Точка промерзания: Точка промерзания

Связь пучения со скоростью, глубиной промерзания

Оглавление:

1. Введение
2. Скорость промерзания грунта
3. Глубина промерзания грунта
4. Заключение
5. Связанные статьи

1. Введение

Одними из наиболее значимых факторов, определяющих величину поднятия дневной поверхности (степень пучинистости) при промерзании грунтов являются глубина и скорость их промерзания.

Дневная поверхность грунта – жаргонный термин в строительной геологии, обозначающий поверхность современного рельефа. Можно заменить терминами: поверхность земли, уровень земли. В случае если на рассматриваемом участке выполнялась или будет выполняться планировка (насыпь или выемка грунта), то поверхность следует называть «уровень планировки»

Глубина и скорость промерзания грунтов зависит от большого числа факторов: значений отрицательной температуры наружного воздуха в зимний период, от продолжительности зимнего периода, от толщины и плотности снегового покрова и динамики изменения этих показателей в течении зимы, теплопроводности грунта, наличия теплоизолирующих покрытий (бывают как естественные, например, моховый или торфовый слой, так и искусственные), интенсивности воздействия солнечной радиации на конкретный участок поверхности, от смен холодной погоды на оттепели и от положения уровня грунтовых вод.

2. Скорость промерзания грунта

Увеличение объема грунта и величина подъема поверхности земли зависят от скорости промерзания, а скорость, в свою очередь, зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха и теплотехнических свойств грунта.

Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания грунт меньше увеличивается в объеме.

На величину вспучивания оказывает влияние и коэффициент фильтрации глинистого грунта, которой обусловливает подток капиллярной влаги к фронту промерзания. В образцах, замерзающих при большой скорости промерзания, визуально не наблюдается образования ледяных включений в виде прослоек и линз, следовательно, грунт незначительно ухудшает свои физические свойства при оттаивании.

При быстром промерзании в грунте не успевает накопиться влага, поступающая по капиллярам, поэтому он меньше проявляет пучение

При малой скорости промерзания грунта происходит формирование льдистой текстуры за счет постоянного притока влаги по капиллярам из нижележащих слоев талого грунта, сопровождающееся повышенным накоплением ледяных включений в нем. Такие грунты при оттаивании резко ухудшают свои физические свойства. Иногда грунты, имеющие твердую или пластичную консистенцию до промерзания, превращаются в текучее состояние после промерзания и оттаивания.

Наибольшее количество льда в грунтах природного сложения скапливается при промерзании грунта на глубину до 1-1,2 м так как на этих глубинах больше сказывается колебание отрицательной температуры наружного воздуха, например, при смене холодной погоды на оттепели, что позволяет накопить в структуре грунта больше влаги в виде льда

3. Глубина промерзания грунта

Значение глубины промерзания грунтов оказывает большое влияние на вспучивание дневной поверхности грунта. Например, в Забайкалье подъем поверхности грунта достигает 40 см при глубине промерзания суглинистого грунта 2,6-2,8 м, а сильнопучинистый суглинок в Московской области вспучивается на 15 см при глубине промерзания на 1,5 м.

Глубина промерзания грунта может в зависимости от региона РФ и локальных условий меняться в широких пределах: от 0 до 6 м. Максимальные значения глубины промерзания грунтов наблюдаются в Забайкалье, ближе к границе Монголии, преимущественно на песчаных и крупнообломочных грунтах и большей частью на северных склонах.

Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают заметно меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.

Чем более крупные частицы слагают грунт, тем больше будет глубина его промерзания при прочих равных условиях, однако крупнодисперсные грунты не подвержены пучению

Так как глубина промерзания зависит от действительно большого числа факторов, для начала разберемся что на этот счет говорится в нормативной литературе.

В нормативной документации на проектирование фундаментов рассматривается только глубина промерзания грунта. Эта величина рассчитывается по формулам в зависимости от среднемесячных температур в холодный период года и типа грунта без учета всех остальных факторов (не учитывается снеговой покров, солнечная радиация, свойства и влажность грунта и пр.).

Действующий на данный момент норматив в области проектирования фундаментов — СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений гласит:

СП 22.13330.2016 п. 5.5.1 Глубину заложения фундаментов следует принимать с учетом: …- глубины сезонного промерзания грунтов. Выбор оптимальной глубины заложения фундаментов в зависимости от указанных условий необходимо выполнять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов.

5.5.2 Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, м, принимают равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

При использовании результатов наблюдений за фактической глубиной промерзания следует учитывать, что ее следует определять в соответствии с ГОСТ 24847.

5.5.3 Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение следует вычислять по формуле

, (5.3)

где d₀ — величина, принимаемая равной:

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

Мt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СП 131.13330, а при отсутствии в нем данных для конкретного пункта или района строительства — по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства.

Значение d₀ для грунтов неоднородного сложения определяют как средневзвешенное в пределах глубины промерзания. (прим. если промерзает несколько разных слоев то необходимо определять осредненное значение коэффициента d₀)

Нормативную глубину промерзания грунта d_fn в районах, где >2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), следует определять теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330.

5.5.4 Расчетную глубину сезонного промерзания грунта d_f, м, вычисляют по формуле

, (5.4)

где K_h — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений — по таблице 5.2; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений K_h=1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой;

d_fn — нормативная глубина промерзания, м, определяемая по 5.5.2 и 5.5.3.

Примечания:

1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетную глубину промерзания грунта для неотапливаемых сооружений следует определять теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетную глубину промерзания следует определять теплотехническим расчетом и в случае применения постоянной теплозащиты основания, а также, если тепловой режим проектируемого сооружения может существенно влиять на температуру грунтов (холодильники, котельные и т.п.).
2. Для зданий с нерегулярным отоплением при определении K_h за расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.

d_fn — нормативная глубина промерзания, определяемая по СП 22.13330.2016 не учитывает множественные факторы т.к. нормативы нацелены на получение наиболее надежного результата. Эта величина показывает насколько промерзает грунт на свободной от снега поверхности, не прогреваемой солнцем в течении всей зимы (под навесом). Реальная глубина промерзания будет меньше или такой же в зависимости от количества снега и солнечной радиации на поверхности

Таблица 5.2

Для того, чтобы определить реальную глубину промерзания с учетом множества факторов, включая снеговой покров, солнечную радиацию и тепловой режим сооружения необходимо выполнить теплотехнический расчет. Теплотехнические расчеты сложны и трудоемки, а так же требуют большого количества исходных данных. Для отдельных случаев существуют упрощенные расчеты, некоторые из которых приведены в СП 25.13330. Вопросы теплотехники грунтов затрагиваются в этой статье.

4. Заключение

Для правильного учета сил морозного пучения и выбора мер по защите от его воздействия необходимо и достаточно верно определить глубину промерзания грунта. Для этого следует пользоваться расчетами, приведенными в нормативной литературе.

Учет скорости промерзания в расчетах невозможен из-за сложности определения этого показателя и его изменчивости.

Учитывать снеговой покров в надежде что он снизит глубину промерзания не следует, так как после возведения сооружения снег скорее всего будет переноситься ветром от одной части сооружения к другой и с наветренной стороны поверхность грунта будет оголена. Если же сооружение поднято над землей, то под ним будет оголенная поверхность без снега и с температурой наружного воздуха, что так же увеличит глубину промерзания.

Если глубина промерзания грунта больше 2,5 м и если среднегодовая температура в регионе отрицательная, то для определения нормативной глубины промерзания необходимо выполнять теплотехнический расчет.

Так же теплотехнический расчет следует выполнять если, например, применяется утепление грунта.

Для принятия решений по фундаментам используется расчетное значение глубины промерзания, которое в 1,1 больше нормативного для неотапливаемых сооружений и ниже нормативного для отапливаемых сооружений.

5. Связанные статьи

Депрессия точки замерзания — химия LibreTexts

Депрессия точки замерзания является коллигативным свойством, наблюдаемым в растворах в результате введения растворенных молекул в растворитель. Все точки замерзания растворов ниже, чем у чистого растворителя, и прямо пропорциональны молярности растворенного вещества.

где \ (\ Delta {T_f} \) — депрессия точки замерзания, \ (T_f \) (решение) — точка замерзания раствора, \ (T_f \) (растворитель) — точка замерзания растворителя, \ (K_f \) — постоянная депрессии точки замерзания, а м — — моляльность.

Введение

Неэлектролиты — это вещества без ионов, только молекулы. Сильные электролиты, с другой стороны, состоят в основном из ионных соединений, и по существу все растворимые ионные соединения образуют электролиты. Поэтому, если мы сможем установить, что вещество, с которым мы работаем, является однородным и не ионным, можно с уверенностью предположить, что мы работаем с неэлектролитом, и мы можем попытаться решить эту проблему, используя наши формулы. Это, скорее всего, будет иметь место для всех проблем, с которыми вы сталкиваетесь, связанных с понижением температуры замерзания и повышением температуры кипения в этом курсе, но это хорошая идея, чтобы следить за ионами.Стоит отметить, что эти уравнения работают как для летучих, так и для нелетучих решений. Это означает, что для определения снижения температуры замерзания или повышения температуры кипения давление пара не влияет на изменение температуры. Кроме того, помните, что чистый растворитель — это раствор, в котором ничего не добавлено или не растворено. Мы будем сравнивать свойства этого чистого растворителя с его новыми свойствами при добавлении в раствор.

Добавление растворенных веществ к идеальному решению приводит к положительному ΔS, увеличению энтропии.Из-за этого химические и физические свойства вновь измененного раствора также изменятся. Свойства, которые претерпевают изменения вследствие добавления растворенных веществ в растворитель, известны как коллигативные свойства. Эти свойства зависят от количества добавляемых растворенных веществ, а не от их идентичности. Двумя примерами коллигативных свойств являются температура кипения и температура замерзания: из-за добавления растворенных веществ температура кипения имеет тенденцию к увеличению, а температура замерзания имеет тенденцию к снижению.

Точку замерзания и температуру кипения чистого растворителя можно изменить при добавлении в раствор.Когда это происходит, температура замерзания чистого растворителя может стать ниже, а температура кипения может стать выше. Степень, в которой происходят эти изменения, можно найти по формулам:

\ [\ Delta {T} _f = -K_f \ times m \]

\ [\ Delta {T} _f = K_b \ times m \]

, где \ (m \) — моляльность , а значения \ (K \) — константы пропорциональности; (\ (K_f \) и \ (K_b \) для заморозки и кипения соответственно.

Если решение для константы пропорциональности не является конечной целью проблемы, эти значения, скорее всего, будут даны.Некоторые общие значения для \ (K_f \) и \ (K_b \) соответственно:

Молярность определяется как число молей растворенного вещества на килограмм растворителя . Будьте осторожны, чтобы не использовать массу всего раствора. Часто проблема дает вам изменение температуры и константы пропорциональности, и вы должны сначала найти моляльность, чтобы получить окончательный ответ.

Раствор для того, чтобы оказать какое-либо изменение коллигативных свойств, должен удовлетворять двум условиям. Во-первых, он не должен влиять на давление паров раствора, а во-вторых, он должен оставаться взвешенным в растворе даже во время фазовых переходов. Поскольку растворитель больше не является чистым при добавлении растворенных веществ, мы можем сказать, что химический потенциал у растворителя ниже. Химический потенциал — это молярная энергия Гибба, которую один моль растворителя может внести в смесь.Чем выше химический потенциал растворителя, тем больше он способен стимулировать реакцию. Следовательно, растворители с более высоким химическим потенциалом также будут иметь более высокое давление пара.

Точка кипения достигается, когда химический потенциал чистого растворителя, жидкости, достигает потенциала химического потенциала чистого пара. Из-за уменьшения химического потенциала смешанных растворителей и растворенных веществ мы наблюдаем это пересечение при более высоких температурах.Другими словами, температура кипения загрязненного растворителя будет выше, чем у чистого жидкого растворителя. Таким образом, повышение температуры кипения происходит с повышением температуры, которое количественно определяется с использованием

\ [\ Delta {T_b} = K_b b_B \]

, где

• \ (K_b \) известен как эбуллиоскопическая константа и
• \ (м \) — моляльность растворенного вещества.

Точка замерзания достигается, когда химический потенциал чистого жидкого растворителя достигает потенциала чистого твердого растворителя.Опять же, поскольку мы имеем дело со смесями с пониженным химическим потенциалом, мы ожидаем, что точка замерзания изменится. В отличие от точки кипения, химический потенциал загрязненного растворителя требует более низкой температуры, чтобы он достиг химического потенциала чистого твердого растворителя. Следовательно, наблюдается понижения температуры замерзания .

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

2,00 г неизвестного соединения снижает температуру замерзания 75,00 г бензола с 5.{\ circ} C / m} \\ [4pt] & = 0,123 м \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ text {Amount Solute} & = 0.07500 \; кг \; бензол \ times \ dfrac {0.123 \; m} {1 \; кг \; бензол} \\ [4pt] & = 0.00923 \; м \; растворенный \ конец {выровнять *} \]

Теперь мы можем найти молекулярный вес неизвестного соединения:

\ [\ begin {align *} \ text {Molecular Weight} = & \ dfrac {2.00 \; грамм \; неизвестно} {0.00923 \; mol} \\ [4pt] & = 216.80 \; г / моль \ конец {выровнять *} \]

Депрессия точки замерзания особенно важна для водной жизни.Так как соленая вода замерзнет при более низких температурах, организмы могут выжить в этих водоемах.