При какой температуре промерзает земля

Замерзание и оттаивание почвы;

Замерзание почвы – широко распространенное явление. Замерзание влаги в почве, как правило, происходит при температурах ниже 0 о С, поскольку она представляет собой не чистую воду, а раствор солей различных концентраций. Поэтому даже при низких температурах не вся влага находящаяся в почве, замерзает. Прочносвязанная влага и некоторая часть рыхлосвязанной влаги замерзнуть не могут вследствие влияния на них сорбционных сил. Остальная часть влаги вплоть до влаги соответствующей максимальной гигроскопичности замерзает в пределах до —10° С.

Глубина промерзания почвы зависит от многих причин. Наиболее важная из них — толщина снегового покрова. Чем она больше, тем меньше глубина промерзания почвы. Все, что влияет на толщину снегового покрова (мощность растительного покрова, микрорельеф и т. п.), влияет на глубину промерзания почвы. Она зависит от наличия торфа и его мощности, от влажности почвы. Чем больше мощность торфа и чем выше влажность почвы, тем меньше глубина промерзания.

Замерзание почвы начинается обычно с наступлением устойчивых отрицательных температур до образования снежного покрова. Иногда снежный покров устанавливается до наступления температур ниже 0 о С и промерзание почвы начинается уже под тонким снеговым покровом. В дальнейшем мощность промерзшего слоя постепенно нарастает, достигая наибольшей величины в конце января — в феврале.

В феврале или с начала марта, когда снеговой покров еще продолжает оставаться очень мощным или даже нарастает, глубина промерзания начинает уменьшаться вследствие оттаивания почвы снизу. Оттаивание почвы под снегом происходит за счет тепла, находящегося в нижних горизонтах почвы и передаваемого вследствие теплопроводности в верхние ее слои. Такая передача идет непрерывно, но в начале и середине зимы она не может компенсировать потерю тепла, излучаемого из-под тонкого снегового покрова и отдаваемого в сильно охлажденную атмосферу. В конце зимы, когда температуры воздуха становятся выше, а снеговой покров толще и, следовательно, потеря тепла уменьшается, тепло, идущее из нижних слоев почвы, с избытком компенсируя потерю его из верхних слоев, вызывает оттаи­вание почвы снизу.

По Н. А. Качинскому оттаивание может идти двумя путями.

1. Оттаивание, идущее снизу, заканчивается до того, как сойдет снег. Мерзлая прослойка исчезнет у самой поверхности почвы. Этот случай имеет место при мощном снеговом покрове и неглубоком промерзании почвы.

2. Снеговой покров сходит до того, как полностью оттает почва. Оттаивание почвы начинается также снизу, а затем идет одновременно сверху и снизу, и мерзлая прослойка в конце исчезает на той или иной глубине.

Для районов, где среднегодовая температура почвы близка к 0 о С и ниже, характерен третий вариант оттаивания почвы – только сверху, поскольку здесь в глубоких слоях почвы отсутствует запас тепла, который мог бы вызвать оттаивание почвы снизу.

Особое влияние на глубину снежного покрова оказывает лес. В лесу снежный покров всегда более мощный, чем на безлесных пространствах. Поэтому замерзание почвы под лесом либо не наблюдается совсем, либо бывает менее длительным и менее глубоким, причем почва успевает оттаять еще до начала таяния снега. Благодаря этому, а также более медленному таянию снега поглощение почвой талых вод в лесу идет значительно полнее, чем вне его.

Большое влияние а глубину промерзания почвы оказывает лесная подстилка. В опытах с удалением лесной подстилки, глубина промерзания почвы резко возрастала. Существенно влияет на глубину промерзания и состав древостоя. В густых еловых древостоях, где значительное количество снега задерживается на кронах деревьев, вследствие меньшей мощности снегового покрова и большей его плотности глубина промерзания бывает всегда больше.

Промерзание почвы имеет целый ряд неблагоприятных последствий, в частности: понижение водопроницаемости почв, а следовательно усиление поверхностного стока, снижение теплообеспеченности, вымерзание растений, задержка микробиологических и химических процессов, идущих в почве. В то же время можно отметить и положительные следствия этого процесса, в частности, благоприятное влияние на образование структуры в почве, миграция почвенных животных в нижние слои почвы под влиянием замерзания, способствующая разрыхлению почвы и улучшению ее водопроницаемости.

SGround.ru

Сайт о фундаментах, их основаниях и морозном пучении грунтов

Глубина и скорость промерзания грунта и их влияние на процессы пучения

• Home
• Все статьи
• Глубина и скорость промерзания грунта и их влияние на процессы пучения

Связь пучения со скоростью, глубиной промерзания

Оглавление:

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

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.

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

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.

Какая температура под снегом почвы и воздуха

Первый снег всегда приносит радость и детишкам, и взрослым. Да и в последующие дни выпадение этих осадков никого не оставляет равнодушным. Ребятня забрасывает друг дружку снежками, строят сказочные замки, взрослые становятся на лыжи. Но задумывался ли кто-то над вопросами: «А от чего зависит влажность снега? Почему в одни дни можно слепить снежок, а в другие – снег становится рассыпчатым и ни в какую не хочет сбиваться в шарик?» А ведь ответ лежит на поверхности: все это зависит от влажности и температуры воздуха и почвы под снегом. А вот от чего зависят эти показатели?

Температура почвы под снегом.

Снег, как хороший теплоизолятор, оказывает большое влияние на защиту почвы от промерзания. И чем рыхлее снег, тем сильнее будет почвозащита от воздействия низких температур. Но значение это не однозначное и может отличаться один показатель от другого не только от дальности регионов, но и в пределах одной области или района и зависит от температуры земного покрова в момент выпадения снега. Если снег ложится на глубоко промерзшую почву, а высота снежного покрова не велика, то температура почвы под снегом, на его поверхности и температура воздуха над ним будут почти идентичны. В то же время если в этих районах высота снега достигает 15-20 см., то разница между температурой почвы и снежной поверхности будет составлять 6-8 градусов; при этом поверхность земли будет теплее. С другой стороны, если снег выпадает на непромерзлую землю, а глубина снежного «покрывала» достаточно велика, то температура земли под снегом будет приблизительно от нуля до -0,5 градусов. Это говорит о том, что снег, как плохой проводник тепла, отражающий ультрафиолетовые лучи солнца, надежно защищает верхний слой земли от остывания. В то же время поверхность почвы не может иметь плюсовую температуру, так как в этом случае снег при соприкосновении с землей будет таять.

Опыты ученых показали, что при температуре воздуха -25…-28 градусов и высоте снежного покрова 25 – 30 см температура земли не опускается ниже -10 гр., а на глубине 35 – 40 см – ниже -5 гр. В то же время при температуре воздуха -45 гр. и высотой снега до 1,50 м и при условии, что снег довольно рыхлый, температура почвы не опускается ниже -8 гр. Это еще раз доказывает то, что снег, как надежный щит, закрывает землю от замерзания.

Что теплее – снег или воздух?

Температура снежного покрова зависит как от его толщины, так и от температуры воздуха над ним, а так же и от температуры почвы. Земля, накапливая летом тепло, с наступлением холодов остывает медленно. Снег, как отличный теплоизолятор, покрывая землю, сохраняет это тепло даже в самые сильные морозы. Поэтому температура снега зависит от толщи снежного «покрывала» и температуры воздуха над ним. Если снег прикрыл землю на 10-15 см, то его температура и температура воздуха будут практически одинаковы. В том случае, когда снег ложится глубиной до 120 – 150 см, разница температур может изменяться как непосредственно самого снежного покрова, так и в отношении к температуре воздуха. Снег наверху будет холоднее, чем у поверхности земли, так как забирая у нее тепло, он начинает сам прогреваться. В то же время на поверхность снега оказывает влияние морозный воздух, остужая его. Поэтому на глубине приблизительно 45-50 см его температура будет выше, чем на поверхности приблизительно на 1,5 – 2 гр., а у самой земли – на 4-6 гр. При этом температура воздуха на расстоянии до 1 м будет такая же, как и температура снежного покрова. В то же время на высоте от 1,50 м и выше показатель этот будет значительно ниже.

Согласно опытам ученых температура воздуха, так же как и снега зависит и от времени суток. Наблюдая за исследованиями, они сделали вывод, что наиболее высокая температура снега (-0,5 гр.) наблюдается днем от 13:00 до 15:00, а наиболее низкая (-10) в период с 02:00 до 03:00. В этот же период температура воздуха днем поднималась до +6 гр., а ночью опускалась до –15 гр. Таким образом можно сделать вывод, что температура снега контролируется тремя показателями – температурой воздуха, глубиной снежного покрова и температурой почвы. Изучив эти показатели, можно делать прогнозы во многих отраслях народного хозяйства.

Влияние снега на окружающую среду.

Снег, укрывая землю, сохраняет ее тепло, защищает от замерзания почвы. А это очень важный фактор в первую очередь для сельского хозяйства и в первую очередь для сохранения озимых культур. Посеянные осенью и проросшие зерновые под снежным покровом спокойно переносят даже лютые морозы, в то время, как в местах, где снега нет, а мороз сковывает землю они вымерзают. То же происходит и с садовыми растениями. В бесснежные зимы почва промерзает, что способствует растрескиванию и вымерзанию корней, «ожогам» на коре деревьев.

В то же время резкие перепады температур могут оказать и отрицательное влияние как на природу, так и на деятельность человека. Так при часом изменении температуры воздуха от + до – снег при положительных температурах начинает таять, а затем при ее снижении – подмерзать, что способствует появлению подмерзшей корки. Наст усложняет пользование зимними пастбищами. Талые воды смывают плодородный слой земли, что часто приводит к эрозии почвы. Скопившись в низине, они способствуют вымоканию озимых. Но в настоящее время люди научились контролировать уровень снега. Так, в районах, где снега выпадает мало, на полях ставят специальные щиты, которые задерживают снег. А в местах, где скопляется много талой воды – прорывают водоотводящие каналы.

И все же, невзирая на все отрицательные факторы, мы всегда радуемся этим белым, пушистым звездочкам. Снова и снова с улыбкой следим за детворой, спускающейся на санках со снежной горки, делаем прекрасные фотографии заснеженных деревьев, вместе с малышами лепим снежную бабу. И смеемся, смеемся, смеемся…

Глубина промерзания грунта — таблица

Промерзание грунта – это сложный процесс замерзания грунта, который протекает по разному в каждом конкретном типе грунта. В природных условиях по особенностям промерзания земляного покрова можно выделить 3 типа:

• Суглинки и глина;
• Пески, супеси;
• Средние пески, крупнообмолочные и крупнозернистые грунты.

Температура 0 градусов влияет на замерзание крупнообломочных грунтов, когда заметны границы талого и мерзлого грунта. У мелкодисперсных грунтов температура замерзания гораздо ниже, чем у предыдущих, и все потому, что мелкозернистые покровы состоят из мелких пор и большого количества воды.

Описание грунтов для строительства

Не стоит лишний раз упоминать, что основа дома составляет 20% от общей стоимости, поэтому так важно на данном этапе не допустить ошибок, которые потом будет сложно исправить. Если вы строите легкий коттедж, то подойдет любой тип почвы, за исключением торфяников и ила.

Самым лучшим грунтом для строительства являются скалистый гравельный, и крупные и средние пески, где возможна минимальная глубина заложения фундамента и глубина промерзания грунта оптимальна. Особенность скального грунта в том, что он не сжимается, не размывается водой, не пучинится и не промерзает. Поэтому закладку можно проводить прямо на поверхности, но все зависит от конструктивных особенностей здания.

Основа фундамента – грунт

Наиболее важно определить степень залегания грунтовых вод и глубину промерзания на мелких и пылеватых песках, супесях и суглинках. Определить такую землю просто: опустите кусок земли в воду, если он легко распадется, тогда почва будет проседать под домом при намокании.

Глубина промерзания грунта зависит от географического положения местности. Усредненная глубина для регионов, приблизительно такая:

• Псков, Волгоград, Смоленск, Великие Луки – 1,2 м.
• Пенза, Кострома, Саратов, Вологда – 1,5 м.
• Москва, Санкт-Петербург, Воронеж, Новгород – 1,4 м.

Стоит сказать, что за глубиной промерзания почвы ведутся наблюдения специальными службами, которые выводят данные на специальные карты. Определение глубины промерзания основывается на влажности грунта, географической расположенности, воздействии отрицательных температур, влажности и прочих данных.

Глубина промерзания грунта зависит и от толщины снежного покрова. Чем он будет толще, тем больше тепла сохраниться под землей. Именно поэтому чистка участка от снега имеет двойную роль. Там, где вы будете складывать сугробы, величина промерзания уменьшается, а при расчистке снега увеличивается. Чтобы сохранить свой фундамент от чрезмерного промерзания, сформируйте вокруг него сугроб, который потом откинете во время весеннего таяния.