Глубина и скорость промерзания грунта и их влияние на процессы пучения — SGround.ru
Связь пучения со скоростью, глубиной промерзания
Оглавление:
- Введение
- Скорость промерзания грунта
- Глубина промерзания грунта
- Заключение
- 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 dfn, 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 dfn, 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 d0для 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 dfn 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 df, м, вычисляют по формуле
, (5.4)
где Kh — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений — по таблице 5.2; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений Kh=1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой;
dfn — нормативная глубина промерзания, м, определяемая по 5.5.2 и 5.5.3.
Примечания:
- 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.). - Для зданий с нерегулярным отоплением при определении Kh за расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.
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.).dfn — 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 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
Грунтовые воды и их влияние на строительные работы
Наличие грунтовых вод в зоне строительных работ (рытье котлованов, возведение фундаментов, проходка тоннелей и шахт, траншей и других земляных выработок) в значительной степени затрудняет производство работ без специальных мероприятий по их снижению или осушению.
Нередко ведение работ без водопонизительных мероприятий приводит к тяжелым последствиям. Так, разработка земляных выработок без водопонизительных мероприятий влечет за собой к снижению прочностных и деформационных характеристик грунтов основания будущего сооружения, оплыванию откосов котлованов, выпиранию грунтов на забоях шахт и тоннелей, обрушению откосов траншей и котлованов.
Прежде чем управлять грунтовыми водами для защиты зоны строительства от их воздействия необходимо сформулировать основные представления о воде в грунтовой среде, где выделяются:
Гигроскопическая вода — образуется в результате поглощения паров частицами грунта и удерживается ими с большой силой. Плотность воды достигает в среднем 2. Такая вода не передает гидростатическое давление.
Пленочная вода — образуется вследствие конденсации паров, образуя слой вркруг гигроскопической воды. Такая вода передвигается от более толстых слоев в сторону тонких и так же не передает гидростатическое давление.
Гигроскопическая и пленочная воды могут быть удалены из грунта только путем высушивания при температуре 105- 110°С.
Капиллярная вода — образуется в пористой среде силами поверхностного натяжения. Зона капиллярного насыщения в грунте, как правило, располагается над пьезометрической поверхностью грунтовых вод, где давление равно атмосферному. В связи с тем, что пористая среда грунта представляет сложную систему с капиллярными проходами различных диаметров, то капиллярная зона насыщения грунта по степени насыщения по высоте меняется.
В непосредственной близости от пьезометрической поверхности имеет место полное насыщение, в то время как у верхней границы степень насыщения этой зоны приближается к нулю.
Капиллярная вода передает давление, передвигается под влиянием разности напоров, поверхностного натяжения и силы тяжести; поэтому она участвует в фильтрационном движении вместе с гравитационной зоной насыщения.
Капиллярная зона насыщения в грунте может иметь место как при наличии гравитационной воды, так и при ее отсутствии. Исходя из условия образования, капиллярная вода может превратиться в подвешенную (когда она не имеет контакта с уровнем грунтовых вод). Чем меньше размеры непрерывных пор в грунте, тем больше высота капиллярного поднятия.
Полная высота капиллярной зоны насыщения, когда она снизу контактирует с грунтовыми водами, ориентировочно имеет следующие значения, см:
- в крупнозернистых песках, не содержащих мелкой фракции, — 2–5
- в среднезернистых песках — 10–30
- в мелкозернистых песках — 30–60
- в супесях — 60–120
- в суглинках — 120–300
- в глинах — более 300
Однако следует отметить, что высота капиллярного поднятия в основном зависит от мелкого заполнителя. Если поры даже крупнозернистого песка или гравия полностью заполнены более мелким, например глинистым грунтом, то высота капиллярного поднятия определяется именно этим грунтом.
От уровня грунтовых вод и до верхней границы капиллярной зоны в капиллярной воде имеет место давление меньше атмосферного — вакуум.
Распределение давлений в воде капиллярной зоны насыщения грунта носит гидростатический характер, с той лишь разницей, что в эпюре давление меньше атмосферного: у верхней кромки — максимальное отрицательное давление, равное высоте капиллярного поднятия в данном грунте, а на нижней границе, т. е. на уровне грунтовых вод, давление равно атмосферному. Ниже этой границы линия эпюры пересекает вертикальную ось ординат и эпюра давлений с положительными значениями увеличивается сверху вниз.
По мере снижения уровня грунтовых вод капиллярная зона также перемещается вниз и несколько вытягивается в связи с тем, что в ней имеется большее количество тонких пор, которые не заполняются капиллярной водой при обратном процессе (т. е. при подъеме уровня грунтовых вод) из-за наличия в грунте больших пор, прерывающих сплошность тонких капилляров (явление капиллярного гистерезиса).
Капиллярная зона в слабопроницаемых грунтах почти полностью насыщена водой. В этой зоне остаются незаполненными поры тех размеров, которые не соответствуют капиллярному поднятию на высоте нахождения этих пор.
Физическую закономерность степени насыщения капиллярной зоны грунта по вертикали можно объяснить только диаметром пор. Высота полного насыщения (при подаче воды в пористой среде снизу вверх) определяется порами грунта максимальных размеров. Выше них эти крупные поры при капиллярном поднятии снизу вверх не могут быть заполнены водой. Далее «эстафету» продолжают поры грунта, имеющие меньшие размеры, и также прекращают свое действие всасывания на высоте, соответствующей капиллярному поднятию данных размеров пор. На последнем этапе участвуют наиболее мелкие поры грунта, которые и определяют полную высоту капиллярного поднятия, т. е. высоту зоны капиллярного насыщения грунта.
Однако этот процесс нельзя отождествлять с закономерностью распредел
Предельное состояние оснований. Выбор глубины заложения фундаментов
Выбор глубины заложения фундаментов1.Второе предельное состояние это расчёт: |
Варианты ответов:
По прочности |
По деформациям |
По несущей способности |
По расчетному сопротивлению основания |
2.Что такое расчетное сопротивление (R) грунта основания? |
Варианты ответов:
Это такое давление, при котором глубина развития зон пластических деформаций (t) равна 1/4 ширины подошвы |
Это предельное давление, уменьшенное на 20% |
Это такое давление, при котором образуются зоны пластических деформаций |
Это такое давление, при котором глубина зон пластических деформаций (t) равна 1/2 ширины подошвы |
3. |
Расчёт
по I предельному состоянию обязателен
в следующих случаях:Варианты ответов:
Для зданий, сооружений I класса |
Для подпорных стен, отдельно стоящий и ленточных фундаментов |
Для анкерных фундаментов, подпорных стен, откосов грунта, скальных оснований |
Всегда |
4.От чего зависит глубина заложения фундамента? |
Варианты ответов:
От физико-механических характеристик основания |
От инженерно-геологических условий и конструктивных особенностей здания |
От инженерно-геологических условий, конструктивных особенностей здания и гидрогеологических условий |
От инженерно-геологических условий, конструктивных особенностей здания и климатических условий района |
5. |
Что
такое пучение промерзающего грунта?Варианты ответов:
Поднятие поверхности вследствие набухания |
Увеличение объема грунта вследствие миграции влаги |
Увеличение объема грунта вследствие замерзания грунтовой влаги |
Увеличение объема грунта вследствие температурного градиента |
6.Что такое расчетная глубина промерзания? |
Варианты ответов:
Это нормативная глубина промерзания при коэффициенте теплового режима здания = 1 |
Это нормативная глубина промерзания при коэффициенте теплового режима здания 0,4…1,1 |
Это нормативная глубина промерзания при коэффициенте теплового режима здания 0,2…0,9 |
Это нормативная глубина промерзания при коэффициенте теплового режима здания > 1 |
7. |
Когда
глубина заложения фундамента изменяется
ступенчато?Варианты ответов:
Если отношение длины ступени к ее высоте > 0,5 |
Если отношение длины ступени к ее высоте ≥ 0,5 |
Если отношение длины ступени к ее высоте = 1 |
Во всех случаях для зданий с подвалами |
8.Что такое нормативная глубина сезонного промерзания грунта? |
Варианты ответов:
Это среднее значение из мах. величин за 10 летний период наблюдения при очищенной от снега и растительности поверхности |
Это расчетная глубина промерзания с коэффициентом надежности 0,8 |
Это глубина промерзания грунта за зимний период |
Это
среднее значение из мах. |
величин за 5
летний период наблюдения по данным
метео-станции9.Испытывает ли пучение глинистый грунт при L < 0,25 и У.Г.В. ниже границы промерзания ≥ 2 м? |
Варианты ответов:
Да |
Нет |
Лишь 1% |
Около 10% |
10.Что такое касательные силы пучения? |
Варианты ответов:
Это силы смерзания грунта величиной 2…3 кг/чм2 |
Это силы смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента |
Это силы смерзания грунта с подошвой фундамента |
Это силы, поднимающие дневную поверхность грунта |
11. |
Что
оценивается по I предельному состоянию
при расчете основания и фундаментов?Варианты ответов:
Надёжность конструкций из условия недопущения потери общей устойчивости основания |
Надёжность конструкций из условия прочности и его материала |
Надёжность основания из условия недопущения предельных деформаций |
Возможность нормальной эксплуатации здания или сооружения в течение всего назначенного срока |
12.Какие деформации являются наиболее опасными для сооружений? |
Варианты ответов:
Неравномерные деформации основания, которые вызывают дополнительные усилия в конструкциях сооружений |
Деформации основания, которые превышают максимально допустимую абсолютную осадку |
Деформации основания, которые произошли в результате выдавливания (выпирания) грунта из-под фундамента при развитии областей сдвига |
Деформации основания, которые произошли в результате уплотнения грунта при увеличении напряжений от нагрузки фундаментов |
13. |
На
какую глубину условно допускается
под подошвой фундамента развитие зон
с предельным состоянием?Варианты ответов:
На глубину, равную одной четверти ширины подошвы фундамента |
При проектировании фундаментов наличие зон с предельным состоянием под подошвой не допускается |
На глубину, равную ширине подошвы фундамента |
До нижней границы сжимаемой толщи основания |
14.Можно ли уменьшить глубину заложения фундаментов по условиям морозного пучения? |
Варианты ответов:
Возможно за счёт постоянной теплозащиты грунта по периметру здания, уменьшения возможности замачивания грунтов, заменой пучинистого грунта на непучинистый под подошвой, обмазки боковой поверхности фундаментов незамерзающими мастиками |
Нет, глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах должна быть ниже расчетной глубины промерзания |
Возможно за счёт применения широкой отмостки по периметру здания, засыпкой пазухов фундаментов глинистым грунтом с уплотнением, обмазкой боковой поверхности фундаментов битумом или оклейкой гидроизолом |
Возможно
за счёт исключения неблагоприятных
воздействий на грунты основания,
улучшением свойств грунтов основания,
т. |
е. превращение естественного основания
в искусственное, применением специальных
типов фундаментов15.Что такое глубина заложения фундамента? |
Варианты ответов:
Расстояние от поверхности планировки или пола подвала до подошвы фундамента |
Расстояние от природной поверхности грунта или поверхности грунта в подвале до подошвы фундамента |
Расстояние от обреза фундамента или низа пола подвала до подошвы фундамента |
Расстояние от поверхности отмостки или бетонного пола подвала до подошвы фундамента |
Грунты являются материалами, из которого возводят насыпи, средой, в которой разрабатывают выемки, и основанием, на котором возводят земляные сооружения. Большая часть грунтов — минерального происхождения, но имеются грунты частично или полностью органического образования (ил, торф, чернозем, фосфориты).Грунты минерального происхождения по своему составу, прочности и трудности разработки подразделяют на скальные (изверженные и осадочные), сцементированные конгломераты и нескальные (глинистые и песчано-гравийные). Скальные грунты по строению разделяют на однородные и слоистые.  Однородные скальные грунты состоят преимущественно из изверженных пород с кристаллической структурой. Они отличаются значительной плотностью (объем пор не больше 1%) и малой влагоемкостью (0,1 — 1%). Слоистые скальные грунты принадлежат к осадочным породам и сложены из песчаников, известняков, доломитов и глинистых сланцев. Прочность этих пород колеблется в широких пределах и зависит как от состава и сложения, так и от толщины слоя. Влагоемкость колеблется от 1,5% для плотных известняков до 40% для мела.Конгломераты — это обломочные породы, сцементированные тем или иным минеральным цементом. Твердость породы зависит от состава связующего. К нескапьным грунтам относятся глины, лёсс, мергели, пески и гравий, а к промежуточным — супеси, суглинки. Глины являются продуктом механического разложения полевого шпата. В чистом виде глины встречаются редко. Обычно они содержат примеси песка и других горных пород.  При содержании 10 — 30% глины их называют суглинками, а при содержании ее 10% и менее — супесями.Лёсс содержит 5 — 10% глины, до 60% кварцевой пыли, 10 — 20% извести и некоторую часть окиси железа. Лёсс обладает значительной влагоемкостью (до 40%). При насыщении водой в лёссе нарушается сцепление частиц, поэтому они легко размываются текучими водами. Мергелями называются глины с содержанием 40 — 60% углекислой извести. В сухом состоянии мергели обладают значительной твердостью.  Они гигроскопичны, при насыщении водой переходят в состояние пластичности, а при высыхании распадаются в порошок.Пески — это продукт разрушения кристаллических пород. Крупность частиц песка — в пределах от 0,05 (мелкий песок) до 3 — 4 мм (крупный песок). При более мелких зернах пески называют пылью. Гравий, галька и валуны — это грубообломочные породы, состоящие из продуктов разрушения изверженных и осадочных пород. Размеры отдельных частиц: 5 — 40 — для гравия, 40 — 200 — для гальки и 200 — 800 мм — для валунов.  Техническая пригодность грунтов определяется связностью (сцеплением) между частицами, характеризующей прочность грунта; размерами и формой частиц; однородностью состава; коэффициентом трения или углом естественного откоса; влажностью, влаго-емкостью и водоудерживающей способностью; размываемостью и растворяемостью в воде; пластичностью; расширяемостью и сжимаемостью при различном содержании влаги и под действием отрицательных температур; разрыхляемостью и способностью к уплотнению после разрыхления.  Качество и техническую пригодность грунта определяют лабораторными исследованиями. При нарушении естественной структуры (например, во время его копания) грунт увеличивается в объеме. Это свойство называется разрыхляемостью и измеряется в процентах по отношению к первоначальному объему. Приращение объемов при разрыхлении грунта
Углы естественного откоса, град.
Классификация грунтов по трудности их разработки
|
techstory.ruТермоинерционный метод оценки влажности почвы
1. Введение: термическая инерция ненасыщенного грунта
Термическая инерция P является одним из параметров, используемых для характеристики тепловых свойств почвы и определяется как квадратный корень из произведения объемная теплоемкость и теплопроводность λ, которая задается как
P = Cλ.E1
Тепловая инерция появляется в формулировке теплового потока грунта, когда он формулируется с уникальной переменной, известной как температура поверхности земли (LST), и не нужно учитывать вертикальный профиль температуры почвы.
С точки зрения связи между тепловыми свойствами почвы и влажностью почвы, как объемная теплоемкость C, которая является произведением удельной теплоемкости и объемной плотности почвы ρ, так и теплопроводность λ увеличиваются по мере увеличения влажности почвы. Соответственно, тепловая инерция Palso увеличивается по мере увеличения влажности почвы.
Следовательно, влажность почвы можно оценить обратно, если известно значение тепловой инерции (рис. 1). Объемная теплоемкость является умеренной линейной функцией влажности почвы [1].Напротив, теплопроводность имеет сильную нелинейность с влажностью почвы, что затрудняет параметризацию теплопроводности и, следовательно, тепловой инерции.
Рисунок 1.
Схема взаимосвязи между объемной теплоемкостью, теплопроводностью и тепловой инерцией с точки зрения влажности почвы.
Термическая инерция эффективна, когда доступны временные ряды температуры поверхности, но недоступен вертикальный профиль температуры почвы.Дифференциальное уравнение для диффузии тепла задается следующим образом:
∂Tzt∂t = λC∂2Tzt∂z2, E2
, где Tzt — температура почвы на глубине z и время t, которое представляет собой разницу от постоянного значения на бесконечной глубине. Это уравнение решается для воспроизведения суточных и годовых периодических циклов температуры почвы при граничных условиях, когда изменение температуры является синусоидальным на поверхности и постоянным на бесконечной глубине.
Основное решение выглядит следующим образом с использованием выражения комплексного числа:
Tzt = Aexp − zd⋅expiωt − zd, E3
, если граничное условие поверхности T0t = A⋅expiωt.В формуле. (3), A — амплитуда периодического изменения с угловой скоростью ω, dis — масштабная глубина, на которой амплитуда равна e − 1 значения поверхности, а i — мнимое число −1. Масштаб глубины представлен в видеd = 2λωC.E4
Eq. (3) переписывается следующим образом с использованием выражения действительных чисел:
Tzt = Aexp − zd⋅cosωt − zd, E5
, если граничное условие поверхности T0t = A⋅cosωt.Кондуктивный тепловой поток в почве на глубине z и времени t, Gzt, определяется как
Gzt = −λ∂Tzt∂z, E6
, где вертикальный профиль температуры почвы, очевидно, требуется для расчета теплового потока почвы.Однако, когда решение температуры почвы (3) или (5) применяется к тепловому потоку почвы Ур. (6), а затем z устанавливается на ноль, он использует только временной ряд температуры поверхности следующим образом:
G0t = Cλ2ω∂T0t∂t + ωT0t.
E7
При выводе уравнения. (7), следующее соотношение, полученное из уравнения. (3),
∂Tzt∂t = iωTzt, используется E8
. Уравнение (7) известен как метод восстановления силы (FRM) для расчета потока тепла на поверхность почвы [2]. В формуле. В формуле (7) числитель параметра определяется как тепловая инерция P, которая задается какP = Cλ = cρλ.E9
Приведенный выше вывод описывает тепловую инерцию, эффективную для количественной оценки тепловых свойств почвы, когда известен только LST, что приводит к анализу процессов на поверхности земли с использованием спутниковых LST. Вышеупомянутая процедура приводит к исследованиям, предложенным Мацусимой и соавторами, которые описаны в Разделе 2.
Значительные усилия были предприняты для оценки тепловой инерции поверхности Земли, в основном с использованием данных LST со спутников. Большая часть этих усилий была сосредоточена на получении ежедневных значений тепловой инерции из-за наличия суточных максимальных и минимальных LST, наблюдаемых с полярно-орбитальных или геостационарных спутников.
Модели, использующие эти типы спутниковых LST, основаны на принципе баланса энергии поверхности Земли, который включает не только радиационный баланс, но и турбулентный тепловой поток. Разложение в ряд Фурье было введено для решения уравнения. (1) при указанных выше граничных условиях поверхности Земли с использованием решения выражения действительных чисел, Ур. (5). Модели были улучшены от моделей, использующих только два суточных экстремальных LST [3, 4, 5, 6, 7, 8], до моделей, использующих LST, которые не зависят от времени суточного изменения [9, 10], и других важных исследований, которые следуют ниже. ряд важных предложений Сюэ и Кракнелла [11, 12, 13, 14], которые также описаны в Разделе 2 по сравнению с исследованиями Мацусима и его соавторов.
В этой главе рассматриваются прежние и современные методы оценки влажности почвы путем изучения взаимосвязи между тепловой инерцией и влажностью почвы. В разделе 2 дается обзор последних разработок методов восстановления тепловой инерции из моделей земной поверхности.
В разделе 3 описывается, как тепловая инерция наблюдается экспериментально и как она извлекается из моделей земной поверхности с точки зрения моделей на основе Сюэ и Кракнелла и моделей Мацусима. Раздел 4 описывает несколько полуэмпирических параметризаций тепловой инерции с точки зрения влажности почвы.В разделе 5 описываются применения тепловой инерции для анализа гидрометеорологических явлений вокруг поверхности Земли, а также обсуждаются дальнейшие исследования самой тепловой инерции и ее приложений. В разделе 6 представлены выводы.
2. Извлечение тепловой инерции из моделей энергетического баланса
Извлечение тепловой инерции из модели энергетического баланса поверхности Земли началось с геологического контекста, в котором различные горные породы или минералы по-разному реагируют на падающее солнечное излучение.Затем интересы исследователей переместились к изменению тепловой инерции в зависимости от влажности почвы, что совпало с использованием данных, полученных с помощью солнечно-синхронных полярно-орбитальных спутников, которые давали суточный цикл LST.
Тепловая инерция извлечения исключительно в зависимости от влажности почвы на поверхности Земли была разработана в течение последних пяти десятилетий. В большинстве предложенных методов использовался ряд Фурье суточной вариации LST, который был включен в модель теплового баланса поверхности Земли.
Комплексная модель для восстановления тепловой инерции с использованием модели энергетического баланса для граничных условий поверхности Земли и ряда Фурье для суточного изменения температуры поверхности была предложена Прайсом [3, 4, 5]. Прайс [6] упростил определение турбулентного теплового потока (явного и скрытого тепла) по сравнению с предыдущими исследованиями, сосредоточившись на восстановлении тепловой инерции. В этих исследованиях использовались спутниковые измерения LST два раза в день в качестве суточных максимальных и минимальных LST, соответствующих дневному и ночному времени, соответственно, и они заменяли LST в первый компонент (24-часовой период) ряда Фурье для расчета тепловой инерции.
А именно, они аппроксимировали разностный член уравнения (1). (7) как ∂T0t∂t → ΔT0tΔt, где ΔT0t — это разница между дневными максимальными и минимальными LST, а Δt — это разница во времени двух измерений.
На основе серии исследований, выполненных Прайсом [3, 4, 5, 6], Сюэ и Кракнелл [11, 12, 13, 14] предложили улучшенные методы, которые показали, что данные со спутников достаточно хороши для точного получения тепловых данных. инерция, а также с использованием времени максимальной LST. В этих моделях использовались гармоники первого и второго порядка суточного изменения (24- и 12-часовой периоды) для соответствия изменению LST с учетом разностей фаз обоих компонентов относительно инсоляции.Тепловая инерция была получена из аналитических, но относительно сложных формулировок. На основе серии моделей, предложенных Сюэ и Кракнеллом (далее модель XC), было предложено несколько улучшенных методов с точки зрения времени спутниковых измерений, фактического времени суточного максимума и минимума LST, а также разницы в изменении LST между дневным и дневным временем.
ночь. Детали приведенных выше схем описаны в разделе 3.2.
Помимо вышеупомянутых методов, Мацусима [15] применил FRM к модели теплового баланса поверхности, чтобы получить тепловую инерцию.FRM также основан на синусоидальном граничном условии на поверхности и уравнении диффузии тепла, которое по сути совпадает с моделями, основанными на модели XC. Модель Мацусима [15] использовала FRM, который был разработан не только для большей степени реагирования на суточные изменения, но и для более быстрых изменений в соответствии с временным разрешением входных переменных (инсоляция, температура воздуха и т. Д.). Как показано в [16], изменение LST за период примерно в несколько часов было точно воспроизведено FRM с характерным периодом 24 часа.Аналогичные результаты были получены в других исследованиях [2, 17], или более частое несинусоидальное воздействие не оказало значительного влияния на прогноз LST [18]. Это означает, что FRM может воспроизводить временные изменения, которые имеют широкий диапазон частот LST, благодаря своей относительно простой формулировке.
При использовании этого метода время спутниковых измерений LST было в принципе произвольным, независимо от дневного максимума и минимума, но было более точным для восстановления тепловой инерции, чем измерения LST как в дневное, так и в ночное время, как показано в [19] .Точность восстановления тепловой инерции повышается, если коэффициенты атмосферного турбулентного теплового потока заданы по-разному в дневное и ночное время, как показано в [16]. Детали описаны в разделе 3.2 по сравнению с моделью XC.
Численное моделирование процесса испарения почвы и его стадий разделения во время цикла высыхания
Испарение воды из почвы является критическим компонентом как баланса поверхностной энергии, так и водного баланса, влияя на обмен массой и энергией между землей и атмосферой.Процесс испарения участвует в очень сложных взаимодействиях между свойствами среды, процессами переноса и граничными условиями. Таким образом, трудно точно определить эти приповерхностные высокодинамичные процессы, основываясь только на разреженных полевых данных и с помощью методов, основанных на измерениях.
Целью данной статьи было получить подробное описание процесса испарения воды из почвы и лучше понять эволюцию переменных, участвующих в процессе испарения на разных стадиях испарения.Для этого был проведен эксперимент с численным моделированием на голой илистой почве, чтобы воспроизвести процесс высыхания почвы в течение 20-дневного периода после 2-сантиметрового дождя. Согласно результатам моделирования, весь 20-дневный период моделирования был разделен на два основных этапа, а также переходный период от этапа 1 к этапу 2. Суточные характеристики компонентов энергетического и водного баланса, влажности почвы, температуры почвы, потоков воды, испарения. скорость, сухой поверхностный слой (DSL) и зона испарения во время этого процесса сушки были полностью описаны, что, в свою очередь, могло быть в качестве возможных индикаторов для оценки смещения стадий испарения.
1. Введение
Инфильтрация и движение почвенных вод играют ключевую роль в поверхностном стоке, пополнении подземных вод, эвапотранспирации, эрозии почвы и переносе химикатов в поверхностные и подземные воды [1].
В частности, испарение и накопление почвенной воды во время естественного цикла увлажнения / высыхания оказывает решающее влияние на обмен воды и энергии между землей и атмосферой [2, 3], тем самым влияя на локальные или глобальные изменения климата. Помимо важной роли в гидрологическом процессе, процессы сушки и испарения также представляют интерес для многих инженерных и промышленных приложений, таких как обработка и консервирование пищевых продуктов, производство керамики и бумаги, уход за глазами и кожей, а также многочисленные строительные работы [4 ].
Во время высыхания почвы после дождя или ирригации с постепенным высыханием почвы происходят сдвиги между атмосферными требованиями и контролируемым испарением почвы [3]. Испарение почвенной воды — это динамический процесс, который часто разделяют на три основных этапа. Стадия 1 испарения имеет относительно высокую и постоянную скорость испарения, за которой следует более низкая скорость (стадия 2) [5, 6]. На этапе 1, когда на поверхности почвы имеется доступная вода, испарение происходит с поверхности почвы и ограничивается атмосферными требованиями.
На стадии 1 большая часть чистого излучения легко рассеивается в виде скрытой теплоты испарения. Когда почва продолжает высыхать, испарение в конечном итоге происходит внутри недр, когда содержание влаги в почве истощается; и начинается стадия 2 испарения, во время которой испарение падает ниже потенциальной скорости и со временем уменьшается. Стадия 3 характерна очень низкой и относительно постоянной скоростью испарения. Когда влажность почвы недоступна на поверхности почвы, у поверхности почвы образуется сухой поверхностный слой (DSL), в котором перенос влаги происходит только в паровой фазе [7], а профиль под этим слоем остается более влажным [8] .Диффузионный перенос пара внутри сухого слоя обеспечивается потоком жидкой воды из участков ниже зоны испарения (где происходит фазовый переход от жидкой воды к водяному пару). Переход от поверхностного к подповерхностному испарению также оказывает существенное влияние на баланс поверхностной энергии и профили температуры и влажности почвы, поскольку энергия, необходимая для испарения жидкой воды, должна передаваться с поверхности почвы в подповерхностную зону испарения [4, 9].
.Формирование DSL и смещение фронта испарения с поверхности на подповерхностные слои приводят к значительному изменению баланса поверхностной энергии по мере того, как местоположение скрытого теплоотвода перемещается с поверхности на поверхность. Поток скрытого тепла, связанный с этим фазовым переходом, важен для оценки баланса поверхностной энергии во время высыхания почвы [10–12]. Стадия испарения может быть индикатором общих потерь воды, скорости испарения и содержания влаги в почве [5], а также баланса поверхностной энергии [9].Поэтому важно понимать этапы испарения почвы для управления водными ресурсами, охраны окружающей среды и сельскохозяйственного производства.
Чтобы оценить процесс испарительной сушки в полевых условиях, особенно для определения сроков стадий процесса испарения, необходимо определить скорость испарения из почвы. Подходы к измерению испарения почвенной воды включают коэффициент Боуэна [13], вихревую корреляцию и методы лизиметра с автоматическим взвешиванием [1].
Эти методы широко используются для полевых измерений с целью изучения динамики водного баланса у поверхности почвы. Однако у этих методов измерения есть некоторые ограничения; например, это несколько затратно по времени и трудоемко и не может точно измерить динамику испарения почвенной воды с течением времени и глубины, особенно для оценки влияния процесса испарения на баланс поверхностной энергии и профили температуры и влажности почвы. Хотя в последнее время разработано несколько новых подходов для определения процесса испарения воды из почвы, с помощью этих подходов, основанных на измерениях, сложно уловить высокодинамичные процессы приповерхностной воды и тепла, связанные с испарением воды из почвы.Например, некоторые исследователи [3, 14] ввели метод измерения, основанный на балансе явного тепла, для определения динамики испарения почвенной воды на месте с помощью зондов тепловых импульсов. Однако этот подход был недоступен для стадии 1 испарения [3], во время которой испарение, вероятно, происходило в дни после дождя или орошения.
И такой подход может привести к недооценке общего подповерхностного испарения из-за наличия необнаруживаемой зоны [4]. Deol et al. [15] количественно определяют профили подповерхностного испарения миллиметрового масштаба с помощью одиннадцатиигольчатых зондов тепловых импульсов в столбе почвы во время высыхания.Поскольку эти профили были ограничены интегрированными по глубине скоростями испарения, точная форма и изменение зоны испарения со временем и глубиной оставались неопределенными, особенно для некоторых случаев, когда ширина зоны испарения составляла менее 1 мм [4, 9]. Таким образом, поскольку процесс испарения участвует в очень сложных взаимодействиях между свойствами среды, процессами переноса и граничными условиями, подходы к прямым измерениям имеют ограничение для точного определения высокодинамичного процесса испарения воды из почвы.И численное моделирование — альтернативный способ.
Растущие вычислительные мощности обеспечивают возможность численного воспроизведения процессов испарения путем применения теории сопряженного переноса тепла и влаги в почвах с переменной насыщенностью, которая разработана Филипом и де Фризом [16], далее PDV.
В настоящее время существует несколько числовых кодов, например SVAT, SHAW и HYDRUS, разработанных для моделирования связанных водяных и тепловых потоков в зоне аэрации. HYDRUS-1D — это широко используемая конечно-элементная модель для моделирования одномерного движения воды, тепла и множества растворенных веществ в пористой среде с переменным насыщением [17] и широко применяется при изучении процесса аэрации.Целью данной статьи было оценить процесс испарительного высыхания ила почвы после дождя с использованием модели HYDRUS-1D в атмосферных условиях, подобных полевым, и лучше понять эволюцию переменных, участвующих в процессе испарения.
2. Материалы и методы
2.1. Уравнения расхода воды
Общее уравнение в частных производных для описания одномерного переходного потока воды в почве при переменно насыщенных неизотермических условиях может быть выражено как [4, 16]
Является почва возобновляемой или невозобновляемой? — Почвы имеют значение, получите совок!
Q: Недавно я разговаривал с человеком, который утверждал, что почвы являются возобновляемым ресурсом, потому что питательные вещества в них можно заменить удобрениями.
Но я слышал, что почва образуется очень долго, поэтому я считаю ее невозобновляемой. Каково твое мнение?
A: Идея о том, что почва является возобновляемой, поскольку питательные вещества могут быть заменены, очень ограничена по своему охвату и касается только растениеводства. Эта точка зрения не учитывает то, как образуется почва, или то, что это нечто большее, чем просто среда для выращивания растений.
Тем не менее, я не поклонник дихотомической системы классификации возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.Я предпочитаю другую категорию почв: медленно возобновляемые. Но здесь есть оговорки, связанные с факторами почвообразования: климатом, организмами, рельефом, исходным материалом и временем.
Является ли почва возобновляемой или невозобновляемой — это больше вопрос того, сколько времени потребуется почве для восстановления и восстановления после нарушения, такого как эрозия, изображенная здесь, в центральной части Мексиканского нагорья.
Фото: СИММИТВремя
При обсуждении возобновляемых / невозобновляемых источников следует определить время.Мы говорим о вегетационном периоде (важном с точки зрения питательных веществ), продолжительности жизни, веках, тысячелетиях?
Я не знаю ни одного почвоведа, который согласился бы с тем, что почва является возобновляемой просто потому, что питательные вещества могут быть заменены. Я сомневаюсь, что немногие даже посчитают почву возобновляемой в течение всей жизни, хотя в идеальных условиях может произойти значительное восстановление.
Итак, возникает вопрос: сколько времени нужно, чтобы почва оправилась от эрозии, длительной обработки почвы, уплотнения, подкисления, засоления и т. Д.?
Климат, организмы
Способность почвы к восстановлению зависит от климата; почвы во влажных регионах могут восстанавливаться быстрее, чем в полузасушливых и засушливых регионах. Растения растут и умирают, организмы разлагают корни и остатки растений, и, таким образом, органическое вещество в почве увеличивается.
В засушливых регионах воды для роста растений мало, поэтому все происходит медленнее.
Рельеф
Еще один фактор — облегчение.Почвы на устойчивых ландшафтах — на возвышенностях или низинах, пологие до уровня — будут восстанавливаться с большей вероятностью, чем почвы на склонах. Вода, текущая вниз по склону, размывает почву и откладывает ее у подножия холма или переносит отложения в ручьи или реки и ухудшает качество воды. Даже в естественных, нетронутых ландшафтах наименее развитые почвы встречаются на склонах.
Основной материал
Это вещество, в котором образуется почва. Более крупные материалы (пески) имеют тенденцию к более быстрому развитию почвы, чем более мелкие материалы (глины и илы).Если почва формируется над коренной породой, процесс идет еще медленнее. Если эрозия удалила почву и обнажила коренную породу, эта территория может быть не возобновляемой в течение тысячелетий.
Когда скорость образования почвы превышает скорость деградации, почвы становятся возобновляемыми.
В районах, где деградация превышает образование, почвы невозобновляемы (по крайней мере, до следующего изменения климата).
Некоторыми видами деградации можно управлять для поддержания производительности. Другие виды повреждений могут быть необратимыми.Например, подкисление является обычным явлением во влажных регионах или старых почвах, но часто устраняется добавлением продуктов из измельченного известняка для повышения pH для растениеводства.
Засоление — это процесс накопления солей в почве. Часто это связано с орошением, но иногда встречается на землях, прилегающих к рекам, в засушливых регионах. Когда почва засолена, единственное, что вымывает соли из профиля почвы, чтобы снова сделать ее продуктивной, — это вода хорошего качества. Когда это недоступно из водоносного горизонта или реки (часто потому, что плотины и водохранилища контролируют наводнения, так что вода больше не покрывает пойму), единственным другим возможным источником являются осадки.
Но во многих регионах осадков часто не так много, и во многих местах вода не является возобновляемой.