Модели теплопроводности дисперсных незасоленных мерзлых грунтов

Введение. В связи с возрастающей актуальностью решения инженерно-геокриологических задач численными или аналитическими методами в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов все чаще возникают вопросы в определении входящих параметров. В современной практике допускается возможность определения теплофизических свойств грунтов не только лабораторным способом. Поиск универсальных зависимостей, наиболее точно описывающих теплофизические свойства мерзлых грунтов, становится важной задачей современных исследований. Данная работа посвящена рассмотрению моделей оценки теплопроводности грунтов, которые позволяют учесть физические свойства, минеральный состав и содержание незамерзшей воды дисперсных грунтов. Эти методики получили широкое распространение прежде всего в зарубежной практике и в современных программах моделирования теплофизических задач.

Цель. Рассмотрение методики использования моделей теплопроводности, учитывающих физические свойства, минералогический состав и содержание незамерзшей воды мерзлых дисперсных грунтов для оценки их эффективности.

Материалы и методы. Проанализированы две модели оценки теплопроводности дисперсных мерзлых грунтов. Выполнен статистический анализ их эффективности на основе выборки из двадцати экспериментально определенных значений теплопроводности песчаных и глинистых незасоленных, незаторфованных мерзлых грунтов.

Результаты. Эффективность использования моделей теплопроводности находится на удовлетворительном уровне. Ожидаемые значения теплопроводности в мерзлом состоянии предсказываются с большей точностью по сравнению с принятым в отечественной практике методом. Определены наиболее предпочтительные методы учета теплопроводности частиц.

Заключение. Использование в приведенных моделях комплекса физических свойств, минерального состава, содержания незамерзшей воды имеет явные преимущества. Необходимо дальнейшее изучение данного вопроса, расширяющее количество сравниваемых моделей и выборку грунтов. Показана важность учета минералогического состава при оценке теплопроводности дисперсных мерзлых грунтов.

1. Бабаев В.В., Будымка В.Ф., Домбровский М.А., Сергеева Т.А. Теплофизические свойства горных пород. М.: Недра, 1987. 156 с.

2. Горобцов Д.Н. Научно-методические основы ис­следования теплофизических свойств дисперсных грунтов: дисс. … канд. геол.-мин. наук. М.: МГРИ, 2011. 198 с.

3. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. 280 с.

4. Кудрявцев В.А., Гарагуля Л.С., Булдович С.Н., Мотенко Р.Г. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Учебное пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: «Геоинфо», 2016. 512 с.

5. Наумов М.А., Фоменко И.К. Использование харак­теристической кривой влажности для определе­ния теплопроводности грунтов. Мат-лы междунар. науч.-практич. конф. «Проектирование, строи­тельство и эксплуатация объектов транспорт­ной инфраструктуры в сложных климатических и инженерно-геологических условиях». М.: Изд- во Российского университета транспорта, 2024. С. 156—160.

6. Пустовойт Г.П., Гречищева Э.С., Голубин С.И., Аврамов А.В. Влияние способа получения исходных данных на прогнозные теплотехнические расчеты при проектировании в криолитозоне. Криосфера Земли. 2018, Т. XXII. № 1. С. 51—57

7. Савельев Б.А. Физико-химическая механика мерз­лых пород. М.: Недра, 1989. 211 с.

8. СП 25.13330.2020. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная ре­дакция СНиП 2.02.04–88. — М.: Минстрой России, 2020.

9. Чеверев В.Г., Сафронов Е.В., Алексеев А.Г., Гречищева Э.С. Лабораторные методы определения теплофизических характеристик мерзлых и талых грунтов: аналитический обзор. Инженерная геоло­гия, 2022. Т. XVII. № 1. С. 64—72.

10. Cote J., Konrad J.-M. A generalized thermal conduc­tivity model for soils and construction materials. Can. Geotech. J. 2005. No. 42. P. 443—458.

11. Farouki O.T. Thermal properties of soils: mono­graph / Cold Regions Research and Engineering Laboratory. — Hanover (NH), 1981. — (Monograph CRREL-MONO-81-1).

12. He H., He D., Jin J., Smits K. M., Dyck M., Wu Q., Lv J. Room for improvement: A review and evaluation of 24 soil thermal conductivity parameterization schemes commonly used in land-surface, hydrological, and soil-vegetation-atmosphere transfer models // Earth-Science Reviews. — 2020. — Vol. 211. — Art. 103419.

13. Johansen O. Thermal conductivity of soils: report / Cold Regions Research and Engineering Laboratory. — Hanover (NH), 1977. — (Technical Report CRREL-TL-637).

14. Tarnawski V.R., Momose T., Leong W.H. Assessing the impact of quart content on the prediction of soil ther­mal conductivity. Geotechnique. 2009. Vol 59. Iss. 4. P. 331—338.

15. Tian Z., Lu Y., Horton R., Ren T. A simplified de Vries-based model to estimate thermal conductivity of unfrozen and frozen soil. European Journal of Soil Science. 2016. No. 67(5). P. 564—572.

16. Zhang M., Lu J., Lai Y., Zhang X. Variation of the ther­mal conductivity of a silty clay during a freezing-thaw­ing process. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. No. 124. P. 1059—1067.