Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы исследования теплофизических свойств грунтов в инженерной геологии 12
1.1. Теплофизические свойства грунтов и их роль в инженерной геологии 14
1.2. Современная экспериментальная база для измерений теплофизических свойств .22
1.2.1. Измерения теплопроводности грунтов 28
1.2.2. Измерения температуропроводности и объемной теплоемкости 34
1.3. Практика получения расчетных характеристик теплофизических свойств грунтов в инженерной геологии 41
Выводы 44
2. Разработка методики комплексных исследований теплофизических свойств грунтов 46
2.1. Метод оптического сканирования для определения теплофизических свойств грунтов 47
2.2. Метод и прибор линейного источника для определения теплопроводности песчаных грунтов 55
2.3. Адаптация методов оптического сканирования и линейного источника к изучению дисперсных грунтов 59
2.3.1. Оценка глубины зоны теплового возбуждения образцов грунтов при теплофизических измерениях методами оптического сканирования и линейного источника 59
2.3.2. Выбор параметров режима измерений методом оптического сканирования для обеспечения необходимого температурного режима грунтов 65
2.3.3. Зависимость систематической погрешности от выбранных параметров режима при измерениях методом оптического сканирования 69
2.3.4. Зависимость систематической погрешности от конечных размеров исследуемого образца при измерениях методом линейного источника 71
2.3.5. Особенности реализации метода оптического сканирования для определения теплофизических свойств песчаных грунтов 74
2.4. Метрологическое обеспечение измерений теплофизических свойств грунтов методом оптического сканирования 77
2.4.1. Методика выбора и подготовки стандартных образцов 77
2.4.2. Методика оценки и учета систематической погрешности при измерениях теплофизических свойств 80
2.5. Особенности измерений теплофизических свойств анизотропных образцов 83
2.6. Построение 2D распределений теплофизических свойств по площади образца грунта 86
2.7. Возможности использования аппаратуры оптического сканирования для измерений в области низких теплопроводностей 90
Выводы 92
3. Методика и результаты экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов 94
3.1. Методика определения теплофизических свойств дисперсных грунтов 94
3.1.1. Методика определения теплофизических свойств глинистых грунтов методом оптического сканирования 95
3.1.2. Методика определения теплофизических свойств песчаных грунтов с применением технологии оптического сканирования 100
3.1.3. Методика определения теплофизических свойств песчаных грунтов с применением технологии линейного источника 102
3.2. Результаты определения теплофизических свойств и показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов Московского региона 103
3.2.1. Результаты определения теплофизических свойств глинистых грунтов 103
3.2.2. Результаты определения теплофизических свойств песчаных грунтов 112
Выводы 116
4. Оценка взаимосвязи теплофизических параметров и показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов 117
4.1. Методика прогнозной оценки теплофизических параметров в зависимости от показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов 117
4.2. Оценка взаимосвязи объемной теплоемкости с показателями состава, состояния и физических свойств глинистых грунтов Московского региона 128
4.2.1. Покровные отложения 128
4.2.2. Озерно-ледниковые отложения 134
4.2.3. Моренные отложения 139
4.2.4. Вся совокупность исследованных глинистых грунтов 142
4.3. Оценка взаимосвязи теплопроводности с показателями состава, состояния и физических свойств глинистых грунтов Московского региона 146
4.3.1. Покровные отложения 146
4.3.2. Озерно-ледниковые отложения 150
4.3.3. Моренные отложения 154
4.3.4. Вся совокупность исследованных глинистых грунтов 158
4.4. Оценка взаимосвязи теплофизических свойств и физических показателей песчаных грунтов Московского региона 167
Выводы 168
5. Использование экспериментальных теплофизических данных для моделирования процессов промерзания и протаивания в системе фундамент-грунт 170
5.1. Инженерно-геологическая характеристика района 171
5.2. Определение теплофизических свойств грунтов основания и строительных материалов 175
5.3. Математическое моделирование теплового режима в основании и фундаменте... 176
Выводы 186
Заключение 187
Литература 190
- Практика получения расчетных характеристик теплофизических свойств грунтов в инженерной геологии
- Оценка глубины зоны теплового возбуждения образцов грунтов при теплофизических измерениях методами оптического сканирования и линейного источника
- Методика определения теплофизических свойств глинистых грунтов методом оптического сканирования
- Методика прогнозной оценки теплофизических параметров в зависимости от показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов
Введение к работе
з Актуальность работы
Исследование теплофизических свойств мерзлых и талых грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, является важной задачей при изучении процессов теплопереноса в системе фундамент-грунт, определяющих условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений.
Основная проблема заключается в измерении параметров теплофизических свойств дисперсных грунтов с заданной точностью.
В настоящее время при инженерно-геологических изысканиях теплофизические характеристики грунта определяют, как правило, по таблице СНиПа 2.02.04-88 (основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах), при этом не может быть обеспечена достаточная надежность и точность определяемых параметров, так как отсутствует информация по методам определения, региональной привязке, не учитываются генетические особенности грунта, возраст грунта, условия залегания.
В связи с этим актуальной задачей является повышение уровня экспериментальных теплофизических исследований грунтов лабораторными методами с возможностью определения на этих же образцах и других показателей состава, состояния и физических свойств.
Важным также является развитие инженерных теоретических моделей тепловых режимов грунтов оснований и фундаментов, создание подходов к прогнозу теплофизических свойств грунтов по результатам определения показателей состава, состояния и физических свойств.
Цель работы
Целью работы является создание научно-методических основ исследования теплофизических свойств дисперсных грунтов с применением уникального геотермического оборудования и оценка взаимосвязи параметров теплофизических свойств с показателями состава, состояния и физических свойств.
Задачи работы
В соответствии с целевой установкой были поставлены следующие задачи научных исследований:
1. Разработка методики комплексного экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов на основе применения уникального геотермического оборудования.
Проведение экспериментальных исследований теплофизических свойств дисперсных грунтов Московского региона.
Создание представительной базы данных о теплофизических свойствах дисперсных грунтов Московского региона на основании прецизионных массовых измерений на керновом материале.
Анализ корреляционных связей теплофизических свойств с показателями состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов Московского региона.
Моделирование процессов теплопереноса в системе фундамент-грунт при промерзании и протаивании на основе использования экспериментальных данных о теплофизических свойствах грунтов и строительных материалов.
Фактический материал, методы исследования
Основным объектом исследования теплофизических свойств послужили более 300 образцов дисперсных грунтов Московского региона, отобранных на различных объектах при проведении инженерно-геологических изысканий.
В ходе выполнения работы автором разработана методика применения геотермического оборудования по измерению тепловых свойств горных пород на керне с целью определения теплофизических свойств грунтов для инженерно-геологических целей. На основе разработанной методики выполнен комплекс экспериментальных исследований теплофизических свойств грунтов Московского региона. Полученные результаты обработаны и проанализированы, построены графики и номограммы зависимости теплофизических свойств от показателей состава, состояния и физических свойств, получены расчетные уравнения связи.
С помощью коммерческого симулятора (пакет Cortisol Multiphysics) построены модели теплового режима грунтов оснований и фундаментов инженерных сооружений.
Разработка методики, проведение экспериментов и моделирование проводились в Российском государственном геологоразведочном университете им. Серго Орджоникидзе на кафедре инженерной геологии и в научно-исследовательской лаборатории «Проблем геотермии».
5 Научная новизна работы
Разработана оригинальная методика экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов на основе применения методов оптического сканирования и линейного источника.
Предложенная методика экспериментального определения теплофизических свойств дисперсных грунтов, основанная на применении методов оптического сканирования и линейного источника, впервые внедрена в практику изучения дисперсных грунтов.
На основе массовых прецизионных измерений определен комплекс теплофизических свойств на представительных коллекциях дисперсных грунтов, собранных при инженерно-геологических изысканиях на территории Московского региона.
В результате внедрения новой методики теплофизических исследований создана представительная база данных по теплофизическим свойствам дисперсных грунтов Московского региона.
На основе представительных экспериментальных данных установлены корреляционные зависимости между теплофизическими свойствами и показателями состава, состояния и физических свойств различных разновидностей грунтов.
При помощи установленных корреляционных связей показана возможность прогнозной оценки теплофизических свойств по результатам определения показателей состава, состояния и физических свойств грунтов.
По результатам математического моделирования построены модели теплового режима грунтов оснований и фундаментов инженерных сооружений на основе высокоточных экспериментальных данных о теплофизических свойствах грунтов.
Защищаемые научные положения
1. Разработанная оригинальная методика исследований теплофизических
свойств грунтов обеспечивает прецизионные измерения теплопроводности,
температуропроводности и объемной теплоемкости образцов грунтов, что дает
возможность повысить качество прогнозной оценки теплофизических свойств
по показателям состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов
на основе корреляционно-регрессионного анализа.
2. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности,
температуропроводности и объемной теплоемкости в совокупности с
показателями состава, состояния и физических свойств грунтов, полученные на
основе изучения более чем 300 образцов, впервые обеспечили формирование
6 представительной базы данных по грунтам Московского региона. Анализ
взаимосвязи теплофизических свойств с показателями состава, состояния и
физических свойств дисперсных грунтов обеспечил создание математических
моделей для научно-обоснованной их оценки.
3. Детальные данные о теплофизических свойствах, полученные
экспериментально для различных разновидностей дисперсных грунтов
Московского региона на представительных коллекциях, повышают
эффективность теоретического моделирования теплового режима в системе
фундамент-грунт для решения инженерно-геологических задач.
Практическая значимость работы
Проведенный анализ различных методов и средств определения теплофизических параметров природных и промышленных материалов позволил сформировать подход к созданию аппаратурно-методического комплекса для теплофизических исследований дисперсных грунтов на основе применения методов оптического сканирования и линейного источника.
Разработаны новые и усовершенствованы уже существующие экспериментальные и теоретические подходы для определения теплофизических свойств грунтов для целей инженерной геологии.
Созданная представительная база данных по теплофизическим свойствам грунтов Московского региона и их корреляционным связям с другими физическими свойствами существенно повышает достоверность инженерно-геологических исследований как фундаментального, так и прикладного характера.
Результаты проведенных исследований имеют важное значение для описания процессов теплопереноса в системе фундамент-грунт при проектировании зданий и сооружений, а также прогноза негативных инженерно-геологических процессов.
5. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре
инженерной геологии Российского государственного геологоразведочного
университета по следующим дисциплинам: грунтоведение, мерзлотоведение и
инженерная геодинамика.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на II научно-практической конференции молодых специалистов "Инженерные изыскания в строительстве" в 2007 г. в Москве; XXI Assembley of American Geological Society. 2007, Denver, USA; Всероссийской конференции-конкурсе
7 студентов выпускного курса ВУЗов в 2008 г. в Санкт-Петербурге; II
регионального конкурса выпускных квалификационных работ Всероссийской
студенческой олимпиады в 2008 г. в Екатеринбурге; Научной конференции
«Молодые - наукам о Земле» в 2008 г. в Москве; IX Международной
конференции «Новые идеи в науках о Земле» в 2009 г. в Москве; X General
Assembly of IASPEI, Cape Town, South Africa, 2009; Научной конференции
«Молодые - наукам о Земле» в 2010 г. в Москве; 6-ой Общероссийской
конференции изыскательских организаций "Перспективы развития инженерных
изысканий в строительстве в Российской Федерации" в 2010 г. в Москве; X
Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» в 2011 г. в
Москве. В 2009 г. автор стал лауреатом стипендии президента РФ.
Публикации
Результаты работы отражены в 4 научных статьях, опубликованных в реферируемых журналах ВАК, и 11 тезисах докладов на научных конференциях.
Объем и структура работы
Практика получения расчетных характеристик теплофизических свойств грунтов в инженерной геологии
Теплофизические свойства грунтов, а также их зависимости от различных параметров, таких как влажность, плотность, плотность сухого грунта, пористость, минеральный и гранулометрический составы, структурно-текстурные особенности изучались ранее в работах исследователей, описанных выше. В результате были оценены диапазоны изменений теплофизических свойств различных грунтов без детального литологического описания, выявлено влияние влажности, плотности, гранулометрического состава грунтов с установлением некоторых корреляционных связей.
В то же время, рассмотренные выше методы и способы определения теплофизических свойств грунтов, применительно к задачам инженерной геологии, имеют существенные ограничения в связи со следующими причинами: низкий метрологический уровень измерений из-за невозможности обеспечения должного теплового контакта между изучаемым образцом грунта и элементами измерительной системы; опасность значительных механических изменений образца, вплоть до его полного разрушения при активном прижатии к образцу грунта этих элементов измерительной системы в попытке улучшить тепловой контакт с образцом; трудоемкость подготовки образцов заданных форм и размеров; серьезные проблемы с измерениями всего необходимого комплекса теплофизических свойств грунтов; малый объем изучаемого материала, часто . недостаточно представительного для изучаемой среды; низкая производительность во времени. Помимо перечисленных недостатков, в литературе очень редко встречается подробное квалифицированное литологическое описание изучавшихся коллекций [1, 76, 77], а данные различных справочников [6, 66] часто содержат только диапазоны теплофизических свойств. Для установления корреляционных связей использовались результаты измерений показателей состава, состояния и физических свойств, проведенных на разных образцах, отобранных из близких интервалов глубин. В то же время, как нами установлено, встречающаяся неоднородность может вносить значительную неопределенность в экспериментальные данные и значительно искажать результаты корреляционного анализа. Как неоднократно указывалось выше, в настоящее время при инженерно-геологических изысканиях теплофизические характеристики грунтов определяют, как правило, по таблице 3 приложения 1 СНиПа 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Детальный анализ таблицы показывает, что она обладает целым комплексом недостатков, к наиболее существенным из которых относятся: 1. Отсутствие информации по методам и способам определения теплофизических свойств. 2. Отсутствие информации о точности и доверительной вероятности определения теплофизических свойств. 3. Отсутствие верхних и нижних пределов диапазона значений теплофизических свойств. 4. Разделение грунтов на разновидности не соответствует классификации грунтов по ГОСТ 25100-95 [18]. 5. Зачастую, для определения теплофизических свойств приходится не только интерполировать значения, но и экстраполировать, что не допустимо при нелинейных зависимостях. 6. Не учитываются;генезис и возраст грунтов. 7. Значения теплофизических свойств не привязаны к определенному региону и распространяются на всю территорию РФ. На этом фоне продолжающееся развитие бесконтактного неразрушающего прецизионного высокопроизводительного метода оптического сканирования, свободного от большинства недостатков других методов, открыло качественно новые возможности для создания новых баз данных по теплофизическим свойствам грунтов и открыло новые перспективы для изучения корреляционных зависимостей между теплофизическими свойствами и другими показателями состава, состояния и физических свойств. Вместе с этим возникла необходимость разработки методических основ экспериментальных исследований теплофизических свойств грунтов с учетом их особенностей и технологии измерений теплофизических свойств и показателей состава, состояния и физических свойств, процесса подготовки образцов, обработки экспериментальных данных. В настоящее время единственным надежным источником данных о теплофизических свойствах грунтов являются лабораторные измерения на образцах. 2. Рассмотренные выше методы и способы определения теплофизических свойств грунтов, применительно к задачам инженерной геологии, имеют существенные ограничения. 3. Установлено, что наилучшими характеристиками и лишенным целого ряда недостатков определения теплофизических свойств дисперсных грунтов, обладает аппаратурно-методический комплекс, созданный на основе методов и приборов оптического сканирования и линейного источника, разработанный в РГГРУ при участии автора и не имеющий аналогов в России и за рубежом. 4. В связи с отсутствием в литературе представительных данных о теплофизических свойствах грунтов Московского региона, необходимо проведение массовых измерений этих свойств на представительных коллекциях с тщательным инженерно-геологическим описанием. 5. В связи с тем, что существенная тепловая неоднородность грунтов может искажать результаты изучения корреляционных связей между теплофизическими свойствами и показателями состава, состояния и физических свойств, необходимо создание методики анализа связей всех изучаемых свойств на одних и тех же образцах грунтов. 6. Основными результатами массовых измерений теплофизических свойств грунтов должны стать: 1) создание представительной базы данных грунтов; 2) получение надежных корреляционных связей между теплофизическими свойствами и показателями состава, состояния и физических свойств. 7. Результатом решения вышеперечисленных задач должно стать создание аппаратурно-методической базы для получения надежной информации о тепло физических свойствах грунтов при решении различного рода прикладных и фундаментальных задач.
Оценка глубины зоны теплового возбуждения образцов грунтов при теплофизических измерениях методами оптического сканирования и линейного источника
Если различие между значениями температуры, рассчитанными по формуле 2.4 (идеальная температура) и с учетом двух отраженных источников (экспериментальная температура), превышает заданную точность, то добавляется еще два источника тепла, включенных на расстоянии 3R от границы тела. Расчет останавливается после достижения заданной точности [34].
После расчета зависимостей идеальной и экспериментальной температур до заданного значения времени, по формуле 2.5 рассчитываются профили идеальной и экспериментальной теплопроводностей в зависимости от времени. Систематическая погрешность (в процентах) в каждый момент времени t рассчитывается по формуле: где Л„д(0, Лзксﳥ) — значения теплопроводности в момент времени t, рассчитанные по идеальной и экспериментальной зависимостям температуры от времени.
Для оценки систематической погрешности, обусловленной конечными размерами исследуемого образца, был разработан программный продукт, основанный на вышеописанном методе отраженных источников тепла. Программа позволяет пользователю сделать оценку допустимой длительности эксперимента по определению теплофизических свойств методом линейного источника, на основе данных о температуропроводности и размерах изучаемого образца, с целью минимизации систематической ошибки, обусловленной рассматриваемой неадекватностью теоретической и экспериментальной моделей [34].
На рис. 2.19 представлены результаты оценок данной систематической ошибки, выполненные для образца мрамора со значениями теплопроводности Я — 3,15 Вт/(м-К), температуропроводности а = 1,41 10 6 м/с, имеющего четыре значения толщины: 0,01; 0,02; 0,3 и 0,05 м. Из рисунка видно, что, например, если определение значений теплопроводности образца с вышеупомянутыми свойствами и толщиной 0,02 м производятся до 55 секунд, то конечность размеров образца не будет вносить значительную систематическую погрешность в экспериментальные результаты [34].
На основе данных, полученных с помощью разработанного программного обеспечения, можно учитывать систематическую погрешность при измерениях теплопроводности методом линейного источника на образцах, имеющих толщину, недостаточную для измерений без учета влияния конечных размеров исследуемых образцов.
Несмотря на свои многочисленные преимущества по сравнению с аналогами, ранее созданная аппаратура оптического сканирования не могла должным образом обеспечить прецизионные измерения теплофизических свойств несвязных грунтов, так как цели ее разработки и весь опыт ее использования в геолого-геофизических работах были связаны только с изучением скальных и полускальных грунтов.
В связи с этим были выполнены следующие работы с целью адаптации метода оптического сканирования для измерений теплофизических свойств несвязных грунтов: 1. Разработана ячейка для размещения несвязных изучаемых образцов грунтов (рис. 2.20). Ячейка представляет собой прямоугольную емкость 110x65x65 мм с прорезью в основании для доступа оптической энергии нагрева от оптического источника тепла к образцу и инфракрасного излучения от образца к оптическому датчику температуры. Прорезь в основании ячейки закрыта специальным синтетическим материалом (рис.2.21). Таким же материалом покрывают поверхность стандартных образцов. 2. Изготовлен специальный блок питания для оптического источника энергии в установке, позволивший расширить диапазон мощности нагрева в сторону ее уменьшения. 3. Применительно к новым задачам измерений модифицировано программное обеспечение измерительной установки оптического сканирования. 4. Проведены специальные метрологические испытания, позволившие установить необходимые режимы нагрева и регистрации температуры образцов, при которых существенно не нарушается режим нагрева образцов и обеспечивается необходимое выравнивание оптических характеристик образцов в ячейке и стандартных образцов теплофизических свойств (рис. 2.22), т.е. обеспечивается эффективное применение метода оптического сканирования. В качестве стандартных низкотеплопроводных образцов при метрологических испытаниях использовались образец жидкости (глицерин, А.=0,282 Вт/(м-К)) и среднезернистого песка различной влажности с известными тепловыми свойствами (в сухом состоянии теплопроводность составляет А,=0,25 Вт/(мК)). По результатам тестирования оцененная погрешность измерений теплопроводности составила ±3%, температуропроводности ±5%, объемной теплоемкости ±6%.
Методика определения теплофизических свойств глинистых грунтов методом оптического сканирования
Рассмотренная выше аппаратурно-методическая база для исследования теплофизических свойств горных пород впервые находит применение в области инженерной геологии. Поэтому применение методов оптического сканирования и линейного источника в инженерной геологии потребовало создания специальной методики исследований теплофизических свойств грунтов. Разработанная совместно с кафедрой инженерной геологии и научно-исследовательской лабораторией «Проблем геотермии» Российского государственного геологоразведочного университета методика исследований включает: подготовку образцов; выбор экспериментального оборудования для определения теплофизических свойств; комплексное лабораторное исследование образцов с определением влажности, плотности, пористости, влажности на границе текучести, влажности на границе раскатывания; расчет степени влажности, числа пластичности, консистенции образцов грунта в естественном состоянии и других свойств; обработку полученных результатов.
При исследованиях по разработанной методике в общем виде можно выделить 4 основных этапа: 1) планирование эксперимента и подготовка образцов к исследованиям; 2) параллельное экспериментальное определение теплофизических и физических свойств грунтов; 3) создание базы данных теплофизических параметров и показателей состава, состояния и физических свойств грунтов; 4) корреляционно-регрессионный анализ взаимосвязи теплофизических и физических свойств грунтов. В настоящей работе изучались связные (глинистые) и несвязные (песчаные) дисперсные грунты, следовательно, методика их исследований будет рассматриваться отдельно друг от друга. В данной работе определению теплофизических свойств подвергались глинистые грунты, отобранные в пределах Московского региона, представляющие собой три стратиграфо-генетических комплекса [70]: 1) покровные суглинки (рг QHI-IV); 2) озерно-ледниковые суглинки (lg Qm-iv); 3) моренные суглинки (g Qn). Поскольку все три генетических типа грунта представляли собой разновидность суглинков, то нижеописанная методика исследований соответствует любому из выше перечисленных грунтов. Планирование эксперимента и подготовка образцов для определения теплофизических параметров и показателей состава, состояния и физических свойств грунтов. Перед экспериментальными исследованиями образцы грунта представляли собой монолиты с ненарушенной структурой естественной влажности, отобранные при инженерно-геологических изысканиях на территории Московского региона. Отбор, упаковка и транспортировка монолитов грунта производились в соответствии с ГОСТом 12071-2000 [19] по инженерно-геологическим изысканиям. Подготовка монолитов для определения теплофизических свойств включала в себя изготовление образцов грунта диаметром от 80 до 200 мм в зависимости от применяемого бурового оборудования при инженерно-геологических работах и высотой от 30 до 50 мм. Перед теплофизическими измерениями на образцы грунта наносились две линии быстросохнущей черной нитроэмали, для выравнивания оптических характеристик, в двух взаимно перпендикулярных направлениях. После подсушивания нитроэмали образцы помещались в эксикатор для недопущения испарения влаги и сохранения естественной влажности. Из каждого монолита грунта изготовлялось по три образца, два из которых использовались для определения теплофизических свойств, а третий образец с естественной влажностью использовался для определения физических свойств лабораторными методами. Выбор оптимальной пары эталонов тепло- и температуропроводности из имеющейся коллекции эталонов осуществлялся исходя из предположительной теплопроводности образцов грунтов как можно ближе по значениям. Режим нагрева, база, скорость сканирования и мощность подбирались таким образом, чтобы не допустить перегрева образцов и перераспределения влаги при измерении на влажных грунтах. Параллельное экспериментальное определение теплофизических параметров и показателей состава, состояния и физических свойств грунтов Измерения главных значений тензоров теплопроводности, температуропроводности и тепловой неоднородности проводили по двум линиям сканирования для определения возможной анизотропии и получения наибольшего количества информации по распределению теплофизических свойств.
После первых измерений на образцах с естественной влажностью эти образцы помещались в эксикатор. Для того чтобы проводить измерения теплофизических свойств при различных значениях влажности, образцы периодически извлекались из «закрытой» среды для подсушивания, а затем снова помещались обратно. При этом образцы подвергались постоянному взвешиванию для определения и контролирования весовой влажности. Спустя 2-3 суток нахождения в эксикаторе, необходимых для распределения влаги по всему объему, образцы снова подвергались измерениям теплофизических свойств, но уже при другой влажности. Таким образом, через определенные промежутки времени измерения теплофизических свойств повторялись вплоть до полного высыхания каждого образца, которое обеспечивалось высушиванием в печи при 105 С до постоянной массы. В результате сформировалась база данных теплофизических свойств грунтов при различной влажности.
Методика прогнозной оценки теплофизических параметров в зависимости от показателей состава, состояния и физических свойств дисперсных грунтов
Показатели состава, состояния и физических свойств образцов грунтов, как правило, всегда определяют в лабораторных условиях при различных видах инженерно-геологических работ. Теплофизические свойства, напротив, определяют только при специальных исследованиях, и как правило это происходит с помощью таблиц, приведенных в нормативных или других литературных источниках. Таким образом, главной целью наших исследований является задача выявить и описать зависимости между теплофизическими свойствами и физическими показателями состава и состояния, а также аппроксимировать их с помощью математических моделей. Поэтому дальнейшая работа сводилась к нахождению зависимостей теплофизических свойств от физических с целью их прогнозной оценки для решения различного рода инженерных задач [7, 8, 9].
Обработка результатов экспериментальных исследований теплофизических свойств грунтов для прогнозной оценки по другим физическим показателям проводилась на основе множественного корреляционного и регрессионного анализов [7, 21, 27, 30, 31, 40].
В общем случае прогнозную оценку можно представить в виде следующего алгоритма: 1. Построение концептуальной содержательной модели. 2. Проверка гипотезы о соответствии эмпирических распределений нормальному закону. 3. Проверка линейности рассматриваемых взаимосвязей. 4. Составление регрессионных уравнений рассматриваемых взаимосвязей. 5. Проверка адекватности полученных уравнений регрессии поставленным целям. 6. Установление толерантных пределов для индивидуальных значений. Первой операцией прогнозной оценки является построение содержательной концептуальной модели, которая создается на основе имеющихся литературных данных и наших представлений о физической сущности взаимосвязи исследуемых показателей. Т.е. речь идет о наборе физических показателей состава и состояния грунтов, оказывающих существенное влияние на теплофизические свойства и соответственно тепловой режим массива.
На следующем этапе проверяется гипотеза о соответствии распределений исследуемых параметров нормальному закону. Нормальное распределение является таким видом распределения, которое наиболее часто встречается в практике обработки инженерно-геологической информации. Как показывает теоретический анализ, нормальное распределение характерно для случайных величин, сложившихся под совместным воздействием множества случайных факторов, «вклад» которых примерно одинаков, а число неограниченно велико. Такая генетическая схема весьма обычна для различных геологических параметров, характеризующих состав и свойства грунтов, так как они формируются под совместным воздействием многих факторов, действующих на протяжении истории осадконакопления и диагенеза. Многочисленные исследования показали, что нормальному закону подчиняется распределение многих показателей состава и физических свойств грунтов: число и пределы пластичности, плотности, влажность и др.
Кроме того, широкое использование модели нормального распределения в практике инженерно-геологических исследований находит свое объяснение в так называемой центральной предельной теореме, согласно которой распределение выборочного среднего независимых случайных величин, распределенных по любому закону при п—»оо, приближается к нормальному. Центральная предельная теорема справедлива для больших выборок, но даже при сравнительно небольших объемах наблюдений, если исходные распределения не очень отличаются от нормальных, распределение выборочного среднего можно во многих случаях без большой погрешности рассматривать как нормальное. [30].
Достаточно часто для оценки вида распределения используется надежный и простой критерий, основанный на равенстве нулю коэффициентов асимметрии А и эксцесса Э нормально распределенной случайной величины. В практике обработки инженерно-геологической информации говорят о нормальном распределении, если выполняются отношения [22]: Анализ таблицы 4.1 показывает, что практически все теплофизические свойства и физические показатели состава и состояния грунтов имеют нормальное распределение.
Третьим этапом прогнозной оценки является проверка линейности рассматриваемых взаимосвязей. В случае наличия нелинейных зависимостей осуществляется предварительная линеаризация путем подбора соответствующих функций. Пример наличия линейной зависимости между объемной теплоемкостью и естественной влажностью с высоким коэффициентом корреляции представлен на рис. 4.1.
