Геомаркетинг » ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕРЗЛЫХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

DOI: 10.25296/1993-5056-2022-17-1-64-72

ПРИОБРЕСТИ ПОЛНУЮ ВЕРСИЮ за 250 руб.

“Инженерная геология”, Том XVII, № 1/2022

ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕРЗЛЫХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Чеверев В.Г., Сафронов Е.В., Алексеев А.Г., Гречищева Э.С.

Чеверев В.Г., Сафронов Е.В., Алексеев А.Г., Гречищева Э.С., 2022. Лабораторные методы определения теплофизических характеристик мерзлых и талых грунтов: аналитический обзор. Инженерная геология, Том ХVII, № 1, с. 64–72, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2022- 17-1-64-72.

Создание, стандартизация и реализация достоверных методов оценки теплофизических характеристик (ТФХ) имеют большое значение для грунтов, используемых в качестве оснований сооружений, проектируемых на многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтах. В статье выполнен аналитический обзор лабораторных методов определения ТФХ грунтов. Впервые детально рассмотрены, систематизированы и сопоставлены физические сущности методов, их область применения, технологичность и достоверность. Показано, что методы стационарного теплового режима имеют простое и строгое теоретическое обоснование, позволяют учесть анизотропию и неоднородность грунтов и их криогенное строение. Процесс фазового перехода поровой влаги в лед или обратно с выделением или поглощением тепла прекращается по мере достижения стационарного теплового потока в испытуемом образце грунта, что повышает точность и надежность конечного результата. Стационарные методы рекомендуется применять для любых типов грунтов и диапазона температур без ограничений при недопущении существенных боковых теплопотерь и конвективного теплопереноса. Напротив, комплексные методы, использующие режим нестационарного теплообмена, позволяют определять одновременно из одного эксперимента несколько ТФХ грунтов. Однако они сложнее в расчетах, чувствительны к граничным условиям и неоднородности грунтов. Для мерзлых грунтов рекомендуется применять их только в ограниченном интервале температур, когда отсутствуют интенсивные фазовые переходы воды с выделением или поглощением тепла. В остальных случаях предложено использовать экспериментально полученную кривую влажности мерзлого грунта за счет незамерзшей воды в диапазоне рабочих температур. В итоге показана целесообразность применения комплекса методов, включая методы стационарного теплового режима, регулярного теплового режима и линейного источника постоянной мощности, которые в совокупности могут решить проблему экспериментального и эффективного определения ТФХ криогенных грунтов в широком диапазоне температур и литологических типов.

1. Аметистов Е.В., 2000. Основы теории теплообмена. Изд-во МЭИ, Москва.
2. Беляев Н.М., Рядно А.А., 1982. Методы теории теплопроводности. Части 1, 2. Высшая школа, Москва.
3. Богословский В.Н., 1982. Строительная теплофизика. Стройиздат, Москва.
4. Бойков Г.П., Видин Ю.В., Фокин В.М., 1992. Определение теплофизических свойств строительных материалов. Изд-во Красноярского университета, Красноярск.
5. Бровка Г.П., Агутин К.А., Бровка А.Г., Дедюля И.В., Мучко М.В., 2016. Приборы и программное обеспечение для проведения инженерно-геологических изысканий при обосновании проектов замораживания грунтов трубчатыми теплообменниками. Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации, Материалы Двенадцатой Общероссийской конференции изыскательских организаций, Москва, 2016, с. 298–304.
6. Варганов И.С., Геращенко О.А., 1987. Тепловой метод неразрушающего контроля с помощью датчика теплового потока. Промышленная теплотехника, № 4, с. 77–80.
7. Гаврильев Р.И., Никифоров Н.Д., 1983. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушения естественной структуры. Инженерно-физический журнал, Том 45, № 6, с. 1023–1024.
8. Горобцов Д.Н., 2011. Научно-методические основы исследований теплофизических свойств дисперсных грунтов. Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук, Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе (МГРИ), Москва.
9. Гречищев С.Е., Ершов Э.Д. (ред.), 1983. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов. Недра, Москва, с. 92–96.
10. Гречищева Э.С., Мотенко Р.Г., 2013. Исследование теплопроводности мерзлого засоленного нефтезагрязненного песка с помощью измерителя ИТС-λС-10. Вестник Международной академии холода, № 2, с. 38–42.
11. Ершов Э.Д. (ред.), 1984. Теплофизические свойства горных пород. Изд-во МГУ, Москва.
12. Ершов Э.Д. (ред.), 2004. Методы геокриологических исследований. Изд-во МГУ, Москва.
13. Зарубин В.С., 1983. Инженерные методы решения задач теплопроводности. Энергоатомиздат, Москва.
14. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г., Кошурников А.В., Озерицкий К.В., Гречищева Э.С., Гунар А.Ю., 2013. Экспериментальное исследование влияния нефтяного загрязнения на теплофизические и геофизические свойства засоленных мерзлых и оттаивающих дисперсных грунтов. Вестник Московского государственного областного университета, № 1, с. 1–17.
15. Иванов В.В., Карасева Л.В., Тихомиров С.А., 2001. Нестационарный теплоперенос в многослойных строительных конструкциях. Известия высших учебных заведений. Строительство, № 9–10, c. 7–10.
16. Курепин В.В., Козин В.М., Левочкин Ю.В., 1982. Приборы для теплофизических измерений с прямым отсчетом. Промышленная теплотехника, Том 4, № 3, с. 91–97.
17. Лыков А.В., 1967. Теория теплопроводности. Высшая школа, Москва.
18. Михеев Μ.Α., 1961. Краткий курс теплопередачи. Госэнергоиздат, Москва.
19. Платунов Е.С. (ред.), 2010. Теплофизические измерения. Изд-во СПбГУНиПТ, Санкт-Петербург.
20. Платунов Е.С., Баранов И.В., Куслиева Е.В., Сергеев С.В., 2008. Метод определения теплофизических свойств влагосодержащих материалов в условиях замораживания и размораживания. Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, № 4, с. 7–10.
21. Попов Ю.А., 1983. Теоретические модели для определения тепловых свойств горных пород на основе подвижных источников тепловой энергии. Статья I. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка, № 9, с. 97–103.
22. Саркисян Р.М., Нерсесова З.А. (ред.), 1973. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. Изд-во ПНИИИС, Москва, с. 71–80.
23. Чеверев В.Г., 2004. Природа криогенных свойств грунтов. Научный мир, Москва.
24. Чеверев В.Г., Разумов В.В., Котов А.В., 1992. Закономерности изменения теплопроводности аллювиально-болотных грунтов. Инженерная геология, № 3, с. 58–61.
25. Чернышова Т.И., Чернышов В.Н., 2001. Методы и средства контроля теплофизических свойств материалов. Машиностроение, Москва.
26. Чудновский А.Ф., 1962. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. Физматгиз, Москва.
27. Эккерт Э.Р., Дрейк Р.М., 1961. Теория тепло- и массообмена. Госэнергоиздат, Москва-Ленинград.
28. Bristow K., White R.D., Kluitenberg G.J., 1994. Comparison of single and dual probes for measuring soil thermal properties with transient heating. Australian Journal of Soil Research, No. 32, рр. 447–464.
29. Chuvilin E., Bukhanov B., 2017. Effect of hydrate formation conditions on thermal conductivity of gas-saturated sediments. Energy Fuels, Vol. 31, No. 5, pp. 5246–5254, https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b02726.
30. Chuvilin E., Bukhanov B., Cheverev V., Motenko R., Grechishcheva E., 2018. Effect of ice and hydrate formation on thermal conductivity of sediments. In book Impact of thermal conductivity on energy technologies. IntechOpen, London, UK, pp. 115–137,
https://doi.org/10.5772/intechopen.75383.
31. Seok Y., Min-Jun K., 2019. Prediction of ground thermal diffusivity from thermal response tests. Energy and Buildings, Vol. 185, pp. 239–246, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.12.027.

ЧЕВЕРЕВ В.Г.*
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия, cheverev44@mail.ru
Адрес: Ленинские горы, д. 1, г. Москва, 119991, Россия
САФРОНОВ Е.В.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия, evgenii567@yandex.ru
АЛЕКСЕЕВ А.Г.
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва, Россия, adr-alekseev@yandex.ru
Адрес: Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Россия
НИИОСП им. Н.М. Герсеванова АО «НИЦ “Строительство”», г. Москва, Россия
Адрес: Рязанский пр., д. 59, г. Москва, 109428, Россия
ГРЕЧИЩЕВА Э.С.
НИИОСП им. Н.М. Герсеванова АО «НИЦ “Строительство”», г. Москва, Россия, cryoerika@mail.ru

Engineering Geology World, Vol. XVII, No. 1/2022

LABORATORY METHODS FOR DETERMINING THE THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN AND THAWED SOILS: ANALYTICAL REVIEW

Cheverev V.G., Safronov E.V., Alekseev A.G., Grechishcheva E.S.

Cheverev V.G., Safronov E.V., Alekseev A.G., Grechishcheva E.S., 2022. Laboratory methods for determining the thermophysical characteristics of frozen and thawed soils: analytical review. Engineering Geology World, Vol. XVII, No. 1, pp. 64–72, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2022-17-1-64-72.

The creation, standardization and implementation of reliable methods for assessing the thermophysical characteristics (TPC) of soils used as the structures foundation designed on permafrost and seasonally frozen soils. In the article, an analytical review of laboratory methods for determining the TPC of soils was carried out. For the first time, the physical essences of the methods, their scope, manufacturability and reliability are considered in detail, systematized and compared. It is shown that the methods of stationary thermal regime have a simple and rigorous theoretical justification, allow taking into account the anisotropy and heterogeneity of soils and their cryogenic structure. The phase transition process of pore moisture into ice or back with the release or absorption of heat stops as the stationary heat flux is achieved in the tested soil sample, which increases the accuracy and reliability of the final result. Stationary methods are recommended for any type of soil and temperature range without restrictions, while avoiding significant lateral heat loss and convective heat transfer. On the contrary, complex methods using the mode of non-stationary heat transfer make it possible to simultaneously determine several TPCs of soils from one experiment. However, they are more difficult to calculate, sensitive to boundary conditions and soil inhomogeneity. For frozen soils, it is recommended to use them only in a limited temperature range, when there are no intense phase transitions of water with the release or absorption of heat. In other cases, it is proposed to use the experimentally obtained dependence of the moisture content of frozen soil due to unfrozen water in the operating temperatures range. As a result, the expediency of using a set of methods, including methods of stationary thermal regime, regular thermal regime and a linear source of constant power, which together can solve the problem of experimental and effective determination of the TPC of cryogenic soils in a wide range of temperatures and lithological types, is shown.

standardization analytical review thermophysical characteristics determination methods frozen and thawed soils comparison of methods

1. Ametistov E.V., 2000. Fundamentals of the theory of heat transfer. Publishing house of the Moscow Power Engineering Institute,
Moscow. (in Russian)
2. Belyaev N.M., Ryadno A.A., 1982. Methods of the theory of heat conduction. Part 1, 2. Vysshaya shkola, Moscow. (in Russian)
3. Bogoslovskiy V.N., 1982. Building thermal physics. Stroyizdat, Moscow. (in Russian)
4. Boykov G.P., Vidin Yu.V., Fokin V.M., 1992. Determination of thermophysical properties of building materials. Publishing house of the Krasnoyarsk University, Krasnoyarsk. (in Russian)
5. Brovka G.P., Agutin K.A., Brovka A.G., Dedyulya I.V., Muchko M.V., 2016. Instruments and software for conducting engineering and geological surveys in the justification of projects for freezing soils with tubular heat exchangers. Prospects for development of engineering survey in Russian Federation, Materials of the 12th All-Russian Conference of prospecting organizations, Moscow, 2016, pp. 298–304. (in Russian)
6. Varganov I.S., Gerashchenko O.A., 1987. Thermal method of non-destructive testing using a heat flow sensor. Promyshlennaya Teplotekhnika, No. 4, pp. 77–80. (in Russian)
7. Gavriliev R.I., Nikiforov N.D., 1983. Method for determining the thermophysical properties of a rock mass without disturbing the natural structure. Inzhenerno-fizicheskiy Zhurnal, Vol. 45, No. 6, pp. 1023–1024. (in Russian)
8. Gorobtsov D.N., 2011. Scientific and methodological foundations for studying the thermophysical properties of dispersed soils. Extended abstract of PhD Thesis, Ordzhonikidzе Russian State Geological Prospecting University (MGRI), Moscow. (in Russian)
9. Grechishchev S.E., Ershov E.D. (eds), 1983. New methods for studying the composition, structure and properties of frozen soils. Nedra, Moscow, pp. 92–96. (in Russian)
10. Grechishcheva E.S., Motenko R.G., 2013. Research of heat conductivity of the frozen salted petropolluted sand by means of the ITS- λС-10 measuring instrument. Journal of International Academy of Refrigeration, No. 2, pp. 38–42. (in Russian)
11. Ershov E.D. (ed.), 1984. Thermophysical properties of rocks. Publishing house of the Moscow State University, Moscow. (in Russian)
12. Ershov E.D. (ed.), 2004. Methods of geocryological research. Publishing house of the Moscow State University, Moscow. (in Russian)
13. Zarubin V.S., 1983. Engineering methods for solving heat conduction problems. Energoatomizdat, Moscow. (in Russian)
14. Zykov Yu.D., Motenko R.G., Koshurnikov A.V., Ozeritsky K.V., Grechishcheva E.S., Gunar A.Yu., 2013. Experimental research of oil pollution influence on thermophysical and geophysical properties of saline frozen and melting disperse grounds. Bulletin of Moscow Region State University, No. 1, pp. 1–17. (in Russian)
15. Ivanov V.V., Karaseva L.V., Tikhomirov S.A., 2001. Non-stationary heat transfer in multilayer building structures. Izvestiya vuzov. Stroitelstvo, No. 9–10, pp. 7–10. (in Russian)
16. Kurepin V.V., Kozin V.M., Levochkin Yu.V., 1982. Instruments for thermophysical measurements with direct reading. Promyshlennaya Teplotekhnika, Vol. 4, No. 3, pp. 91–97. (in Russian)
17. Lykov A.V., 1967. Theory of heat conduction. Vysshaya shkola, Moscow. (in Russian)
18. Mikheev Μ.A., 1961. A short course in heat transfer. Gosenergoizdat, Moscow. (in Russian)
19. Platunov E.S. (ed.), 2010. Thermophysical measurements. Publishing house of the Saint Petersburg State University of Refrigeration and Food Processing Technologies, Saint Petersburg. (in Russian)
20. Platunov E.S., Baranov I.V., Kuslieva E.V., Sergeev S.V., 2008. Method for determining the thermophysical properties of moisturecontaining materials under freezing and thawing conditions. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo Gosudarstvennogo Universiteta Nizkotemperaturnykh i Pishchevykh Tekhnologiy, No. 4, pp. 7–10. (in Russian)
21. Popov Yu.A., 1983. Theoretical models for determining the thermal properties of rocks based on mobile sources of thermal energy. Paper I. Izvestiya vuzov. Geologiya i Razvedka, No. 9, pp. 97–103. (in Russian)
22. Sargsyan R.M., Nersesova Z.A. (eds), 1973. Guidelines for determining the physical, thermophysical and mechanical characteristics of frozen soils. Publishing house of the Geological Research Institute for Construction (PNIIIS), Moscow, pp. 71–80. (in Russian)
23. Cheverev V.G., 2004. Nature of cryogenic properties of soils. Nauchnyy mir, Moscow. (in Russian)
24. Cheverev V.G., Razumov V.V., Kotov A.V., 1992. Regularities in changes of thermal conductivity of alluvial-peat soils. Inzhenernaya Geologiya, No. 3, pp. 58–61. (in Russian)
25. Chernyshova T.I., Chernyshov V.N., 2001. Methods and means of monitoring the thermophysical properties of materials. Mashinostroyeniye, Moscow. (in Russian)
26. Chudnovskiy A.F., 1962. Thermophysical characteristics of dispersed materials. Fizmatgiz, Moscow. (in Russian)
27. Eckert E.R., Dreik R.M., 1961. Theory of heat and mass transfer. Gosenergoizdat, Moscow-Leningrad. (in Russian)
28. Bristow K., White R.D., Kluitenberg G.J., 1994. Comparison of single and dual probes for measuring soil thermal properties with transient heating. Australian Journal of Soil Research, No. 32, рр. 447–464.

VIKTOR G. CHEVEREV*
Lomonosov Moscow State University; Moscow, Russia; cheverev44@mail.ru
Address: Bld. 1, Leninskie Gory, 119991, Moscow, Russia
EUGENE V. SAFRONOV
Lomonosov Moscow State University; Moscow, Russia; evgenii567@yandex.ru
ANDREI G. ALEKSEEV
Moscow State (National Research) University of Civil Engineering; Moscow, Russia; adr-alekseev@yandex.ru
Address: Bld. 26, Yaroslavskoe Hwy, 129337, Moscow, Russia
Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures (NIIOSP), Research Center of Construction JSC; Moscow, Russia
Address: Bld. 9, Ryazanskiy Ave, 109428, Moscow, Russia
ERIKA S. GRECHISHCHEVA
Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures (NIIOSP), Research Center of Construction JSC; Moscow, Russia; cryoerika@mail.ru

Статьи из журнала

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ НА КАФЕДРЕ ИНЖЕНЕРНОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ МГУ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

“Инженерная геология”, Том XVII, № 1/2022

Автор: Королев В.А.

В статье анализируются становление, методология и история развития исследований электроповерхностных явлений в дисперсных грунтах на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова с 1950-х гг. до ...

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛЕНОК НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ

“Инженерная геология”, Том XVII, № 1/2022

Автор: Ларионова Н.А.

При строительстве в неблагоприятных инженерно-геологических условиях возникает необходимость применения мероприятий по ликвидации или предотвращению проявления негативных процессов. Среди таких мероприятий определенное место занимают методы технической мелиорации грунтов. В работе рассмотрены ...

ЛОКАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ОПОЛЗНЕВОЙ ОПАСНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SCOOPS3D НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИИ КОММУНЫ ЧУНГЧАЙ (ШАПА, ВЬЕТНАМ)

“Инженерная геология”, Том XVII, № 1/2022

Авторы: Зыонг В.Б., Фоменко И.К., Нгуен З.Ф., Нгуен Ч.К., Ву Х.Д., Зеркаль О.В.

Исследования по оценке оползневой опасности могут проводиться с использованием различных подходов. Для выполнения анализа устойчивости склона и определения оползневой опасности необходимо сначала выяснить причины и факторы развития оползневого процесса, а ...

СИСТЕМАТИКА ВОДНЫХ (АКВАЛЬНЫХ) ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

“Инженерная геология”, Том XVII, № 1/2022

Авторы: Королев В.А., Трофимов В.Т.

В статье анализируются понятие, структура, особенности и систематика водных (аквальных) природных и техногенных эколого-геологических систем (ЭГС). Эти ЭГС выступают объектом и предметом исследований в экологической геологии и геоэкологии, а также ...