Глубина промерзания грунта формула: Нормативная глубина промерзания грунта | Расчет сезонного промерзания грунта по СНиПу

На глубину промерзания и на правильность закладки фундамента влияют:

• тип грунта;
• уровень грунтовых вод;
• климатические условия.

Перед планированием строительства, прежде всего, изучается структура и типология почвы. Прочная, незначительно сжимаемая почва будет оптимальным вариантом. На определенной глубине вода в ней не замерзнет и не поддастся расширению, поэтому фундамент ляжет прочно и не будет деформироваться.

Расчетная и нормативная глубина

Существует понятие глубины сезонного промерзания грунта. Его показатели отличаются между собой в разных районах. Например, глубина промерзания грунта в Московской области не одинакова с показателями в более северных или южных регионах. Среднюю величину вывели на протяжении длительных наблюдений.

Показатель определяла нормативная глубина промерзания грунта – техническая документация, регламентирующая архитектурно-строительное проектирование. Нормативной считается глубина, указанная в документах. Сначала применялся СНиП 2.01.01-82 («Строительная климатология и геофизика»). Сейчас используется современный СНиП 2.02.01-83* («Основания зданий и сооружений»). К этим документам прилагается карта глубин, которой удобно пользоваться. Особого внимания к себе требуют глинистые почвы – они чаще подвергаются негативному влиянию перепадов температур.

Еще одним примером может служить отапливаемое здание. При этом реальный показатель может отклоняться от нормативного до 30%. Глубина промерзания грунта для фундамента определяется по формуле: Нp = Нн * k, где:

• Нн — нормативный показатель согласно карте глубин промерзания грунтов;
• K — коэффициент, формирующийся от режима эксплуатационных мероприятий и расположения фундамента k = 0,5:1,2.

Глубина промерзания грунта для водопровода также определяется нормативными документами. Согласно существующим нормам трубы необходимо закладывать примерно на 1,6 м.

Влияние типа почвы

Важное значение играет тип грунта. Скальный является самым прочным, не подверженным размыванию и промерзанию. Фундамент можно закладывать практически на поверхности. На хрящевых почвах закладку следует производить на глубину 0,5 метров. Песчаные хорошо пропускают воду, теряют прочность и проседают. Фундамент закладывается на глубину до 0,7 метров. На торфяной почве не стоит возводить, так как из-за различных органических примесей формируется неравномерная нагрузка.

Как уменьшить показатель промерзания грунта?

Устройство фундамента предусматривает защиту основания.

• рыхление;
• теплоизоляция с использованием определенных материалов;
• химическая обработка почвы.

Вспахивание делает верхний слой рыхлым, благодаря чему образуются воздушные пустоты, что значительно отдаляет промерзание.

Хорошо предохраняет грунт от промерзания обработка химическими реагентами. Такой способ применим для небольших котлованов с песчаной и глинистой почвой. Растительность ликвидируется, и наносится необходимое количество веществ: хлористого кальция и хлористого натрия. Это увеличивает продолжительность строительного периода до 15 суток.

Утепление с использованием теплоизоляторов ¬– основной метод уменьшения глубины промерзания сезонного и другого типа грунта. При этом сопротивление теплового потока ощутимо повышается, и холод с поверхности не замораживает слои под теплоизоляционным материалом. Выбор утеплителя зависит от воспринимаемой им нагрузки.

Глубина промерзания грунта СНИП + методика расчета!

Для того, чтобы составить проект фундаментной опоры вашего дома прежде всего необходимо оценить характеристики грунта на вашем участке. Так, на степень заглубленности ленточных фундаментов напрямую влияет уровень промерзания грунтов. Кроме того, грунт разного состава при замерзании может по-разному увеличиваться в размерах. Эту характеристику называют «пучинистостью». Также, на конструкцию будущего фундамента влияет и уровень подъема грунтовых вод.

Характеристика грунтов на участке напрямую влияет как на конструкцию будущего фундаментного основнаия дома, так и на материал его изготовления. Для того, чтобы понять, какой дом и фундамент под него на вашем участке можно построить, а какой нельзя – прежде всего необходимо провести изыскательские работы.

Часть характеристик грунта участка можно взять из широко распространенных таблиц. К таковым особенностям относится, например, глубина промерзания грунта СНиП.

На всей территории бывшего СССР в свое время были проведено геолого-изыскательские работы, которые определили, на какой глубине промерзает зимой вода в грунте в том или ином регионе. На основании полученных данным были составлены карты, позволяющие легко определить глубину зимнего промерзания грунта в конкретном регионе.

Исходя из конкретной величины промерзания грунта на участке, Строительные нормы и правила (или, сокращенно СНиПы) и предписывают возможность применения того или иного варианта строительства фундамента и здания.

А настоящее время на территории нашей страны действуют следующие стандарты, описывающие правила строительства зданий и сооружений:

• СНиП  2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений», к нему существует также целый ряд пособий, который описывает процесс проектирования строений.
• Кроме того, влияние климата на строительство зданий описывается в СНиП 23-01-99.
• Суть правил в данных документах, регулирующих величину заглубления фундаментного основания заключается в следующем:
• при строительстве фундаментов необходимо тщательно учитывать назначение и конструкцию проектируемых сооружений, максимальные нагрузки на фундамент.
• глубина залегания фундаментных оснований также зависит от характеристики примыкающих сооружений, и того, на какую величину закопаны в землю инженерные сооружения.
• также при подготовке проекта фундамента необходимо оценить рельеф участка местности строительства.
• большую роль в определении глубины залегания фундамента играют физические характеристики почвы и ее внутренне строение (наличие пустот и водоносных слоев),
• гидрогеология также влияет на глубину залегания фундаментных оснований. Грунтовые воды могут существенно изменить проект вашего здания.
• ну и конечно же на глубину залегания фундамента согласно действующим СНиПам будет оказывать виляние сезонная глубина промерзания грунта.

Существует специальная формула, согласно которой вы можете рассчитать глубину промерзания грунтов на вашем участке местности самостоятельно.

Глубина промерзания составит: корень квадратный, извлеченный из суммы среднемесячных отрицательных температур, перемноженный на коэффициент для конкретного грунта.

• 0,23 для глины и суглинка,
• 0,28 для песка и супесей,
• 0,3 для крупнозернистых песков,
• 0,34 для грунта, состоящего из крупных обломков.

Показатели отрицательных температур вы сможете взять из метеорологических справочников или из СНиПа 23-01-99, описывающего климатические условия.

Для простоты расчета, допустим, что в вашем регионе отрицательные температуры фиксируются четыре месяца, по «-10» градусов в каждом. Итого сумма отрицательных  показателейтемператур составит «40». Квадратный корень из этой величины составит «6,32». Умножаем для коэффициент для глинистого грунта «0,23» и получаем глубину промерзания глинистого грунта в таком регионе 1,45 метра.

Морозная пучинистость грунта и ее влияние на фундамент

Еще одной важной характеристикой грунта, влияющей на проект конструкции фундамента является его пучинистость. Этим термином определяют степень расширения грунтов при зимнем замерзании в них влаги. Как известно, вода при замерзании значительно увеличивается в объеме, таким образом грунт, содержащий большое количество влаги при замерзании будет расширяться, вспучиваться.

Наиболее подвержены такому расширению грунты, содержащие мелкий песок или глину. Они чрезвычайно эффективно впитывают влагу, вбирая в себя большую массу воды. Вследствие этого при замерзании их объем может увеличиваться до 10 процентов. Это довольно существенная величина. Получается, что при глубине промерзания грунта в 1,5 метра при замерзании его объем увеличится на 15 сантиметров.

Чтобы понять степень пучинистости грунта на вашем участке – ознакомьтесь с приведенной таблицей.

На глубину промерзания грунта также влияет и толща снежного покрова. Очевидно, что чем толще снежный покров, тем лучше сохраняется тепло в грунте. Впрочем, эта величина достаточно ненадежная и может колебаться от сезона к сезону.

Таким образом, чистка участка от снега играет двоякую роль. В тех местах, где вы складываете сугробы – величина промерзания грунта уменьшается, а вот при расчистке снега возле фундамента вашего строения – наоборот увеличиваете глубину промерзания грунтов. Соответственно это увеличивает влияние замороженного расширяющегося грунта на фундаментное основание. Сформируйте вокруг фундаментной опоры вашего дома снежный сугроб, и вы примерно на 15 процентов уменьшите влияние холодной погоды на ваш фундамент. А когда придет весна и температура начнет повышаться – просто откиньте сугроб от дома.

Калькулятор для расчета промерзания грунта в регионе

Калькулятор для расчета глубины промерзания грунта

Видео — как пользоваться калькулятором для расчет глубины промерзания грунта

Для чего нужно учитывать глубину промерзания грунта

В холодное время года земля промерзает на определенную глубину. Один и тот же природный процесс протекает по-разному в различных регионах РФ. Показатель промерзания зависит в первую очередь от климата и типа грунта.

Таблица: Глубина промерзания грунта по географическому положению и типу грунта

Зачем нужны данные по глубине промерзания

Информация по глубине промерзания грунта необходима для расчета заглубления фундамента. Учитываются особенности местности и вид почвы, уровень подземных вод, морозное пучение. Почва являет собой естественное самостоятельное органически-минеральное тело, которое находится в поверхностном слое земной литосферы. А понятие грунта включает в себя не только почву, но и горные породы, и техногенные образования, и осадки.

Фундамент, как несущая строительная конструкция, принимает на себя нагрузки от конструкций, расположенных сверху. Нагрузки распределяются по основанию строения, то есть по грунтовым массивам определенного объема. Фундаменты чаще всего делают из камня, стали или бетона и закладывают ниже глубины промерзания. Такой подход позволяет предотвратить выпучивание (деформацию с расширением объема в результате замерзания воды) и избыточное давление на несущую конструкцию.

В зависимости от региона, типа грунта и соответствующей глубины заложения, строителям целесообразно использовать следующие виды фундаментов:

• по конструктивным особенностям — столбчатый, ленточный, свайный, плитный, континуальный;
• по выбранному материалу — каменный, железо- или ячеистобетонный.

Способы определения глубины промерзания

Что показывает глубина промерзания грунта? Число обозначает максимальное расстояние от поверхности до нулевой температурной отметки внутри почвы в сезон минимальных температур. Данные определяются инструментальным методом в течение десятилетия, заносятся в специальные таблицы. Вся вода, которая есть в почве, расширяется при преобразовании в лед. Вспученный таким образом грунт будет давить на фундамент. Чтобы избежать этих рисков, нужно делать закладку ниже уровня промерзания.

Наиболее точно глубину сезонного промерзания (и проникания в грунт нулевой температуры) определяют с помощью мерзлотомера (см. ГОСТ 24847-81 — Методы определения глубины сезонного промерзания). Указанная методика распространяется на песчаные, глинистые и крупнообломочные грунты – кроме скальных грунтов и вечной мерзлоты.

Специалисты по строительству, действующие согласно нормативов РФ, перед закладкой фундамента всегда учитывают глубину промерзания грунта. Этот усредненный показатель можно посмотреть на карте в строительных нормах и правилах (СНиП 2.01.01-82) или высчитать по формулам из СНиП 2.02.01-83, пункт 2.27. Таким образом, если вы будете углубляться в вопрос и искать информацию, вам пригодится официальная документация: строительные нормативы “Строительная климатология и геофизика”, а также “Основания зданий и сооружений”.

Определяем глубину промерзания грунта по формуле

В случаях, когда глубина промерзания грунта в вашем географическом регионе не превышает 2,5 метров, можно определить норматив сезонного промерзания по формуле.

dfn=dО ·√ Mt,

где

• dfn – сезонное промерзание грунта в метрах;
• dО – средневзвешенная величина в пределах глубины промерзания для неоднородных грунтов или цифра из таблицы, в метрах;
• Mt – коэффициент, выражающий суммарное значение абсолютных показателей среднемесячных зимних минусовых температур в определенном регионе (данные берут из СНИПа по климатологии и геофизике либо используют информацию гидрометеорологов).

Есть формула расчетного значения сезонной глубины промерзания грунта:

df  = kh · dfn,

в которой kh является коэффициентом с учетом влияния теплового режима здания или сооружения. Значение kh в зданиях без отопления принимается за 1,1 (актуально для наружных и внутренних фундаментов только для районов с положительной среднегодовой температурой), а для внешних фундаментов отапливаемых зданий берется из таблицы. Если вас интересует расчет df для региона с отрицательной среднегодовой температурой, воспользуйтесь СП 25.13330: Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

Разница между нормативной и фактической глубиной промерзания

Представленные в таблицах данные по глубине промерзания грунта немного отличаются от реальных. Если провести эксперимент и замерить температуру грунта в холодное время года на произвольно выбранном участке, глубина промерзания может быть на 30% меньше, чем в нормативных таблицах. Особенно на этот показатель влияет фактор отопления здания в холодное время года. Глубина расположения нулевой температуры может находиться выше, если участок или дом имеют теплоизоляцию (тепло на участке сохраняет даже слой снега или льда, посаженные по периметру дома кустарники, специальные ленточные утеплители).

Сильное влияние на глубину промерзания оказывает уровень залегания грунтовых вод в данной местности. Чем выше расположен этот уровень, тем более значительное разрушающее воздействие может оказать замерзшая вода. Большое количество подземных вод делает грунт склонным к вспучиванию. Чтобы снизить нагрузку на фундамент, обеспечить снижение водяной подпитки и степень пучинистости почвы, применяют гидротехнические методы, в частности, обустраивают дренажные системы и глиняные экраны.

Закладка Постоянная ссылка.

Почему нужно учитывать промерзание грунта при расчете фундаментов

Правильно рассчитанный фундамент способен выдержать значительные нагрузки и сохранить целостность несущих стен и всего дома на долгосрочный период. Проектирование любого строения начинается с расчетов основания.

Влияющие факторы

На выбор конструкции фундамента влияет много факторов, основными из которых считаются показатели, связанные с грунтом на участке:

• Тип почвы.
• Высота подъема грунтовых вод.
• Глубина, на которую промерзает почва в зимний период.

Кроме этого, в расчет берутся такие показатели будущего дома, как этажность, выбранный материал возведения и конструктивные особенности (наличие подвала или без него).

Именно от этих факторов зависит расчетная глубина фундамента и объем земляных работ.

Глубина промерзания и необходимость ее учета

Уровень промерзания почвы является определяющим в расчете глубины заложения основы под здание. Выделяют два уровня промерзания:

• Хорошими условия для закладки фундамента считаются в случае, если грунтовые воды располагаются ниже уровня промерзания почвы.
• К сложным условиям для закладки и эксплуатации основы дома относится промерзание слоя грунта с грунтовыми водами. В этом случае почва в зимний период вспучивается, что приводит к возрастающим нагрузкам на основание строения.

Нормативные акты предписывают располагать фундамент ниже глубины промерзания грунта. Рассмотрим, почему.

Зимой к существующим вертикальным нагрузкам на основание (сила тяжести дома и сопротивление грунта) добавляются боковые, вызванные вспучиванием почвы. По мере промерзания грунта эти силы увеличиваются, оказывая колоссальное воздействие.

Если фундамент заложен недостаточно глубоко, то замерзшая земля начинает давить на подошву, «выталкивая» основание. Такие нагрузки могут достигать значения 10 тонн на квадратный метр площади. Помимо этого, такая сила неравномерна на разных участках, поэтому происходит небольшой перекос здания. Это наглядно видно, когда по стенам дома начинают появляться трещины, увеличивающиеся каждой весной, после оттаивания и проседания почвы под домом.

При правильном расчете и выборе глубины закладки основы строения (ниже уровня замерзания почвы), воздействующих сил становится меньше. Не возникает эффекта «выталкивания» дома из земли. Фундамент не перекашивается и прослужит продолжительное время без проседания и перекосов несущих стен.

Совет! Если грунтовые воды на вашем участке подходят слишком близко к поверхности и значительно усложняют возведение дома, попробуйте проложить несколько дренажных канав в ближайший овраг. Это осушит площадку под застройку и снизит пучинистость грунта.

Расчет промерзания грунта

Формула, по которой вручную рассчитывается этот параметр, выглядит так: h=vМ*k. По этой формуле требуется сумму среднемесячных температур умножить на специальный коэффициент, который применяется для каждого вида грунта:

• глинистый – 0,23;
• песчаный – 0,28;
• гравистый – 0,30;
• крупнообломочный –0,34.

Из полученного значения извлекают квадратный корень. Это долго и приходится обращаться к справочной литературе. Поэтому проще взять готовые усредненные значения промерзания грунта по регионам. Пример такой таблицы с некоторыми крупными городами приведен ниже.

Влияющие факторы

Отдельно отметим, что такие расчеты усреднены, и производятся без учета некоторых данных, влияющих на глубину промерзания. Приведем два фактора:

1. Заснеженность региона. Помимо естественного увлажнения, снежный покров считается отличным теплоизолятором для почвы. Из этого следует, что чем больше снега на участке, тем меньше промерзает земля.
2. Назначение здания. При строительстве жилого дома или отапливаемого здания, уровень промерзания уменьшается. Если сооружение в зимний период не отапливается, то земля промерзает больше среднего значения.

Берите эти факторы во внимание при планировании и разработке фундамента, поскольку различие с табличными данными составляют до 30%, что имеет значение при расчетах.

Глубина промерзания грунта в Московской обл

Определение уровня промерзания в соответствии с требованиями СНиП

Расшифровка формулы:
Mt – коэффициент, сравнимый в численном выражении с абсолютными значениями средних минусовых температур в течение зимнего периода в конкретном регионе (если необходимые наблюдения не велись, то берутся данные гидрометеорологических станций, работающих в идентичных климатических зонах).
d0 – величина, равная уровню промерзания, характерному для конкретного типа почвы.

Согласно требованиями СНиП указанные величины, имеют следующие значения:

• глина (суглинки) – 0.23м;
• крупнообломочная почва – 0.34м;
• пески (супеси) – 0.28м;
• гравелистый песок – 0.30м.

Расшифровка формулы:

dfn – нормативная глубина степени промерзания почвы (указана в подпунктах 2.26 – 2.27 СНиП 2.02.01-83).
kh – коэффициент теплового режима здания, применимый для внешних фундаментов отапливаемых зданий (если работы ведутся с неотапливаемыми объектами, то kh=1.1).

Уровень промерзания почвы в Москве и Подмосковье

Фактически в Московской области почва редко промерзает, более чем на метр. Можно ориентироваться на конкретные данные, приведённые для каждого из районов:

• Сергиев-Посад – 1.4м;
• Наро-Фоминск – 0.6 – 1м;
• Можайск – 0.6м;
• Волоколамск – 0.7 – 1.2м;
• Дубна – 1.5 – 2.1м;
• Подольск – 0.4м.

Непосредственно в Москве степень промерзания почвы варьируется в пределах 1.2 – 1.32 метра. Конкретные показатели следует рассчитывать исходя из типа почвы на конкретном участке и наблюдений, проводимых в течение длительного времени. Если пренебречь расчётами, то последствия для здания могут быть плачевными.

Полезные материалы

Усиление фундаментов

Достаточно часто в строительстве зданий и сооружений можно столкнуться с проблемой, когда фундамент находится в аварийном состоянии.

Программа для трубки Frost

Протокол Frost Tube

PDF версия

Назначение

Для контроля сроков и глубина промерзания почвы в месте установки Frost Tube или в специально отведенном месте исследования GLOBE.

Обзор

Студенты построят Трубка Frost Tube вставляется в отверстие в ненарушенной и неуплотненной почве. В холодные месяцы студенты измеряют глубину, на которой вода в мороз Трубка замерзла, что означает, что окружающая почва также замерзла.

Результаты студентов

Студенты смогут,

• Наблюдать когда вода в Frost Tube замерзает
• Собрать и проанализировать данные, связанные с промерзанием почвы, чтобы понять, как почва температура и влажность совпадают с сезонными изменениями в разные Биомы .
• Исследовать отношения между воздухом, почвой и вечной мерзлотой
• Общайтесь результаты проекта с другими школами GLOBE
• Сотрудничать с другими школами GLOBE (в вашей стране или других странах)
• Поделиться наблюдения путем отправки данных в архив GLOBE
• сравнить сроки и глубина промерзания почв в разных регионах вокруг Мир
• Прогноз сроки и глубина замерзания на предстоящие сезоны (дополнительно)

Научные концепции

Науки о Земле и космосе

• Некоторые в регионах мира есть циклы замораживания / оттаивания, и они происходят сезонно. В других регионах таких циклов нет, так как почва никогда не замерзает и не замерзает. тает.
• Вода проникает в почву и промерзает на определенной глубине в сезон циклы.
• В зависимости от географического положения исследуемой почвы, немного воды в почве никогда не может таять или замерзать.
• Вода циркулирует через почву, изменяя свойства как почвы, так и воды.
• г. высота снега и / или органический материал (мох, опавшие листья и т. д.) могут повлиять на насколько глубоко промерзает почва.

Науки о жизни

Температура почвы будет влияют на тип жизни, растущий в ней и в ней, и на то, как она растет. (Организмы функции связаны с окружающей их средой.)

Тип растительности, произрастающей на почва может влиять на глубину промерзания и оттаивания почвы, а также на скорость, с которой он замерзает и тает. (Организмы изменяют среду, в которой они живут.)

Возможности научного расследования

Используйте соответствующие инструменты и методы, включая математику, для сбора, анализа и интерпретации данных.

• Разработать описания и предсказания с использованием доказательств.
• Распознать и проанализировать альтернативные объяснения.
• Общайтесь процедуры и пояснения.

Время

Конструкция Frost Tube: 12 часов

Подбор площадки, настройка и установка Frost Tube: 1-2 часа

Посещений на сайт и с сайта: 10 минут (5 минут до места и 5 минут до возвращения)

Время считывать измерения: 5 минут

Уровень

Все

Частота

Глубина мерзлого грунта составляет измеряется в одно и то же время дня (желательно в пределах одного часа после солнечного полудня) один раз неделю, начинающуюся при приближении температуры воздуха к нулю (0С).

Материалы и инструменты

Мороз Полевое руководство по определению площадки для труб

Мороз Лист определения места для труб

Мороз Полевая направляющая трубки при температуре воздуха выше -20 ° C

Мороз Руководство по эксплуатации трубки при температуре воздуха ниже -20 ° C

Мороз Технический паспорт трубки

GPS Руководство по протоколу (при использовании нового сайта)

GPS Лист данных протокола (при использовании нового сайта)

GPS приемник (при использовании нового сайта)

Шнек для почвы (требуется один раз для установка)

Мороз трубка (см. Конструкция прибора и Установка для получения инструкций о том, как построить и установить Frost Tube)

Подготовка

Выберите сайт для установка морозильной трубки. В идеале сайт должен быть относительно ненарушенная и неуплотненная почва среди естественной растительности и в пределах 30 метров от ваш сайт изучения атмосферы, если он у вас есть. Свяжитесь с соответствующими органами. для безопасности при копке почвы на выбранном участке.

Получите показания GPS Сайт для изучения протокола Frost Tube.

Предварительные требования

GLOBE Протокол GPS

Рекомендовано

GLOBE Протокол температуры почвы

GLOBE Протокол определения характеристик почвы

GLOBE Атмосферный протокол (температура воздуха и почвы; осадки)

Введение

Почему учеба заморожена Земля?

Температура почвы это важный показатель для понимания, поскольку он влияет на микроклимат, рост растений, сроки распускания почек или опадания листьев, скорость разложения органических материалов и других химических, физических и биологические процессы, происходящие в почве. В общем, узор температура почвы в течение года, как правило, не меняется (например, средняя летняя температура почвы, средняя зимняя температура почвы и среднегодовая температура почвы остается относительно постоянной из года в год). Однако если изменение средней летней, зимней или годовой температуры почвы происходит от одного года к следующему, это могло быть связано с некоторыми существенными изменениями в окружающем окружающей среде, например, повышение температуры воздуха из-за глобального потепления или некоторых тип нарушения, например, вырубка леса, удаление изолирующего грунта поверхность или урбанизация.(см. протокол температуры почвы GLOBE для получения дополнительной информации информация о температуре почвы). Контроль сроков и глубины заделки почвы замораживание и оттаивание помогает ученым понять, как температура почва меняется с течением времени, поэтому они могут определить влияние климата изменение типа утепление или другое нарушения экосистемы.

В средних широтах и на средних высотах на Земле части почвы у поверхности промерзают в зима. В северных и южных широтах и ​​на большой высоте некоторые почвы слои / земляные материалы, температура которых не ниже 0 C в течение как минимум двух последовательных годы известны как вечная мерзлота (http://www.uspermafrost.org/glossary.php). В Протокол пробирки для замораживания почвы позволяет студентам и ученым GLOBE увидеть, какая часть почвы промерзает и когда промерзание начинается и заканчивается в разных частях мир. Если после каких-либо нарушений или из-за изменения климата почва температура в течение года может быть теплее, глубина промерзания почвы может уменьшатся, и время заморозки может увеличиться.Другие части окружающая среда также будет затронута. В холодном климате большое количество органических материя (мертвые растения и животные) присутствуют в почве и заперты в ней. вечная мерзлота. По мере таяния вечной мерзлоты органическое вещество начинает разлагаться. и выделяются парниковые газы, такие как углекислый газ и метан. An увеличение количества парниковых газов в атмосфере приводит к повышению температуры воздуха, что приводит к еще более высокой температуре почвы, большему таянию вечной мерзлоты и выделение еще большего количества парниковых газов по мере разложения большего количества органических материалов. Этот цикл положительной обратной связи продолжает усугублять глобальное потепление, как только он начинается. Поверхностные слои почвы становятся тоньше и теряют изоляционные свойства. способность, и деревья, которые росли над слоями мерзлого грунта с высоким льдом контент сваливается и похож на пьяный лес. Типы растительности будут затронуты меняющиеся гидрологические режимы.

Что такое вечная мерзлота?

Вечная мерзлота — это слой почвы или камня на некоторой глубине под поверхностью, в которой температура постоянно находился ниже 0C в течение как минимум двух лет или более; он существует там, где летнее отопление не достигает основания слоя промерзшей наземный (Национальный центр данных по снегу и льду http: // nsidc.org / cgi-bin / words / word.pl? вечная мерзлота ). В районах, где температура воздуха поднимается выше нуля в течение нескольких месяцев год, поверхность земли может временно оттаивать перед повторным промерзанием после приход более прохладной погоды. Слой почвы над вечной мерзлотой, сезонно замерзает и оттаивает называется активным слой . Мощность вечной мерзлоты и активного слоя зависит от местного климата. условий, растительного покрова и свойств почвы, а также от жары в Земля.

Как воздух температура прохладная (например, осень переходит в зиму) слой замерзания в почва должна увеличиться, но другие переменные, такие как высота снежного покрова и толщина вегетативный слой будет влиять на то, насколько и как быстро произойдет замерзание. Если слой снега и / или растительности очень толстый, он изолирует почву и предотвратить его замерзание до поздней зимы. Когда идет сильный снегопад в начале года, и оно сохраняется, это замедлит промерзание грунта.Максимум замерзание в ненарушенной почве обычно происходит в конце зимы или ранней весной, когда температура воздуха начинает нагреваться. Таким же образом глубина оттаивания в районах вечной мерзлоты обычно наиболее глубокие в конце лета или даже после первые заморозки ранней осенью.

Рисунок 1. Распространение вечной мерзлоты на севере Полушарие

Браун, Дж., Феррианс, О.Дж., Хегинботтом, Дж. А. и Мельников, E.S. (1997). Международная ассоциация вечной мерзлоты. Состояние вечной мерзлоты и грунтового льда, масштаб 1: 10 000 000. НАС. Геологическая служба

Зоны вечной мерзлоты занимают до 24% открытой площади. земельный участок Северного полушария. Вечная мерзлота также распространена на огромных территориях. континентальные шельфы Северный Ледовитый океан . Эта подводная вечная мерзлота сформировалась во время последнего ледникового периода, когда мировое море уровни были более чем на 100 м ниже, чем в настоящее время, и полки были обнажены. к очень суровым климатическим условиям.Подводная мерзлота на многих локации. Вечная мерзлота различной температуры и непрерывности существует также в горные районы, из-за холодного климата на больших высотах. (Вечная мерзлота протяженность в Северном полушарии, июнь 2007 г. в Картах ЮНЕП / ГРИД-Арендал и графическая библиотека ..)

Большая картина

температура почвы напрямую связана с температурой атмосферы потому что почва является изолятором для тепла, протекающего между твердой землей и Атмосфера.Например, в солнечный день почва будет поглощать энергию солнца. и его температура повысится. Ночью почва будет отдавать тепло растениям. воздух, имеющий прямое и наблюдаемое влияние на температуру воздуха. Количество тепла которые будут поглощены или выброшены почвой из атмосферы и в атмосферу, в зависимости от по ряду факторов, включая топографию, растительный покров, органическое вещество состав, текстура почвы, насыпная плотность почвы и влажность почвы. Северная сторона склон будет холоднее и с большей вероятностью промерзнет, ​​чем склон, обращенный на юг. северные широты.Тип деревьев или другой растительности, произрастающей на почве. определяет, сколько тепла и света достигают почвы под растительным покровом. А более открытый навес пропускает больше тепла и света, чем закрытый навес. Слой мха или органическое вещество в почве действует как изолятор, который замедляет передачу тепла к и от минеральные части почвы. Влажные почвы нагреваются медленнее, чем сухие, потому что вода в поровых пространствах между частицами почвы поглощает больше тепла, чем воздух.Чем плотнее почва, тем больше тепла проходит через нее, чтобы песчаная почва или грунт с высокой насыпной плотностью будет проводить тепло быстрее, чем глинистая или суглинистая почва с хорошей структурой и низким объемная плотность.

Как поверхность почвы подвергается воздействию таких возмущений, как изменения гидрологии, строительство дорог, урбанизация, вырубка деревьев или добыча торфа, изоляционные свойства поверхности почвы удаляются, и больше тепла и света перемещается в почва, повышая ее температуру и вызывая таяние мерзлых слоев.Как тепло оставляет поверхность почвы, вода и минералы в почве замерзают сверху вниз. Однако как воздух температура нагревается и лед в верхних горизонтах почвы тает, талая вода проходит через почву и снова замерзает, когда достигает слоя вечной мерзлоты, поэтому что почва начинает промерзать снизу вверх.

Один из признаков наличия вечной мерзлоты — наличие узорчатых земля.К ним относятся объекты в форме многоугольника на ландшафте и большие особенности, называемые пинго, которые образуются, когда почва замерзает и оттаивает много сезонов у Пинго есть ледяное ядро, которое выталкивается грунтовыми водами.

Что такое трубка Frost?

инструмент, используемый для измерения глубины и сроков промерзания грунта, называется Frost Tube.Этот инструмент легко изготавливается и устанавливается в безопасном месте. почва рядом с вашей школой. Трубка Frost Tube состоит из прозрачного куска толщиной 6-8 мм. пластиковая трубка (внутренняя трубка), размеченная с шагом 5 см, содержащая окрашенную воду, которая находится внутри 10 мм (внешний диаметр) радиационной тепловой трубки (средней трубки), запаянной на дно. Он помещается внутрь 12 мм трубы из ХПВХ (внешняя труба), открытой с обеих сторон. заканчивается

Рисунок 3.Компоненты морозильной трубки

Рис. 4. Другой вид морозильной трубки, показывающий внутренняя, средняя и внешняя трубки.

Учитель Служба поддержки

Глубина Замерзание почвы связано с продолжительностью холода над землей. Именно поэтому измерение глубины промерзания указывает на тип климата, в котором они учатся.Мониторинг глубины промерзания почвы помогает ученым и инженеры понимают, как температура почвы меняется с течением времени, поэтому что они могут определить влияние изменения климата.

Когда наступает зима, земля промерзает, и мерзлая почва становится гуще, как зима прогрессирует .. Насколько толстым станет?

глубина промерзания грунта зависит от множества различных параметров, таких как промерзание градусо-дни, влажность почвы, насыпная плотность, частицы зерна и т. д.Это может можно упростить следующей формулой:

D = aF

D = глубина промерзания

a = постоянная

F = √t (квадратный корень из t) = градусные дни замерзания

F — количество дней с градусом замерзания у поверхности земли.Градус замерзания дней (fdd) составляет мера того, как было холодно и как долго было холодно; совокупный fdd обычно рассчитывается как сумма среднесуточных градусов ниже нуля за указанное время период (10 дней, месяц, сезон и т. д.). (национальный Центр данных по снегу и льду http://nsidc.org/cgi-bin/words/word.pl?freezing%20degree-days )

a — постоянная теплового свойства. почвы, влажности почвы и характеристик морозного пучения.Мороз пучение характеризуется крупностью частиц грунта. a варьируется от 1 до 5 и обычно составляет около 2,7, но это сильно зависит от местоположения. Например, насыщенный песчаный материала около 3. Сухой илистый материал около 2.3. Органический материал будет вероятно будет около 2.

Использование глубину промерзания почвы и градус промерзания дней можем вычислить a .Зная a и климатические условия (# градус замерзания дни, F ) можно рассчитать глубину замораживание, D . Зная глубину промерзания и a , мы можем рассчитать степень промерзания. дней. Таким образом, ученые смогут лучше понять, каким может быть климат. изменение путем сбора дополнительных данных о глубине промерзания почвы.

Рисунок 5.Прогрессирование замерзания

Кто может использовать протокол Frost Tube?

Первый, задайте следующие вопросы:

1. До температура воздуха в какое-то время года достигает нуля?
2. Делает промерзание почвы в течение части года?
3. Is есть ли в вашем районе вечная мерзлота под почвой?

Если вы ответите утвердительно на любой из этих вопросов, тогда этот протокол стоит расследование для вашего класса.Этот протокол — первый шаг к тому, чтобы помочь студентам исследовать отношения между воздухом, почвой, снегом и вечная мерзлота (где она возникает).

Выбор площадки

В идеале, Место исследования Frost Tube должно быть относительно ненарушенным и неуплотненным. почва в зоне естественной растительности. Поскольку результаты этого протокола могут в сочетании с данными о температуре и осадках из GLOBE Atmosphere Исследование, попробуйте выбрать место рядом с местом исследования атмосферы, если вы Имеется.Также было бы лучше разместить трубку Frost Tube в пределах 5 минут ходьбы. из вашей школы, поэтому к нему относительно легко добраться в холодную погоду.

Потому что много почв в северных широт сформировались из материнского ледникового материала, почвы в этом регион может содержать много крупных камней, в которых может быть трудно раскопаться. Если возможно, найдите область с минимумом камней или вам может потребоваться больше прочное оборудование для вставки морозильной трубки. Обратитесь в соответствующие органы, чтобы получить разрешение на копание на вашем предлагаемое место и разместить его в безопасном месте вдали от заглубленных кабелей или труб. Имейте в виду, что близлежащие здания, дороги и даже озера или реки могут повлиять на температуры почвы и влияют на собираемые вами данные, поэтому тщательно задокументируйте это информация о сайте Frost Tube Лист определений . Если вы живете в районе вечной мерзлоты, проверяйте прозрачную трубу в конце лета, чтобы измерить расстояние от поверхности почвы до границы между водой и льдом внизу трубки.Введите эти данные в раздел «Комментарии / метаданные» лист данных Frost Tube .

Процедура измерения

Это очень желательно, чтобы эти наблюдения проводились как минимум двумя людьми за посещение.

студентов измерит глубину промерзания по мере остывания грунта.

Глубина промерзания = расстояние в морозильной трубе (внутренней трубе) от поверхности почвы до граница между слоем льда и незамерзшей водой. Это представляет собой глубину промерзание между поверхностью почвы и подстилающей незамерзшей почвой.

Управление студентами

Это очень важно, чтобы кто-нибудь посещал сайт Frost Tube каждую неделю, чтобы принять измерения при понижении температуры воздуха ниже нуля.Студентам необходимо быстро и эффективно собирать измерения, чтобы уменьшить влияние температура окружающего воздуха на Frost Tube. Когда студенты закончат делать по своим наблюдениям они должны заменить верхнюю крышку, чтобы сохранить снег, воду и холод воздух из сборки.

Часто задаваемые вопросы

1. Где самая глубокая граница между льдом и водой в районах, не подверженных вечной мерзлоте?

Глубина где заканчивается цветная вода и начинается чистая вода, используется в качестве вспомогательного средства для чтения граница ледяной воды; однако иногда, когда вода во внутренней трубке замерзает и оттаивает, цвет или краситель выталкиваются из замороженной части и даже когда он тает и снова замерзает, цвет не возвращается.Так согните трубку для обнаружения или определения местонахождения льда.

Frost Tube Protocol Ищу в данных

Достоверны ли данные?

фронт замерзания (граница раздела льда и воды) обычно движется очень медленно от поверхности почвы вниз (менее 1 см в сутки).Однако если ниже нуля температура воздуха сохраняется, снежный покров отсутствует, приповерхностная глубина почвы может произойти быстрое промерзание верхних 5-10 см почвы в начале зимы в зависимости от влажности почвы и температуры окружающего воздуха. Это обычно происходит в регионах, лежащих в основе вечной мерзлоты, таких как Внутренняя Аляска. В любом случае замерзание обычно происходит на увеличивающейся глубине в большинстве случаев. Аляска, но не юго-восток или район пролива Принца Уильяма.

Что ищут ученые? данные?

Мороз трубка (глубина) может многое сказать.Максимальная глубина замерзания будет одной из важные измерения для этого. Замерзание грунта в основном зависит от воздуха температура, высота снежного покрова и свойства почвы. Суровые зимние условия в одном может привести к более глубокому промерзанию почвы, чем более теплые зимние условия в другая область. Задержку замерзания грунта можно зафиксировать с помощью данных трубопровода замерзания. Задержка замерзания грунта напрямую влияет на деградацию вечной мерзлоты в северные широты.

Также снег толщина является важным фактором промерзания грунта из-за снега изоляционное качество.Различная глубина промерзания может привести к появлению участков с одинаковая температура воздуха, но с разной высотой снежного покрова

Эти различия в глубине промерзания грунта можно смоделировать или смоделировать, если почва условия или характеристики (обозначены как в приведенном уравнении ранее в разделе «Поддержка учителей»). Градусные дни замерзания (накопленные среднесуточные температуры поверхности земли ниже 0 ˚C) увеличивается до конца зимы.Влияние высоты снежного покрова и температуры воздуха градусо-дни (fdd) и глубина промерзания грунта. Однако остается тем же. Следовательно, мы можем предсказать глубину замерзания (D) с помощью fdd. Глубина земли или промерзание почвы (D в уравнении) может быть оценено на основе одного года заморозки трубы данные.

Оценка глубина промерзания почвы: Расчет градусо-дней промерзания (FDD):

максимальная глубина промерзания зависит от температуры воздуха зимой, толщины снега, влажность почвы, физические свойства почвы, такие как размер зерна, поровое пространство, минеральный состав и др.Градус-дни замерзания (fdd) на поверхности земли являются общепринятая мера оценки глубины промерзания, используемая учеными. Для этого метода вам потребуются среднесуточные данные о температуре поверхности земли для вашей школы. с 1 сентября (если вы живете в северном полушарии) или первого апреля (если вы живете в южном полушарии) до даты включительно температуры выше нуля (0 ^o C).

Кому рассчитать градусо-дни замерзания:

1.Сначала для каждого дня рассчитайте среднесуточную температуру грунта (Tavg).

2. Начиная с 1 сентября или 1 апреля, проверьте, не меньше ли Tavg 0˚ C. Если это так, запишите эту температуру. Если Tavg больше 0 ° C, игнорировать Это. Перейти на следующий день. Опять же, проверьте, меньше ли (Tavg) 0˚ C. Если это так, добавьте его к температуре, которую вы записали впервые. Если нет, снова игнорируй это. Повторяйте этот процесс для каждого последующего дня вплоть до дня запрещения. замораживание (e.грамм. до поздней весны). Сумма среднесуточных отрицательных температура — это градус замерзания в днях (единица fdd — C дней). Но удалите отрицательный знак (-) из суммы среднесуточных отрицательных температуры. Морозные дни градуса перед числом не ставить знак минус (-). Запишите значения в таблицу на вашем Work. Простыня.

Пример техпаспорта

Таблица данных Excel с температурой поверхности и градусами замерзания в днях с 01.10.2008 по 01.05.2009 предоставляется отдельным документом.

Для расчета замораживания дней получения степени студенты сначала сдавали экзамены данные о температуре, чтобы увидеть, были ли даты с отсутствующими данными во время морозный период. Они нашли только один 27 октября 2008 года у Гомера. Для этого отсутствовала температура на этот день, они посмотрели на среднюю температуру для день, предшествующий 26 октября, а следующий день — 28 октября. оценили среднюю температуру 27 октября, они выполнили линейный интерполяция, которая часто используется учеными для оценки значения отсутствующих данных.На приведенном ниже графике показаны средние значения температуры для 26 октября (-2 C) и 28 октября (-6 C). Они нарисовали линию, соединяющую этих двух баллов, а затем оценили среднюю температуру 27 октября как -4 ° C. они подсчитали градусные дни у Гомера.

Рис. 6. Оценка недостающих данных для температуры поверхности на 27 октября 2008 г., у Гомера.

Далее они рассчитали замораживание дипломные дни для Igiugig.Они подсчитали градусо-дней для 411 FDD в Гомере. и 1212 FDD в Igiugig. Данные показывают, что участок с большим количеством морозных дней, имел более глубокое промерзание грунта, Глубина 155 см на Игиугиге; а сайт с меньшим количеством морозных дней, Гомер, имел мелкое промерзание грунта глубиной 37 см. Также количество морозных дней и глубина промерзания указывают на более толстый (более) снег накопленные после ноября у Гомера, что предотвратило дальнейшее промерзание грунта, следовательно, температура грунта оставалась около 0C. до конца зимы.

Рисунок 7. Морозные дни и глубины мороза по Гомеру и Игуигиг , Аляска

Вопросы для дальнейшего Расследование

Как будет глубина промерзания различается в разных регионах земного шара?

Что приведет к изменению сроков и глубины промерзания почв с одного года на Другая?

Каким образом влияет ли глубина промерзания на фенологию растительности в том или ином регионе?

Есть там любая связь между замерзанием земли и пресноводным льдом сезонность?

Что другие части экосистемы зависят от времени и глубины залегания почвы. замораживание?

Список литературы

Браун, Дж., Феррианцы, О.Дж., Хегинботтом, Дж. и Мельников Е. (1997). Международная вечная мерзлота Ассоциация Циркум-Арктическая карта условий вечной мерзлоты и грунтовых льдов, масштаб 1: 10 000 000. НАС. Геологическая служба

Вечная мерзлота протяженность в Северном полушарии. (Июнь 2007 г.). В Картах ЮНЕП / ГРИД-Арендал и графическая библиотека . Получено в 05:55, 26 мая 2010 г., с сайта http://maps.grida.no/go/graphic/permafrost-extent-in-the-nhibited-hemisphere.

Суровость зимы и глубина заморозков в условиях потепления

Эти карты показывают величину и географическое распределение изменений значений индекса замерзания воздуха за 1981–2010 гг. По сравнению с 1951–1980 гг. Для холодных сезонов с двухлетним (вверху) и 100-летним (внизу) периодами повторяемости.

Во многих районах страны правильное проектирование и строительство здания зависит от точных ожиданий того, насколько глубоко земля промерзнет зимой. Глубина промерзания почвы также имеет важное значение для гидрологии, сельского хозяйства и даже захоронений. Поскольку глубина промерзания определяется как интенсивностью, так и продолжительностью морозной погоды, наблюдаемое в последние несколько десятилетий потепление, вероятно, изменяет характер промерзания почвы.

В новой статье в журнале Journal of Applied Meteorology and Climatology , озаглавленной «Расчет и оценка индекса замерзания воздуха для периода климатических норм 1981–2010 годов в прилегающих районах Соединенных Штатов», наши ученые работали со своими коллегами из Кооперативного института. для Climate and Satellites — North Carolina, чтобы представить новую версию индекса замерзания воздуха NOAA (AFI), который можно использовать для оценки максимальной глубины промерзания почвы.Они также обнаружили значительное сокращение AFI за 1981–2010 годы по сравнению с 1951–1980 годами, что согласуется с тенденциями изменения климата, наблюдавшимися за этот период.

Оценить глубину промерзания почвы сложно, потому что прямые измерения глубины промерзания широко не доступны, а те, которые доступны, датируются не очень давно. Но поскольку глубина промерзания тесно связана с температурой воздуха, индекс, который измеряет, насколько часто и насколько температура воздуха остается ниже нуля в течение зимы, может служить полезным косвенным измерением глубины промерзания.

AFI, представленный в документе, основан на «градусах замерзания в днях» (FDD) — количестве градусов, на которое средняя температура в данный день выше точки замерзания (положительные значения FDD) или ниже точки замерзания (отрицательные значения FDD). Например, если средняя температура в месте составляет 42 ° F (10 ° F выше точки замерзания), значение FDD для этого дня равно 10. Для среднесуточного значения, которое достигает только 20 ° F, значение равно –12 FDD.

AFI для данного года рассчитывается как текущая сумма FDD за этот год, начиная с 1 августа и заканчивая 31 июля следующего года — период, сосредоточенный вокруг одного холодного сезона.Для большинства регионов страны AFI неуклонно увеличивается в течение первых нескольких месяцев этого периода, поскольку среднесуточные значения температуры обычно выше нуля, а соответствующие положительные значения FDD увеличивают значение текущей суммы AFI.

С наступлением холодного сезона дни ниже нуля создают отрицательные значения FDD, которые снижают значение текущей суммы AFI. Затем AFI снова начинает увеличиваться, когда возвращается теплая погода, и значения FDD снова становятся положительными.

Разрыв между пиком AFI в начале холодного сезона и самым низким значением AFI, наблюдаемым в конце холодного сезона, позволяет измерить интенсивность этого холодного сезона — чем больше разрыв, тем сильнее замерзание для этого. зима.В теплых районах страны, где средние температуры почти всегда выше нуля, AFI будет очень низким или нулевым. В более холодных районах страны длительная суровая зима приводит к значению AFI в 1000 и более.

Сравнивая средние показатели за 1981–2010 годы и 1951–1980 годы, ученые обнаружили, что AFI значительно снизился для большей части страны. Изучая зимы с «двухлетним возвращением», то есть зимы с суровостью, обычно наблюдаемой каждые два года, AFI снизился более чем на 10% для более чем 80% станций, в то время как только 2% станций показали увеличение на 10%. или больше.Для более редких, более суровых зим со 100-летним периодом повторяемости 59% станций показали снижение AFI на 10% или более, а 21% станций показали увеличение на 10% или более.

Моделирование переноса воды и тепла с замораживанием и криосакцией в ненасыщенной почве: сравнение эмпирического, полуэмпирического и физического подхода

Основные моменты

•

Простая модель переноса воды и тепла используется для сравнения трех различных подходов к моделированию промерзания ненасыщенной почвы: эмпирического, полуэмпирического и физического.

•

Все три подхода хорошо работают для моделирования наблюдаемого процесса замораживания в трех различных наборах экспериментальных данных.

•

Сравнение производительности и параметризации каждого подхода показывает, что полуэмпирическую версию проще всего реализовать без калибровки для конкретного типа почвы.

Abstract

Замерзание ненасыщенной почвы — важный процесс, влияющий на сток и инфильтрацию в регионах с холодным климатом.Мы использовали простую численную модель для моделирования переноса воды и тепла с фазовым переходом в ненасыщенной почве с помощью трех различных подходов: эмпирического, полуэмпирического и физического. Мы сравнили производительность и параметризацию каждого подхода путем тестирования на трех экспериментальных наборах данных. Все подходы удовлетворительно воспроизводили наблюдаемый процесс ненасыщенного замораживания. Эмпирическое уравнение криосакции, используемое в этом исследовании, позволило уловить наблюдаемую криосакцию с фиксированным эмпирическим значением параметра.Таким образом, полуэмпирическая версия не требует калибровки конкретного параметра, связанного с мерзлым грунтом. Ввиду простоты, небольшой потребности в вычислениях и точности все три подхода подходят для реализации в схемах землепользования, гидрологических моделях водосборного бассейна или многомерных термогидрологических моделях.

Ключевые слова

Замораживание

Моделирование

Криосакция

Мороз

Ненасыщенная зона

Энергетический транспорт

Холодные регионы

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2021 Автор (ы).Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Интернет-курсов PDH. PDH для профессиональных инженеров. ПДХ Инжиниринг.

«Мне нравится широта ваших курсов по HVAC; не только экологичность или экономия энергии

курсов. «

Russell Bailey, P.E.

Нью-Йорк

«Он укрепил мои текущие знания и научил меня еще нескольким новым вещам

, чтобы познакомить меня с новыми источниками

информации.»

Стивен Дедак, P.E.

Нью-Джерси

«Материал был очень информативным и организованным. Я многому научился, и они были

очень быстро отвечает на вопросы.

Это было на высшем уровне. Будет использовать

снова. Спасибо. «

Blair Hayward, P.E.

Альберта, Канада

«Простой в использовании сайт.Хорошо организовано. Я действительно буду снова пользоваться вашими услугами.

проеду по вашей роте

имя другим на работе «

Roy Pfleiderer, P.E.

Нью-Йорк

«Справочные материалы были превосходными, а курс был очень информативным, особенно с учетом того, что я думал, что я уже знаком.

с деталями Канзас

Городская авария Хаятт.»

Майкл Морган, P.E.

Техас

«Мне очень нравится ваша бизнес-модель. Мне нравится просматривать текст перед покупкой. Я нашел класс

информативно и полезно

на моей работе »

Вильям Сенкевич, П.Е.

Флорида

«У вас большой выбор курсов, а статьи очень информативны.Вы

— лучшее, что я нашел ».

Russell Smith, P.E.

Пенсильвания

«Я считаю, что такой подход позволяет работающему инженеру легко зарабатывать PDH, давая время на просмотр

материал «

Jesus Sierra, P.E.

Калифорния

«Спасибо, что позволили мне просмотреть неправильные ответы.На самом деле

человек узнает больше

от отказов »

John Scondras, P.E.

Пенсильвания

«Курс составлен хорошо, и использование тематических исследований является эффективным.

способ обучения »

Джек Лундберг, P.E.

Висконсин

«Я очень впечатлен тем, как вы представляете курсы; i.е., позволяя

студент для ознакомления с курсом

материалов до оплаты и

получает викторину «

Арвин Свангер, П.Е.

Вирджиния

«Спасибо за то, что вы предложили все эти замечательные курсы. Я определенно выучил и

получил огромное удовольствие «

Mehdi Rahimi, P.E.

Нью-Йорк

«Я очень доволен предлагаемыми курсами, качеством материалов и простотой поиска.

в режиме онлайн

курса.»

Уильям Валериоти, P.E.

Техас

«Этот материал в значительной степени оправдал мои ожидания. По курсу было легко следовать. Фотографии в основном обеспечивали хорошее наглядное представление о

обсуждаемых тем ».

Майкл Райан, P.E.

Пенсильвания

«Именно то, что я искал. Потребовался 1 балл по этике, и я нашел его здесь.»

Джеральд Нотт, П.Е.

Нью-Джерси

«Это был мой первый онлайн-опыт получения необходимых мне кредитов PDH. Это было

информативно, выгодно и экономично.

Я очень рекомендую

всем инженерам »

Джеймс Шурелл, P.E.

Огайо

«Я понимаю, что вопросы относятся к« реальному миру »и имеют отношение к моей практике, и

не на основании какой-то неясной секции

законов, которые не применяются

до «нормальная» практика.»

Марк Каноник, П.Е.

Нью-Йорк

«Отличный опыт! Я многому научился, чтобы использовать свой медицинский прибор.

, организация. «

Иван Харлан, П.Е.

Теннесси

«Материалы курса содержали хорошее, не слишком математическое, с хорошим акцентом на практическое применение технологий».

Юджин Бойл, П.E.

Калифорния

«Это был очень приятный опыт. Тема была интересной и хорошо изложенной,

а онлайн-формат был очень

доступный и простой

использовать. Большое спасибо «.

Патрисия Адамс, P.E.

Канзас

«Отличный способ добиться соответствия требованиям PE Continuing Education в рамках ограничений по времени лицензиата.»

Joseph Frissora, P.E.

Нью-Джерси

«Должен признаться, я действительно многому научился. Помогает иметь распечатанный тест во время

обзор текстового материала. Я

также оценил просмотр

Предоставлено фактических случаев »

Жаклин Брукс, П.Е.

Флорида

«Документ» Общие ошибки ADA при проектировании объектов «очень полезен.

тест действительно потребовал исследований в

документ но ответы были

в наличии. «

Гарольд Катлер, П.Е.

Массачусетс

«Я эффективно использовал свое время. Спасибо за широкий выбор вариантов

в транспортной инженерии, что мне нужно

для выполнения требований

Сертификат ВОМ.»

Джозеф Гилрой, P.E.

Иллинойс

«Очень удобный и доступный способ заработать CEU для моих требований PG в Делавэре».

Ричард Роудс, P.E.

Мэриленд

«Я многому научился с защитным заземлением. Пока все курсы, которые я прошел, были отличными.

Надеюсь увидеть больше 40%

курса со скидкой.»

Кристина Николас, П.Е.

Нью-Йорк

«Только что сдал экзамен по радиологическим стандартам и с нетерпением жду возможности сдать еще

курса. Процесс прост, и

намного эффективнее, чем

в пути «.

Деннис Мейер, P.E.

Айдахо

«Услуги, предоставляемые CEDengineering, очень полезны для профессионалов

Инженеры получат блоки PDH

в любое время.Очень удобно ».

Пол Абелла, P.E.

Аризона

«Пока все отлично! Поскольку я постоянно работаю матерью двоих детей, у меня мало

время исследовать, где на

получить мои кредиты от. «

Кристен Фаррелл, P.E.

Висконсин

«Это было очень познавательно и познавательно.Легко для понимания с иллюстрациями

и графики; определенно делает это

проще поглотить все

теории »

Виктор Окампо, P.Eng.

Альберта, Канада

«Хороший обзор принципов работы с полупроводниками. Мне понравилось пройти курс по

мой собственный темп во время моего утра

метро

на работу.»

Клиффорд Гринблатт, П.Е.

Мэриленд

«Просто найти интересные курсы, скачать документы и взять

викторина. Я бы очень рекомендовал

вам на любой PE, требующий

CE единиц. «

Марк Хардкасл, П.Е.

Миссури

«Очень хороший выбор тем из многих областей техники.»

Randall Dreiling, P.E.

Миссури

«Я заново узнал то, что забыл. Я также рад оказать финансовую помощь

по ваш промо-адрес который

сниженная цена

на 40% «

Конрадо Казем, П.E.

Теннесси

«Отличный курс по разумной цене. Воспользуюсь вашими услугами в будущем».

Charles Fleischer, P.E.

Нью-Йорк

«Это был хороший тест и фактически подтвердил, что я прочитал профессиональную этику

коды и Нью-Мексико

правил. «

Брун Гильберт, П.E.

Калифорния

«Мне очень понравились занятия. Они стоили потраченного времени и усилий».

Дэвид Рейнольдс, P.E.

Канзас

«Очень доволен качеством тестовых документов. Буду использовать CEDengineerng

при необходимости дополнительных

. «

Томас Каппеллин, П.E.

Иллинойс

«У меня истек срок действия курса, но вы все же выполнили свое обязательство и дали

мне то, за что я заплатил — много

оценено! «

Джефф Ханслик, P.E.

Оклахома

«CEDengineering предоставляет удобные, экономичные и актуальные курсы.

для инженера »

Майк Зайдл, П.E.

Небраска

«Курс был по разумной цене, а материалы были краткими и

в хорошем состоянии »

Glen Schwartz, P.E.

Нью-Джерси

«Вопросы подходили для уроков, а материал урока —

хороший справочный материал

для деревянного дизайна. «

Брайан Адамс, П.E.

Миннесота

«Отлично, я смог получить полезные рекомендации по простому телефонному звонку.»

Роберт Велнер, P.E.

Нью-Йорк

«У меня был большой опыт работы в прибрежном строительстве — проектирование

Building курс и

очень рекомендую .»

Денис Солано, P.E.

Флорида

«Очень понятный, хорошо организованный веб-сайт. Материалы курса этики Нью-Джерси были очень хорошими

хорошо подготовлены. »

Юджин Брэкбилл, P.E.

Коннектикут

«Очень хороший опыт. Мне нравится возможность загрузить учебные материалы по номеру

обзор где угодно и

всякий раз, когда.»

Тим Чиддикс, P.E.

Колорадо

«Отлично! Поддерживайте широкий выбор тем на выбор».

Уильям Бараттино, P.E.

Вирджиния

«Процесс прямой, никакой ерунды. Хороший опыт».

Тайрон Бааш, П.E.

Иллинойс

«Вопросы на экзамене были зондирующими и продемонстрировали понимание

материала. Тщательно

и комплексное »

Майкл Тобин, P.E.

Аризона

«Это мой второй курс, и мне понравилось то, что мне предложили этот курс

поможет по телефону

работ.»

Рики Хефлин, П.Е.

Оклахома

«Очень быстро и легко ориентироваться. Я определенно буду использовать этот сайт снова».

Анджела Уотсон, P.E.

Монтана

«Легко выполнить. Никакой путаницы при прохождении теста или записи сертификата».

Кеннет Пейдж, П.E.

Мэриленд

«Это был отличный источник информации о солнечном нагреве воды. Информативный

и отличное освежение ».

Luan Mane, P.E.

Conneticut

«Мне нравится подход к регистрации и возможность читать материалы в автономном режиме, а затем

вернуться, чтобы пройти викторину «

Алекс Млсна, П.E.

Индиана

«Я оценил объем информации, предоставленной для класса. Я знаю

это вся информация, которую я могу

использовать в реальных жизненных ситуациях »

Натали Дерингер, P.E.

Южная Дакота

«Обзорные материалы и образец теста были достаточно подробными, чтобы позволить мне

успешно завершено

курс.»

Ира Бродская, П.Е.

Нью-Джерси

«Веб-сайт прост в использовании, вы можете скачать материал для изучения, а потом вернуться

и пройдите викторину. Очень

удобно а на моем

собственный график. «

Майкл Гладд, P.E.

Грузия

«Спасибо за хорошие курсы на протяжении многих лет.»

Dennis Fundzak, P.E.

Огайо

«Очень легко зарегистрироваться, получить доступ к курсу, пройти тест и распечатать PDH

. Спасибо за изготовление

процесс простой. »

Fred Schaejbe, P.E.

Висконсин

«Опыт положительный.Быстро нашел курс, который соответствовал моим потребностям, и прошел

часовой PDH в

один час. «

Стив Торкильдсон, P.E.

Южная Каролина

«Мне понравилось загружать документы для проверки содержания

и пригодность, до

имея для оплаты

материал .»

Ричард Вимеленберг, P.E.

Мэриленд

«Это хорошее напоминание об EE для инженеров, не занимающихся электричеством».

Дуглас Стаффорд, П.Е.

Техас

«Всегда есть возможности для улучшения, но я ничего не могу придумать в вашем

процесс, который требует

улучшение.»

Thomas Stalcup, P.E.

Арканзас

«Мне очень нравится удобство участия в викторине онлайн и получение сразу

. «

Марлен Делани, П.Е.

Иллинойс

«Учебные модули CEDengineering — это очень удобный способ доступа к информации по телефону

многие различные технические зоны за пределами

по своей специализации без

надо путешествовать.»

Гектор Герреро, П.Е.

Грузия

Прогноз прорастания промерзания с использованием моделирования с помощью GIS

Стивен П. Фаррингтон, P.E.
Applied Research Associates, Inc.
415 Waterman Road, Саут-Ройялтон, Вермонт 05068
телефон: 802-763-8348
факс: 802-763-8283
электронная почта: [email protected]

Мартин Л.Гильдея
Applied Research Associates, Inc.
415 Waterman Road
Саут-Роялтон, Вермонт 05068
телефон: 802-763-8348
факс: 802-763-8283
электронная почта: [email protected]

РЕФЕРАТ

Новая методология была разработана с использованием численного моделирования, статистической регрессии, пространственной интерполяции и ГИС для прогнозирования максимальной глубины промерзания в типичной конструкции дорожного покрытия в штате Вермонт с различными уровнями статистической надежности.Методология составления исторических карт промерзания была неизвестна и, похоже, не учитывала влияние высоты, ключевого фактора, определяющего температуру воздуха, влияющую на охлаждение поверхности дорожного покрытия. Новые карты, разработанные в ArcView, будут использоваться для проектирования тротуаров для строительства новых дорог, которые должны простираться до определенного процента от максимальной глубины промерзания.

ВВЕДЕНИЕ

Образование инея на тротуарах может вызвать повреждение покрытия.Многие критерии проектирования дорожного покрытия определяют минимальную глубину конструкции дорожного покрытия как функцию максимальной глубины промерзания. При проектировании новых покрытий Транспортное агентство Вермонта (VAOT) в прошлом полагалось на карты промерзания в масштабе штата, разработанные около 30 или более лет назад. Методология и источники данных для карт были неизвестны, а их надежность была неопределенной. Методология была разработана с использованием комбинации численного моделирования, геостатистики и линейной регрессии для создания новых карт со статистической надежностью 50% и 90%.

ЗАМОРАЖИВАНИЕ НА ТРОПЕРАХ

Образование наледи в конструкциях дорожного покрытия представляет собой проблему с инженерной точки зрения, поскольку может вызвать повреждение из-за дифференциальных изменений объема. Эти изменения вызываются во время замерзания увеличением содержания влаги, превращением воды в лед и образованием ледяных линз. Соответствующая конструкция покрытия может предотвратить повреждение от замерзания путем (а) уменьшения влажности за счет улучшенного дренажа (и уменьшения капиллярности), (б) контроля тепловых свойств дорожного покрытия или (в) сочетания влажности и терморегулирования.Многие процедуры проектирования дорожного покрытия определяют глубину конструкции в процентах от максимальной глубины промерзания. Однако глубина, на которую иней проникает в конструкцию дорожного покрытия, в значительной степени контролируется конструкцией конструкции. Кроме того, глубина промерзания в конструкции дорожного покрытия будет больше, чем в профиле, покрытом снегом, из-за теплоизоляционных свойств снега.

Мороз образуется в почвах, когда температура матрицы почвы опускается ниже точки замерзания объемной воды, в результате чего вода, присутствующая в поровых пространствах, замерзает.Процесс замерзания происходит постепенно и является результатом потери тепла через почву или поверхность тротуара в более прохладный воздух наверху. Везде, где есть влага в почве при температуре ниже точки замерзания содержащейся воды, возникает заморозок. Кейн и Чако (1) представляют обзор физической основы образования инея в почвах, в то время как Хольц и Ковач (2) описывают исторические достижения в понимании явлений промерзания почвы и их воздействия на инженерные сооружения.

Замерзшая почва может состоять из почвы, воздуха, незамерзшей воды и льда. Даже при температурах значительно ниже точки замерзания объемной воды некоторое количество незамерзшей воды может оставаться в почве. Количество незамерзшей воды зависит не только от перепада температуры, но и от удельной поверхности и солесодержания почвы. Чем мельче частицы почвы, тем больше доля незамерзшей воды при заданной температуре ниже нуля. Наличие незамерзшей воды имеет большое значение, поскольку она дает возможность влаге перемещаться вертикально, что способствует образованию и утолщению ледяных линз.Ледяные линзы — это горизонтальные слои твердого льда, которые образуются под поверхностью земли, отделяя верхний слой почвы от нижнего. Они представляют наибольшую опасность повреждения из-за величины смещений, которые они вызывают в конструкции дорожного покрытия, и являются явлением, ответственным за морозное пучение.

Образование ледяной линзы

Тепло и влага мигрируют в почве в ответ на градиенты температуры и всасывания, соответственно, при этом оба потока переносятся из теплой почвы в холодную.Когда почва замерзает из-за потери тепла в атмосферу, тепло и влага мигрируют к поверхности. Подъем воды вверх происходит из-за снижения парциального давления воды по отношению к матрице поровой жидкости, которое происходит на фронте замерзания, когда жидкая вода превращается в лед. Эта потеря воды из-за замерзания аналогична сушке, которая вызывает градиент всасывания. Миграция влаги дополнительно усиливается за счет того, в каком порядке замерзает поровая вода. Незамерзшая вода остается тонким слоем вокруг отдельных частиц почвы, в то время как уже замерзшая вода занимает области порового пространства, наиболее удаленные от поверхности зерен почвы.Таким образом, капиллярный потенциал увеличивается за счет эффективного уменьшения пористости, которое происходит по мере замерзания в поровом пространстве, а также повышенного поверхностного натяжения воды при пониженных температурах.

В конце концов, в поровом пространстве может образоваться достаточно льда, чтобы создать барьер для миграции влаги. Это происходит, когда образуются линзы льда, потому что мигрирующая вода оказывается захваченной на фронте замерзания, что является конечной точкой ее восходящей миграции в «более сухую» почву. Образование ледяных линз обычно начинается там, где пористость уже низкая, например, в слоях ила или глины.Ледяные линзы могут вырасти до нескольких сантиметров в толщину, что напрямую приводит к смещению тротуара.

Подходы к прогнозированию заморозков

В простейших подходах к прогнозированию промерзания используются дневные индексы степени промерзания. У этого подхода есть физическая основа, поскольку температура воздуха существенно влияет на тепловые граничные условия на поверхности дорожного покрытия и, следовательно, на градиент, на который реагируют потоки тепла и влаги.Однако температура воздуха на поверхности — не единственная переменная, регулирующая охлаждение дорожного покрытия. Другие переменные включают: (а) теплопроводность материалов покрытия дорожного покрытия; (б) теплопроводность основания дорожного покрытия, на которую сильно влияет влажность; (c) теплоемкость воздуха, контролируемая температурой и влажностью; (d) скорость ветра; и (e) солнечное излучение, которое может выделять тепло на поверхности тротуара, даже когда воздух охлаждает его.

Проблема прогнозирования заморозков усложняется из-за влияния влажности.Замерзание конструкции дорожного покрытия является результатом двойной миграции тепла и влаги. Следовательно, скорость промерзания почвы будет влиять на глубину и влияние промерзания сильнее, чем окончательный температурный профиль почвы. Например, во время быстрого замораживания влага может перемещаться недостаточно быстро, чтобы подпитывать образование ледяной линзы, тогда как во время более медленного замораживания она может. Несмотря на то, что температуры, вероятно, будут более экстремальными во время быстрого замораживания, повреждение от замерзания из-за впитывания влаги может быть больше во время медленного замораживания.И наоборот, периодическое оттаивание на поверхности земли может вызвать стекание выпущенной воды на более холодную глубину, где она снова замерзнет, ​​вызывая образование ледяной линзы за счет ограничения порового пространства. Кроме того, роль влажности почвы усиливается из-за ее значительного влияния на теплопроводность земляного полотна.

Факторы, динамически влияющие на влажность почвы в конструкции дорожного покрытия, включают: (a) начальное состояние влажности; (б) граничные условия влажности; (c) осаждение и инфильтрация; (d) геометрия поперечного сечения дорожного покрытия и характеристики дренажа; и (e) градации материалов.

Из-за роли динамически изменяющейся влажности почвы в промерзании одни только дневные индексы степени промерзания редко обеспечивают надежный прогноз промерзания конструкций дорожного покрытия. Корреляция для конкретного места с индексом степени промерзания, основанная на местных климатических и влажностных условиях, может оказаться более полезной. Самые сложные методы прогнозирования промерзания включают данные о влажности почвы с разной степенью сложности. Некоторые также включают модели повреждений, которые предсказывают морозное пучение и оттаивание.Для прогнозирования промерзания можно использовать различные степени сложности. Соответствующая степень сложности любого прогноза промерзания зависит от предполагаемого использования результирующего прогноза, доступности и надежности соответствующих входных данных, а также чувствительности результирующего прогноза по отношению к неопределенности входных данных.

ОБЗОР МЕТОДОЛОГИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Метод, используемый для прогнозирования максимальной глубины промерзания в масштабе штата, основывался на численных моделях механистических прогнозов промерзания на основе фактических климатологических данных за 40-летний период (с 1950 по 1990 год) на типичном покрытии на каждой из 6 станций метеорологических наблюдений, разбросанных по всему штату.Полученные в результате 240 прогнозов годовой активности заморозков были затем регрессированы против фактического годового индекса степени заморозков (AFDI) на этих 6 станциях. Затем уравнение регрессии использовалось для соотнесения глубины промерзания, характерной для моделируемого покрытия и погодной динамики региона, с AFDI на 50% уровне надежности. Аналогичным образом, это упражнение было повторено для уровня надежности 90% с использованием регрессии одностороннего 90% верхнего доверительного предела глубины проникновения на одностороннем верхнем 90% доверительном интервале AFDI для всех смоделированных станций.

АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕНДЕНЦИЙ

Чтобы обеспечить стабильные метеорологические данные для прогнозирования промерзания на двух желаемых уровнях статистической надежности, сначала была проведена оценка стабильности климата Вермонта за последние несколько десятилетий. Метеорологические данные с шести заранее выбранных станций наблюдения за погодой, разбросанных по всему штату, были проанализированы на предмет временных тенденций в годовых градусо-днях заморозков. Для этих данных была проведена линейная регрессия методом наименьших квадратов, связывающая годовой индекс степени промерзания (AFDI) с годом возникновения.Средний R-квадрат шести регрессий, связывающих AFDI на каждой станции с годом возникновения, составил 0,019, что указывает на то, что менее 2% изменчивости AFDI за исследуемый период коррелировано с годом возникновения. Таким образом, можно сделать вывод, что местный климат был достаточно стабильным, чтобы прогнозы промерзания могли быть надежно основаны на имеющихся климатических данных за 40 лет.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Расширенная интегрированная климатическая модель (EICM), версия 2.6, использовалась для моделирования промерзания типичного покрытия в реальных метеорологических условиях в течение сорока лет на шести метеорологических станциях, используемых для анализа климатических тенденций. Технические характеристики дорожного покрытия были предоставлены VAOT.

Цифровое описание модели

EICM, разработанная совместно Иллинойским университетом в Урбана-Шампейн и Техасским транспортным институтом Техасского университета A&M, является одной из самых сложных моделей, доступных для прогнозирования промерзания дорожного покрытия.EICM — это двумерная программа сопряженных потоков тепла и влаги для анализа почвенных систем дорожного покрытия в сочетании с климатическими условиями. Модель объединяет три отдельные модели воздействия климата на дорожное покрытие: (а) Модель климатических материалов и структур (CMS), разработанная в Университете Иллинойса; (b) Модель инфильтрации и дренажа (ID), разработанная в Техасском университете A&M; и (c) Модель урегулирования морозного пучки и оттепели, разработанная в Исследовательской и инженерной лаборатории холодных регионов армии США (CRREL).EICM принимает фактические метеорологические данные в качестве входных данных и имеет множество опций для определения влажности и температуры или их потока на нижней границе и на границе между основанием и земляным полотном. Он учитывает боковой и вертикальный дренаж основания, который представляет собой двумерную проблему, при определении количества воды, которая попадает в основание за счет инфильтрации через поверхность дорожного покрытия и основание. Версия 2.6 EICM также улучшает расчеты влажности почвы в модели, вводя соотношение Фредлунда-Синга в качестве альтернативы, выбираемой пользователем для функций Гарднера.

Проверка модели

Полевые данные проекта «Долгосрочные эксплуатационные характеристики дорожного покрытия» (LTPP), полученные на испытательном участке в Нью-Хейвене, штат Вермонт, были использованы для проверки результатов EICM. До 1994 года эта секция была оборудована метеостанцией, а также датчиками температуры и электропроводности. Схема расположения приборов описана Али и Тайабджи (3). Данные из раздела были доступны на CD-ROM, распространенном Федеральным управлением шоссейных дорог за период с 1994 по 1997 год.

Модель была запущена с учетом структуры дорожного покрытия, указанной VAOT для картирования, и с использованием в качестве других входных данных данных метеостанции New Haven Junction с компакт-диска LTPP DataPave. В этом месте была использована фактическая глубина грунтовых вод около шести футов, полученная от DataPave. РИСУНОК 1 иллюстрирует соответствие между прогнозами модели и фактическими данными месторождения. Фактическая глубина промерзания была интерпретирована по данным LTPP как глубина, на которой температура почвы в профиле изменилась с уровня ниже -2.2C до более чем -1,1C. Эта точка перехода ниже 0C из-за солености и была выбрана на основе интерпретации изменений профилей удельного сопротивления после наступления отрицательной погоды. Максимальная сезонная глубина промерзания, прогнозируемая EICM, находится в пределах 3 см от максимальной глубины, полученной из профилей температуры и удельного сопротивления.

РИСУНОК 1. График, показывающий сравнение рассчитанной численно модели глубины проникновения промерзания с глубиной промерзания, полученной из полевых данных LTPP на участке 50-002, Нью-Хейвен-Джанкшн, Вермонт.

Анализ чувствительности

EICM также был оценен на чувствительность к изменению нескольких климатических параметров. Анализ чувствительности проводился путем многократного моделирования поведения одного и того же покрытия при одновременном изменении нескольких климатических параметров и тепловых свойств покрытия. Анализ показал, что максимальное сезонное промерзание, прогнозируемое EICM, было относительно нечувствительным к изменениям глубины грунтовых вод, процентного содержания солнечного света, скорости ветра и поглощающей способности поверхности дорожного покрытия.Таким образом, возможные неточности в предполагаемых и / или оценочных значениях этих параметров не окажут существенного влияния на результат исследования. Результаты этого анализа подробно обсуждаются в заключительном отчете проекта (4).

Модель Входы

EICM требует спецификации климатических данных, структурной геометрии дорожного покрытия и свойств материала дорожного покрытия, включая пористость, плотность в сухом состоянии, теплопроводность, насыщенную проницаемость и информацию о градациях, а также коэффициент поглощения солнечного излучения для поверхностного слоя.

Климатические данные

Для климатических данных EICM требует максимальную и минимальную температуру воздуха, скорость ветра, процент солнечного сияния, суточное количество осадков, широту станции и глубину до грунтовых вод. Климатические данные были получены из информационного продукта Национального центра климатических данных (NCDC) «Совместные ежедневные сводки». Данные по некоторым климатическим параметрам не были доступны для этого продукта, поэтому для всех расчетов модели предполагалась постоянная скорость ветра 10 миль в час и постоянная процентная доля солнечного света 60% в день, за исключением проверки модели с использованием теста New Haven Junction. раздел, где эти данные были доступны из проекта LTPP.Данные LTPP также послужили основой для оценки входных данных о солнечном свете и скорости ветра, используемых для остальных станций. Глубина до грунтовых вод была принята постоянной на уровне 10 футов на всей территории штата. Хотя, согласно анализу чувствительности, выполненному с помощью EICM, более мелкий уровень грунтовых вод привел бы к немного более консервативным прогнозам (то есть к более глубокому проникновению промерзания), изменение даже из-за уменьшения глубины зеркала грунтовых вод вдвое относительно несущественно (1,6%). .

Спецификация дорожного покрытия

Модель дорожного покрытия, по данным VAOT, состояла из 20 штук.3 см (8 дюймов) асфальтобетона, 61,0 см (24 дюйма) слоя щебня A-1 и 40,6 см (16 дюймов) основания песка A-3, для которых была доступна градационная кривая. Под дорожным покрытием предполагалось, что ил A-4 имеет глубину 610 см (20 футов) (т. Е. Соответствует граничному условию температуры на глубине). Типовые значения тепловых, гидравлических и других свойств материала использовались для материалов дорожного покрытия, вводимых в EICM. Эти значения показаны в ТАБЛИЦЕ 1.

ТАБЛИЦА 1.Свойства дорожного покрытия, используемые в качестве исходных данных для EICM.

Все прогоны модели оценивают периоды, начинающиеся 1 августа, чтобы дать достаточное время для влияния динамических входных данных, чтобы полностью исключить первоначальные предположения о профилях влажности и температуры до наступления морозных приземных метеорологических условий. Прогоны были завершены 30 июля. Программа была написана на C ++ для извлечения максимальной сезонной суточной глубины промерзания из каждого года выпуска (с августа по июль) в тепловом выходе EICM (.thm) файлы.

СТАТИСТИЧЕСКАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ

AFDI, соответствующие 40 сезонам данных, смоделированным численно на каждой станции, также были рассчитаны на основе ежедневных наблюдений. Как и при численном моделировании, сезон для расчета AFDI был определен с 1 августа по 30 июля. Эти значения AFDI использовались для выполнения линейной регрессии смоделированной сезонной максимальной глубины промерзания на AFDI. Подбор методом наименьших квадратов показан на РИСУНКЕ 2 вместе с верхним пределом одностороннего предсказания 90%.

РИСУНОК 2. График корреляции между смоделированной глубиной проникновения промерзания (D) и годовым индексом степени промерзания (AFDI), рассчитанным на основе фактических метеорологических записей на шести станциях, с линейной регрессией и односторонним верхним пределом прогноза 90%.

Уравнение, связывающее промерзание с AFDI в градусо-днях Цельсия:

D = 62,2 + 0,1024 AFDI (1)

где D — глубина промерзания в сантиметрах.Значение R-квадрата для этой корреляции показывает, что 86% изменчивости глубины промерзания предсказывается изменчивостью AFDI на сезонной основе.

Для получения 50% достоверной максимальной глубины промерзания на основе регрессии D на AFDI было использовано уравнение регрессии, потому что фактическая глубина промерзания в любой данный год имеет 50% шанс быть меньше, чем предсказывается этим уравнением. Следовательно:

D50 = 62.2 + 0.1024 AFDI (2)

Для разработки 90% надежной корреляции между AFDI и глубиной промерзания использовался верхний предел одностороннего прогноза 90%, поскольку по определению фактическая глубина проникновения промерзания в любой данный сезон с вероятностью 90% будет ниже, чем прогнозируется этот предел. Это то же самое, что и верхняя граница 80% интервала двустороннего прогнозирования (например, 80% вероятность оказаться между верхней и нижней границами 80% интервала прогнозирования и 10% вероятность оказаться ниже нижней границы интервала. ).

D90 = 71,4 + 0,1024 AFDI (3)

ArcView GIS использовался для преобразования сетки средних значений AFDI в масштабе штата с разрешением 1000 м в D50 и D90 с использованием уравнений (2) и (3). Эти результирующие слои сетки D50 и D90 затем были использованы при составлении карт сезонной максимальной глубины промерзания на двух уровнях надежности.

ДНЕВНЫЕ КАРТЫ СТЕПЕНИ ЗАМЕРЗАНИЯ

Сетка средних значений AFDI по всему штату с разрешением 100 м была построена с использованием данных 17 метеорологических станций наблюдения по всему штату.Эти данные были обработаны для расчета среднего AFDI и односторонних 50% и 90% верхних доверительных интервалов на каждой станции. Из более чем 350 метеорологических станций наблюдения в штате только эти 17 соответствовали критерию наличия минимального 49-летнего набора данных, который был завершен не менее чем на 73% (т. Е. Только станции с периодом действия 36 лет или более из возможных 49 -летний период были включены). Карты индекса замораживания были получены с помощью многомерной линейной регрессии AFDI против X, Y и Z (например,g., восток, север и высота) координаты станции с пространственно интерполированными остатками, вычтенными из регрессионного прогноза.

Регрессия AFDI по X, Y и Z привела к значению R-квадрата, равному 90%, с остатками, составляющими около 10% изменчивости AFDI. Остатки являются результатом условий, не включенных в анализ и недоступных в имеющихся в настоящее время данных (т. Е. Факторы, отличные от X, Y и Z). Эти факторы могут включать орографические эффекты (впадины и «холодные пятна» из-за топографии), расстояние до крупных водоемов и детали температурных станций.Обнаруженная конкретная линейная зависимость была:

AFDI = -426,1 + 0,0017785 X + 0,0013451 Y + 0,6585278 Z (4)

, где X, Y и Z — координаты плоскости штата Вермонт в метрах (проекция NAD83), а AFDI имеет единицы градусо-дни Цельсия. Остатки 17 станций были затем пространственно интерполированы по сетке штата на 1000 м с использованием обратного взвешивания расстояний. При обратном взвешивании расстояния влияние любой известной точки на интерполированное значение неизвестной точки пропорционально обратной величине расстояния между ними.Затем сетка интерполированных остатков была вычтена из сетки многомерной линейной регрессии для получения AFDI, который был суммой (а) регрессионной модели и (б) обратной взвешенной по расстоянию интерполяции остатков. Таким образом соблюдаются (точно интерполируются) данные 17 известных станций.

КАРТЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОРОЗА

Уравнения (2) и (3) использовались для преобразования среднего покрытия AFDI в максимальную глубину промерзания при 50% и 90% надежности.Хотя 90% -ный уровень надежности чаще всего требуется для проектирования дорожного покрытия, карта с 50-процентной надежностью была создана для сравнения с исходными картами промерзания (ок. 1960). Все карты представлены в стандартных единицах измерения США для сравнения с исторической картой, которая была доступна только в этих единицах. Карта для уровня надежности 50% показана на РИСУНКЕ 3, с соответствующей ранее существовавшей картой, появившейся на РИСУНКЕ 4, и вычисленной разницей между старым и новым, появившейся на РИСУНКЕ 5.Как показывают рисунки, гораздо более подробная пространственная детализация доступна на более новых картах, которые дают прогнозы на 38 см (15 дюймов) глубже и на 64 см (25 дюймов) мельче, чем на предыдущих картах. Карта максимального промерзания при уровне надежности 90% представлена ​​на РИСУНОК 6.

РИСУНОК 3. Расчетная максимальная глубина проникновения замерзания в масштабе штата в дюймах при 50% надежности.

РИСУНОК 4. Существующая ранее карта максимальной глубины проникновения мороза по всему штату в дюймах при 50% надежности.

РИСУНОК 5. Разница между новой и ранее существовавшей картой максимальной глубины проникновения мороза по всему штату в дюймах при 50% надежности.

РИСУНОК 6. Прогнозируемая максимальная глубина проникновения замерзания в масштабе штата в дюймах при надежности 90%.

ВЫВОДЫ

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что максимальная сезонная глубина промерзания может быть надежно оценена с помощью отношения к AFDI, если зависимость для конкретного покрытия рассчитывается с использованием метеорологических данных, которые учитывают динамику погоды для конкретного региона.Регрессия максимальной сезонной глубины промерзания (полученная из динамического моделирования потока температуры и влаги в конструкции дорожного покрытия с использованием фактических климатических данных) на AFDI показала сильную положительную корреляцию и была полезна для подгонки линейного уравнения к среднему и 90% верхнему прогнозу. предел максимальной глубины промерзания.

За последние несколько десятилетий в штате Вермонт не произошло никаких статистически значимых изменений климата.На шести метеорологических станциях, оцененных по всему штату, с уровнем достоверности 95% не было выявлено тенденции, и менее 2% изменчивости AFDI коррелировали с годом возникновения. Таким образом, AFDI является стабильной метрикой для использования при прогнозировании глубины промерзания. Однако отсутствуют полевые данные для проверки уравнений, связывающих сезонную максимальную глубину промерзания с AFDI в смоделированном покрытии. Это признается ограничением описываемой работы.

Изучение составленных в масштабе штата карт AFDI и годовой максимальной глубины промерзания показывает, что в этих двух показателях присутствует значительная пространственная изменчивость.Большая часть этой изменчивости происходит из-за влияния высоты. Таким образом, речные долины, через которые проходят многие из основных транспортных коридоров штата, демонстрируют менее сильную глубину промерзания, чем прилегающая территория. Выявление этой изменчивости может быть полезным открытием с точки зрения избежания затрат на транспортировку неродного основного материала курса для размещения на ненужную глубину при новом строительстве. Точно так же знание этой изменчивости может теперь также привести к проектированию более глубоких структур дорожного покрытия, чем ранее предполагалось, необходимыми на больших высотах.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа финансировалась в рамках программы государственного планирования и исследований Федерального управления шоссейных дорог и отдела технического планирования Транспортного агентства штата Вермонт, Майк Пологруто, руководитель проекта.

ССЫЛКИ

1. Кейн, Д. и Э. Ф. Чако-младший «Влияние мерзлого грунта на инфильтрацию и сток», в «Гидрология и гидравлика холодных регионов», W.L. Райан и Р.Д. Криссман, ред., ASCE. Нью-Йорк, 1990 год.
2. Хольц, Р. Д. и В. Д. Ковач. Введение в геотехническую инженерию. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1981.
3. Али, Х.А. и С. Тайабджи. Определение промерзания на участках ЛТЭС, итоговый отчет. Публикация FHWA-RD-99-088. FHWA, Министерство транспорта США, 1999.
4. Фаррингтон, С.П., М.Л. Гильдеа, Д. Догерти, Д. Риццо. Прогноз и картографирование промерзания.Заключительный отчет по контракту № 984024. Транспортное агентство штата Вермонт, 2001 г.

% PDF-1.5 % 319 0 объект > / OCGs [333 0 R] >> / Тип / Каталог >> эндобдж 383 0 объект > поток 2014-07-30T23: 33: 26-05: 00Adobe Illustrator CS32014-07-30T23: 38: 01-05: 002014-07-30T23: 38: 01-05: 00

27.

0Centimeters

Морозное пучение — как работает морозное пучение

На большей части севера США в зимние месяцы земля промерзает на глубину до нескольких футов.Такое промерзание грунта может привести к выпучиванию расположенных над ним или прилегающих к нему построек. Вовлеченные силы могут быть очень разрушительными для легконагруженных конструкций и вызывать серьезные проблемы в крупных.

Как работает морозное пучение

Увеличение объема, которое происходит, когда вода превращается в лед, сначала считалось причиной морозного пучения, но теперь признано, что основным механизмом является явление, известное как сегрегация льда.

Найдите подрядчиков по изготовлению плит и фундаментов рядом со мной

Вода забирается из незамерзшей почвы в зону промерзания, где она прикрепляется, образуя слои льда, раздвигая частицы почвы и вызывая вздыбливание поверхности почвы.Без физического сдерживания нет очевидного предела величине вздутия, которое может произойти. (Были зарегистрированы движения более 4 дюймов под цокольными этажами всего за три недели.)

Там, где присутствует ограничение в виде нагрузки здания, давление пучения может преодолевать или не преодолевать ограничение, но оно может быть очень высоким: было измерено 19 тонн / кв. Футов, и семиэтажное здание с железобетонным каркасом на Плотный фундамент поднялся более чем на 2 дюйма.

Другая форма воздействия мороза, называемая «замерзание на воздухе», возникает, когда грунт промерзает до поверхности фундамента. Давление пучения, развивающееся в основании зоны промерзания, передается через промерзающее соединение на фундамент, создавая подъемные силы, способные вызывать заметные вертикальные смещения. При строительстве из бетонных блоков стена подвала может разрушиться при растяжении и разорваться в горизонтальном шве раствора на глубине промерзания.

Управляющие факторы

Для возникновения заморозков должны быть выполнены три основных условия: почва должна быть морозоустойчивой; вода должна быть доступна в достаточном количестве; а условия охлаждения должны вызывать замерзание почвы и воды.Если одно из этих условий удастся устранить, морозного пучения не произойдет.

Морозостойкость связана с гранулометрическим составом частиц почвы. В общем, крупнозернистые почвы, такие как песок и гравий, не вздымаются, тогда как глины, илы и очень мелкие пески будут поддерживать рост ледяных линз, даже если они присутствуют в небольших количествах в крупных почвах. Если морозоустойчивые почвы, расположенные там, где они повлияют на фундамент, могут быть удалены и заменены более грубым материалом, морозного пучения не произойдет.

В незамерзшей почве должна быть вода для движения к плоскости замерзания, где происходит рост ледяных линз. Следовательно, высокий уровень грунтовых вод по отношению к расположению линз льда будет способствовать действию мороза. Там, где предусмотрен надлежащий дренаж, можно предотвратить попадание воды в зону промерзания в чувствительных к морозам почвах.

Глубина промерзания во многом определяется скоростью потери тепла с поверхности почвы. Помимо тепловых свойств почвы, эта потеря тепла зависит от таких климатических переменных, как солнечная радиация, снежный покров, ветер и температура воздуха, которая является наиболее значительной.Если можно предотвратить или уменьшить потерю тепла, чувствительные к заморозкам почвы могут не испытывать отрицательных температур.

Индекс промерзания и глубина промерзания

Записи температуры воздуха могут использоваться для измерения степени промерзания грунта с использованием концепции градус-день. (Если среднесуточная температура воздуха составляет 31 ° F, это будет один градус-день.) «Индекс замерзания» — это просто накопленная сумма градусо-дней замерзания для данной зимы.

Frost Action и основы

Традиционный подход к проектированию фундаментов для предотвращения повреждений от замерзания заключается в размещении фундамента за пределами глубины ожидаемого максимального промерзания, чтобы грунт под несущей поверхностью не замерзал.Однако сама по себе эта мера не обязательно предотвращает повреждение от мороза; если котлован засыпать морозоустойчивым грунтом, это может привести к его повреждению от обмерзания. Глубина, на которую следует закладывать фундаменты, обычно определяется местным опытом, как указано в правилах строительства, но при отсутствии такой информации может использоваться корреляция, показанная в предыдущей таблице.

По самой своей природе чувствительные к морозам почвы плохо дренируют, и, хотя приток грунтовых вод может быть предотвращен, количество воды, имеющейся в незамерзшей почве, часто бывает достаточно, чтобы вызвать значительное пучение.По возможности рекомендуется удалить чувствительную к морозу почву и заменить ее крупнозернистым материалом, который легко дренировать. Также следует соблюдать надлежащую практику дренажа, включая установку дренажной плитки по периметру фундамента.

Важность дренажа

Хороший дренаж важен для любого фундамента, и FPSF не исключение. Изоляция лучше работает в более сухих почвенных условиях.

Убедитесь, что изоляция грунта должным образом защищена от чрезмерной влажности с помощью звуковых методов дренажа, таких как уклон уклона от здания.Утеплитель всегда должен располагаться выше уровня грунтовых вод. Слой гравия, песка или аналогичного материала рекомендуется для улучшения дренажа, а также для обеспечения гладкой поверхности для размещения любой изоляции горизонтального крыла. Минимальный 6-дюймовый дренажный слой требуется для конструкций FPSF без обогрева. Помимо минимальной глубины фундамента в 12 дюймов, требуемой строительными нормами, дополнительная глубина фундамента, необходимая для конструкции FPSF, может состоять из уплотненного, не подверженного замерзанию материала заполнения, такого как гравий, песок или щебень.Кроме того, добавление засыпки со свободным дренажом помогает минимизировать или исключить возможность образования морозного пучения

Возврат к защищенным от мороза мелким фундаментам