СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТА ПО ГЛУБИНЕ ПРОМЕРЗАНИЯ ПРИ ВЫСОКОМ УРОВНЕ ГРУНТОВОЙ ВОДЫ
METHOD FOR DETECTION OF SOIL TEMPERATURE BY DEPTH OF FROST PENETRATION AT HIGH LEVEL OF GROUND WATER

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству фундаментов и подземных инженерных сооружений на застраиваемых территориях с высоким уровнем грунтовых вод.
Известно, что при проектировании фундаментов, инженерных сетей хозфекальной канализации и водоснабжения, ливневой и дренажной канализаций, газоснабжения и городских дорог и проездов за нормативную глубину сезонного промерзания грунта принимается среднее 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, а при отсутствии данных многолетних наблюдений предлагается нормативную глубину промерзания определить по эмпирической формуле или по теплотехническому расчету [1].
Недостатком этих указаний является отсутствие многолетних данных наблюдений за глубиной промерзания грунта для оголенной от снега поверхности, а также неучет высокого уровня грунтовой воды и вызванное этим увеличение влажности и изменение плотности и теплопроводности грунтов на застроенных территориях. Кроме того, нет указаний по определению распределения отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания для теплотехнических расчетов при прокладке подземных коммуникаций в толще промерзаемого грунта и устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистом грунтовом основании при высоком уровне грунтовой воды.
Известно, что распределение отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания и максимальное проникание 0°С в грунт определяют по многолетним наблюдениям на стационарных постах агрометеостанций, обычно расположенных на окраинах крупных городов и населенных пунктов, до глубины 3,2 м и более, с интервалом 0,4 м [2].
Используя многолетние наблюдения (30-60 лет) за распределением отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания [2], можно построить их графики с требуемой доверительной вероятностью (обеспеченностью) под не очищенной и (при наличии) - под очищенной от снега поверхностями (см. фиг.1 и фиг.2, графики 1-3).
Однако гидрогеологические условия застроенной территории городов и населенных пунктов значительно отличаются от гидрогеологических условий грунтов у наблюдательных постов, где уровень грунтовых вод значительно ниже глубины сезонного промерзания, а влажность грунтов, например для Омской области, не превышает W≤0,12-0,18. На застроенных территориях населенных пунктов, в большинстве случаев, уровень грунтовых вод равен или выше глубины сезонного промерзания, соответственно, влажность грунтов значительно выше, чем у постов наблюдения, а их плотность и теплопроводность отличаются от плотности и теплопроводности последних.
Как показывают натурные исследования за распределением отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания на территории города последние значительно отличаются от данных наблюдений на посту гидрометеослужбы, расположенной на окраине города [3].
Так, средняя многолетняя глубина промерзания грунта из суглинка у наблюдательной скважины на окраине г.Омска, под снежным покровом, при влажности грунта W=0,15 и при уровне грунтовых вод от поверхности земли более 5 м, составляет  а для супеси:  (в ближайшем населенном пункте) [2].
Глубина промерзания грунта под снежным покровом в микрорайоне по ул. Омской, где в пределах глубины промерзания залегают суглинки и уровень грунтовых вод находится на глубине 1,3-1,5 м от поверхности земли, а влажность грунта была W=0,25, составила в среднем за три года 1,22 м [3].
Глубина промерзания грунта под снежным покровом в микрорайоне «Восточный», где в пределах глубины промерзания залегают супеси и уровень грунтовых вод составил 0,8-1,3 м от поверхности земли, а влажность W=0,17, достигла, в среднем, 1,5 м. Таким образом, глубина промерзания грунта на застроенной территории оказалась меньше, чем у поста наблюдений, примерно на 30% для суглинка и для супеси.
Используя данные многолетних наблюдений постов агрометеостанций и натурные исследования за распределением отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания, автором предложены аналитические формулы (1-2) для определения расчетной глубины проникания 0°С в грунт [3] для застроенных территорий, которые выражаются уравнениями:
f,с
f,0
где d и d - соответственно расчетные величины глубины проникания 0°С в грунт требуемой обеспеченности для застроенной территории под неочищенной и очищенной от снега поверхностями;
- соответственно расчетные величины глубины проникания 0°С в грунт требуемой обеспеченности для поста наблюдения под неочищенной и очищенной от снега поверхностями;
df
K - коэффициент, учитывающий отличительные условия промерзания грунта на территории с высоким уровнем грунтовых вод и определяемый по формуле:
f
где  и λ - соответственно теплопроводность мерзлого грунта на посту наблюдения и для проектируемой территории населенного пункта, Вт/(м·°С), определяемые по табл.3 Приложения 1 [4];
f
3
3
и q - количество холода, необходимое для промораживания свободной воды в 1 м грунта соответственно для поста наблюдения и проектируемой территории, Дж/м, определяемое по формуле (3) Приложения 1 [4]:
где:
L0=3,35-105 Дж/кг (80 ккал/кг) - удельная теплота фазовых превращений «вода-лед» в расчете на единицу массы;
w
W - влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды, дол. ед;
w
K - коэффициент, принимаемый по табл.1 Приложения 1 [4];
p
W - влажность грунта на границе пластичности, определяемая для поста наблюдения и для конкретной площадки проектирования при инженерно-геологических изысканиях, дол. ед;
d
3
p - плотность сухого грунта (скелет грунта) для поста наблюдения и проектируемой территории, кг/м.
Распределение отрицательной температуры грунта по глубине промерзания определяется графически. Для этого сначала по известным значениям распределения отрицательной температуры грунта по глубине промерзания на посту наблюдения, вычисленным с требуемой обеспеченностью для каждого интервала, равного 0,4 м (начиная с глубины 0,8 м), строят график. Затем по оси ординат, при Т=0°С, откладывают расчетное значение глубины проникания 0°С для застроенной территории с той же обеспеченностью, что и для поста наблюдений, вычисленное по формулам (1-4); из этой точки проводят параллельные линии к ранее полученному графику, в пределах каждого интервала глубины промерзания (см. фиг.1 и фиг.2 - графики 1′-3′). Полученный график будет отражать фактическое распределение отрицательной температуры грунта по глубине промерзания для застроенной территории с высоким уровнем грунтовой воды.
Предлагаемый способ определения распределения отрицательной температуры грунта по глубине промерзания и максимальной глубины проникания 0°С в грунт для застроенной территории с высоким уровнем грунтовой воды позволяет:
- уменьшить глубину заложения фундаментов, сетей водоснабжения, хозфекальной, ливневой и дренажной канализации, газоснабжения;
- оптимизировать толщину теплоизоляции теплотрассы, а также водонесущих коммуникаций, прокладываемых в толще мерзлых грунтов;
- оптимизировать толщину конструкции автомобильных дорог и внутримикрорайонных проездов;
- оптимизировать теплоизоляцию стен и покрытия тоннелей при их неглубоком заложении;
- сократить нормативные сроки устранения аварий на сетях водоснабжения;
- определить расчетную толщину твердомерзлого грунта при проектировании фундаментов на пучинистых грунтовых основаниях.
Пример расчета.
1. Исходные данные.
Для поста стационарного наблюдения гидрометеослужбы за глубиной промерзания грунтов в г.Омске [2] известны следующие физические характеристики грунтов:
- расчетная - средняя многолетняя глубина промерзания грунта под снежным покровом равна
- то же для очищенной от снега поверхности
теплопроводность промерзаемого грунта
3
количество холода, необходимое для промораживания свободной воды в 1 м грунта
средняя температура грунта по глубине промерзания Т=-6°С.
По данным инженерно-геологических изысканий для площадки строительства известно, например, что по глубине сезонного промерзания залегает мягко-пластичный суглинок со следующими физическими характеристиками:
природная влажность - W=0,25;
p
влажность на границе раскатывания - W=0,18;
T
влажность на границе текучести - W=0,32;
p
T
p
число пластичности - J=(W-W)=(0,32-0,18)=0,14;
d
3
плотность сухого грунта - P=1600 кг/м.
d
3
Теплопроводность мерзлого грунта, при P=1600 кг/м и W=0,25, по табл.1 Приложения [4], равна:
f,c
f,0
2. Определение фактической глубины промерзания грунта на строительной площадке под снежным покровом (d) и без него (d).
По формуле (4) определяем влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды (дол. ед):
w
где коэффициент K=-0,48 (определяется по табл.1 Приложения [4]).
3
По формуле (3) определяем количество холода, необходимое для промораживания свободной воды в грунте объемом в 1 м:
По формуле (2) определяем коэффициент:
Тогда средняя глубина промерзания грунта под снежным покровом составит:
To же для очищенной от снега:
/
/
Далее, по известным значениям глубины промерзания, графически определяем распределение отрицательной температуры грунта по глубине промерзания для проектируемой площадки (см. фиг.1 и фиг.2 на графиках 1÷3) с требуемой по расчету вероятностью.
Литература
1. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. М.: Минстрой России ГП ЦПП, 1995. - 49 с.
2. Справочник по климату СССР. Вып.17. Метеорологические данные за отдельные годы. 4. VIII т.2. Температура почвы. - Омск.: Изд-во Омского управления гидрометеорологической службы, 1977. - 365 с.
3. Абжалимов Р.Ш. К определению расчетных значений распределения отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007, №1. - с.26-30.
4. СниП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 1997. - 51 с.