Теплофизические (тепловые) свойства мерзлых грунтов. Знание теплофизических свойств мерзлых грунтов необходимо для расчета температуры – показателя их теплового состояния

Коэффициент температуропроводности и теплоемкость грунтов определяется на калориметрических установках (подобных применяемым для определения количества незамерзшей воды) методом регулярного режима.

При охлаждении или нагревании тела в среде с постоянной температурой t_с происходит выравнивание температурного профиля. Если тело лишено внутренних источников тепла, то в процессе теплообмена можно выделить стадию упорядоченного охлаждения или нагревания, называемую регулярным режимом. Она характе­ризуется тем, что распределение разности температур |t—t_с|=h в различных точках тела изменяется во времени по одному закону (экспоненциально­му) и определяется формой, размером, теплофизическими харак­теристиками тела и условиями теплообмена на границе тела со средой.

При этом темп охлаждения (нагревания) может быть найден опытным путем как тангенс угла наклона прямой на графике lnh=f(t), построенном для любой точки тела. Связь темпа охлаждения (m) с температуропроводностью (а) определяется формулой: m = а/Ь, где b — фактор формы, который рассчитан теоретически для тел правильной формы: шара, цилиндра и па­раллелепипеда. В частности для цилиндрических образцов, фактор формы рассчитывается по формуле

b =1/[(2, 4048/r) ²+ (3, 14/H) ²], (**)

где r и H — радиус и высота образца.

Конструкция лабораторной установки представлена на рисунке.

Схема прибора для определения температуропроводности методом регулярного режима I рода:

1 — образец грунта; 2 — дифферен­циальная термопара; 3 — термостатирующая жидкость; 4 — сетка для образца; 5— мешалка; 6 —термометр; 7 - термостатирующая оболочка, заполненная эвтектической смесью; 8 - измерительный прибор

Образец грунта диаметром 3—4 и высотой 4—6 см помещается в латунный стаканчик), в крышке которого закреплена медно-константановая термопара 2 так, чтобы один спай ее находился в центре образца, а второй— в окружающей среде. Термопара подключается к измерительному прибору (гальванометру или милливольтметру), который позволяет измерить разность темпера­тур между средой и образцом с точностью ±0, 1° С. Для автомати­ческой записи температуры можно использовать самопи­шущий потенциометр подхо­дящей чувствительности. Согласно теории метода в среде, куда погружается ис­следуемый образец грунта, поддерживается постоянная температура и обеспечивается достаточно большой теплооб­мен образца со средой. Термо­стат, удовлетворяющий этим условиям, состоит из двух ча­стей: термостатирующей обо­лочки 7, заполненной эвтекти­ческой смесью, и внутреннего бачкас термостатирующей жидкостью 3, в котором нахо­дится мешалка 5, обеспечива­ющая энергичное перемешива­ние жидкости.

Подготовка образца. Испы­тания можно проводить с грунтами естественного и нарушенного сложения при положительных и отрицательных температурах. Определяют высоту, диаметр и массу пустого калориметра. Образцы естественного сложения вырезают из монолита непо­средственно в стаканчик калориметра так, чтобы между стенка­ми и грунтом не было воздушных зазоров. Влажность грунта оп­ределяют до и после опыта. Для образцов нарушенного сложения готовится грунт заданной влажности, который уплотняется в калориметре до заданного значения объемного веса. Заполненный калоримётр взвешивают и закрывают крышкой с термопарой, зазоры между крышкой, стаканчиком и дном герметизируют.

Проведение опыта. Если опыт проводится при положительных температурах, то образцы выдерживают при комнатной темпера­туре около 30 мин. Оболочку термостата наполняют смесью воды со льдом, а внутренний бачок — водой температурой 0° С.

При отрицательных температурах образцы выдерживают в хо­лодильном шкафу при температуре —10° С в течение нескольких часов для установления теплового равновесия. Защитная оболочка термостата заполняется эвтектической смесью с температурой плавления около —20° С (обычно 22, 4%-ный раствор МаС1), а рабочий объем — спиртом при той же температуре. Опыт может проводиться и в цикле повышения температуры, когда, как пра­вило, образцы выдерживаются при —20° С, а термостат — при —10° С (19, 7%-ный раствор КС1).

Включается мотор мешалки и через 15 — 20 мин начинается опыт. Термопара подключается к измерительному прибо­ру, калориметр вместе с контрольным спаем термопары погружается в

жид­кость термостата, включается секундо­мер и регистрируются изменения температуры и время т.

По полученным данным строится гра­фик lnh=f(t) (cм. рис.), на нем выбирается пря­моугольный участок, для которого рас­считывается величина m

m=(lnh₁–lnh₂)/(t₂–t₁)=(3, 8–2, 48)/(126–33)=0, 0142с^-1

Размеры образца в примере на рис.: Н=6, 03см, 2r=3, 8см, тогда фактор формыкалориметра, рассчитанный по формуле (**), равен b=0, 54^.10^{-4 м2}

Теперь определяем коэффициент температуропроводности

а=bm=0, 767^.10^-6 м²/с =0, 0028 м²/час.