В настоящее время для измерения температуры грунтов применяются подготовленные и выстоянные термометрические скважины, устраиваемые в соответствии с СП 25.13330.2020 [1] и ГОСТ 25358-2020 [2]. Согласно ГОСТ 25358-2020 [2], для измерения температуры грунтов следует использовать инженерно-геологические скважины диаметром не более 160 мм и целевые термометрические скважины диаметром не более 90 мм.

При проведении измерений температуры возникают отклонения температуры в скважине от истинной температуры грунтов. Эти отклонения могут быть существенными и изменяются в течение года [3–5].

Средства измерения температуры, подобно средствам измерения других физических величин, не могут обеспечить определение действительного значения температуры исследуемого объекта, поскольку физические принципы и исходные условия проведения измерений в некоторой степени оказываются нарушенными. Результат измерений температуры будет отличаться от ее действительного значения на величину, называемую абсолютной погрешностью измерения температуры [6]. Абсолютную погрешность можно разделить на три составляющие: методическую, инструментальную и погрешность регистрации наблюдений. Конструктивные особенности термометрической скважины могут вызывать методическую погрешность.

Цель работы состоит в определении, какие материалы и размеры защитных трубок обеспечат минимальное искажение температурных данных.

В рамках исследования принято проводить лабораторные лотковые испытания моделей термометрических скважин разной конструкции в песчаном основании. Для выявления зависимости того, как материал защитной трубки влияет на распределение температуры грунтов по глубине, принято сравнивать результаты измерений температуры грунта в металлической трубке Ø 57 мм и поливинилхлоридной (ПВХ) трубке Ø 57 мм. Чтобы оценить, как диаметр защитной трубки влияет на распределение температуры грунтов по глубине, принято сравнивать результаты измерений температуры грунта в ПВХ трубках с диаметрами 57, 90 и 160 мм. Таким образом, для решения двух поставленных задач принято использовать четыре защитные трубки разного материала и диаметра в одинаковых условиях. В связи с задачей изучить необходимость теплоизоляции верхней надземной части защитной трубки, принято провести два лотковых испытания: первое – без теплоизоляции оголовка трубки, второе – с теплоизоляцией оголовка трубки.

В рамках подготовительных работ подготовлен экспериментальный лоток. Лоток представляет собой открытую емкость диаметром 600 мм и высотой 800 мм. Внутри лотка устанавливаются защитные трубки с закрытым нижним концом – металлическая трубка Ø 57 мм, ПВХ трубка Ø 57 мм, ПВХ трубка Ø 90 мм, ПВХ трубка Ø 160 мм, длина трубок одинаковая – 1000 мм. Внутрь защитных трубок опускаются термометрические косы с шагом датчиков 100 мм, оставшийся объем лотка заполняется грунтом с заданными значениями плотности и влажности. В процессе заполнения лотка в грунт (в центр лотка) устанавливается отдельная термометрическая коса без защитной трубки с шагом датчиков 100 мм. На оголовках трубок устанавливаются защитные крышки. Стенки и дно лотка теплоизолируются монтажной пеной с коэффициентом теплопроводности 0,05 Вт/(м°С) и толщиной 200 мм. Отдельно подготавливаются теплоизолирующие крышки с размерами внутреннего отверстия такими, чтобы вмещать в себя оголовок трубки, и толщиной изоляции 40 мм. Крышка состоит из материала с коэффициентом теплопроводности 0,05 Вт/(м°С). В ходе подготовки испытательный стенд устанавливается в морозильную камеру.

В ходе первого испытания заморозка грунта длилась десять дней при температуре минус 15 °С, согласно предварительному теплотехническому расчету. Затем морозильная камера была переведена на среднюю по глубине лотка температуру (минус 13,7 °С). После выдержки в течение четырех дней морозильную камеру отключили и в ней установилась комнатная температура (20 °С). За четырнадцать дней температура грунта достигла комнатной температуры.

После завершения первого лоткового эксперимента была выполнена теплоизоляция оголовков защитных трубок и начат второй лотковый эксперимент. В ходе второго испытания заморозка грунта длилась восемь дней при температуре минус 15 °С. Затем морозильная камера была переведена на температуру минус 13,7 °С. После выдержки в течение четырех дней морозильную камеру отключили, за десять дней в ней установилась комнатная температура (20 °С).

Принципиальная схема лотка представлена на рис. 1. Общий вид экспериментального лотка приведен на рис. 2.

В результате испытания № 1 построены графики изменения температуры во времени для различных глубин, представленные на рис. 3–5.

При измерении температуры в защитных трубках не фиксируются фактические значения температуры грунтов [7–11]. Измеряется температура воздуха в защитной трубке, на которую оказывает влияние температура грунта, температура защитной трубки и конвективный теплообмен в пространстве защитной трубки. Поэтому выбирая ту или иную конструкцию защитной трубки, необходимо рассматривать вопрос точности получаемых с ее помощью результатов.

Согласно результатам измерений:

– при фиксации температуры на глубине 0,1 м общая точность измерений низкая. В защитной трубке Ø 57 мм из ПВХ получены самые точные результаты, среднее отклонение – 0,5 °С. Самое большое отклонение получено при измерении в стальной защитной трубке Ø 57 мм – 1,1 °С;

– при фиксации температуры на глубине 0,4 м общая точность измерений выросла. В защитной трубке Ø 57 мм из ПВХ получены самые точные результаты, среднее отклонение – 0,1 °С. Самое большое отклонение получено при измерениях в стальной защитной трубке Ø 57 мм – 0,9 °С;

– при фиксации температуры на глубине 0,8 м общая точность измерений самая высокая. В защитной трубке Ø 90 мм из ПВХ получены самые точные результаты, среднее отклонение – 0,2 °С. Самое большое отклонение получено при измерениях в защитной трубке Ø 160 мм из ПВХ – 0,8 °С;

– на этапе выдержки измерения во всех защитных трубках показали высокую точность, среднее отклонение – 0,06 °С.

Согласно результатам второго испытания, наличие теплоизоляции оголовков защитных трубок показало, что при измерении температуры в стальной трубке и в трубке Ø 160 мм из ПВХ точность увеличилась в среднем на 0,2 °С.

Влияние материала защитной трубки

В рамках экспериментальных исследований проведены испытания с использованием двух материалов защитных трубок – ПВХ и сталь. Измерения температуры в стальной защитной трубке при прочих равных оказались менее точными. В среднем измерения в ПВХ трубке того же диаметра оказались точнее на 0,6 °С, чем измерения в стальной трубке. На рис. 6 представлена гистограмма изменения величины среднего отклонения температуры в зависимости от глубины измерения.

Согласно графику, с увеличением глубины измерения влияние материала защитной трубки на точность результатов измерения температуры грунта постепенно снижается.

Лотковый эксперимент № 2 показал, что наличие теплоизоляционного короба на оголовке защитной трубки позволяет сгладить недостатки стальных защитных трубок. Во втором опыте в среднем измерения в ПВХ трубке того же диаметра оказались точнее на 0,4 °С, чем измерения в стальной трубке.

В рамках экспериментальных исследований проведен дополнительный опыт. При постоянной положительной температуре воздуха и грунта к боковой поверхности оголовков защитных трубок равного диаметра и разных материалов на 1 час в одинаковые места прикладывался нагревательный элемент с температурой 40 °С, (сначала к стальной трубке, затем к ПВХ трубке). В этот момент с помощью логгера и термометрических кос каждую минуту фиксировалась температура по всем точкам. Цель опыта – наглядно продемонстрировать, как влияние внешних факторов сказывается на результатах измерения, в зависимости от материала защитной трубки. Принципиальная схема опыта с нагревателем показана на рис. 7.

Согласно результатам опыта с нагревателем, за 1 час на глубине 0,1 м температура увеличилась на 3,8 °С в стальной защитной трубке и на 3,0 °С в ПВХ защитной трубке. При этом эффект от нагрева в стальной трубке распространился на глубину 0,3 м, а в ПВХ трубке значительно снизился уже на глубине 0,2 м. Результаты показывают необходимость утеплителя оголовков защитных трубок, в особенности стальных защитных трубок.

Влияние диаметра защитной трубки

В рамках экспериментальных исследований проведены испытания с использованием защитных трубок из ПВХ трех диаметров: 57, 90 и 160 мм. На рис. 8 представлены гистограммы изменения величины среднего отклонения температуры в зависимости от глубины измерения для разных диаметров трубок.

Измерение температуры в защитной трубке Ø 160 мм показало значительные отклонения от фактической температуры грунта. В среднем измерения в ПВХ трубке Ø 57 мм оказались точнее, чем измерения в ПВХ трубке Ø 90 мм на 0,3 °С, и точнее, чем измерения в ПВХ трубке Ø 160 мм на 0,5 °С.

Согласно графикам, с увеличением глубины измерения снижается влияние диаметра защитной трубки на точность результатов измерения температуры грунта. В эксперименте № 1 тенденция сохраняется для защитной трубки Ø 160 мм и снижается для защитных трубок Ø 57 и Ø 90 мм. Таким же образом в эксперименте № 2 измерения в трубке Ø 57 мм оказались точнее, чем измерения в трубке Ø 90 мм на 0,3 °С, и точнее, чем измерения в трубке Ø 160 мм на 0,4 °С.

Лотковый эксперимент № 2 показал, что наличие теплоизоляционного короба на оголовке защитной трубки позволяет незначительно сгладить недостатки защитных трубок большого диаметра.

В процессе анализа полученных результатов выявлено, что самые большие отклонения фиксируемой в защитных трубках температуры от фактической наблюдаются в районе фазового перехода грунта (минус 0,05 °С). В районах распространения многолетнемерзлых грунтов фазовым переходам подвержены, как правило, грунты слоя сезонного оттаивания. Из чего следует вывод, что при измерениях температуры в слое сезонного оттаивания необходимо учитывать возможность значительных температурных отклонений.

Для дальнейшего анализа принято отобрать и сравнить участки времени, где средняя скорость изменения температуры меньше 0,1 °С в течение 3 часов. Такие результаты принято считать «выдержанными». В результате обработки опытных данных выявлено, что 38 % времени испытания соответствуют критерию отбора. В остальное время температура в скважинах менялась слишком быстро, чтобы считать ее «выдержанной». При этом общая средняя точность измерений выросла с 0,6 °С (для всех фиксируемых значений) до 0,3 °С (для «выдержанных» значений). Общая зависимость от материала и диаметра сохранилась:

– для трубки из ПВХ Ø 57 мм средняя точность измерений составила 0,1 °С;

– для трубки из ПВХ Ø 90 мм средняя точность измерений составила 0,3 °С;

– для трубки из ПВХ Ø 160 мм средняя точность измерений составила 0,5 °С;

– для трубки из стали Ø 57 мм средняя точность измерений составила 0,4 °С.

Результаты такой обработки показали, что точность измерений напрямую зависит от скорости изменения температуры грунта: чем медленнее меняется температура грунта, тем выше точность измерений в защитной трубке. При этом в процессе лотковых экспериментов температура грунта менялась с большей интенсивностью, чем обычно происходит на практике. Следует отметить, что в условиях эксперимента температура воздуха в рамках каждого периода поддерживалась постоянной, что исключало суточные колебания температуры, характерные для естественных условий. Во время эксперимента температура грунта снизилась на 33 °С за десять суток, в то время как на практике в районах распространения многолетнемерзлых грунтов такое изменение температуры грунта может произойти только в верхней части сезонно-талого слоя за несколько месяцев зимнего периода.

Время выдержки

Согласно результатам испытаний, после фазового перехода в защитной трубке устанавливается температура, с высокой точностью повторяющая фактическую температуру грунта. Этот процесс происходит за разный промежуток времени и зависит от материала и диаметра защитной трубки. Наиболее характерная зависимость прослеживается по результатам первого опыта. График изменения погрешности измерений температуры во времени представлен на рис. 9.

Согласно графику, результаты измерений достигли приемлемой точности:

– в защитной трубке из ПВХ Ø 57 мм за 41 час;

– в защитной трубке из ПВХ Ø 90 мм за 69 часов;

– в защитной трубке из ПВХ Ø 160 мм за 79 часов;

– в защитной трубке из стали Ø 57 мм за 73 часа.

Второе лотковое испытание показало, что утеплитель способствует ускорению процесса «выдержки» для стальных защитных трубок и защитных трубок большого диаметра, результаты измерений достигли приемлемой точности:

– в защитной трубке из ПВХ Ø 57 мм за 47 часов;

– в остальных трубках за 70 часов.

Графики зависимости температуры от глубины в разные промежутки времени представлены на рис. 10.

Как видно из графиков, измерения во всех защитных трубках спустя четыре дня показали достаточно точные результаты. При этом самые точные результаты получились в защитной трубке из ПВХ Ø 57 мм, а самые неточные в защитной трубке из ПВХ Ø 160 мм.

В настоящей работе выполнены исследования влияния конструктивных параметров термометрических скважин на распределение температуры грунтов по глубине. На основании проведенных работ определена зависимость между выбранным диаметром, материалом защитной трубки и точностью полученных результатов.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал:

– существует некоторая разница между фактической температурой грунта и температурой, определенной в защитных трубках. Это явление вызвано различиями в теплофизических свойствах грунта и воздуха, а также материалом защитной трубки. Разница может достигать нескольких градусов в момент фазового перехода грунта, при этом точность измерений температуры в защитных трубках увеличивается с увеличением глубины измерений;

– материал и диаметр защитной трубки влияет на точность измерений. Точность измерений в стальной трубке может снижаться на 0,4–0,6 °С, в отличие от измерений в ПВХ трубке того же диаметра. Снижение точности измерений в стальной трубке связано с высоким коэффициентом теплообмена по сравнению с ПВХ трубкой. В то же время точность в ПВХ трубке диаметром 57 мм оказывается выше точности измерений в ПВХ трубке диаметром 160 мм на 0,3–0,5 °С. Различия в точности измерений при разном диаметре вызваны конвективным теплообменом, для его ограничения принято использовать разделительные диски-диафрагмы, закрепленные на гирлянде через 1 м, до глубины 5 м;

– при измерении температуры грунтов выше слоя сезонного оттаивания в защитной трубке из ПВХ диаметром более 57 мм или защитной трубке из стали любого диаметра сложно добиться высокой точности результатов, что может негативно повлиять на исследования сил морозного пучения;

– при измерениях температуры грунтов ниже слоя сезонного оттаивания в защитной трубке из ПВХ или стали диаметром 57–160 мм возможно достичь приемлемой точности температуры при достаточной выдержке, длительность которой увеличивается, если использовать сталь или трубки большого диаметра.

В результате комплекса экспериментальных исследований определена оптимальная конструкция термометрической скважины. При классическом геотехническом мониторинге следует использовать защитные трубки из ПВХ или стали диаметром 57 мм. При исследовании точной температуры грунтов в слое сезонного оттаивания необходимо учитывать погрешность, вызванную сталью, или использовать ПВХ трубку. Оголовок такой трубки должен быть надежно теплоизолирован. Такая конструкция способствует повышению точности измерений.