Отчет НГАСУ «СИБСТРИН» по исследованию работы тэрмоэлектроматов (ТЭМС) «ФлексиХИТ» и составление номограммы для определения ориентировочной продолжительности оттаивания и отогрева мерзлых грунтовых оснований нормальной влажности.
В соответствии с Рекомендациями грунтовое или искусственное основание, как правило, необходимо отогреть на всю глубину промерзания до температуры 5–10 °С. При большой толщине мерзлого грунтового основания необходимо оттаять его не менее чем на ¾ глубины промерзания и не менее чем на 500мм для связных и 300мм для несвязных грунтов. Размеры участков отогретого основания должны выступать за внешний обрез бетонируемых конструкций по всему периметру на двойную глубину оттаивания, но не менее чем на 1 м.
Напомню, что несвязные грунты – это рыхлые породы, у которых отсутствуют связи между частицами (к таким грунтам относят песок, гравий и др.). Грунты, характеризующиеся наличием сил сцепления между частицами, носят название связных (супеси, суглинки и глины).
Методы отогрева и прогрева грунтового основания:
- оттаивание грунта в тепляках;
- оттаивание при помощи твердого и жидкого топлива;
- оттаивание грунта паровыми, водяными и электрическими иглами;
- оттаивание грунта электродами и нагревателями;
- использование трубчатых электронагревателей (ТЭН) и коаксиальных нагревателей.
Преимущества прогрева грунта термоматами
Допустим, что нам необходимо забетонировать ступенчатый фундамент. При этом на строительной площадке уже установлена опалубка и арматурные каркасы, необходимо осуществлять бетонирование фундамента, но грунтовое основание промерзло, и тепла внесенного в бетонную смесь не будет хватать для достижения бетона подошвы фундамента критической прочности. В таком случае, перед бетонированием, грунтовое основание необходимо оттаять.
Каким же способом, в данной ситуации, можно оттаять грунт и достичь требований представленных в рекомендациях?
Эти требования можно осуществить при помощи метода, разработанного компанией ООО «Импульс», термоэлектроматами (ТЭМС).
Этот метод не требует больших дополнительных затрат времени, средств и ресурсов. ТЭМС представляет собой гибкое электрическое изделие, поэтому его достаточно просто разместить между арматурным каркасом и промерзшим грунтовым основанием. Благодаря тому, что ТЭМС обеспечивает однородное распределение тепла по его поверхности, отогрев и прогрев грунтового массива происходит равномерно по всему объему отогреваемого грунтового основания, без зон локального перегрева, или недогрева.
Распределение тепла в грунте при прогреве
Как же осуществляется распространение тепла в грунтовом массиве? Этот процесс происходит по закону Фурье. Количество тепла , переносимого через единицу площади в единицу времени, прямо пропорционально теплопроводности почвы и градиенту температуры . Закон Фурье связывает тепловой поток с градиентом температуры через коэффициент пропорциональности – теплопроводность, [Вт2/(м град.)].
(1) 
Коэффициент теплопроводности равен количеству тепла прошедшего в единицу времени через единичное сечение почвы при единичной толщине слоя почвы (1 см или 1м) и при разнице температур в 10 °С (или 1К).
Для того что бы определить время прогрева грунтового основания и его оптимальную температуру необходимо решить уравнение теплопроводности.
Основное уравнение теплопроводности – уравнение, связывающее изменения температуры во времени с изменением температуры по расстоянию. Для динамики температуры это уравнение имеет вид
(2) 
Величина 
носит название «коэффициента температуропроводности» материала, обозначается буквой а [м2/ч], характеризует способность среды выравнивать свою температуру.
Решение уравнения теплопроводности без учета фазовых переходов вода-лед, лед-вода (для несвязных грунтов, таких как песок) может осуществляться при помощи метода разделения переменных [2], при этом методе искомую функцию t представляют в виде произведения переменных T(τ) и X(x), из которых первая зависит только от времени, а вторая – только от координаты:
(3) 
Для решения уравнения теплопроводности с учетом фазовых переходов вода-лед, лед-вода (для связных грунтов, таких как супесь, суглинок и грлина) можно осуществить при помощи комбинированного сеточного метода.
Задача отогрева и прогрева грунта с плоским источником тепла находящимся на поверхности имеет вид:
– уравнение теплопроводности в талой зоне
(4) 
– уравнение теплопроводности в мерзлой зоне
(5) 
– начальные условия
(6) 
– граничные условия
(7) 
(8) 
– условия на фазовой границе
(9) 
(10) 
Здесь 
, это скрытая теплота фазовых переходов по рассматриваемой оси, – удельная теплота плавления льда (334 кДж/кг).
Суть комбинированного метода заключается в следующем. В узлах расчетной области, не смежных с фронтом фазового перехода, температура определяется из явной разностной схемы, а для точек смежных узлов – из неявной разностной схемы.
Решение этой задачи дает возможным построить номограммы для определения ориентировочной продолжительности оттаивания и отогрева мерзлых грунтовых оснований нормальной влажности представленной на рисунке №1.
Рис. №1. Номограмма для определения ориентировочной продолжительности оттаивания и отогрева мерзлых грунтовых оснований нормальной влажности.
Допустим, глубина промерзания основания равна 1 метру, средняя температура воздуха -15°С, основание суглинистое и средняя температура обогрева +50°С, тогда продолжительность обогрева составит примерно 11 часов.
