Теплофизическая модель определения коэффициента теплопроводности грунта конусным зондом постоянной мощности нагрева

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.

1. Andersland O.B. Frozen Ground Engineering / O.B. Andersland & B. Ladanyi. ASCE. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 2004. 363 p.

2. Blackwel J.H. A transient-flow method for determination of thermal constants of insulating materials in bulk. Journal of Applied Physics, 1954, vol. 25, no. 2, pp. 137–144.

3. Ершов Э.Д. Методы геокриологических исследований. М.: Изд-во МГУ, 2004. 512 с.

4. Ершов Э.Д. Теплофизические свойства горных пород / Э.Д. Ершов, В. И. Артюшина, Е. Н. Барковская и др. Москва: Изд-во МГУ, 1984. 204 с.

5. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М.: Научный мир, 2003. 608 с.

6. Мотенко Р.Г. Определение теплофизических свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих нефтезагрязненных заторфованных грунтов с помощью различных методов / Р. Г. Мотенко, Д. В. Власенко, Ю. С. Калошина // Инженерная геология. 2023. Том XVIII. № 4. C. 64–78, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2023-18-4-64-78.

7. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. Москва: Наука, 1970. 208 с.

8. Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне. М.: Изд-во МГУ, 2005. 542 с.

9. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. 448 с.

10. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. Москва: Физматгиз, 1962. 456 с.