Теплофизические свойства мерзлых грунтов

К теплофизическим свойствам мерзлых грунтов относят коэффициент теплопроводности, удельную (объемную) теплоемкость и коэффициент температуропроводности.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности характеризует способность мерзлого грунта переносить тепловую энергию и равен потоку тепла, проходящего по нормали через единицу площади в единицу времени при температурном перепаде, равном единице.

Коэффициент теплопроводности мерзлых пород является функцией коэффициентов теплопроводности и количеств слагающих его компонентов: органо-минерального скелета, воды, льда.

Поскольку коэффициенты теплопроводности слагающих компонентов сравнительно мало зависят от температуры, коэффициент теплопроводности самих пород в талом или полностью промерзшем состоянии также считают не зависящим от температуры. Таким образом, различают коэффициент теплопроводности талых пород Хт (чаще всего его определяют при температуре +4 или +20 °С) и коэффициент теплопроводности мерзлых пород Хм (при температуре -10—15 °С).

Коэффициент теплопроводности промерзающих или протаивающих пород Х_м (?), в отличие от талых или полностью промерзших, существенно зависит от температуры. Это объясняется тем, что при промерзании непрерывно изменяется соотношение между содержанием льда и незамерзшей воды с резко различными коэффициентами теплопроводности. Полагая, что изменение величины Х_м (?) от температуры пропорционально содержанию способной к замерзанию влаги, получена следующая зависимость [11]:

где W_H — количество незамерзшей воды.

Еще один метод, предложенный О. Johansen [17], позволяет найти теплопроводность как функцию коэффициентов теплопроводности породы в сухом и насыщенном состояниях:

где X_sat — теплопроводность породы в насыщенном состоянии; Я,_а<=0,75″ Я⁽;-^л) в незамерзшем состоянии;

Х_ш = 2,2″ Я*^1-" '0,269^й" в замерзшем состоянии; Wu — содержание незамерзшей воды (доли единицы); п — пористость грунта; Я, — эффективная теплопроводность минеральной составляющей, Я_Л. = 1,1^е' -2,0¹⁻⁹, если q > 0,20 и X_s = 1,1^Ч -3,0^{1_ если q < 0,20; q — доля кварца к общему минеральному содержанию (доли единицы); X_diy — теплопроводность грунта в}

^{, 0,1377/ +64,7}

^{сухом состоянии, а, =- — если грунт не;}

^{J dry 2700 —0,947y_rf}

нарушенного сложения, X_dry = 0,39″^-2'² — в случае нарушенного сложения; y_d — плотность грунта в сухом состоянии [кг/л/³ ]; Я_е — число Керстена, Х_е = 0,7 • log S_r +1,0 — для крупнодисперсных немерзлых пород, Х_е = log S_r +1,0 — для тонкодисперсных, Л_е = S_r — для любых мерзлых пород;

Q _|_ Q

S_r = ———степень насыщения (доли единицы).

п

Данный метод дает наиболее точные результаты для мерзлых и немерзлых, крупно и мелкодисперсных грунтов с различной степенью насыщения свыше 0,1 [17].