Расчет глубины промерзания: Расчет глубины промерзания грунта по Московской, Ленинградской и другим регионам России

Расчет глубины промерзания грунта по снип

Расчет глубины промерзания грунта по СНиП

При строительстве зданий необходимо учитывать глубину промерзания СНиП в грунте. Без этого параметра невозможно точно рассчитать, какой глубины должен быть фундамент здания. Если это не учесть, то в будущем фундамент может деформироваться и повредиться из-за давления грунта при низких температурах.

Строительные нормы и правила

Строительные нормы и правила (СНиП) — это свод правил, регулирующих работу строителей, архитекторов и инженеров. Информация, содержащаяся в этих документах, позволяет построить прочное и надежное здание или правильно проложить трубопровод.

В СССР была создана карта, показывающая глубину промерзания грунта. Она содержалась в СНиП 2.01.01-82. Но этот нормативный акт позже был заменен СНиП 23-01-99, и карта в него не вошла. В настоящее время она доступна только на сайте.

СНиПы, содержащие информацию о глубине проникновения мороза, — 2.02.01-83 и 23-01-99. В них перечислены все условия, от которых зависит степень воздействия мороза на почву:

• цель, для которой было возведено строение;
• характеристики конструкции и нагрузки на фундамент;
• глубина общения;
• положение фундаментов соседних зданий;
• текущий и будущий рельеф строительной площадки;
• физико-механические свойства почвы
• особенности наложения и количества слоев;
• гидрогеологические характеристики территории участка;
• Сезонная глубина, на которой промерзает грунт.

В настоящее время установлено, что использование СНиП 2.02.01-83 и 23-01-99 для определения глубины промерзания грунта дает более точный результат, чем использование значений, взятых с карты, так как учитывается большее количество условий.

Следует отметить, что расчетная степень воздействия низких температур не равна фактической, так как некоторые параметры (уровень грунтовых вод, уровень снежного покрова, влажность почвы, минусовые температурные параметры) не являются постоянными и изменяются во времени.

Расчет уровня почвенного промерзания

Расчет глубины, на которую промерзает почва, производится по формуле, изложенной в СНиП 2.02.01-83: h=√M*k, где М — суммированная среднеабсолютная месячная температура, k — показатель, значение которого зависит от типа почвы:

Калькулятор расчета глубины промерзания грунтов

• глинистые или суглинистые почвы — 0,23;
• песчаные суглинки, алевритовые пески и мелкие пески — 0,28;
• крупные, средние и гравелистые пески — 0,3;
• крупнообломочный — 0,34.

Из приведенных выше данных видно, что степень промерзания грунта прямо пропорциональна увеличению фракции почвы. При работе на глинистых почвах необходимо учитывать еще один фактор, а именно количество содержащейся в них влаги. Чем больше воды в нем содержится, тем выше степень замерзания.

Фундамент дома должен находиться ниже уровня промерзания. В противном случае сила набухания будет выталкивать его вверх.

При расчете этого параметра лучше не полагаться на собственные силы, а обратиться к профессионалам, которые обладают полной информацией обо всех факторах, от которых зависит воздействие низких температур на фундамент здания.

Влияние морозного пучения грунта

Термин “морозная волна” относится к уровню деформации грунта во время оттаивания или замерзания. Это зависит от того, сколько жидкости находится в слоях почвы. Чем больше это количество, тем сильнее будет промерзать почва, поскольку, согласно законам физики, молекулы воды при замерзании увеличиваются в объеме.

Другим фактором, влияющим на морозы, являются климатические условия региона. Чем больше месяцев с температурой ниже нуля, тем сильнее промерзает почва.

Почвы, наиболее подверженные замерзанию, — это илистые и глинистые почвы, которые могут увеличить свой объем на 10% от первоначального объема. Пески менее подвержены морозному пучению, а каменистые и скалистые почвы вообще не подвержены морозному пучению.

Глубина проникновения мороза в грунт, определенная в СНиП, рассчитана с учетом наихудших климатических условий, когда снег не выпадает. Фактический уровень, до которого промерзает земля, меньше, поскольку сугробы и лед действуют как изоляторы тепла.

Грунт под фундаментами зданий промерзает меньше, так как зимой он дополнительно подогревается отоплением.

Для предотвращения промерзания грунта можно дополнительно утеплить площадь 1,5-2,5 метра по периметру фундамента дома. Таким образом, можно сделать мелкозаглубленный ленточный фундамент, что также более экономично.

Влияние толщины снежного покрова

В более холодные месяцы снежный покров действует как изолятор и напрямую влияет на глубину промерзания грунта.

Часто бывает, что владельцы счищают снег со своих участков, не понимая, что это может привести к деформации фундамента. Грунт на участке промерзает неравномерно, что приводит к повреждению фундамента дома.

Кустарники, высаженные по периметру здания, могут обеспечить дополнительную защиту от сильных морозов. На них будет скапливаться снег, защищая фундамент от низких температур.

Видео по теме: Реальная глубина промерзания грунта

Как определить глубину заложения ленточного фундамента

Национальные строительные нормы для свайных фундаментов

Водосточная канализация в соответствии со СНиП

Расчет глубины промерзания грунта. Онлайн расчет глубины промерзания грунта для прокладки труб водопровода, канализации и монтажа фундамента.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ КАЛЬКУЛЯТОРА

Глубина промерзания грунта принимается как среднегодовое значение максимальной глубины сезонного промерзания грунта (на основе наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, свободной от снега горизонтальной поверхности при уровне грунтовых вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунта.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта, dfn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений, должна определяться теплотехническими расчетами. Для районов, где глубина проникновения мороза не превышает 2,5 м, допустимо определять нормативное значение по формуле:

dfn = d0 * √ Mt

где Mt — безразмерный коэффициент, равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных зимних температур в рассматриваемом районе, принимаемых в соответствии со СНиП Строительная климатология и геофизика, или, при отсутствии таких данных для данного пункта или района застройки, в соответствии с результатами наблюдений гидрометеорологической станции, расположенной в аналогичных условиях с районом застройки;

d0 — величина, принимаемая за равную, м, для:

• глина и суглинок — 0,23;
• песчаная глина, мелкий песок и пыль — 0,28;
• Гравий, крупный и средний песок — 0,30;
• Грубообломочные почвы — 0,34.

Значение d0 для почв неоднородного состава определяется как средневзвешенное значение в пределах глубины промерзания.

Глубина заложения наружного водопровода.

Глубина заложения труб, считая до дна, должна быть на 0,5 м больше расчетной глубины проникновения в грунт при нулевой температуре. При прокладке трубопроводов в зоне отрицательных температур материал труб и элементы стыковых соединений должны соответствовать требованиям по морозостойкости согласно п. 11.40 СП 31.13330.2012.

Меньшая глубина захоронения труб может быть приемлемой при условии, что будут приняты меры для предотвращения:

• замораживание арматуры, установленной на трубопроводе;
• недопустимое снижение несущей способности трубопровода в результате образования льда на внутренней поверхности труб;
• Повреждение труб и трубных соединений в результате замерзания воды, деформации грунта и температурных напряжений в материале стенки трубы;
• Образование льда в трубопроводе во время перебоев в подаче воды, вызванных повреждением трубопроводов.

Глубина заложения наружной канализации.

Наименьшая глубина заложения канализационных труб должна определяться на основании тепловых расчетов или приниматься на основании опыта эксплуатации сети в данном районе, в соответствии с п. 6.2.4 СП 32.13330.2012.

При отсутствии данных минимальная глубина заглубления дна трубы для труб диаметром до 500 м может быть принята равной 0,3 м, а для труб большего диаметра — 0,5 м ниже глубины проникновения грунта с нулевой температурой, но не менее 0,7 м до верха трубы, считая от земли или нивелира (во избежание повреждения при переносе грунта).

Расчетная глубина промерзания грунта для фундамента.

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта, df, м, определяется по формуле:

df = kh * dfn

где dfn — стандартная глубина промерзания, определяемая по формуле

kh — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания; предполагается, что

• для наружных фундаментов отапливаемых зданий — в соответствии с таблицей 1;
• для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых зданий kh = 1,1, за исключением районов с отрицательной среднегодовой температурой.

1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетную глубину промерзания грунта для неотапливаемых зданий следует определять в тепловом расчете в соответствии с требованиями СП 25. 13330.2012 Расчетную глубину промерзания грунта следует также определять в тепловом расчете в случае применения постоянной тепловой защиты фундаментов, а также когда тепловой режим проектируемого здания может оказывать существенное влияние на температуру грунта (холодильные склады, котельные и т.п.).
2. Для зданий с нерегулярным отоплением в качестве расчетной температуры воздуха при определении kh используется среднесуточная температура воздуха, учитывающая продолжительность отапливаемых и неотапливаемых периодов в сутки.

Расчет глубины промерзания | Конструктив

Расчет глубины промерзания грунта выполняется согласно предписаниям СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» Старая версия документа представляла карту промерзания грунта всей территории СССР. На сегодняшний день эти данные считаются устаревшими, поэтому внедрена система расчета.

Важно понимать, что расчет глубины промерзания грунта выполняется для правильной установки фундамента и всех коммуникаций, связанных с водой.

Расчет глубины промерзания грунта по СНиП

Основной пункт строительных норм и правил указывает на то, что глубина промерзания грунта, при проектировании, принимается на базе данных о наблюдении (на протяжении последних 10 лет) за открытой, освобожденной от снега небольшой территорией.

Эта информация собирает метеослужба. Важным условием наблюдаемой площадки, является прохождения грунтовых вод ниже отметки промерзания грунта. Практически, подробно о местности и всех проведенных исследованиях можно узнать у местной геологической службы. Они контактируют с метеослужбой и регулярно получают необходимые данные.

Если такая информация отсутствует, можно применять расчет глубины промерзания, но только для местностей, где прогнозируемое промерзание не больше 2,5 метров.

Для выполнения расчета необходимо использовать формулы:

d_fn – нормативная глубина промерзания грунта.

d_f – расчетная глубина промерзания грунта.

M_t – коэффициент без установленной единицы измерения, который являет собой сумму отрицательных температур, определяемый по СНиП 2.01.1-82 «Строительная климатология». Значение отрицательных температур берется среднемесячное и суммируется модульно. Открываем СНиП, ищем необходимую нам местность, выписываем три цифры минусовой температуры и складываем их, не учитывая знак минус.

d₀ – этот параметр принимается, согласно виду грунта:

• 0,23 м. для суглинков и глин;
• 0,28 м. для супесей, песков и мелких пылеватых грунтов;
• 0,30 м. для крупных и средней крупности песков;
• 0,34 м. для крупнообломочных грунтов.

k_h – коэффициент, значение которого зависит от теплового режима проектируемого здания. Если здание неотапливаемое, принимают значение 1,1, а при эксплуатационном постоянном отоплении значение коэффициента выбирают по таблице 1, которая указана в СНиП 2.

02.01-83, который можно скачать в конце статьи, при этом необходимо внимательно учесть примечания к таблице.

Расчет глубины промерзания грунта без СНиП

Расчет глубины промерзания грунта необходим для выполнения правильной посадки фундамента и определения отметки его подошвы. В реальности, при строительстве небольших коттеджей, мало кто выдерживает рекомендации, которые регламентирует СНиП.

При этом, решения опираются на существующие здания, которые уже построены с нарушением рекомендаций и стоят, не падают до сих пор. Следует понимать, что документ разрешает размещать фундамент в зоне промерзания грунта, но с обеспечением соответствующих мероприятий.

Во-первых, необходимо выполнить геологические изыскания в зоне строительства по нескольким углам пятна здания. Если нет возможности привлечь специальную службу, надо выполнить бурение обычным ручным буром на глубину до двух метров.

Важно убедиться, что под фундаментами, которые размещаются в грунте, который промерзает, нет глинистых участков. Дело в том, что пески не имеют свойства сберегать в себе воду и потому, они не вспучиваются при замерзании. Глина же, при замерзании увеличивается в объеме и осуществляет значительное давление, что приводит к неравномерному крену фундамента.

В случае обнаружения таких грунтов необходимо либо провести заглубление фундамента ниже точки промерзания, либо сделать выемку таких грунтов и обеспечить песочный карман, который будет служить основанием.

Подводным камнем надо считать вероятность размещения глинистых грунтов под небольшим слоем песчаных. В таких случаях часто бывает, что дойдя до отметки низа фундамента, люди видят хорошие грунты и спокойно размещают на нем свои конструкции, без дальнейшего исследования грунта.

А по факту, если дальше будут находиться глинистые грунты в зоне промерзания, то зимой произойдет вспучивание и непрогнозируемая деформация.

Скачать СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений»

Скачать ДБН В.2.1-10-2009 «ОСНОВИ ТА ФУНДАМЕНТИ СПОРУД. Основні положення проектування»

© Статья является собственностью recenz.com.ua. Использование материала разрешается только с установлением активной обратной ссылки

 

Добавить комментарий

Моделирование замерзания почвы: Оригинальная модель

Моделирование промерзания грунта: Оригинальная модель Модель промерзания почвы описана здесь больше не реализуется в этой первоначальной форме. Он был модифицирован для выполнения замораживания и оттаивания с помощью замораживающих линз.

Первоначальная модель промерзания почвы была модифицированной версией модели, разработанной Jumakis (van Rooij, 1987) был включен в CropSyst. Суточный кумулятивный индекс замерзания (CFI) для дня d (C-дней) рассчитывается как: 9-1) – коэффициент уменьшения снега.

0,8	если T avg < 0 (периоды замерзания)
0,5	, если T avg > 0 (периоды оттаивания)

Dsd (см) высота снежного покрова на земле в день d.

CFI является мерой доступной «силы замораживания климата». CFI_d это инициализируется определенным отрицательным значением в начале зимы, чтобы представляют собой отставание между климатическими морозными условиями и началом фактическое промерзание почвы. По мере преобладания температуры замерзания CFI_d становится меньше сначала отрицательный, а затем положительный, что указывает на возможность замерзания почвы.

Чтобы рассчитать глубину промерзания, индекс промерзания, необходимый для промерзания каждого слоев почвы (RFIl) необходимо рассчитать и сравнить с CFI_d. Потому что наличие слоя снега на почве снижает скорость проникновения мороза необходимо определить теплопроводность снега. Это делается по следующему уравнению:

k sn = (22,7 · ρ sn – 0,46) · 10 5

куда

k_sn(кал/(см . с . Кл)) – теплопроводность снега.

ρsn (0,1 г/см3) – плотность снега или одна десятая плотности снега. вода.

Термическое сопротивление снега определяется по формуле:

r sn = D s / K sn · SEDF

куда

r_sn ((см . с . Кл)/кал) – термическое сопротивление снега.

Ds (см) высота снежного покрова на земле.

SEDF — уменьшение эффекта снега с коэффициентом глубины, который рассчитывается ежедневно и умножается на термическое сопротивление снега и результирующую значение добавляется к общему сопротивлению всех слоев вместе. Этот Коэффициент уменьшения определяется как:

SEDF = e -SIF · F d

куда

SIF (1/см) — входной параметр коэффициента снегозащиты (раздел 7. 6.1).

F_d см – глубина промерзания.

Термическое сопротивление каждого слоя грунта предоставлено:

r _l = ΔZ _l / K _l куда

r_l ((см . с . Кл)/кал) – термическое сопротивление слоя грунта.

Zl (см) – толщина слоя грунта.

Кл (кал/(см . с . Кл)) – теплопроводность слоя грунта.

Для замораживания слоя l тепловое сопротивление необходимо преодолеть все предыдущие слои, прежде чем фронт замерзания достигнет это, где снег обрабатывается как слой со своим собственным снежным тепловым сопротивление. Тогда требуемый индекс замерзания определяется как:

ЗПИ л =

[ л л +

с · CFI 2 · фд

]

куда

RFIl (C-days) – требуемый индекс замерзания для промерзания слоя l.

Lл (кал/см3) – скрытая теплота, выделяющаяся при промерзании слоя л рассчитывается по объемному содержанию воды в слое (WCl) и скрытой теплота плавления (80 кал/см3) как: L _l = 80 · wc _l

Кл (кал/(см3 . С)) – теплоемкость.

CFI (C-days) — кумулятивный индекс замерзания.

fd (дней) – количество морозных дней.

Zl (м) – мощность l-го слоя грунта.

Rtot ((см·с·C)/кал) – общее тепловое сопротивление, определяемое по формуле: R _tot = r _sn + r ₁ + r ₂ · · · [ r _nl / 2 ]

r_sn – термическое сопротивление снежного слоя.

r_1, r_2 … r_nl — сопротивления каждого слоя грунта.

Частный случай требуемого индекса промерзания для промерзания первого слоя грунта рассчитывается по следующему уравнению:

RFI 1 =

л 1 · ΔZ 1 84 400

·

[

р 1 2

+ р п

]

куда

RFI1 (C-дни) — индекс замерзания, необходимый для замерзания слоя 1.

л1 (кал/см3) – скрытая теплота, выделяющаяся при замерзании слоя 1 (см. уравнение 14.4.1).

WC1 – объемная влажность первого слоя почвы.

р_1 ((см . с . Кл)/кал) – термическое сопротивление первого грунта слой.

Определяется необходимый индекс промерзания для всего почвенного профиля (RFIt). как сумма необходимого индекса промерзания для каждого слоя почвы:

ЗПИ т =

нл Σ л=1

ЗПИ л

Значение CFI_d за текущий день сравнивается с RFI накапливается слой за слоем. Глубина промерзания определяется слоем, где кумулятивный RFI становится больше, чем CFI. Точка фронта промерзания в этот слой определяется линейной интерполяцией.

14.4.2 Теплоемкость почвы

Теплоемкость в уравнении 14.4.1 должна учитывать индивидуальное компонентов в почве и, таким образом, может быть рассчитана путем добавления взвешенного тепла способность каждого из различных компонентов почвы к общему теплу вместимость:

C = X _s · C _s + X _w · C _w + X _a · C _a где

Кл (кал/(см3 . Кл)) – объемная теплоемкость.

Xi (-) – объемная доля компонента i.

Ки (кал/(см3·С)) – объемная теплоемкость компонента i.

с – твердая составляющая.

а — воздушная составляющая.

w – водная составляющая.

Значения объемной удельной теплоемкости составляют 0,46, 0,45, 0,0003, 1,0 для твердого минерального материала, льда, воздуха и воды соответственно. Воздух компонент в расчетах не учитывался из-за его малого вклада к полной удельной теплоемкости.

Теплопроводность почвы

Теплопроводность в уравнении 14.4.1 рассчитывается по формуле:

К =	Σ М и · Х и · К и Σ М и · Х и

куда

К (кал/(см·с·Кл)) – коэффициент теплопроводности.

i – компонент в почве.

Xi – объемная доля компонента i.

Ки (кал/(см·с·Кл)) – удельная теплопроводность компонент я.

M_i – отношение среднего градиента температуры каждого минорного компонент и соответствующее количество в среде, через которую проходит наиболее тепло передается.

Значение M_i может быть рассчитано в зависимости от формы и размера частицы и их взаимное расположение. В условиях, когда гранулы имеют эллипсоидальную форму и расположены так далеко друг от друга, что не не влияют друг на друга, можно использовать следующее выражение для расчета этот параметр:

М я а =

1/3 1 + к i к 0 + 1 · G а

M _i = M _{i a} + M _{i b} + M _{i c} куда

Ga – коэффициент деполяризации эллипсоида в направлении ось а.

Ko (кал/(см·с·C)) – удельная теплопроводность сплошная среда в почве (преимущественно вода или лед).

Mia – вклад в коэффициент M_i направления

и .

Когда содержание воздуха в почве составляет от 0,0 до 0,337, значение Ga может быть рассчитано из:

G _a = 0,333 – X _a / 0,427 · (0,333 – 0,35) куда

Xa – объемное содержание воздуха в почве.

Были взяты значения удельной теплопроводности: 20,4, 7,0, 5,2, 1,3. (мкал/(см . с . С)) для кварца, минералов, льда и воды. Значение для Коэффициент Ga также действителен для Gb. Значение для Gc рассчитывается из:

Г _а + Г _б + Г _с = 1 Использование этих уравнений объясняется следующим образом: когда почва состоит только из одного компонента, такого как кварц, теплопроводность будет только кварц; если также присутствует вода, значение теплового проводимость будет между кварцем и водой. Когда проводимость одного вещества намного меньше, чем другие, почти все тепло будет транспортируется веществом с более высокой электропроводностью.

Прогноз промерзания с использованием моделирования с помощью ГИС

Прогноз промерзания с использованием моделирования с помощью ГИС

Стивен П. Фаррингтон, ЧП
Ассоциация прикладных исследований, Inc.
415 Waterman Road, Южный Роялтон, Вермонт 05068
телефон: 802-763-8348
факс: 802-763-8283
электронная почта: [email protected]

Мартин Л. Гилдеа
Ассоциация прикладных исследований, Inc.
415 Уотерман Роуд
Южный Роялтон, Вермонт 05068
телефон: 802-763-8348
факс: 802-763-8283
электронная почта: [email protected]

РЕЗЮМЕ

Была разработана новая методология с использованием численного моделирования, статистической регрессии, пространственной интерполяции и ГИС для прогнозирования максимальной глубины промерзания типичной конструкции дорожного покрытия по всему штату Вермонт с различными уровнями статистической достоверности. Методология, стоящая за историческими картами промерзания, была неизвестна и, по-видимому, не учитывала влияние высоты, ключевого фактора, определяющего температуру воздуха, влияющую на охлаждение поверхности дорожного покрытия. Новые карты, разработанные в ArcView, будут использоваться для проектирования дорожных покрытий для строительства новых дорог, которые должны простираться до определенного процента от максимальной глубины промерзания.

---

ВВЕДЕНИЕ

Образование инея на тротуарах может привести к их повреждению. Многие критерии проектирования дорожной одежды определяют минимальную толщину конструкции дорожной одежды в зависимости от максимальной глубины промерзания. При проектировании новых тротуаров Транспортное агентство Вермонта (VAOT) в прошлом полагалось на карты промерзания по всему штату, разработанные около 30 или более лет назад. Методология и источники данных для карт были неизвестны, и их надежность была сомнительной. Методология была разработана с использованием комбинации численного моделирования, геостатистики и линейной регрессии для создания новых карт на 50% и 90% статистической достоверности.

ЗАМЕРЗАНИЕ В ТРОТУАЛАХ

Образование инея в конструкциях дорожных покрытий вызывает инженерную озабоченность из-за возможности причинения ущерба из-за дифференциальных изменений объема. Эти изменения вызываются при замерзании увеличением влажности, превращением воды в лед и образованием ледяных линз. Соответствующая конструкция дорожного покрытия может предотвратить повреждение от мороза за счет (а) снижения влажности за счет улучшения дренажа (и уменьшения капиллярности), (б) контроля тепловых свойств дорожного покрытия или (в) сочетания контроля влаги и температуры. Во многих процедурах проектирования дорожного покрытия глубина конструкции указывается в процентах от максимальной глубины промерзания. Однако глубина проникновения инея в конструкцию дорожного покрытия в значительной степени определяется конструкцией конструкции. Кроме того, глубина промерзания в конструкции дорожного покрытия будет больше, чем в покрытом снегом профиле, благодаря теплоизоляционным свойствам снега.

Иней образуется в почвах, когда температура матрицы почвы падает ниже точки замерзания основной воды, вызывая замерзание воды, находящейся в порах. Процесс замерзания происходит постепенно и является результатом потери тепла через почву или поверхность тротуара более холодному воздуху над ним. Везде, где есть влага в почве при температуре ниже точки замерзания содержащейся в ней воды, возникает заморозок. Кейн и Чако (1) представляют обзор физических основ образования инея в почвах, а Хольц и Ковач (2) дают отчет об историческом развитии понимания явлений промерзания почвы и их влияния на инженерные сооружения.

Замерзшая почва может состоять из почвы, воздуха, незамерзшей воды и льда. Даже при температурах значительно ниже точки замерзания основной воды в почве может оставаться некоторое количество незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды зависит не только от температурной депрессии, но и от удельной поверхности и солености почвы. Чем мельче частицы почвы, тем больше доля незамерзшей воды при данной температуре ниже точки замерзания. Наличие незамерзшей воды имеет большое значение, поскольку дает возможность влаге мигрировать вертикально, способствуя образованию и утолщению ледяных линз. Ледяные линзы представляют собой горизонтальные слои твердого льда, которые образуются под поверхностью земли и отделяют верхний слой почвы от нижнего. Они представляют наибольший потенциал для повреждения из-за величины смещения, которое они вызывают в конструкции дорожного покрытия, и являются явлением, ответственным за морозное пучение.

Формирование ледяной линзы

Тепло и влага мигрируют в почве в ответ на градиенты температуры и всасывания, соответственно, при этом поток обоих происходит из теплой почвы в холодную. Когда почва замерзает из-за потери тепла в атмосферу, тепло и влага мигрируют к поверхности. Восходящая миграция воды происходит из-за уменьшения парциального давления воды по отношению к матрице порового флюида, которое происходит на фронте замерзания, когда жидкая вода превращается в лед. Эта потеря воды из-за замерзания аналогична сушке, которая вызывает градиент всасывания. Миграция влаги дополнительно усиливается порядком замерзания поровой воды. Незамерзшая вода остается тонким слоем вокруг отдельных почвенных частиц, а уже замерзшая вода занимает наиболее удаленные от поверхности почвенных зерен участки порового пространства. Таким образом, капиллярный потенциал усиливается эффективным уменьшением пористости, происходящим по мере замерзания порового пространства, а также увеличением поверхностного натяжения воды при пониженных температурах.

Со временем в поровом пространстве может образоваться достаточное количество льда, чтобы создать барьер для миграции влаги. Это когда образуются ледяные линзы, потому что мигрирующая вода попадает в ловушку на фронте замерзания, который образует конечную точку ее миграции вверх в «более сухую» почву. Образование ледяных линз, как правило, начинается там, где пористость уже низкая, например, в слоях ила или глины. Ледяные линзы могут вырастать до нескольких сантиметров в толщину, что приводит непосредственно к смещению дорожного покрытия.

Подходы к прогнозированию заморозков

Простейшие подходы к прогнозированию промерзания используют индексы градусо-дней замерзания. У этого подхода есть физическая основа, поскольку температура воздуха значительно влияет на тепловые граничные условия на поверхности дорожного покрытия и, следовательно, на градиент, на который реагируют потоки тепла и влаги. Однако температура воздуха у поверхности не является единственным фактором, влияющим на охлаждение дорожного покрытия. Другие переменные включают: (а) теплопроводность материалов покрытия дорожного покрытия; (б) теплопроводность подстилающего слоя, на которую большое влияние оказывает влажность; (c) теплоемкость воздуха, контролируемая температурой и влажностью; (г) скорость ветра; и (e) солнечное излучение, которое может генерировать тепло на поверхности тротуара, даже когда воздух охлаждает его.

Усложнение задачи прогнозирования заморозков связано с влиянием влаги. Промерзание конструкции дорожной одежды является результатом двойной миграции тепла и влаги. Следовательно, скорость промерзания почвы будет влиять на глубину и воздействие промерзания более глубоко, чем на окончательный температурный профиль почвы. Например, при быстром замерзании влага может мигрировать недостаточно быстро, чтобы питать ледяную линзу, тогда как при более медленном замерзании она может мигрировать. Несмотря на то, что температуры, вероятно, будут более экстремальными во время быстрого замерзания, ущерб от мороза из-за впитывания влаги может быть больше во время медленного замерзания. И наоборот, периодическая оттепель на поверхности земли может привести к тому, что высвобожденная вода будет стекать на более холодную глубину, где она снова замерзнет, ​​что приведет к образованию ледяной линзы из-за ограничения порового пространства. Кроме того, роль почвенной влаги усиливается ее значительным влиянием на теплопроводность земляного полотна.

Факторы, динамически влияющие на содержание влаги в почве в конструкции дорожного покрытия, включают: (a) исходное состояние влажности; (б) граничные условия влажности; в) осаждение и инфильтрация; (d) геометрия поперечного сечения покрытия и дренажные характеристики; и (e) градации материалов.

Из-за роли динамически изменяющейся влажности почвы в промерзании одни лишь индексы градусо-дней промерзания редко обеспечивают надежный прогноз промерзания конструкций дорожного покрытия. Более полезной может оказаться корреляция с индексом степени промерзания для конкретного места, основанная на местных климатических и влажностных условиях. Самые сложные методы прогнозирования промерзания включают знания о влажности почвы различной степени сложности. Некоторые также включают модели повреждений, которые предсказывают морозное пучение и оттаивание. Для прогнозирования промерзания можно использовать различную степень сложности. Надлежащая степень сложности любого прогноза промерзания зависит от предполагаемого использования полученного прогноза, наличия и надежности соответствующих входных данных и чувствительности полученного прогноза по отношению к неопределенности входных данных.

ОБЗОР МЕТОДОЛОГИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

В методе, используемом для прогнозирования максимальной глубины промерзания по всему штату, использовались численно смоделированные механические прогнозы промерзания на основе фактических климатологических данных за 40-летний период (с 1950 по 1990 год) на типичном дорожном покрытии на каждой из 6 станций метеорологических наблюдений, разбросанных по всему штату. Полученные 240 прогнозов годовой морозной активности затем регрессировали против фактического годового индекса степени замерзания (AFDI) на этих 6 станциях. Затем было использовано уравнение регрессии, чтобы связать глубину промерзания, характерную для смоделированного дорожного покрытия и динамики погоды в регионе, с AFDI при уровне надежности 50%. Точно так же это упражнение было повторено для 9Уровень надежности 0 % с использованием регрессии одностороннего 90 % верхнего доверительного предела глубины проникновения на односторонний верхний 90 % доверительный предел AFDI для всех смоделированных станций.

АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕНДЕНЦИЙ

Чтобы обеспечить стабильные метеорологические данные для прогнозирования промерзания на двух желаемых уровнях статистической надежности, сначала была оценена стабильность климата Вермонта за последние несколько десятилетий. Метеорологические данные с шести предварительно выбранных станций наблюдения за погодой, разбросанных по всему штату, были проанализированы на предмет временных трендов годовых градусо-дней с морозом. Для этих данных была проведена линейная регрессия методом наименьших квадратов, связывающая годовой индекс степени промерзания (AFDI) с годом возникновения. Средний R-квадрат шести регрессий, связывающих AFDI на каждой станции с годом возникновения, составил 0,019., что указывает на то, что менее 2% изменчивости AFDI за рассматриваемый период коррелируют с годом возникновения. Таким образом, можно заключить, что местный климат был достаточно стабильным, чтобы прогнозы промерзания могли быть надежно основаны на имеющихся климатических данных за 40 лет.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Усовершенствованная интегрированная климатическая модель (EICM), версия 2.6, использовалась для моделирования промерзания типичного дорожного покрытия в реальных метеорологических условиях в течение сорока лет на шести метеорологических станциях, используемых для анализа климатических тенденций. Спецификация дорожного покрытия была предоставлена ​​VAOT.

Числовое описание модели

Модель

EICM, разработанная совместно Иллинойсским университетом в Урбане-Шампейне и Техасским институтом транспорта Техасского университета A&M, является одной из самых сложных моделей для прогнозирования промерзания дорожных покрытий. EICM представляет собой двумерную программу потоков тепла и влаги для анализа грунтовых систем дорожного покрытия в сочетании с климатическими условиями. Модель сочетает в себе три отдельные модели воздействия климата на дорожное покрытие: а) модель «Климат-материалы-конструкции» (CMS), разработанная в Университете штата Иллинойс; (b) Модель инфильтрации и дренажа (ID), разработанная в Техасском университете A&M; и c) модель осадки при морозе и оттепели, разработанная в Научно-исследовательской и инженерной лаборатории холодных регионов армии США (CRREL). EICM принимает в качестве входных данных фактические метеорологические данные и имеет множество опций для задания влажности и температуры или их потока на нижней границе и на границе между основанием и земляным полотном. В нем рассматривается боковой и вертикальный дренаж основания, который представляет собой двумерную задачу, при определении количества воды, попадающей в основание путем инфильтрации через поверхность дорожного покрытия и основание. Версия 2.6 EICM также улучшает модельные расчеты влажности почвы, вводя соотношение Фредлунда-Синга в качестве выбираемой пользователем альтернативы функциям Гарднера.

Валидация модели

Полевые данные проекта Long Term Pavement Performance (LTPP), полученные на испытательном участке в Нью-Хейвене, штат Вермонт, использовались для проверки результатов EICM. До 1994 г. этот участок был оснащен метеостанцией, а также датчиками температуры и электропроводности. Расположение приборов описано Ali и Tayabji (3). Данные из раздела были доступны на компакт-диске, распространяемом Федеральным управлением автомобильных дорог за 19 лет. с 94 по 1997 год.

Модель была запущена с учетом конструкции дорожного покрытия, указанной VAOT для картирования, и с использованием в качестве других входных данных данных метеостанции New Haven Junction с компакт-диска LTPP DataPave. В этом месте использовалась фактическая глубина грунтовых вод около шести футов, полученная от DataPave. РИСУНОК 1 иллюстрирует соответствие между предсказаниями модели и фактическими полевыми данными. Фактическая глубина промерзания интерпретировалась по данным LTPP как глубина, на которой температура почвы в профиле изменилась от менее -2,2°С до более чем -1,1°С. Эта точка перехода находится ниже 0°С из-за солености и была выбрана на основе интерпретации изменений профилей удельного сопротивления после наступления минусовой погоды. Максимальная глубина сезонного промерзания, предсказанная EICM, согласуется с максимальной глубиной, полученной по профилям температуры и удельного сопротивления, в пределах 3 см.

РИСУНОК 1. График, показывающий сравнение численно смоделированной глубины промерзания с глубиной промерзания, рассчитанной по полевым данным LTPP на участке 50-002, перекресток Нью-Хейвен, штат Вермонт.

Анализ чувствительности

EICM также был оценен на чувствительность к изменению нескольких климатических параметров. Анализ чувствительности проводился путем многократного моделирования поведения одного и того же покрытия при одновременном изменении нескольких климатических параметров и тепловых свойств покрытия. Анализ показал, что максимальное сезонное промерзание, предсказанное EICM, было относительно нечувствительным к колебаниям глубины до уровня грунтовых вод, проценту солнечного света, скорости ветра и поглощающей способности поверхности дорожного покрытия. Таким образом, потенциальные неточности в предполагаемых и/или оценочных значениях этих параметров не окажут значительного влияния на результаты исследования. Результаты этого анализа подробно обсуждаются в заключительном отчете проекта (4).

Входы модели

EICM требует спецификации климатических данных, структурной геометрии дорожного покрытия и свойств материала дорожного покрытия, включая пористость, плотность в сухом состоянии, теплопроводность, насыщенную проницаемость и информацию о градации, а также коэффициент поглощения солнечного излучения для поверхностного слоя.

Климатические данные

Для климатических данных EICM требует максимальную и минимальную температуру воздуха, скорость ветра, процент солнечного света, дневное количество осадков, широту станции и глубину до грунтовых вод. Климатические данные были получены из информационного продукта Национального центра климатических данных (NCDC) «Совместные ежедневные сводки». Данные по нескольким климатическим параметрам для конкретного местоположения не были доступны в этом продукте, поэтому для всех расчетов модели предполагалась постоянная скорость ветра 10 миль в час и постоянный процент солнечного света 60% в день, за исключением проверки модели с использованием теста New Haven Junction. раздел, где эти данные были доступны из проекта LTPP. Данные LTPP также легли в основу оценки входных данных о солнечном свете и скорости ветра, используемых для остальных станций. Глубина грунтовых вод предполагалась постоянной на уровне 10 футов по всему штату. Хотя, согласно анализу чувствительности, проведенному с помощью EICM, более мелкий уровень грунтовых вод привел бы к несколько более консервативным прогнозам (т. е. более глубокому промерзанию), изменение, вызванное даже уменьшением вдвое глубины уровня грунтовых вод, относительно незначительно (1,6%). .

Спецификация дорожного покрытия

Модель дорожного покрытия, как указано VAOT, состояла из 20,3 см (8 дюймов) асфальтобетона, 61,0 см (24 дюйма) из щебеночного основания A-1-a и 40,6 см (16 дюймов) подстилающего слоя. песка А-3, для которого была доступна кривая градации. Предполагается, что под тротуаром находится ил A-4 на глубине 610 см (20 футов) (т. Е. До граничного условия температуры глубокого грунта). Типичные значения тепловых, гидравлических и других свойств материала использовались для ввода материалов дорожного покрытия в EICM. Эти значения показаны в ТАБЛИЦЕ 1.

ТАБЛИЦА 1. Свойства дорожного покрытия, используемые в качестве входных данных для EICM.

	Слой
	Поверхность	Базовый курс	Подбаза	Основание
Обозначение материала по AASHTO	АКК	А-1-а	А-3	А-4
Толщина (см)	20,3	61,0	40,6	487,7
Теплопроводность (джоули/час-см-C)	41,8	25,1	20,9	16,7
Теплоемкость (Дж/кг-C)	919	877	836	836
Удельный вес (кг/л)	2,37	2. 11	1,84	1,76
Пористость	н/д	0,25	0,30	0,40
Насыщенная проницаемость (см/мин)	н/д	50,8	н/д	0,003
D60, мм	н/д	20	н/д	н/д
Процент прохождения через сито #200	н/д	н/д	7	70
Индекс пластичности, %	н/д	н/д	0,1	5,0

Во всех прогонах модели оценивались периоды, начинающиеся 1 августа, чтобы дать достаточное время для влияния динамических входных данных, чтобы полностью исключить первоначальные предположения о профилях влажности и температуры до наступления приземных метеорологических условий, вызывающих заморозки. Прогоны были завершены 30 июля. На C++ была написана программа для извлечения максимальной сезонной дневной глубины промерзания из выходных данных каждого года (с августа по июль) в файлах тепловых выходных данных EICM (. thm).

СТАТИСТИЧЕСКАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ

AFDI, соответствующие 40 численно смоделированным данным о сезонах на каждой станции, также были рассчитаны на основе ежедневных наблюдений. Как и при численном моделировании, сезон для расчета AFDI был определен с 1 августа по 30 июля. Эти значения AFDI использовались для выполнения линейной регрессии моделируемой сезонной максимальной глубины промерзания по AFDI. Подгонка методом наименьших квадратов показана на РИСУНКЕ 2 вместе с верхним пределом одностороннего предсказания 90%.

РИСУНОК 2. График корреляции между смоделированной глубиной промерзания (D) и годовым индексом степени промерзания (AFDI), рассчитанным на основе фактических метеорологических данных на шести станциях, с линейной регрессией и односторонним верхним пределом прогноза 90%.

Уравнение, связывающее промерзание с AFDI, в градусо-днях по Цельсию:

D = 62,2 + 0,1024 AFDI (1)

, где D – глубина промерзания в сантиметрах. Значение R-квадрата для этой корреляции указывает на то, что 86% изменчивости глубины промерзания прогнозируется изменчивостью AFDI на сезонной основе.

Чтобы получить 50-процентную надежную максимальную глубину промерзания из регрессии D на AFDI, было использовано уравнение регрессии, поскольку фактическая глубина промерзания в любой данный год имеет 50-процентную вероятность быть меньше, чем прогнозируется по этому уравнению. Следовательно:

D50 = 62,2 + 0,1024 AFDI (2)

Для разработки 90% надежной корреляции между AFDI и глубиной промерзания был использован верхний 90% предел одностороннего прогнозирования, поскольку по определению фактическая глубина промерзания в любой данный сезон будет иметь 90%-ный предел промерзания.0% вероятность быть ниже прогнозируемого этим пределом. Это то же самое, что и верхний предел 80-процентного интервала двустороннего прогнозирования (например, 80-процентная вероятность оказаться между верхней и нижней границами 80-процентного интервала предсказания и 10-процентная вероятность оказаться ниже нижней границы интервала). ).

D90 = 71,4 + 0,1024 AFDI (3)

ГИС

ArcView использовалась для преобразования сетки среднего значения AFDI по штату с разрешением 1000 м в D50 и D90 с использованием уравнений (2) и (3). Эти полученные D50 и D9Затем слои сетки 0 использовались для создания карт сезонной максимальной глубины промерзания на двух уровнях надежности.

КАРТЫ СТЕПЕНИ ЗАМЕРЗАНИЯ НА ДЕНЬ

Сетка средних значений AFDI по штату с разрешением 100 м была создана с использованием данных 17 метеорологических станций наблюдения по всему штату. Эти данные были обработаны для расчета среднего AFDI и односторонних 50% и 90% верхних доверительных пределов на каждой станции. Из более чем 350 станций метеорологических наблюдений в штате только эти 17 соответствовали критерию наличия как минимум 49годовая запись данных, которая была завершена не менее чем на 73% (т. е. были включены только станции, имеющие 36-летний или более период из возможных 49-летних периодов). Карты индекса замораживания были получены с помощью многомерной линейной регрессии AFDI по координатам станций X, Y и Z (например, восток, север и высота) с пространственно интерполированными остатками, вычтенными из прогноза регрессии.

Регрессия AFDI по X, Y и Z привела к значению R-квадрата, равному 90%, с остатками, составляющими около 10% изменчивости AFDI. Остатки являются результатом условий, не включенных в анализ и недоступных в доступных в настоящее время данных (т. е. факторов, отличных от X, Y и Z). Эти факторы могут включать орографические эффекты (впадины и «холодные точки» из-за топографии), расстояние до крупных водоемов и детали температурных станций. Найдена конкретная линейная зависимость:

AFDI = -426,1 + 0,0017785 X + 0,0013451 Y + 0,6585278 Z (4)

, где X, Y и Z — плоскостные координаты штата Вермонт в метрах (проекция NAD83), а AFDI имеет единицы измерения в градусо-днях по Цельсию. Затем остаточные значения 17 станций были пространственно интерполированы по сетке размером 1000 м по всему штату с использованием обратного взвешивания по расстоянию. При обратном взвешивании расстояния влияние любой известной точки на интерполированное значение неизвестной точки пропорционально обратному расстоянию между ними. Затем сетка интерполированных невязок была вычтена из сетки многомерной линейной регрессии, чтобы получить AFDI, который представлял собой сумму (а) регрессионной модели и (б) обратной взвешенной по расстоянию интерполяции невязок. Таким образом, данные на 17 известных станциях учитываются (точно интерполируются).

КАРТЫ ПРОМЕРЗАНИЯ

Уравнения (2) и (3) использовались для преобразования среднего охвата AFDI в максимальную глубину промерзания при надежности 50% и 90%. Хотя уровень надежности 90% обычно требуется для проектирования дорожного покрытия, карта с надежностью 50% была составлена ​​для сравнения с исходными картами промерзания (ок. 1960 г.). Все карты представлены в обычных единицах измерения США для сравнения с исторической картой, которая была доступна только в этих единицах. Карта для уровня надежности 50% показана на РИСУНКЕ 3, при этом соответствующая ранее существовавшая карта показана на РИСУНКЕ 4, а расчетная разница между старой и новой показана на РИСУНОК 5. Как показано на рисунках, требуется гораздо большая пространственная детализация. доступны на более новых картах, которые дают прогнозы на 38 см (15 дюймов) глубже и на 64 см (25 дюймов) меньше, чем на предыдущих картах. Карта максимального промерзания на уровне 9Уровень надежности 0% показан на РИСУНОК 6.

РИСУНОК 3. Прогнозируемая максимальная глубина промерзания по всему штату в дюймах при 50% надежности.

---

РИСУНОК 4. Существовавшая ранее карта максимальной глубины промерзания по всему штату в дюймах при 50% достоверности.

---

РИСУНОК 5. Разница между новой и существующей картой максимальной глубины промерзания по всему штату в дюймах при 50% достоверности.

---

РИСУНОК 6. Прогнозируемая максимальная глубина промерзания по всему штату в дюймах при достоверности 90%.

ВЫВОДЫ

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что сезонная максимальная глубина промерзания может быть надежно оценена по отношению к AFDI, если зависимость для конкретного дорожного покрытия выводится с использованием метеорологических данных, учитывающих динамику погоды в конкретном регионе. Регрессия максимальной сезонной глубины промерзания (полученная из динамического моделирования температуры и потока влаги в конструкции дорожной одежды с использованием фактических климатических данных) по AFDI показала сильную положительную корреляцию и была полезна для подгонки линейного уравнения к медиане и 90% верхний прогнозный предел максимальной глубины промерзания.

За последние несколько десятилетий в штате Вермонт не произошло статистически значимого изменения климата. На шести метеорологических станциях, оцененных по всему штату, не было различимо никакой тенденции на уровне достоверности 95%, и менее 2% изменчивости AFDI коррелируют с годом возникновения. Таким образом, AFDI является стабильной метрикой для прогнозирования глубины промерзания. Тем не менее, отсутствовали полевые данные для проверки уравнений, связывающих максимальную глубину промерзания в сезон с AFDI в смоделированном дорожном покрытии. Это признано ограничением описанной работы.

Изучение составленных карт AFDI и годовой максимальной глубины промерзания по всему штату показывает, что в этих двух показателях присутствует значительная пространственная изменчивость. Большая часть этой изменчивости связана с влиянием высоты. Таким образом, долины рек, через которые проходят многие основные транспортные коридоры штата, имеют меньшую глубину промерзания, чем окружающая территория. Выяснение этой изменчивости может быть полезным открытием с точки зрения избежания затрат на транспортировку неместного материала базового слоя для укладки на ненужную глубину в новом строительстве. Точно так же знание этой изменчивости может теперь также привести к проектированию более глубоких конструкций дорожного покрытия, чем считалось ранее необходимым на больших высотах.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа финансировалась через Государственную программу планирования и исследований Федеральным управлением автомобильных дорог и Отделом технического планирования Транспортного агентства штата Вермонт, Майком Пологруто, руководителем проекта.

ССЫЛКИ

1. Кейн, Д.Л. и Э. Ф. Чако-младший. «Влияние мерзлого грунта на инфильтрацию и сток», в книге «Гидрология и гидравлика холодных регионов», W.