2.1.3. Теплофізичні властивості грунтів

Теплоємність ґрунтів характеризує здатність ґрунтів поглинати теплову енергію при теплообміні. Теплота, яка витрачається згідно першому закону термодинаміки на зміну його внутрішньої теплової енергії і робо­ту пов'язану з розширенням ґрунту. Для твердих і рідких тіл кількість тепла, що витрачається на розширення, мала у порівнянні з теплом, затрачуваним на зміну внутрішньої теплової енергії. В цих умовах передана ґрунту теплоти викликає приріст його температури.

Розрізняють питому і об'ємну теплоємність ґрунтів. Питома теплоємність (С) чисельно рівна кількості тепла, яка необхідна одиниці маси ґрунту для змі­нення його температури на 1°С за відсутності фазових переходів. Її виміряють в Дж/кг °С. Об'ємна теплоємність (Cv) чисельно рівна кількості тепла, необхідного для зміни температури одиниці об'єму гранта на 1°С.

Питома (С) і об'ємна (Cv) теплоємності зв'язані між собою: Cv = ρC, де ρ - щільність ґрунту. В ґрунтознавстві частіше використовують питому теплоємність ґрунтів, як більш постійну ве­личину. Її величина при невеликих змінах температури (декілька десятків градусів) і тиску приймаються постійними. Для ґрунтів - систем багатокомпонентних - вона визначається теплоємністю твердої, рідкої і газоподібної складових.

Теплоємність твердої компоненти ґрунтів визначається її мінеральним складом і змістом органічних речовин. Величина питомої теплоємності найпоширеніших мінералів від 0,50 до 1,0 кДж/кг °С причому у більшості з них вона складає 0,70 - 0,95 кДж/кг °С. Відповідно до цього питома теплоємність сухих ґрунтів, що не містять домішки органічних речовин, також коливається в цих межах. Її величина зменшується із збільшенням щільності кістяка ґрунту.

Теплоємність органічних речовин значно більше, ніж мі­неральних. Тому теплоємність ґрунтів і торфів, висушених при 100°С, складає 0,80 - 2,10 кДж/кг °С. Найбільшу теплоємність мають торф і ґрунти, багаті гумусом. Відповідно до цього в ґрунтах спостерігається закономірне зменшення теплоємності вниз по розрізу зі зменшенням вмісту гумусу. У разі незначного вмісту гумусу в ґрунті величина теплоємності з глибиною змі­нюється мало.

Теплоємність ґрунтів залежить від співвідношення в гірській породі гли­нястих і піщаних частинок. Теплоємність вологих ґрунтів значно вище, ніж сухих, оскільки теплоємність різних категорій води набагато перевищує її у мінеральних і органічних речовин.

Теплопровідність ґрунтів характеризує їх здатність проводити тепло. Вона оцінюється коефіцієнтом теплопровідності, який є величиною, рівною кількості тепла, що проводиться ґрунтом в одиницю часу через одиницю площі при температурному градієнті, рівному одиниці. Його виміряють у Вт/м °С.

В деяких випадках (наприклад, при геофізичних дослідженнях свердловин) для характеристики теплопровідності порід використовують ве­личину, зворотну коефіцієнту теплопровідності, яку називають питомим тепловим опором. Вона характеризує ступінь опору ґрунтів передачі тепла.

Теплопровідність ґрунтів, що є багатокомпонентними си­стемами, визначається співвідношенням твердої, рідкої і газоподібної складових, їх хіміко-мінеральним складом, структурним і текстурними особливостями (дисперсністю, пористістю, шаруватістю і ін.). вологістю, агрегатним станом води і температурою.

Теплопровідність більшості породоутворюючих мінералів від 0,40 до 7,00 Вт/м °С, води 0,63, льоду близько 2,10, повітря - 0,021 Вт/м °С.

Теплопровідність різко зростає зі збільшенням вологості ґрунтів, оскільки теплопровідність повітря, що витісняється водою з пір породи, приблизно в 30 разів менше теплопровідності води. При повному заповненні усіх пір водою теплопровідність ґрунту сягає максимального значення, причому вона в дуже малому ступені за­лежить від концентрації порового розчину.

Теплопровідність дисперсних ґрунтів залежить від їх гранулометри­чного складу. Ґрунти з підвищеним вмістом грубих і круп­них частинок (валунні, гравій­ні, піщані) характеризуються більш високою теплопровідністю в порівнянні з тонкодисперсними, оскільки в останніх різко зростає кількість нещільних контактів між дрібними частинками, які мають підвищену теплопровідність.

Теплопровідність залежить від щільності і пористості ґрунтів. Чим нижче щільність ґрунтів, тим менш щільно прилягають частинки один до одного і тим менше теплопровідність ґрунту.

Більшій частині осадових і метаморфічних порід властива ані­зотропія теплопровідності: уздовж нашарування коефіцієнт теплопровідності в середньому на 10 - 30% більше, ніж в напрямі, перпендикулярному.

Теплопровідність залежить від температури. Особливо сильно залежить у мерзлих ґрунтів, причому його можна вважати функцією льдистості. В більшості випадків теплопровідність мерзлих дисперсних ґрунтів не перевищує теплопровідність льоду.

Температуропроводність ґрунтів характеризує швидкість розповсюдження зміни температури внаслідок поглинання або віддачі тепла. Вона оцінюється коефіцієнтом температуропроводності (а), який чисельно рівний теплопровідності ґрунту з об'ємною теплоємністю, рівній одиниці. Його величина вимірюється в м2/с. Температуропроводність коливається від 0,31х10^-6 у гіпсу до 40х10^-6 м2/с у кам'яної солі. У більшості скельних ґрунтів величина цього коефіцієнта рівна 0,60х10^-6 - 1,20х10^-6 м2/с.

Температуропроводність ґрунтів, подібно їх теплопровідності, залежить від співвідношення твердої, рідкої і газоподібної фаз, текстурних і структурних особливостей ґрунтів, стану вологи і температури. Величина температуропроводності залежить від температури: пони­ження температури ґрунтів дещо підвищує коефіцієнт темпе­ратуропроводності.

Термічне розширення ґрунтів. Ґрунти при зміні темпера­тури здатні змінювати свої розміри. Ця властивість ґрунтів характеризується коефіцієнтами лінійного і об'ємного розширення, які широко використовуються при розрахунках у гірській справі.

Величина коефіцієнта об'ємного розширення гірських порід приблизно в три рази вище за значення коефіцієнта лінійного розширення. Величина коефіцієнта лінійного розширення осадових, магматичних і метаморфічних порід коливається в межі 02х10^-5 - 3,4х10^-5 1/°С. Шаруваті грантові товщі володіють анізотропією по термічному розширенню. З підвищенням тиску коефіцієнти лінійного і об'ємного розширення зменшуються.

Морозостійкість ґрунтів. Під морозостійкістю розуміють здатність ґрунтів чинити опір дії негативних темпе­ратур. Вона звичайно оцінюється зміною міцності ґрунтів після певного числа циклів заморожування і відтавання ґрунтів, а також коефіцієнтом морозостійкості, який розраховується як відношення міцності при одновісному стисненні

Зменшення міцності ґрунтів і їх подальше руйнування при дії негативних температур відбуваються під впливом двох основних причин. Перша з них обумовлена внутрішніми напругами у гірських породах унаслідок різниці в коефіцієнтах об'ємного розширення складаючих мінералів, і неод­норідністю температур у різних шарах при охолодженні порід. Друга причина обумовлена руйнуючою дією води, що знаходиться в порах гірських порід. Вода, перетворюючись на лід, збільшує

об'єм на 9% і, якщо є вільний простір (пори) куди може видавлюватися надлишок об'єму льоду, що утворюється, то гідростатичний тиск не виникає. В іншому випадку він виникає і може викликати руйнування породи.

Морозостійкість скельних ґрунтів залежить від теплофізичних і міцністних властивостей мінералів, міцності зв'язків між окремими зернами, характеру зволоження породи, її струк­турно-текстурними особливостями. Високою морозостійкістю характеризуються щільні породи з жорсткими зв'язками кристалізацій, складені дрібними зернами з міцних мінералів.