2. Влияние качества грунтов, почв и растительности на промерзание. Основные теплофизические и геотехнические показатели
Для точного расчета глубины и скорости промерзания и протаивания различных грунтов требуется знание их основных свойств и состояний. К их числу относятся:
1) коэффициент теплопроводности,
2) удельная теплоемкость,
3) объемная теплоемкость,
4) коэффициент температуропроводности,
5) плотность,
6) влажность,
7) структура,
8) минеральный состав,
9) текстура,
10) растительный покров.
Коэффициент теплопроводности, как известно, является показателем количества тепла, проходящего через единицу объема при сечении равном единице, в единицу времени, при температурном градиенте, равном единице. Теплопроводность грунта зависит от многих показателей. В их число следует включить плотность, влажность, температуру выше или ниже точки замерзания, структуру, текстуру и минеральный состав.
Разница в теплопроводности мерзлых и талых грунтов определяется главным образом их влажностью. Коэффициент теплопроводности сухих грунтов не меняется при переходе через 0°. При низких влажностях, т. е. до 6—10% в песчаных или до 12% в тонкоструктурных грунтах, теплопроводность ниже в мерзлом состоянии, чем в талом. При увеличении влажности коэффициент теплопроводности мерзлого грунта становится больше, чем талого. При высокой влажности грунтов теплопроводность мерзлых образцов увеличивается приблизительно до 30—50% по сравнению с талым грунтом. На рис. 7 показаны графики коэффициентов теплопроводности песчаных и глинистых, талых и мерзлых грунтов при различной их влажности. 
Приведенные графики справедливы по своим качественным показателям. Вопреки некоторым литературным данным, графики правильно показывают, что коэффициенты теплопроводности песков больше, чем глин. Интересны собственно зависимости между коэффициентами теплопроводности мерзлых и немерзлых грунтов различной влажности, которые можно принять с достаточной степенью достоверности. Что же касается количественных оценок, то к ним следует относиться с осторожностью и рассматривать как некоторую иллюстрацию этих величин. Из сопоставления данных графиков с материалами советских исследователей можно сделать предположение, что для обобщенных суждений графики для песков (III и IV) отличаются большей правдоподобностью, чем для глин (график I и II). Заслуживает быть отмеченным, что верхние части рассматриваемых графиков носят теоретический характер, так как подобные объемные веса грунтов могут быть получены только искусственно в лабораторной обстановке. При расчетах глубины промерзания основное, значение имеет объемная теплоемкость. Объемную теплоемкость мерзлого влажного грунта вычисляют как сумму теплоемкостей скелета грунта, льда и незамерзающей воды.
Очевидно, что влажность оказывает большое влияние на теплоемкость грунтов, так как теплоемкость воды приблизительно в пять раз больше теплоемкости наиболее распространенных грунтов. Последнее свойство имеет, в частности, большое практическое значение при задачах ускорения протаивания мерзлых грунтов весной. Содержание влаги оказывает на температуру грунта большее влияние, чем теплоемкость и плотность. Вообще грунтовая влажность влияет на интенсивность теплового излучения грунтов, испарение, удельную и объемную теплоемкость, теплопроводность и темпера-туропроводность. Коэффициент температуропроводности показывает скорость, с которой грунт изменяет темпера- туру при колебаниях температуры окружающей среды. Этот коэффициент определяется отношением коэффициента теплопроводности к объемной теплоемкости. Ниже приведены коэффициенты температуропроводности некоторых минералов: кварцит 0,00536 м2/час известняк 0,00473 » доломит 0,00464 » гранит 0,00398 » риолит 0,00326 » базальт 0,00296 » Относительно промерзаемости грунтов через слой бетона можно указать на коэффициент температуропроводности бетонов в сооружениях: 0,00222—0,00555 м 21час.
Структура грунтов так характеризует их теплопроводность: крупнозернистые грунты (гравий и пески) имеют наиболее высокую, а тонкозернистые грунты — наиболее низкую теплопроводность. Однако в природном состоянии крупнозернистым грунтам обычно свойственна меньшая влажность, чем мелкоструктурным. Поэтому во многих случаях природного состояния грунтов отмеченные структурные различия могут быть не показательными. Минеральный состав имеет некоторое влияние на теплопроводность грунта. Соответствующие исследования показывают, что теплопроводность пород, из которых слагаются грунты, изменяется в широком диапазоне. По этим данным теплопроводность кварца колеблется в пределах от 6,20 до 10,55 ккал/м •час • град, а базальтов и габбро — от 1,36 до 2,18. Вообще пески с высоким содержанием кварца более теплопроводны, чем пески, богатые плагиоклазом, полевым шпатом и пироксеном. Грунты, богатые глинистыми минералами (коалинитами), имеют относительно низкую теплопроводность. При решении обычных задач по промерзанию и протаиванию грунтов — их минеральный состав не имеет большого практического значения. Текстура или слоистость не имеет значения только для зернистых грунтов. Для них определения теплопроводности k с нарушенной и ненарушенной структурой дают результаты, почти не различающиеся между собой. Однако для ряда текстурных и слоистых грунтов значение k для ненарушенных материалов иногда в два раза больше, чем для разрушенных. В мерзлых грунтах, особенно содержащих ледяные линзы, влияние слоистости может иметь очень большое значение. Растительный покров не способствует уменьшению промерзания грунта. Объясняется это тем, что растительность является лучшим теплоизолятором в течение теплого времени, чем в течение холодного. Обычный низкий травянистый покров мало способствует снегозадержанию, а высокий — загрязняет карьер или выемку, грунты из которых предназначены для укладки в насыпь или засыпки. Вследствие этого травяной покров следует удалять во всех случаях весной и летом того года, когда планируются зимние работы. Что касается кустарника и мелколесья, то его следует оставлять в прореженном состоянии в количестве и в местах полезных для снегозадержания.
|
