерзлого грунта (Sanger and Sayles, 1979).

В следующих разделах описывается влияние AFG на инженерные свойства грунтов, а именно на гидравлическую проводимость, жесткость, прочность на сдвиг и способность к изменению объема.Кроме того, вводятся лабораторные испытания и классификация мерзлых грунтов в соответствии со стандартами JGS и ASTM.

Гидравлическая проводимость мерзлых грунтов

При применении в проектах гражданского строительства для локализации или контроля грунтовых вод мерзлый грунт практически непроницаем. Трещины льда также могут излечиться путем повторного замораживания. Проблемы с проницаемостью возникают, когда процедуры замораживания не выполняются правильно, и почва не замерзает полностью как одна масса, оставляя «окна» из незамерзшей почвы, которые могут поставить под угрозу способность замороженного барьера удерживать и контролировать грунтовые воды или изолировать загрязнитель в почве .Окна незамерзшей почвы часто определяют и определяют их размер с помощью ультразвукового метода измерения (Jessberger 1980).

Прочностное поведение мерзлого грунта

Прочностное поведение мерзлого грунта, как и любого другого грунта, зависит от ряда факторов, включая тип грунта, температуру, ограничивающее напряжение, относительную плотность и скорость деформации. Мерзлые грунты обладают большей прочностью, чем незамерзшие. Как правило, прочность мерзлого грунта увеличивается при понижении температуры и увеличении ограничивающего напряжения.

Da Re et al. В 2003 году было проведено исследование характеристик трехосной прочности замороженного мелкозернистого песка Manchester Fine Sand (MFS), в котором образцы были приготовлены с различными относительными плотностями (20-100%), ограничивающими напряжениями (0,1-10 МПа) и скоростями деформации (3 x 10-6 — 5 x 10-4 с-1) и температуры (от -2 до -25 ° C).

Результаты, графически представленные на Рисунке 1, показывают две различные области деформации, в которых мерзлая почва действует по-разному. Небольшие деформации (менее 1% в осевом направлении) приводят к линейному увеличению прочности, наклон (модуль) которого не зависит от относительной плотности или ограничивающего напряжения.Величина начального предела текучести (при осевой деформации 0,5–1% во всех случаях) увеличивается с увеличением скорости деформации и понижением температуры. Поведение при больших деформациях включает в себя деформационное разупрочнение, проявляемое образцами, подготовленными при низкой относительной плотности и при низком ограничивающем напряжении, до деформационного упрочнения, проявляемое образцами, приготовленными при высокой относительной плотности и высоком ограничивающем напряжении.

Рис. 1. Прочностные характеристики MFS (Da Re et al. 2003)

Поведение MFS при деформационном смягчении, показанное в Da Re et al.Исследование объясняется Корнфилдом и Зубеком 2013. Они утверждают, что снижение напряжения выше начального предела текучести происходит из-за увеличения дробления и плавления под давлением замороженной поровой воды. Ян и др. 2009 и Xu et al. 2011 год также показал, что по мере увеличения ограничивающего давления прочность на сдвиг достигает пика, а затем уменьшается из-за дробления льда и таяния под давлением. Обычно при -10 ° C мерзлые пески и мерзлые глины имеют прочность на сжатие 15 МПа и 3 МПа соответственно (Klein 2012).

Прочность замороженной глины на сжатие была проанализирована Li et al.при переменных температурах, скоростях деформации и плотности в сухом состоянии. Глина была уплотнена до трех различных плотностей в сухом состоянии и имела предел текучести 28,8% и предел пластичности 17,7%. Испытания на одноосное сжатие проводились при различных температурах (от -2 до -15 ° C) и различных скоростях деформации (приблизительно от 1 x 10-6 до 6 x 10-4 с-1) для каждой плотности в сухом состоянии. Результаты исследования показали, что силовые характеристики аналогичны исследованию, проведенному Da Re et al. для замороженных MFS. Прочность на сжатие испытанной глины увеличивалась с увеличением скорости деформации, понижением температуры и увеличением плотности в сухом состоянии, аналогично поведению MFS, испытанного в Da Re et al.учиться. Кроме того, замороженные глины проявляли как деформационное упрочнение, так и деформационное разупрочнение после достижения начального предела текучести, который сильно зависел от времени до разрушения, которое само по себе зависит от скорости деформации. Результаты исследования показали, что образцы замороженной глины, нагруженные при низких скоростях деформации, достигли низкой прочности на одноосное сжатие (приблизительно 2 МПа при 10% деформации, если разрушение не было достигнуто) при более длительном времени до разрушения, но демонстрировали характеристики деформационного упрочнения. Напротив, образцы замороженной глины, нагруженные при высоких скоростях деформации, достигают гораздо более высокой прочности на одноосное сжатие (примерно 6 МПа при разрушении), но демонстрируют деформационное разупрочнение (Li et al.2004 г.).

Жесткость мерзлых грунтов

В целом мерзлые грунты более жесткие, чем незамерзшие. Да Ре и др. В своем исследовании прочности мерзлого грунта на MFS провели исследование модуля Юнга. Они обнаружили, что замороженный MFS имел модуль Юнга от 23 до 30 ГПа. Поскольку поведение замороженного MFS при малых деформациях было одинаковым для всех тестируемых переменных, модуль Юнга не зависел от тестируемых переменных (относительная плотность, ограничивающее напряжение, скорость деформации и температура).

Рис. 2. Нормированное поведение напряженно-деформированного состояния MFS (Da Re et al. 2003)

Рис. 2 из Da Re et al. al., 2003 исследование показывает независимость модуля Юнга мерзлых песков путем нормализации напряжения сдвига с начальным пределом текучести. На рисунке 2 также показаны различные объемные деформации из-за деформационного упрочнения или разупрочнения замороженного MFS после начального напряжения текучести, что обозначено как поведение типа A, B, C или D.

Характеристики изменения объема мерзлого грунта

Во время фазового перехода от жидкого к твердому, вода увеличивается в объеме примерно на 9%, что приводит к вспучиванию грунта на поверхности земли (Lackner et al. 2005). Пучка из-за увеличения объема может повредить близлежащие конструкции (туннели, поверхностные конструкции) во время замерзания и оттаивания, поэтому понимание свойств почвы и того, как они влияют на вспучивание почвы, важно во время AGF. Почва, подвергшаяся вспучиванию, также будет оседать при оттаивании, что необходимо учитывать.Грунт может также наблюдать изменения объема из-за ползучести под нагрузкой.

Пучкование почвы происходит в почвах, где линзы льда образуются внутри пустот. Структура почвы должна способствовать переносу воды из окружающих пустот к фронту замерзания ледяной линзы за счет капиллярных сил. По этой причине илистые почвы особенно чувствительны к заморозкам (Widianto et al. 2009).

Также важно отметить, что в некоторых случаях глины могут проявлять низкую морозостойкость. По мере того как фронт замерзания движется наружу, глины демонстрируют вспучивание из-за объемного расширения ледяной линзы, однако уплотнение может происходить перед фронтом замерзания, где отрицательное поровое давление создается движением воды в зону замерзания.Чистый эффект вспучивания и уплотнения под ледяной линзой может быть небольшим или незначительным на поверхности (Han and Goodings, 2006). Несмотря на это, почвы для конкретных участков должны быть проверены на морозоустойчивость, если ожидается, что морозное пучение будет проблемой для близлежащих строений.

Общие лабораторные испытания мерзлых грунтов

Что касается мерзлых грунтов, как ASTM, так и JGS имеют некоторые стандарты для лабораторных испытаний. Однако многие из этих испытаний относятся либо к дорожному покрытию, многократным циклам замораживания-оттаивания, либо дают информацию только о направлении теплового потока.JGS 0171-2003 — это метод испытаний для прогнозирования морозного пучения почвы. В этом стандарте используется уравнение Такаши для морозного пучения в направлении теплового потока. Kanie et al. В 2013 году было предложено использовать метод трехмерной оценки с использованием уникального лабораторного оборудования и моделирования методом конечных элементов.

В настоящее время существуют стандарты для определения прочностных свойств при постоянной деформации (ASTM D7300-11) и свойств ползучести (ASTM D5520-11). Оба этих теста выполняются при одноосном сжатии.Стандарты трехосного испытания незамерзшей почвы не применяются к мерзлым грунтам, и для получения сопоставимых результатов необходимы новые стандарты.

Существует множество нестандартных лабораторных и полевых испытаний, используемых в настоящее время для мерзлых грунтов, включая (Oestgaard and Zubeck 2013):

  • Прямой сдвиг (Bennett and Nickling 1984, Yasufuku et al. 2003).
  • Трехосное сжатие (Бейкер и др. 1984, Аренсон и др. 2004).
  • Одноосное растяжение (Zhu and Carbee 1987, Erckhardt 1981).
  • Постоянная ползучесть (Андерсленд и Ладаньи, 2004).
  • Тест на расслабление (Андерсленд и Ладаньи, 2004).
  • Консолидация оттепели (Моргенштерн и Никсон, 1971).
  • Давление ползучести (Ladanyi 1982).
  • Давление релаксации давления (Ladanyi 1982, Ladanyi and Melouki 1992).

Классификация мерзлых грунтов

Классификация и описание мерзлых грунтов в настоящее время задокументированы ASTM D4083-89 (повторно утверждены в 2007 г.). Это включает описание как почвенной фазы, так и ледяной фазы материала.Описание фазы почвы такое же, как и у незамерзшей почвы, ASTM D2488. Затем замороженная фаза классифицируется на одну из двух групп: N для почвы без видимого льда и V для почвы со значительной видимой льдом.

Эти группы впоследствии разбиваются на подгруппы, описанные в стандарте. На рисунках 3 и 4 показаны визуальные представления классификации видимого и невидимого льда в соответствии со стандартом ASTM D4083-89.

Young

Рис. 3. Видимый лед в мерзлой почве (ASTM D4083-89)

Видимый лед представлен черным цветом на рис. 3.Видимый лед может существовать в структуре почвы в виде отдельных ледяных карманов (Vx), покрытий вокруг частиц почвы (Vc), нерегулярных образований (Vr) или слоистых образований (Vs).

Young

Рис. 4. Структура мерзлого грунта без видимого льда (ASTM D4083-89)

Как и на Рис. 3, лед представлен черным цветом на Рис. 4. Когда нет видимого льда в структуре Мерзлый грунт классифицируется по тому, насколько хорошо образец сцеплен со льдом.Замерзший грунт без видимого льда может быть плохо связан (Nf), хорошо связан без лишнего льда (Nbn) или хорошо связан с лишним льдом (Nbe).

Sayles et al. 1987 дает несколько рекомендаций для полного описания мерзлого грунта. К ним относятся символ и описание USCS незамерзшей почвы, символ и описание мерзлого грунта, гранулометрический состав, пределы Аттерберга, а также физические свойства, такие как содержание льда (замороженный), содержание воды (незамерзшее), удельный вес, удельный вес почвы, насыщение процент и соленость.Эти параметры имеют сильное влияние на прочность и поведение почвы в мерзлом состоянии. Для искусственного замораживания грунта рекомендуется использовать систему, описанную в Andersland and Anderson 1978 (Sayles et al. 1987). Still et al. В 2013 году было предложено разработать стандартизированное индексное тестирование для использования при классификации мерзлых грунтов.

Внедрение замораживания грунта в полевых условиях может выполняться с использованием различного оборудования, охлаждающих жидкостей и процедур. В следующих разделах описан общий обзор реализации замораживания грунта.

Оборудование

Для замораживания грунта требуется мобильная холодильная установка. Установка может работать на охлаждающих жидкостях, таких как аммиак или CO2, и отводить тепло от циркулирующей жидкости, которой обычно является хлорид кальция или рассол хлористого магния (Jessberger 1980).

Young

Рис. 5. Мобильные холодильные установки при AGF (SoilFreeze)

Температуры рассола -25 ° C или ниже обычно достаточно для большинства проектов. Также доступны коммерческие рассолы, разработанные специально для использования с AFG.Важно исследовать свойства этих охлаждающих жидкостей, чтобы гарантировать совместимость с другим оборудованием (например, коррозия труб). Используемая охлаждающая жидкость может зависеть от температурных требований проекта, рассол хлорида магния замерзает при -34 °, а рассол хлористого кальция замерзает при -55 ° C.

LN2 кипит при температуре -196 ° C и может использоваться вместо обычного хладагента. Из-за чрезвычайно низкой температуры LN2 промерзание почвы при контакте с LN2 происходит намного быстрее.Следовательно, полное замораживание может быть выполнено намного быстрее, используя LN2 вместо охлажденного рассола. Однако из-за более высокой стоимости его обычно резервируют для аварийной стабилизации, краткосрочного замораживания и проектов небольшого объема. В этом случае LN2 транспортируется на площадку в специализированных резервуарах для хранения и вставляется непосредственно в замораживающие трубы. Он не циркулирует через холодильную установку. Скорее, ему дают испариться на поверхности, как показано на рисунке 5, после того, как он отводит тепло от почвы (Jessberger 1980).

Рис. 6. Испарение жидкого азота во время AGF («замораживание грунта»)

В таблице 1 представлена ​​основная сводка относительных сравнений между охлажденным рассолом с хлоридом кальция и жидким азотом (LN2).

Young

Таблица 1. Сводка свойств рассола хлорида кальция и жидкого азота для AGF

В более холодном климате термосифоны могут использоваться для достижения температур, необходимых для замораживания почвы. Термосифоны реализуют конвекцию рабочего тела для отвода тепла от земли и передачи его воздуху на поверхности земли.Для того, чтобы этот процесс работал, температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры земли, поэтому он обычно используется в холодных регионах. Рабочая жидкость термосифона закапывается в землю, где содержащаяся в ней жидкость поглощает тепло, испаряется и поднимается к верху сифона. Там он охлаждается окружающим воздухом, в результате чего он конденсируется и возвращается на дно термосифона. Этот процесс показан на рисунке 6 ниже. Этот процесс является энергоэффективным, однако для его эффективного использования в процессе AGF требуется температура воздуха ниже нуля.Если требуется дальнейшее замораживание, можно использовать термосифоны с питанием для снижения температуры грунта после того, как они достигнут температуры окружающего воздуха (Wagner and Yarmak 2013).

Young

Рис. 7. Схема пассивного термосифона (Wagner and Yarmak 2012)

Морозильные трубы могут быть изготовлены из различных материалов. Типичная установка может включать стальные внешние трубы диаметром 5 дюймов и внутренние пластиковые (например, полиэтиленовые) трубы диаметром 3 дюйма (Klein 2012). Трубы для замораживания должны стоять в вертикальном положении и выдерживать боковое давление грунта, связанное с площадкой.Исторически сложилось так, что морозильные трубы должны выдерживать 13 кПа на метр глубины заглубления шахты (Klein 2012). Необходимо следить за целостностью замерзшей трубы, чтобы предотвратить повреждение труб из-за вспучивания почвы.

Одним из наиболее важных аспектов проекта AGF является мониторинг состояния почвы во время замерзания и оттаивания. Обычно возле промерзшей стены просверливают отверстие, где устанавливают датчики температуры для контроля температуры почвы. Это жизненно важно для конечного продукта (мерзлая срезанная стенка, мерзлая почвенная масса и т. Д.).Кроме того, отслеживается пучение и оседание грунта из-за замерзания и оттаивания грунта после завершения проекта. Если предполагается проведение земляных работ за замороженной стеной, для измерения прогибов стен могут использоваться дефлектометры, экстензометры и инклинометры. Чтобы определить, существуют ли какие-либо окна из незамерзшей почвы в массе мерзлого грунта, можно провести ультразвуковые измерения. Наконец, при необходимости выполняются специальные измерения для конкретного проекта, такие как вертикальное давление и деформации существующих конструкций из-за вертикального подъема (проходка туннелей, фундаменты, особые проектные соображения) (Jessberger, 1980).

С помощью компьютерных систем большая часть процесса AGF автоматизирована.

Автоматический сбор данных используется для измерения температуры и прогиба. Кроме того, компьютерные системы регулируют поток охлаждающей жидкости в морозильные трубы, чтобы более точно контролировать температуру земли.

Методы проектирования и соображения

Возможно, наиболее важным шагом в обеспечении успешного внедрения AGF является определение характеристик площадки, как и во всех инженерно-геологических проектах.Тип почвы и грунтовые воды должны быть точно охарактеризованы, чтобы обеспечить соответствие мерзлого грунта проектным требованиям. В частности, для проектов AGF всегда следует брать пробы грунтов и проверять их термические свойства. Подземные воды также проверяются на температуру и скорость замерзания. Высокая скорость грунтовых вод (> 2 м / день) создает проблемы во время промерзания почвы и может приводить к неоднородностям. Меньшее расстояние между трубами, несколько рядов или использование LN2 могут использоваться для противодействия высокой скорости грунтовых вод (FHWA 2013, Klein 2012).

Xanthakos et al. 1994 рекомендует использовать отношение расстояния между замораживающими трубами к диаметру не более 13 для труб диаметром 120 мм или меньше. Также необходимо учитывать соленость грунтовых вод. На участках с высокой соленостью будет наблюдаться снижение температуры замерзания и более низкая прочность при замерзании. По мере увеличения солености будет уменьшаться морозное пучение, оседание оттаивания и сила пучения (Hu et al. 2010). Некоторые из этих изменений являются полезными, однако в конечном итоге будет менее консервативный проект, если соленость не будет должным образом учтена.Кроме того, минерализация поровой воды может быть неоднородной. Области с более высокими концентрациями могут образовывать карманы из незамерзшей воды или пленки из незамерзшей воды вокруг частиц (Hu et al. 2010).

Дальнейшее рассмотрение, помимо свойств почвы и грунтовых вод, включает температуру окружающего воздуха, сроки и риски проекта, а также ожидаемое вспучивание и оседание почвы. Если температура окружающего воздуха достаточно низкая, термосифоны могут быть более энергоэффективным решением. В случае чрезвычайной ситуации, требующей немедленного промерзания грунта, такой как локализация загрязненной почвы или вопросы планирования строительства, в качестве хладагента может использоваться жидкий азот вместо охлажденного рассола.Наконец, конструкции также должны быть чувствительны к ожидаемому вспучиванию почвы при замерзании и оседанию во время оттаивания. Фазовый переход от воды к льду может вызвать увеличение объема до 9%, что приводит к вспучиванию почвы при замерзании (Lackner et al, 2005).

Расчетные параметры, определенные на основе характеристик площадки, часто моделируются с использованием компьютерных программ метода конечных элементов (МКЭ), таких как Ansys. Это может быть необходимо для более сложных сценариев и подземных условий. Дополнительные программы, такие как SEEP / W от GeoStudio и AIR / W, могут при необходимости моделировать граничные условия конвективной поверхности (Geo-Slope).TEMP / W используется в GeoStudio для моделирования тепловых изменений в грунте.

Благодаря своим непроницаемым свойствам мерзлый грунт является отличным материалом для отсечения грунтовых вод. Замораживание грунта использовалось для создания водонепроницаемого уплотнения вокруг выработок в соляных шахтах и ​​вокруг них. Он также может быть связан с коренной породой и другими подземными объектами (Schmall and Braun 2006). Это создает непроницаемый барьер, который может доходить до трещиноватой коренной породы. Следует отметить, что гидравлическая проводимость породы может увеличиваться после оттаивания из-за дальнейшего раскрытия трещин при промерзании.

Время замораживания

Искусственное замораживание грунта может быть длительным процессом. Охлажденный рассол лучше подходит для проектов с более длительными сроками от недель до месяцев. Рассол циркулирует по системе трубопроводов во время фазы замерзания, пока земля полностью не замерзнет. После того, как почва достаточно промерзнет, ​​температура поддерживается постоянной на этапе обслуживания. Liqui

.

Как замерзшая земля влияет на землю?

A pingo near Kunlun Pass in China

Рис. 1. Небольшие холмы, называемые пинго, образуются на участках с мерзлым грунтом. Этот пинго образовался возле перевала Куньлунь на Цинхай-Тибетском плато в Китае.
Кредит: Тинцзюнь Чжан

Когда земля замерзает или оттаивает, она может изменить форму земли. Некоторые эффекты мерзлого грунта могут быть вам знакомы, например, выбоины на дороге, вызванные замерзанием и оттаиванием грунта. Иногда мерзлая земля создает очертания рельефа. Люди, живущие на крайнем севере, возможно, видели некоторые из этих форм рельефа, но для людей, живущих дальше на юг, они кажутся странными.

Тибетское плато в Китае — одно место с удивительными формами рельефа, образованными мерзлым грунтом. Плато относительно ровное и безлесное. Но кое-где холмы поднимаются в небо, как миниатюрные вулканы. Некоторые из них имеют высоту 50 метров (164 фута). Эти небольшие холмы называются пинго (рис. 1). Пинго образуются, когда жидкая вода под землей находится под давлением. Вода медленно питает слои льда, которые поднимают землю снизу вверх. Некоторые люди видели, как пинго взрываются, разбрасывая все вокруг льдом и водой.Пинго также водятся в Арктике.

Что такое морозное пучение?

Когда вода под землей превращается в лед, она расширяется. Это может заставить землю двигаться, вызывая морозное пучение. Морозное пучение поднимает землю, а также все, что на ней находится. Морозное пучение может быть достаточно сильным, чтобы сдвинуть и повредить дороги, мосты и здания. Морозное пучение особенно сильно там, где есть вечной мерзлоты или глубокой сезонной мерзлоты .

Что такое неравномерное оттаивание?

Когда мерзлая земля тает, лед в земле тает.Земля опускается, чтобы заполнить пространство, оставленное льдом. Количество льда и скорость его таяния могут варьироваться от места к месту. Поскольку разные участки земли могут не таять с одинаковой скоростью, тающий лед может сделать поверхность неровной. Неравномерное оттаивание может сделать дороги волнистыми. Езда по этим подъемам и спускам может ощущаться как катание на американских горках.

cylindrical ice crystals in soil

Рис. 2. Эти странные на вид кристаллы льда, названные игольчатым льдом , образовались на мерзлой земле.
Кредит: J. Brew

Какие формы рельефа создает мерзлая земля?

Замерзшая земля может замерзать и таять, а слои льда могут расти под землей.Эти процессы создают объекты, называемые формами рельефа. Некоторые из этих элементов могут образовываться везде, где промерзает земля, а другие могут образовываться только в местах с вечной мерзлотой .

Формы замерзшего грунта имеют особые названия.

Игольчатая ледяная

Игольчатый лед может образовываться в любом месте, где земля замерзает. Хрустит при наступлении. Игольчатый лед состоит из тонких кристаллов льда (рис. 2). Кристаллы льда растут вверх, начиная с нескольких сантиметров (дюймов) под землей.Если воздух остается достаточно холодным, игольчатый лед может вырасти на сорок сантиметров (шестнадцать дюймов) в длину.

Узорчатый грунт

В Арктике на суше образуются гигантские области кругов, полос или других форм (рис. 3). Эти участки называются узорчатым грунтом. Узорчатая почва образуется, когда вода и лед в земле перемещают каменистую почву.

Клинья льда

Гигантские башни слоистого льда могут образовываться из небольших трещин в земле, которые становятся все больше. Эти башни называют ледяными клиньями.Чтобы увидеть, как формируются ледяные клинья, посетите веб-сайт Periglacial Ice Wedges Animation.

Пинго

Пинго — это небольшие холмы высотой до 50 метров (164 футов). Пинго образуются, когда толстый подземный лед поднимает верхние слои почвы.

Палсас

Пальсы — это холмы, похожие на пинго, но меньше по размеру. Пальсы образуются, когда лед притягивает жидкую воду. У них есть слои почвы и льда. Пальсы встречаются на заболоченных территориях.

Скальные ледники

Каменные ледники — это реки из камней, грязи и льда, которые медленно текут с холма.Скальные ледники отличаются от ледяных ледников, потому что они формируются из материала на земле. Лед Ледники образуются, когда снег падает на землю и сжимается в лед в течение многих лет.

Термокарстовые озера

Термокарстовые озера образуются при таянии вечной мерзлоты и высвобождении воды. Таяние льда под термокарстовыми озерами со временем приводит к их углублению.

Patterned ground around thaw lakes in Alaska

Рис. 3. На фотографии, сделанной с воздуха, видна поверхность с рисунком , окружающая талые озера в Арктическом национальном заповеднике дикой природы на Аляске.Замерзшая земля вызывает подобные образования.
Кредит: Служба рыболовства и дикой природы США

rock glacier

Рисунок 4. Эта река из камней, грязи и льда называется каменным ледником . Каменные ледники содержат больше камней и грязи, чем льда. Этот каменный ледник находится в Северо-Западных территориях, Канада.
Кредит: NSIDC

thufur

Рисунок 5 Эти большие комки в земле называются thufur . Туфур может образовываться при замерзании и оттаивании земли. Эти туфур находятся в Исландии.
Кредит: Рейнхольд Рихтер

Косынки

Кочки образуются на участках с плотной почвой с мелкими частицами, например глинистой почвой. Когда вода в почве замерзает и оттаивает, она может поднимать гладкие комки почвы. Кочки часто образуются большими группами. Они могут образовываться независимо от того, есть ли под ними вечная мерзлота.

Thufur

Thufur — огромные торосов , которые сохраняются из года в год (Рисунок 5). Они могут быть более полуметра (1,6 фута) в высоту.Туфур формируется либо в активном слое в районах вечной мерзлоты, либо в сезонно мерзлых грунтах в районах без вечной мерзлоты во время промерзания грунта.

Drunken trees in Alaska

Рис. 6. Наклонные деревья в этом лесу на Аляске наклоняются, потому что раньше земля была постоянно замороженной, но теперь она таяла. Такие леса называются пьяных лесов .
Кредит: Тинцзюнь Чжан

Может ли таять мерзлый грунт изменить землю?

Когда мерзлый грунт тает, окружающая среда может резко измениться.Например, таяние вечной мерзлоты на горных склонах может привести к оползням.

Когда вечная мерзлота тает на ровной поверхности, она может коробить землю. Деревья, растущие поблизости, могут оказаться в опасности. Иногда их корни становятся настолько слабыми, что деревья наклоняются и падают. Эти деревья иногда называют пьяным лесом (рис. 6).

В прибрежных районах вечная мерзлота и морской лед работают вместе, защищая берег от океанских волн. Когда тает морской лед и тает вечная мерзлота, волны, ударяющиеся о берег, могут повредить землю и привести к эрозии.Иногда земля обрушивается в океан.

См. «Климат и замерзшая земля» для получения дополнительной информации о таянии вечной мерзлоты и изменении климата.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

*

*