Приложение Б. Физические и теплофизические характеристики многолетнемерзлых грунтов

Приложение Б

Физические и теплофизические характеристики многолетнемерзлых грунтов

Б.1 В состав физических и теплофизических характеристик, определяемых для многолетнемерзлых грунтов, входят:

а) суммарная влажность мерзлого грунта - и влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями - ;

б) суммарная льдистость мерзлого грунта , представляющая собой отношение содержащегося в мерзлом грунте объема льда к объему мерзлого грунта и льдистость грунта за счет видимых ледяных включений , представляющая собой отношение содержащегося в мерзлом грунте объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта;

в) степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой - , доли единицы;

г) температура начала замерзания грунта - , °С;

д) влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды - , доли единицы;

е) теплофизические характеристики грунта (теплопроводность , и удельная теплоемкость С, );

ж) теплота таяния льда (замерзания воды) в грунте - ;

з) степень засоленности - , %;

и) концентрация порового раствора - , доли единицы;

к) объемная степень заторфованности - J, доли единицы;

л) степень заторфованности - G, доли единицы.

Б.2 Суммарная влажность мерзлого грунта - и влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями - , определяются в соответствии с ГОСТ 5180.

Б.3 Суммарная льдистость мерзлого грунта - , льдистость мерзлого грунта за счет включений льда - , и степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой - определяются в соответствии с ГОСТ 25100.

Б.4 Под засоленностью понимается наличие в мерзлом грунте воднорастворимых солей в таком количестве, которое существенно изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов.

Степень засоленности грунта , характеризует относительное содержание в грунте воднорастворимых солей, ее следует определять по ГОСТ 25100 как отношение массы солей к массе сухой навески грунта (включая массу содержащихся в нем солей) по формуле

. (Б.1)

По степени засоленности грунты подразделяют согласно ГОСТ 25100. Концентрация порового раствора характеризует степень минерализации грунтовой влаги. Ее допускается определять по формуле

, (Б.2)

где W - влажность засоленного грунта, принимаемая для грунтов с льдистостью равной , а с равной .

Засоленные грунты в зависимости от преобладающего ионного состава легкорастворимых солей разделяются по типу засоления на морской и континентальный в соответствии с ГОСТ 25100.

Б.5 Температура начала замерзания грунта , характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов следует определять опытным путем, а в случаях предусмотренных в 5.9 температуру начала замерзания незасоленных и засоленных грунтов допускается принимать по формуле (Б.3) в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора :

, (Б.3)

где А - коэффициент, характеризующий температуру начала замерзания незасоленного грунта (таблица Б.1);

В - коэффициент, зависящий от типа засоления грунта; B = 0 для незасоленных грунтов; В = 1 для грунтов морского типа засоления; В = 0,85 для грунтов с континентальным типом засоления.

Таблица Б.1 - Температура начала замерзания незасоленного грунта А

Грунты	А, °С
Пески разных фракций	-0,10
Супеси и пылеватые пески	-0,15
Суглинок	-0,20
Глины	-0,25

Значение для заторфованных грунтов следует выбирать по величине температуры начала замерзания того компонента (торфяного или минерального), у которого она выше. Величина для торфа приведена в таблице Б.2.

Таблица Б.2 - Расчетные значения температуры начала замерзания для торфа

Тип торфа	, доли единицы	, °С
Слаборазложившийся верховой	7,30	-0,14
	5,90	-0,16
	3,27	-0,25
	1,64	-0,35
Среднеразложившийся верховой	3,50	-0,13
	0,90	-0,20

Б.6 Влажность незасоленного, засоленного и заторфованного мерзлых грунтов за счет незамерзшей воды определяется опытным путем. В случаях предусмотренных в 5.9 для незасоленного и засоленного грунтов, находящихся в охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания , величина принимается для грунтов с льдистостью равной , а с равной .

При условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания , для незасоленного и засоленного мерзлых грунтов значения допускается определять по формуле (Б.4)

, (Б.4)

где - коэффициент, принимаемый по таблице Б.3 в зависимости от числа пластичности и температуры грунта T;

- влажность грунта на границе пластичности (раскатывания), доли единицы;

- степень засоленности грунта, доли единицы;

- коэффициент, принимаемый равным 0 для незасоленных грунтов и по таблице (Б.4) для засоленных грунтов, в зависимости от числа пластичности и температуры грунта T, °С, для температур Т < -15°С величина принимается равной значению при T = -15°С; если величина определенная по формуле (Б.4), превысит значение , тогда .

Таблица Б.3 - Расчетные значения коэффициента

Грунты	Число пластичности , доли единицы	Коэффициент при температуре грунта T, °С
		-0,3	-0,5	-1	-2	-3	-4	-6	-8	-10	-15
Пески (кроме пылеватых)	-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Пески пылеватые	-	0,50	0,35	0,30	0,25	0,23	0,22	0,21	0,20	0,19	0,18
Супеси		0,50	0,35	0,30	0,25	0,23	0,22	0,21	0,20	0,19	0,18
		0,60	0,50	0,40	0,35	0,32	0,30	0,27	0,26	0,25	0,23
Суглинки		0,70	0,65	0,58	0,50	0,46	0,44	0,42	0,41	0,40	0,38
		0,80	0,75	0,65	0,55	0,51	0,49	0,47	0,46	0,45	0,43
Глины		0,98	0,92	0,80	0,68	0,63	0,60	0,57	0,56	0,55	0,53

Таблица Б.4 - Расчетные значения коэффициента

Грунты	Число пластичности , доли единицы	Величина коэффициента при температуре грунта Т, °С
		-0,3	-0,5	-1	-2	-3	-4	-6	-8	-10	-15
Пески и супеси		210	160	75	34	20	14	9	6,5	5	4
Супеси		150	130	57	24	15	11	7	5	4,5	3,5
Суглинки		130	103	44	19	11	8	5,5	4	3,2	2,3
Суглинки, глины		102	70	34	17	9,5	6.5	4	3	2,5	2

Расчетные значения для торфа и заторфованных грунтов, находящихся в охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания , принимаются для грунтов с льдистостью равной , а с равной .

Для мерзлых торфа и заторфованных грунтов значения допускается определять по формуле (Б.5) в зависимости от степени заторфованности J (доли единицы) и температуры Т, при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания

, (Б.5)

где - параметр, зависящий от объемной степени заторфованности J, принимается по таблице Б.5.

Таблица Б.5 - Расчетные значения коэффициента

Тип грунта	,
Торф	1,6
Супесчаные заторфованные грунты	1,67 J - 0,1
Суглинистые заторфованные грунты	1,6 J

Б.7 Теплофизические характеристики грунтов: коэффициент теплопроводности , объемная теплоемкость С и коэффициент температуропроводности а определяются опытным путем. В случаях, предусмотренных в 5.9, значения объемной теплоемкости засоленных и незасоленных грунтов в талом, охлажденном и мерзлом состояниях допускается рассчитывать по формулам Б.6-Б.9 в зависимости от удельной теплоемкости скелета грунта , температурной и концентрационной зависимостях удельной теплоемкости незамершей воды и льда , влажности , температурной и концентрационной зависимости влажности за счет незамерзшей воды , плотности сухого грунта и температуры начала его замерзания .

Для незасоленных грунтов, находящихся в талом и охлажденном состояниях, когда температура грунта выше температуры начала замерзания , величина находится по формуле (Б.6)

, (Б.6)

где принимается по таблице Б.6; для незасоленных грунтов и торфа , а находится по таблице Б.2; для засоленных грунтов в охлажденном состоянии определяется по формуле (Б.3), а величина рассчитывается по формуле (Б.7)

, (Б.7)

где - удельная теплоемкость порового раствора, , определяется по таблице (Б.7.);

- концентрация порового раствора, доли единицы, определяется по формуле (Б.2).

Таблица Б.6 - Расчетные значения удельной теплоемкости скелета грунтов

Грунты	Песок	Супесь	Глина и суглинок	Торф
				низинный	верховой
,	750	850	950	1920	1680

Таблица Б.7 - Расчетные значения температурной зависимости удельной теплоемкости порового раствора

T, °С	,	T, °С	,	T, °С	,
0	4210	-2,8	3860	-13,0	3510
-0,2	4150	-3,2	3840	-14,0	3490
-0,4	4110	-3,6	3810	-15,0	3470
-0,6	4060	-4,0	3800	-16,0	3450
-0,8	4030	-5,2	3730	-17,0	3440
-1,0	4010	-6,0	3680	-18,0	3430
-1,2	3990	-6,8	3670	-19,0	3410
-1,4	3970	-8,0	3630	-20,0	3400
-1,6	3950	-8,8	3600	-21,0	3390
-1,8	3930	-10,0	3570	-22,0	3380
-2,0	3920	-11,0	3550
-2,4	3900	-12,0	3520

Для незасоленных грунтов и торфа в мерзлом состоянии при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания , величина находится по формуле

, (Б.8)

где рассчитывается по формуле (Б.4), а - по формуле

. (Б.9)

Для засоленных грунтов в мерзлом состоянии, при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания , величина находится по формуле

, (Б.10)

где рассчитывается по формуле (Б.4), - по формуле (Б.7), а - по формуле (Б.9).

Значения объемной теплоемкости заторфованных грунтов в талом и охлажденном и мерзлом состояниях допускается рассчитывать по формулам (Б.11, Б.12) в зависимости от удельной теплоемкости минеральной и торфяной составляющей органо-минерального скелета грунта, удельной теплоемкости незамершей воды и льда , весовой (массовой) доли торфа в заторфованном грунте G, суммарной влажности , влажности за счет незамерзшей воды , плотности скелета грунта и температуры начала его замерзания .

Для заторфованных грунтов, находящихся в талом и охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания величина находится по формуле

, (Б.11)

где удельная теплоемкость минерального скелета и торфа находится по таблице Б.6; .

Для заторфованных грунтов, находящихся в мерзлом состоянии, когда температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания , величина находится по формуле

, (Б.12)

где рассчитывается по формуле (Б.5), , а - по формуле (Б.9).

В случаях, предусмотренных в 5.9, значение коэффициента теплопроводности незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов в талом и мерзлом (для диапазона температур ниже ) состоянии приведены в таблице Б.8, в зависимости от влажности , плотности скелета грунта и степени засоленности согласно ГОСТ 25100.

Таблица Б.8 - Расчетные значения коэффициента теплопроводности грунта в талом , мерзлом состоянии

Плотность сухого грунта , ,	Суммарная влажность грунта, , д.е.	Коэффициент теплопроводности грунтов ,
		Пески разной плотности					Супеси пылеватые					Суглинки и глины					Заторфованные грунты
		Степень засоленности					Степень засоленности					Степень засоленности
		Незасоленные		Слабозасоленные	Среднезасоленные	Сильнозасоленные	Незасоленные		Слабозасоленные	Среднезасоленные	Сильнозасоленные	Незасоленные		Слабозасоленные	Среднезасоленные	Сильнозасоленные
0,1	9,0	-		-	-	-	-	-		-		-			-	-	0,81	1,34
0,1	6,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,40	0,70
0,1	4,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		-	-	-	-	0,23	0,41
0,1	2,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,12	0,23
0,2	4,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,81	1,33
0,2	2,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,23	0,52
0,3	3,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,93	1,39
0,3	2,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,41	0,70
0,4	2,0	-	-	-	-	-	-	2,16	-	-	-	-	2,10	-	-	-	0,93	1,39
0,7	1,0	-	-	-	-	-	-	2,14	-	-	-	-	2,00	-	-	-	-	-
1,0	0,60	-	-	-	-	-	-	2,10	-	-	-	-	1,90	-	-	-	-	-
1,2	0,40	-	-	-	-	-	-	2,02	-	-	-	1,57	1,80	-	-	-	-	-
1,4	0,35	-	-	-	-	-	1,80	2,00	-	-	-	1,57	1,76	1,68	1,65	1,59	-	-
1,4	0,30	-	-	-	-	-	1,74	1,98	1,95	1,91	1,88	1,45	1,65	1,59	1,56	1,50	-	-
1,4	0,25	1,91	2,48	2,37	2,21	2,08	1,57	1,84	1,81	1,78	1,73	1,33	1,58	1,50	1,46	1,36	-	-
1,4	0,20	1,57	2,09	2,00	1,90	1,82	1,33	1,63	1,58	1,53	1,48	1,10	1,31	1,23	1,20	1,10	-	-
1,4	0,15	1,39	1,83	1,75	1,65	1,58	1,10	1,35	1,30	1,25	1,20	0,87	0,99	0,94	0,92	0,87	-	-
1,4	0,10	1,10	1,35	1,30	1,25	1,21	0,93	1,09	1,06	1,03	0,99	0,70	0,77	0,75	0,73	0,71	-	-
1,4	0,05	0,75	0,84	0,82	0,80	0,77	0,64	0,73	0,71	0,69	0,67	0,46	0,48	0,43*	0,41*	0,40*	-	-
1,6	0,30	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1,68	1,94	1,80	1,74	1,65	-	-
1,6	0,25	2,50	2,92	2,86	2,78	2,70	1,80	2,00	1,96	1,92	1,88	1,51	1,75	1,68	1,62	1,49	-	-
1,6	0,20	2,15	2,50	2,43	2,36	2,30	1,62	1,78	1,75	1,71	1,67	1,33	1,56	1,46	1,41	1,30	-	-
1,6	0,15	1,80	2,10	2,03	1,96	1,90	1,45	1,60	1,56	1,52	1,49	1,10	1,23	1,17	1,15	1,08	-	-
1,6	0,10	1,45	1,68	1,62	1,56	1,50	1,16	1,29	1,26	1,22	1,19	0,87	0,97	0,92	0,90	0,86	-	-
1,6	0,05	1,05	1,16	1,10	1,08,	1,05	0,81	0,87	0,85	0,84	0,82	0,58	0,60	0,56*	0,55*	0,53*	-	-
1,8	0,20	2,67	3,05	2,92	2,80	2,69	1,86	2,05	2,00	1,94	1,88	1,57	1,86	1,70	1,61	1,48	-	-
1,8	0,15	2,26	2,75	2,63	2,52	2,44	1,68	1,83	1,79	1,74	1,70	1,39	1,60	1,47	1,40	1,36	-	-
1,8	0,10	1,97	2,30	2,23	2,17	2,10	1,45	1,59	1,55	1,51	1,47	1,06	1,26	1,14	1,09	1,02	-	-
1,8	0,05	1,45	1,56	1,52	1,48	1,45	0,98	0,99	0,98	0,98	0,97	0,70	0,75	0,69*	0,68	0,65*	-	-
2,0	0,10	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1,28	1,46	1,35	1,30	1,25	-	-
* Значения приведены для грунтов в охлажденном состоянии.

Для нахождения величины у незасоленных и засоленных грунтов в мерзлом состоянии в диапазоне температур , где можно использовать соотношение

, (Б.13)

где и находятся по таблице Б.8, и определяются по формуле (Б.4) для незасоленных грунтов при , а - по формуле (Б.3) для незасоленных грунтов при B = 0.

В случаях, предусмотренных в 5.9, значение коэффициента температуропроводности а для незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов находится по формуле

, (Б.14)

где величины коэффициента теплопроводности и объемной теплоемкости находятся в соответствии с Б.7.

Б.8 Величина объемной теплоты замерзания (таяния) грунта принимается равной количеству теплоты, необходимой для замерзания воды (таяния льда) в единице объема грунта и определяется по формуле

, (Б.15)

где (Дж/кг) - значение удельной теплоты фазовых превращений вода-лед; величина для незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов находится в соответствии с Б.6 при условии , здесь находится в соответствии с Б.5.