18. Особенности теплофизические свойства мерзлых пород

Теплофизические (тепловые) свойства характеризуют процессы переноса тепла в горных породах, что является непосредственной причиной их промерзания и оттаивания. К таким свойствам относятся теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость. Характеристики показателей этих свойств широко используются при решении различных инженерных задач, связаных с прогнозом и расчетом процессов промерзания и оттаивания.

Наибольшие изменения теплофизических свойств дисперсных мерзлых пород, связаны с фазовыми переходами и миграцией воды. Они наблюдаются при температурах пород близких к 0 ^оС.

Теплоемкость – величина, численно равная количеству тепла (ΔQ), которое необходимо сообщить телу для нагревания его на 1 градус.

Удельная теплоемкость (С) называется теплоемкость единицы массы однородного вещества, которая выражается в кДж/кг^оС.

Объемной теплоемкостью называется теплоемкость единицы объема вещества, которая выражается в кДж/м^3оС.

Теплопроводность мерзлых пород выражается коэффициентом теплопроводности (λ) являющимся мерой количества тепла в Дж, которое проходит в секунду через 1см² слоя вещества толщиной в 1см при разности температуры в 1 ^о С и выражается в Дж/см·с·^оС. Приблизительные расчетные значения коэффициентов теплопроводности λ пород как изотропных сред можно найти по таблицам, приведенным с СНиП 11-18-78.

Диапазоны изменения теплофизических свойств талых и мерзлых пород различного состава приведены в таблице3.3.

Теплофизические свойства мерзлых и немерзлых пород (составил В.Г.Чеверев) Таблица 3.3

Грунт	Коэффициент теплопроводности,λ.Вт/(м·К)	Коэффициент температуропроводности,α· 10,м2/с	Объемная теплоемкость, Ср·10ˉ4,Дж/м2·К)
Крупнообломочные грунты
Воздушно-сухие	0,33-0,44	0,23-0,34	1-1,9
Влагонасыщенные талые	1,1-2,1	0,35-1,06	2,3-3,2
Влагонасыщенные мерзлые	1,4-3,1	0,54-1,87	1,8-2,3
Пески
Воздушно-сухие	0.22-0,49	0,25-0,27	1,2-1,3
Влагонасыщенные талые	1,33-2,1	0,19-0,81	1,8-3,2
Влагонасыщенные мерзлые	1,85-3.3	0,25-1,36	1,7-2,2
Супеси
Воздушно-сухие	0,21-0,43	0,16-0,3	1,3-1,4
Влагонасыщенные талые	0,92-1,86	0,30,8	2,3-3,1
Влагонасыщенные мерзлые	1,13-2,4	0,5-0,96	1,6-2,1
Суглинки и глины
Воздушно-сухие	0,2-0.89	0,09-0,63	1,4-2,2
Влагонасыщенные талые	0,72-1,86	0,31-0,57	2,3-3,5
Влагонасыщенные мерзлые	0,79-2,16	0,35-0,89	1,7-2,7
Торф
Воздушно-сухой	0,012-0,14	0.06-1	0,1-0,15
Влагонасыщенный талый	0,3-0,9	0,07-0,76	1,6-4
Влагонасыщенный мерзлый	0,9-1,2	0,49-0,85	1-2,8

Коэффициент теплопроводности горных пород в мерзлом состоянии, как правило, выше, чем в талом. Это объясняется различием коэффициентов теплопроводности льда и воды. Этот показатель зависит и от гранулометрического состава дисперсных горных пород.

Его величина уменьшается в следующей последовательности: крупнообломочные – песчаные – супесчаные – лессовые – суглинистые – глинистые.

Температуропроводность характеризует способность пород изменять свою температуру в данной точке, определенного объема, под воздействием изменения температуры в соседней точке этого же объема. Ее показателем является коэффициент температуропроводности. Он характеризует скорость распространения тепловой волны в горных породах (м² сек), и определяется по формуле:

где: - коэффициент теплопроводности породы; - плотность породы естественного сложения и влажности; С – теплоемкость породы.

Коэффициент температуропроводности относительно слабо зависит от температуры и изменяется в сравнительно узких пределах

Км = (1.3 – 1.5)Кт,

где Км- коэффициент температуропроводности мерзлых, а Кт– талых пород

Теплофизические свойства грунтов используются для мерзлотного и инженерно-геологического прогноза устойчивости массива мерзлыхоснований к тепловому воздействию инженерных сооружений и принципиально важны для характеристики деформационных и прочностных свойств мерзлых грунтов.