11081
.pdf
Изменение свойств грунтов при замерзании и оттаивании, тепловая осадка
Свойства грунтов зависят от их температурного состояния.
Для мерзлых грунтов за счет цементирующего действия льда характерна
высокая механическая |
|
прочность. |
Например, сцепление суглинка: |
|||
|
||||||
|
|
Талый |
|
Мерзлый |
||
|
|
0,02 – 0,07 МПа |
|
0,5 – 0,7 МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предел прочности на сжатие у мерзлых грунтов довольно высок:
Глинистых |
Песчаных |
|
|
3 – 5 МПа |
12 - 15 МПа |
|
|
Рыхлые грунты после промерзания приобретают свойства скальных пород:
а) если их поры полностью заполняются льдом, то они становятся водонепроницаемыми;
б) увеличивается теплопроводность (λмг>λтг, обычно около λмг 1,3λтг);
в) может увеличиться объем (морозное пучение); изменяется электропроводность (они практически становятся диэлектрическими);
г) прекращается конвективный (за счет переноса влаги) теплообмен.
180
Мерзлые грунты после оттаивания вследствие разрушения льдоцементных связей резко меняют свои свойства:
а) могут приобретать текучую консистенцию и полностью терять несущую способность;
б) претерпевают тепловую осадку;
в) становятся водопроницаемыми и способными фильтровать воду. Физический смысл тепловой осадки оттаивающего грунта
осадка
оттаивание
ω Если ω>n, то может n происходить осадка при оттаивании
Способность к тепловой осадке грунтов характеризуется понятием
относительная осадка:
181
4. Некоторые сведения из теории теплопередачи
182
Виды теплопередачи
Энергетический обмен между взаимодействующими физическими областями, необходимой и достаточной причиной которого служит неодинаковость температур этих областей, называется теплопередачей.
1. Кондуктивная теплопередача (теплопроводность)
Кондуктивная теплопередача – это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям, осуществляемый
хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами).
183
2. Конвективная теплопередача (конвекция)
Конвективная теплопередача - явление переноса теплоты в жидкостях или газах потоками вещества.
Естественная конвекция возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения: нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.
При вынужденной (принудительной)
конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.).
184
3. Тепловое излучение (радиация)
Тепловое излучение — передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн. Оно может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме.
Подобные волны относятся к инфракрасному диапазону, который не видим глазом человека.
185
Основные понятия и уравнения теплопроводности
Количество теплотыQ (тепловая энергия тела), Дж.
Мощность теплового потока |
|
|
|
, Дж/с = Вт. |
|
|||
|
|
|
||||||
|
Единицы измерения Q и N |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Физическая |
Единицы СИ |
|
|
Технические единицы, часто |
||||
категория |
|
|
используемые в гидротехнике |
|||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Дж |
|
|
ккал |
|
Мкал |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Q |
1 |
|
|
0,239∙103 |
|
0,239∙106 |
||
4186,8 |
|
1 |
|
0,001 |
||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
4,186∙106 |
|
1000 |
|
1 |
|||
|
Вт |
|
|
ккал/час |
|
Мкал/сут |
||
|
|
|
|
|
|
|||
N |
1 |
|
0,86 |
|
0,0206 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,163 |
|
1 |
|
0,024 |
||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
1,163∙103 |
|
41,67 |
|
1 |
|||
186
Температурное поле – совокупность значений температуры во всех точках пространства, занятого телом:
–нестационарное поле;
–стационарное поле.
Температурное поле представляется в виде картины изотерм – поверхностей (или линий) одинаковой температуры. Картина может дополняться линиями теплового потока, перпендикулярными изотермам в точках пересечения с ними.
Иллюстрация двумерного температурного поля
187
Плотность теплового потока (удельный тепловой поток)
, Вт/м2(или ккал/м2∙час, или Мкал/м2∙сутки) – это
количество теплоты, проходящей в единицу времени t через единицу поверхности ω. Величина векторная. Вектор «q» направлен по нормали «n» к изотермической поверхности в сторону уменьшения температуры (т. е. в направлении движения теплового потока).
Здесь: (-1n) – единичный вектор, направленный в сторону уменьшения
температуры ϑ. |
|
В обратной записи: |
, Дж (или Мкал). |
Градиент температуры , градус/м – это вектор ,
направленный по нормали «n»к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры ϑ.
Здесь - производная температуры по направлению нормали «n» к изотермической поверхности.
188
Закон теплопроводности Фурье
Закон утверждает, что плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры.
Знак «-» ставится из-за противоположного направления векторов q и grad ϑ. Закон экспериментальный. Коэффициентом пропорциональности служит
коэффициент теплопроводности λ.
Для количества теплоты Q этот закон можно записать так:
, Дж (или Мкал),
т. е. количество переданной теплоты пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.
189