Научно-методические основы исследования теплофизических свойств дисперсных грунтов

Актуальность работы.

Исследование теплофизических свойств мерзлых и талых грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, является важной задачей при изучении процессов теплопереноса в системе фундамент-грунт, определяющих условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Основная проблема заключается в измерении параметров теплофизических свойств дисперсных грунтов с заданной точностью.

В настоящее время при инженерно-геологических изысканиях теплофизические характеристики грунта определяют, как правило, по таблице СНиПа 2.02.04−88 (основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах), при этом не может быть обеспечена достаточная надежность и точность определяемых параметров, так как отсутствует информация по методам определения, региональной привязке, не учитываются генетические особенности грунта, возраст грунта, условия залегания.

В связи с этим актуальной задачей является повышение уровня экспериментальных теплофизических исследований грунтов лабораторными методами с возможностью определения на этих же образцах и других показателей состава, состояния и физических свойств.

Важным также является развитие инженерных теоретических моделей тепловых режимов грунтов оснований и фундаментов, создание подходов к прогнозу теплофизических свойств грунтов по результатам определения показателей состава, состояния и физических свойств.

Цель работы.

Целью работы является создание научно-методических основ исследования теплофизических свойств дисперсных грунтов с применением уникального геотермического оборудования и оценка взаимосвязи параметров теплофизических свойств с показателями состава, состояния и физических свойств.

Задачи работы.

В соответствии с целевой установкой были поставлены следующие задачи научных исследований:

1. Разработка методики комплексного экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов на основе применения уникального геотермического оборудования.

2. Проведение экспериментальных исследований теплофизических свойств дисперсных грунтов Московского региона.

3. Создание представительной базы данных о теплофизических свойствах дисперсных грунтов Московского региона на основании прецизионных массовых измерений на керновом материале.

4. Анализ корреляционных связей теплофизических свойств с показателями состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов Московского региона.

5. Моделирование процессов теплопереноса в системе фундамент-грунт при промерзании и протаивании на основе использования экспериментальных данных о теплофизических свойствах грунтов и строительных материалов.

Фактический материал, методы исследования.

Основным объектом исследования теплофизических свойств послужили более 300 образцов дисперсных грунтов Московского региона, отобранных на различных объектах при проведении инженерно-геологических изысканий.

В ходе выполнения работы автором разработана методика применения геотермического оборудования по измерению тепловых свойств горных пород на керне с целью определения теплофизических свойств грунтов для инженерно-геологических целей. На основе разработанной методики выполнен комплекс экспериментальных исследований теплофизических свойств грунтов Московского региона. Полученные результаты обработаны и проанализированы, построены графики и номограммы зависимости теплофизических свойств от показателей состава, состояния и физических свойств, получены расчетные уравнения связи.

С помощью коммерческого симулятора (пакет Согшо1 МиМрИуБкв) построены модели теплового режима грунтов оснований и фундаментов инженерных сооружений.

Разработка методики, проведение экспериментов и моделирование проводились в Российском государственном геологоразведочном университете им. Серго Орджоникидзе на кафедре инженерной геологии и в научно-исследовательской лаборатории «Проблем геотермии».

Научная новизна работы.

1. Разработана оригинальная методика экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов на основе применения методов оптического сканирования и линейного источника.

2. Предложенная методика экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов, основанная на применении методов оптического сканирования и линейного источника, внедрена в практику изучения дисперсных грунтов.

3. На основе массовых прецизионных измерений определен комплекс теплофизических свойств на представительных коллекциях дисперсных грунтов, собранных при инженерно-геологических изысканиях на территории Московского региона.

4. В результате внедрения новой методики теплофизических исследований создана представительная база данных по теплофизическим свойствам дисперсных грунтов Московского региона.

5. На основе представительных экспериментальных данных установлены корреляционные зависимости между теплофизическими свойствами и показателями состава, состояния и физических свойств различных разновидностей грунтов.

6. При помощи установленных корреляционных связей показана возможность прогнозной оценки теплофизических свойств по результатам определения показателей состава, состояния и физических свойств грунтов.

7. По результатам математического моделирования построены модели теплового режима грунтов оснований и фундаментов инженерных сооружений на основе высокоточных экспериментальных данных о теплофизических свойствах грунтов.

Защищаемые научные положения.

1. Разработанная оригинальная методика исследований теплофизических свойств грунтов обеспечивает прецизионные измерения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости образцов грунтов, что дает возможность повысить качество прогнозной оценки теплофизических свойств по показателям состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов на основе корреляционно-регрессионного анализа.

2. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости в совокупности с показателями состава, состояния и физических свойств грунтов, полученные на основе изучения более чем 300 образцов, впервые обеспечили формирование представительной базы данных по грунтам Московского региона. Анализ взаимосвязи теплофизических свойств с показателями состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов обеспечил создание математических моделей для научно-обоснованной их оценки.

3. Детальные данные о теплофизических свойствах, полученные экспериментально для различных разновидностей дисперсных грунтов.

Московского региона на представительных коллекциях, повышают эффективность теоретического моделирования теплового режима в системе фундамент-грунт для решения инженерно-геологических задач.

Практическая значимость работы.

1. Проведенный анализ различных методов и средств определения теплофизических параметров природных и промышленных материалов позволил сформировать подход к созданию аппаратурно-методического комплекса для теплофизических исследований дисперсных грунтов на основе применения методов оптического сканирования и линейного источника.

2. Разработаны новые и усовершенствованы уже существующие экспериментальные и теоретические подходы для определения теплофизических свойств грунтов для целей инженерной геологии.

3. Созданная представительная база данных по теплофизическим свойствам грунтов Московского региона и их корреляционным связям с другими физическими свойствами существенно повышает достоверность инженерно-геологических исследований как фундаментального, так и прикладного характера.

4. Результаты проведенных исследований имеют важное значение для описания процессов теплопереноса в системе фундамент-грунт при проектировании зданий и сооружений, а также прогноза негативных инженерно-геологических процессов.

5. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре инженерной геологии Российского государственного геологоразведочного университета по следующим дисциплинам: грунтоведение, мерзлотоведение и инженерная геодинамика.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на II научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» в 2007 г. в МосквеXXI Assembley of American Geological Society. 2007, Denver, USAВсероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса ВУЗов в 2008 г. в Санкт-ПетербургеII регионального конкурса выпускных квалификационных работ Всероссийской студенческой олимпиады в 2008 г. в ЕкатеринбургеНаучной конференции «Молодые — наукам о Земле» в 2008 г. в МосквеIX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» в 2009 г. в МосквеX General Assembly of IASPEI, Cape Town, South Africa, 2009; Научной конференции «Молодые — наукам о Земле» в 2010 г. в Москве- 6-ой Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» в 2010 г. в МосквеX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» в 2011 г. в Москве. В 2009 г. автор стал лауреатом стипендии президента РФ.

Публикации.

Результаты работы отражены в 4 научных статьях, опубликованных в реферируемых журналах ВАК, и 11 тезисах докладов на научных конференциях.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 129 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 59 таблиц, библиографию из 88 наименований.

Выводы.

1. Для прогноза теплового режима грунтов оснований и фундаментов целесообразно использовать математическое моделирование на основе экспериментальных данных о теплофизических свойствах грунтов и строительных материалов.

2. Разработанная численная модель расчета теплового режима в массиве грунта позволяет определить температуру в системе фундамент-грунт на основе экспериментальных данных по теплофизическим свойствам грунтов и строительных материалов.

3. Результаты прогноза температуры массива грунта сильно зависят от возможной погрешности задания теплофизических свойств грунта и строительных материалов кладки и фундамента инженерного сооружения.

4. Полученные результаты необходимы для разработки системы мероприятий по локализации и снижения влияния процесса морозного пучения, которые включают в себя:

• уменьшение критической влажности грунтов;

• утепление фундаментов и грунтов оснований;

• обеспечение подземного дренажа;

• осуществление поверхностного водоотвода (условия стока, планировка поверхности);

• создание теплоизоляционных барьеров;

• замена дисперсного грунта на грунт с более крупной фракцией;

• обогрев фундаментов и грунтов оснований в зимнее время.

5. Разработанная выше методика позволяет с высокой степенью точности и достоверности прогнозировать процессы, связанные с промерзанием-протаиванием, наметить пути решения по локализации этих процессов, дать рекомендации для снижения негативных последствии при эксплуатации инженерных сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические выводы и результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Показано, что в настоящее время единственным надежным источником данных о теплофизических свойствах грунтов являются лабораторные измерения на образцах.

2. Наилучшими характеристиками с точки зрения определения теплофизических свойств дисперсных грунтов, обладает аппаратурно-методический комплекс, созданный на основе методов и приборов оптического сканирования и линейного источника.

3. Установлены зависимости систематических погрешностей измерений теплофизических свойств от различных факторов и параметров режима, что позволяет получать прецизионные экспериментальные результаты при определении всего комплекса теплофизических свойств дисперсных грунтов.

4. Показано, что детальные экспериментальные исследования теплофизических свойств грунтов методом оптического сканирования позволяют построить пространственные — изображения распределения теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и тепловой инерции по всей площади исследуемого образца.

5. Разработана оригинальная методика исследований теплофизических свойств дисперсных грунтов с помощью применения аппаратурно-методического комплекса, созданного на основе оптического сканирования и линейного источника, впервые использованного для решения инженерно-геологических задач.

6. На основе разработанной методики теплофизических измерений проведены массовые экспериментальные исследования теплофизических.

1 I свойств и показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов Московского региона.

7. Создана представительная база данных теплофизических свойств и показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов Московского региона.

8. В результате проведенного корреляционно-регрессионного анализа взаимосвязи теплофизических свойств с показателями состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов получены математические уравнения их связи между собой.

9. Оптимальными математическими уравнениями связи для изученных дисперсных грунтов являются уравнения следующего структурного вида:

• покровные суглинки Cp = f (Бг), X =Г (Ьп (Бг));

• озерно-ледниковые суглинки Ср =? (8г), X =£(Ьп (Бг), р, ¥-р);

• моренные суглинки Ср = Г (Эг), X =А (Ьп (Бг));

• вся совокупность глинистых грунтов Ср =? (Бг), X =^Ьп (8г), р, ра).

10. Проверка адекватности полученных математических моделей поставленным целям показала их эффективность, поскольку коэффициенты корреляции имеют достаточно высокие значения.

11. По результатам корреляционно-регрессионного анализа установлена возможность прогнозной оценки теплопроводности и объемной теплоемкости по показателям состава, состояния и физических свойств различных разновидностей дисперсных грунтов.

12. Разработаны численная и визуализированная модели прогноза и расчета теплового режима в массиве грунта и фундаменте, позволяющие определять температуру в системе фундамент-грунт на основе детальных экспериментальных данных по теплофизическим свойствам грунтов и строительных материалов.

13. Установлено, что результаты прогноза температуры массива грунта в значительной степени зависят от возможной погрешности задания теплофизических свойств грунта и строительных материалов инженерных сооружений.

14. В результате математического моделирования описаны процессы, связанные с промерзанием и протаиванием, намечены пути локализации этих процессов, даны рекомендации для снижения негативных последствии при эксплуатации инженерных сооружений.

15. Направление дальнейших исследований связано с расширением базы данных по другим генетическим типам и разновидностям грунтов, а также с адаптацией аппаратурно-методического комплекса для определения теплофизических свойств мерзлых грунтов.