Теплофізичні властивості грунтів

Тепловий режим товщі ґрунту і підґрунтя має великий вплив на такі природні процеси, як вивітрювання та грунтотворення, а також на стійкість інженерних споруд, які збудовані людиною. При характеристиці теплового режиму порід необхідно знати такі теплофізичні характеристики, як теплоємність, теплопровідність і температуропровідність ґрунтів та порід. Крім того, використовують показники, які характеризують термічне лінійне і об'ємне розширення та морозостійкість ґрунтів і порід.

Теплоємність ґрунтів характеризує здатність ґрунтів вбирати енергію при теплообміні. Вона є одною із основних характеристик при теплотехнічних розрахунках. Розрізняють об 'ємну і питому (вагову) теплоємність ґрунтів.

Питома теплоємність (С) чисельно дорівнює кількості тепла, яке необхідне одиниці ваги ґрунту (чи породи) для зміни його температури на 1°С при відсутності фазових переходів води. Вимірюється в к кал/г-град або ккал/кг-град.

Об'ємна теплоємність (Су) чисельно дорівнює кількості тепла, яке необхідне для зміни температури 1 см³ ґрунту чи породи на 1°С. Вимірюється у кал/см³-град або ккал/см -град.

Питома і об'ємна теплоємності зв'язані між собою залежністю:

Сv = р*С, де

р - щільність будови ґрунту чи породи.

Найчастіше використовують питому теплоємність ґрунтів як більш постійну величину. Її значення при невеликих змінах температури (декілька десятків градусів) і тиску приймається постійним.

Теплоємність ґрунтів як багатофазних систем визначається теплоємністю їх твердої, рідкої та газоподібної складових. Теплоємність твердої частини ґрунту (і відповідно, сухих ґрунтів і порід) визначається його мінералогічним складом і вмістом органічних речовин.

Величина питомої теплоємності найбільш поширених мінералів змінюється від 0,12 до 0,25 кал/г-град, причому у більшості з них вона становить 0,17-0,22 кал/гтрад. Теплоємність органічних речовин значно більша, ніж мінеральних, і становить 0,19-0,50 кал/гтрад. Найбільшу теплоємність мають торф і ґрунти, багаті на гумус. Відповідно до цього, у ґрунтах спостерігається закономірне зменшення теплоємності вниз по профілю разом із зменшенням вмісту гумусу. У випадку незначного вмісту гумусу у ґрунті величина теплоємності з глибиною змінюється мало.

Теплоємність ґрунтів залежить не лише від наявності органічної речовини, але і від співвідношення глинистих і піщаних часток мінеральної частини ґрунтів (порід). Переважно, чим більш глинистий ґрунт (порода), тим більша величина його теплоємності.

Теплоємність вологих ґрунтів значно вища теплоємності сухих, оскільки теплоємність різних категорій води набагато перевищує теплоємність мінеральних і органічних речовин. Питома теплоємність води при температурі 20°С становить 1 кал/г-град. Теплоємність зв'язаної води у ґрунті за різними даними становить від 0,7 до майже 1 кал/г-град. Теплоємність льоду - 0,5 кал/гтрад.

Теплоємність повітря при постійному тиску і температурі 20°С становить 0,243 кал/г-град. Вагова кількість повітря, що знаходиться у 1 г ґрунту, дуже мала. Тому при визначенні теплоємності ґрунту як трьохкомпонентної системи теплоємність повітря не враховується.

Теплопровідність ґрунтів характеризує їхню здатність проводити тепло. Вона виражається коефіцієнтом теплопровідності (l), який представляє собою величину, рівну кількості тепла, що перенесено ґрунтом за одиницю часу через одиницю площі при температурному градієнті, рівному 1. Вимірюється у кал/см-сек-град або ккал/м-год-град.

Теплопровідність ґрунтів і порід визначається співвідношенням твердої, рідкої і газоподібної фаз, їхнім хіміко-мінералогічним складом, структурними і текстурними особливостями (дисперсністю, шпаруватістю, шаруватістю і ін.), вологістю, агрегатним станом води і температурою.

Теплопровідність більшості мінералів змінюється від 0,001 до 0,009 кал/см-сек-град, теплопровідність води становить 0,0014 кал/см-сек-град, льоду - 0,005 кал/см-сек-град, повітря - 0,00005 кал/см-сек-град.

Теплопровідність різко зростає при збільшенні вологості ґрунтів, оскільки теплопровідність повітря, яке витісняється зі шпар водою, приблизно у ЗО разів менша теплопровідності води. При повному заповненні всіх шпар водою теплопровідність ґрунту досягає максимального значення.

Теплопровідність дисперсних ґрунтів залежить від їхнього гранулометричного складу. Ґрунти з високим вмістом грубих частинок характеризуються більш високою теплопровідністю, ніж тонкодисперсні ґрунти (при однакових умовах їхнього зволоження, щільності та інших властивостей), оскільки в останніх різко зростає кількість нещільних контактів між дрібними частинками, які володіють низькою теплопровідністю.

Теплопровідність суттєво залежить від щільності будови і, відповідно, шпаруватості ґрунтів. Чим менша щільність будови, тим менш щільно прилягають частинки одна до одної і тим менша теплопровідність ґрунтів. Цим пояснюється, частково, той факт, що промерзання і відтаювання ґрунтів і порід під полотном доріг проходить більш інтенсивно у порівнянні з сусідніми ділянками, де розвинуті ґрунти з природним складенням.

Температуропровідність ґрунтів характеризує швидкість поширення зміни температури у результаті вбирання або віддачі тепла. Вона оцінюється коефіцієнтом температуропровідності (К), який чисельно рівний теплопровідності ґрунту з об'ємною теплоємністю, яка становить 1:

К = l /Сv = l /(р-С)

Одиниці вимірювання коефіцієнту температуропровідності см²/сек або м²/год.

а - коефіцієнт лінійного розширення;

l - першопочаткові (вихідні) розміри зразка ґрунту.

Звідси коефіцієнт лінійного розширення визначається як:

a = Dl/(l (t₂ -• t1))

Вимірюється у 1/град.