Исаев Олег Николаевич, кандидат технических наук, сектор ГЛПС лаборатории № 35 «Освоение подземного пространства городов»
Рязанский проспект, д. 59, г. Москва, 109428
Oleg N. Isaev, Cand. Sci. (Engineering), Head of Geotechnics of linear underground structures Sector of Laboratory No. 35
Ryazansky Prospekt, 59, Moscow, 109428
Введение. Теплофизические свойства грунта могут быть определены в лабораторных и полевых условиях. Полевые методы более точные, поскольку выполняются при минимальных нарушениях природной структуры, теплового и влажностного режима грунта. Наиболее распространенными являются зондовые методы, основанные на внедрении источника тепла в грунт и измерении во времени температуры прилегающего грунта с помощью установленного в зонд температурного датчика. Одним из наиболее перспективных направлений разработки методов определения теплофизических свойств многолетнемерзлых и талых грунтов является использование метода термостатического зондирования (HT-CPT) – статического зондирования с использованием зондов, оснащенных нагревательным устройством и термодатчиком. Данный вопрос требует проведения комплекса исследований, прежде всего разработки теплофизической модели взаимодействия конусного зонда постоянной мощности нагрева с грунтом.
Цель. Разработка теплофизической модели определения коэффициента теплопроводности грунта конусным зондом постоянной мощности нагрева.
Материалы и методы. Аналитическая теплофизическая модель разработана с учетом положений теории теплообмена. При разработке модели приняты расчетные предпосылки: теплофизические свойства грунта изотропны и постоянны; при нагреве фазовые превращения в грунте отсутствуют; теплофизические свойства грунта не изменяются; конус нагревается равномерно и др.
Результаты. Получена аналитическая модель в осесимметричной постановке, позволяющая определить коэффициент теплопроводности грунта конусным зондом постоянной мощности нагрева. Результаты численных и лотковых экспериментов подтвердили корректность и возможность применения разработанной аналитической модели для определения коэффициента теплопроводности мерзлого грунта при термостатическом зондировании HT-CPT зондом.
Выводы. На основе анализа теплофизического взаимодействия генерирующего тепловой поток малой мощности конусного зонда с талым и мерзлым (без оттаивания) грунтом получено аналитическое решение, позволяющее определять коэффициент теплопроводности грунта по термограмме нагрева конуса и тепловому коэффициенту зонда.
Introduction. The thermophysical properties of soil can be determined in laboratory and field conditions. Field methods are more accurate because they are performed with minimal disturbance to the natural structure and thermal and moisture conditions of the soil. The most common are probe methods based on the introduction of a heat source into the soil and the measurement of the adjacent soil temperature over time using a temperature sensor installed in the probe. One of the most promising areas for developing methods for determining the thermophysical properties of permafrost and thawed soils is the use of the thermostatic probe method (HT-CPT) – static probing using probes equipped with a heating device and a temperature sensor. This issue requires a comprehensive study, primarily the development of a thermophysical model for the interaction of a cone probe with constant heating power with the soil.
Aim. Development of a thermophysical model for determining the thermal conductivity coefficient of soil using a cone probe with constant heating power.
Materials and methods. The analytical thermophysical model was developed taking into account the fundamental principles of heat transfer theory. The following calculation assumptions were adopted in developing the model: the soil’s thermophysical properties are isotropic and constant; there are no phase transitions in the soil upon heating; the soil’s thermophysical properties do not change; the cone heats uniformly, etc.
Results. An analytical model was developed that allows one to determine the thermal conductivity of soil using a cone probe with constant heating power. The results of numerical and flume experiments confirmed the validity and applicability of the developed analytical model for determining the thermal conductivity of frozen soil during thermostatic probing with an HT-CPT probe.
Conclusions. Based on an analysis of the thermophysical interaction between a cone probe generating a low-power heat flux and thawed and frozen (without thawing) soil, an analytical solution was obtained that allows one to determine the soil’s thermal conductivity from the cone heating thermogram and the probe’s thermal coefficient.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.