Глубина промерзания

     Когда-то я думал, что мир устроен просто. Вот и про глубину промерзания я тоже думал очень примитивно - чего ж там знать-то, что измерять? Засунул градусник в землю и смотри, наблюдай всю зиму, до куда опустится 0 °C. Конечно, как и с мироустройством, я заблуждался и о глубине промерзания! Я попытаюсь немного копнуть вглубь, показать, что же там может быть сложного и интересного. Например, присутствие 0 °C ещё не является показателем промерзания, так как грунтовая вода порой замерзает при более низких температурах. Или вот наличие большой влажности, казалось бы, уменьшит теплосопротивление и увеличит глубину промерзания - ан нет! Всё наоборот, так как при замерзании воды выделяется теплота льдообразования.

Теория

     Промерзание грунта – это переход его из одного состояния в другое с резким изменением физико-механических свойств. Это сложный процесс, протекающий по-разному для различных видов грунтов. Все грунты по особенностям их промерзания в природных условиях подразделяются на три основные группы:

  I – суглинки и глины;

  II – супеси, мелкие и пылеватые пески;

  III – средние пески, крупнозернистые и крупнообломочные грунты.

  Глубина и характер промерзания грунтов зависят от температуры воздуха, высоты снежного покрова, растительности, типа грунта, степени увлажнения его и ряда других метеорологических факторов.

   По данным наблюдений, глубина проникновения нулевой изотермы при одинаковой сумме отрицательных среднесуточных температур воздуха для различных типов грунтов разная. Например: для суглинков – 135 см; мелких и пылеватых песков – 139 см; крупнообломочных грунтов – 177 см. Неодинаковы также глубина проникновения отрицательной температуры в грунт и температура замерзания грунтов. Крупнообломочные грунты замерзают при температуре близкой к 0 °C с образованием заметной границы между талым и мерзлым грунтами. При промерзании мелкодисперсных грунтов образуется зона промерзания (слой, в котором происходят фазовые превращения воды), разделяющая полностью промерзший и талый грунты.

     Температура замерзания мелкодисперсных грунтов более низкая, чем у крупнообломочных грунтов. Это связано с тем, что мелкозернистые грунты имеют мелкие поры и повышенное количество связанной воды, которая замерзает при значительно низшей температуре, чем свободная вода.

    Грунтовая вода обычно является связанной, плотность ее более единицы, она содержит, как правило, растворимые соли, взвешенные частицы, испытывает большое давление со стороны защемленного воздуха, имеет меньшую степень подвижности, чем вода, находящаяся в свободном состоянии. Совокупность указанных свойств как раз и понижает температуру замерзания грунтовой влаги, а вместе с ней и самого грунта. Установлено, что все грунты замерзают при температуре ниже 0 °C. Существенное влияние на это оказывают вид грунта, его влажность и продолжительность действия отрицательной температуры. Например, глинистый грунт с влажностью 30 % замерзает при температуре от -1,0 °C до -2,0 °C, а песок с 10 %-ной влажностью – при температуре -0,5 °C. Это говорит о том, что глубина промерзания грунтов зависит не только от вида грунта, но и от его влажности. Чем выше теплопроводность грунта, тем больше глубина его промерзания. Влажность грунта в начальный момент способствует промерзанию так как увеличивает теплопроводность, а в дальнейшем процесс замедляется. Это связано с тем, что при замерзании воды выделяется теплота льдообразования, поэтому скорость и глубина промерзания более влажного грунта будут меньше, чем грунта с меньшей влажностью.

   Из анализа работ по определению глубины промерзания грунтов следует, что она в основном зависит от климатических, гидрологических, грунтовых и других природных условий, которые варьируются в широких пределах, поэтому и глубина промерзания не остается постоянной, а изменяется из года в год. В связи с этим глубину промерзания грунтов можно рассматривать как случайную величину, и для ее определения применять вероятностные методы.

  Применение теории вероятностей к определению глубины промерзания грунтов основано на центральной предельной теореме теории вероятностей. Установлено, что глубина промерзания грунтов подчиняется нормальному закону распределения, который вполне может быть применен для ее определения. С помощью кривых распределения (обеспеченности) можно определить глубину промерзания грунтов любой заданной обеспеченности в пределах данного периода наблюдений.

  В практике ряды наблюдений (на метеорологических станциях) за глубиной промерзания грунтов бывают короткими и не дают возможности построить надежную кривую распределения (для Беларуси ряды наблюдений составляют 20–30 лет). В связи с этим, разными авторами разработаны теоретические кривые распределения, с помощью которых можно определить величину редкой повторяемости, выходящую за пределы ряда наблюдений. К ним относят: биноминальную кривую распределения С. И. Рыбкина, трехпараметрическое Г-распределение С. Н. Крицкого и М. Ф. Менкеля.

   Так же  применяют методику определения глубины промерзания грунтов статистическим методом, который заключается в обработке статистических данных по глубине промерзания грунтов, которые систематически ведутся на метеостанциях. Полученные наблюдения за глубиной промерзания на метеостанциях в обобщенном виде учитывают все факторы, влияющее на промерзание грунтов. В зависимости от наличия фактических данных о глубине промерзания может быть два случая, а, следовательно, и два разных подхода к определению глубины промерзания грунтов.

    Первый случай – данные наблюдений за глубиной промерзания грунта имеются, то есть в данном конкретном районе проводились наблюдения за глубиной промерзания не менее чем 10 лет.

  Второй случай – данные наблюдений за глубиной промерзания в данном районе отсутствуют (наиболее распространенный случай, особенно в дорожном строительстве). 

    Для первого случая существует целый ряд формул и номограмм, их я не буду приводить в рамках этой статьи вследствие уж очень узкой направленности и довольно большого объёма теоретической части. А вот второй случай приближает нас к более понятным картинкам.

   В основу этого подхода положены карты изолиний средней максимальной глубины промерзания грунтов и коэффициента вариации, которые составлены для Республики Беларусь и Европейской части СНГ.

       Порядок расчета следующий:

      1. По карте изолиний (см. рис. 1) находят среднюю максимальную глубину промерзания грунта под снегом Zср, а по карте изолиний (см. рис. 2) – коэффициент вариации Cv.

  2. По значению Cv и заданному проценту обеспеченности подбирается соответствующий модульный коэффициент Кs по номограмме на рис. 3.

      3.   Максимальная глубина промерзания грунта под снежным покровом заданной обеспеченности определяется по формуле Z=Ks*Zср. Следует отметить, что без снежного покрова полученное значение необходимо удвоить.

Практика

     Разработанный метод определения глубины промерзания грунтов с использованием карт изолиний, то есть второй способ, позволил произвести районирование территории Республики Беларусь по глубине промерзания. В основу районирования территории республики положены грунтовые карты, разработанные академиком АН БССР П. П. Роговым, карты изолиний глубины промерзания грунтов, данные о сумме отрицательных температур воздуха (сумма морозо-дней) и некоторые другие.

    Районирование разделило территорию Республики Беларусь на три зоны по глубине промерзания грунтов (рис. 4):    I-я – Юго-Западная. Граница ее с Запада – граница Республики Беларусь, с Востока – граница зоны проходит по городам: Вороново – Ивье – Новогрудок – Ганцевичи – Житковичи – Лельчицы;

    II-я – находится между границами I-й и III-й зон;

  III-я – Северо-Восточная. Граница ее с Востока – граница Республики Беларусь, с Запада граница проходит по городам: Шаркавщина – Глубокое – Докшицы – Борисов – Березино – Кличев – Бобруйск – Жлобин – Будо-Кошелево – Ветка.

    I-я зона характеризуется средней многолетней глубиной промерзания грунтов в пределах 45–50 см;

    II-я зона – средняя многолетняя глубина промерзания грунтов – 50–60 см;

    III-я зона –  соответственно, 60–75 см.

Указанные границы зон (см. рис. 4) приблизительно совпадают с климатическими картами: температурой воздуха в самые холодные периоды года, с высотой снежного покрова и количеством дней его стояния, с почвенно-грунтовой картой и др.

Строительные нормы РБ

    Вся теория, конечно, хороша, но в строительных нормативных документах должно быть всё прописано очень простым и понятным языком, чтобы любой инженер смог достать справочник глубин промерзания и найти нужную цифру (как в анекдоте: Физику, математику и инженеру дали задание найти объём красного мячика. Физик погрузил мяч в стакан с водой и измерилл объём вытесненной жидкости. Математик измерил диаметр мяча и рассчитал тройной интеграл. Инженер достал из стола свою "Таблицу объёмов красных резиновых мячиков" и нашёл нужное значение.)

        Главная задача обычного человека - знать, где искать этот справочник. А таковой для Беларуси называется СНБ 2.04.02 – 2000 "СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ". К нашей теме относится табличка 3.6 "Глубина промерзания"