Perm, Russian Federation
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
The article is focused on laboratory research in order to obtain the thermal conductivity of the soil, depending on the grain-size composition. The technological sequence of the experiment has been developed. The sequence of planning the experimental research and the order of analysis of the data obtained are presented. The research model has been defined in the form of a regression equation, an experiment planning matrix has been compiled. During the tests, it is planned to obtain the dependence of the thermal conductivity of sandy soil on the change in its particle size distribution of 0.5; 0.25; 0,1, and also the dependence of various density and humidity of the studied sample.
design of experiments, thermal conductivity, thermal physics of earth foundation, regression equation, grain-size composition
Основной задачей в области теплообмена внутри твердых тел является задача нахождения температурного поля в них. Температурным полем называется совокупность мгновенных значений температуры во всех точках исследуемого объекта или распределение температуры во времени и в объеме. Задача нахождения температурного поля в теле состоит в определении температуры в любой точке тела в любой момент времени. Существенное влияние на распределение температурных полей в теле оказывают его теплофизические характеристики.
Работа направлена на исследование закономерности теплофизических характеристик песчаных грунтов различного гранулометрического состава при изменении таких параметров как влажность, плотность.
На сегодняшний день дана оценка сходимости натурного метода определения теплопроводности песчаных грунтов с расчетными методами [1].
В связи с тем, что отечественные нормы, в части определения теплофизических свойств, не распространяются на грунты, поэтому актуален вопрос возможности применения методов для теплоизоляционных материалов.
Данная проблематика была изучена путем проведения лабораторных исследований в целях получения зависимости теплопроводности грунта от его физических свойств – влажности и плотности для конкретного типа песчаных грунтов. [2]
По изученному анализу можно сделать выводы, что данные методы дают широкое представление о теплофизических свойствах инертных материалов с последующим на их основе практическим применением в области строительства, но ни один из них не учитывает гранулометрический состав.
Таким образом, проведение исследования в целях определения зависимости теплопроводности от гранулометрического состава грунта с последующим проведением натурного эксперимента, результаты которого позволят получить искомую зависимость, является актуальным.
Работа находит свое практическое применение в энергоэффективных фундаментах. Проблематика была описана Захаровым А.В. и Пономаревым А.Б. в работе «Анализ взаимодействия прогрессивных конструкций энергетических фундаментов с грунтовым массивом» и «Энергоэффектинвные конструкции в подземном строительстве».
Искомая зависимость позволит на ранних этапах оценить возможность применения энергоэффективных фундаментов без проведения сложных геологических и лабораторных исследований грунтов, только по ранее сделанному отчету по инженерно-геологическим изысканиям.
При планировании эксперимента предлагается провести лабораторные исследования на материально-технической базе лаборатории кафедры «Строительное производство и геотехника» Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета.
В настоящее время разработан план проведения исследования.
В эксперименте в качестве объекта исследования будут использоваться искусственно приготовленные образцы песчаного грунта. Входными параметрами приняты:
Х1-плотность ρ,
Х2-влажность W, предполагается варьировать в пределах 4-12%.
Выходной параметр коэффициент теплопроводности - λ.
Планируется проведение трех серий экспериментов для получения отдельных зависимостей для трех фракций песчаного грунта 0,5; 0,25; 0,1 мм.
На основании анализа ранее проводимых исследований [1, 2, 3], предварительно принято уравнение регрессии второго порядка:
λ =a0X 0+a1 X1 +a2 X2 +a11 X21 + a22 X22 +a12 X1 X2 , (1)
где X0— свободный член, X0=1; X1 — плотность грунта; X2— влажность грунта; a0,a1a2,a11,a22,a12— коэффициенты уравнения регрессии.
Истинное значение нулевого уровня находится как половина суммы верхнего и нижнего уровня фактора.
Интервал варьирования определяется как половина разницы между верхним и нижним пределом истинных значений фактора. Причем верхний уровень фактора равен (+1), нижний – (–1), а основной – нулю.
План каждого эксперимента представлен в таблице 1.
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента
|
№ эксперимента |
Значения факторов |
Значения откликов |
|||
|
Плотность |
Влажность |
Теплопро-водность |
|||
|
Кодированное значение |
Истинное значение, т/м3 |
Кодированное значение |
Истинное значение, % |
||
|
х1 |
Х1 |
х2 |
Х2 |
λ |
|
|
1 |
-1 |
1,73 |
-1 |
4 |
λ1 |
|
2 |
-0,5 |
1,81 |
-1 |
4 |
λ2 |
|
3 |
0 |
1,82 |
-1 |
4 |
λ3 |
|
4 |
0,5 |
1,86 |
-1 |
4 |
λ4 |
|
5 |
1 |
1,89 |
-1 |
4 |
λ5 |
|
6 |
-1 |
1,73 |
0 |
8 |
λ6 |
|
7 |
-0,5 |
1,81 |
0 |
8 |
λ7 |
|
8 |
0 |
1,82 |
0 |
8 |
λ8 |
|
9 |
0,5 |
1,86 |
0 |
8 |
λ9 |
|
10 |
1 |
1,89 |
0 |
8 |
λ10 |
|
11 |
-1 |
1,73 |
1 |
12 |
λ11 |
|
12 |
-0,5 |
1,81 |
1 |
12 |
λ12 |
|
13 |
0 |
1,82 |
1 |
12 |
λ13 |
|
14 |
0,5 |
1,86 |
1 |
12 |
λ14 |
|
15 |
1 |
1,89 |
1 |
12 |
λ16 |
Кодированное значение фактора равно:
xi=Xi-X0/Δi
xi – кодированное значение фактора; Xi – истинное значение фактора; X0 –истинное значение нулевого уровня; Δi – интервал варьирования фактора.
Для определения теплопроводности будет использован прибор МИТ-1. Образцы будут приготовлены по ГОСТ 22733-2002 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности» с заданной плотностью и влажностью. Гранулометрический состав песчаных грунтов по ГОСТ 12536-2014. Результаты экспериментов планируется отработать методами математической статистики.
Таким образом, выполнено планирование эксперимента в целях построения уравнения зависимости теплопроводности от гранулометрического состава грунта. Выбрана технологическая последовательность выполнения эксперимента. В дальнейшем в ходе испытаний планируется получить зависимость теплопроводности песчаного грунта от изменения его гранулометрического состава 0,5; 0,25; 0,1, а также от плотности и влажности исследуемого образца.
1. Medvedev D.P., Zakharov A.V., Planirovaniye eksperimenta po opredeleniyu teploprovodnosti peschanykh gruntov eksperimental'nymi metodami [Design of experiments to determine the thermal conductivity of sandy soils experimental methods] Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo polytekhnicheskogo universiteta. Urbanistika, 2014, no. 4, pp. 109-115.
2. Medvedev D.P., Zakharov A.V., Analiz skhodimosti rezul'tatov naturnogo izmereniya, teploprovodnosti peschanogo grunta s zarubezhnymi raschetnymi metodami [ Analysis of the convergence of the results of full-scale measurement, the thermal conductivity of sandy soil with computational methods] Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo polytekhnicheskogo universiteta. Stroitelstvo i arkhitektura,, 2014, no. 4, pp. 129-137.
3. Zakharov A.V., Ponomarev A.B., Maschenko A.V. Energoeffektivnye konstruktsii v podzemnom stroitelstve. Uchebnoe posobie dlya vuzov [Energy efficient design in civil engineering: a manual for high schools]. Perm: Permskii natsionalniy issledovatelskiy polytekhnicheskiy universitet, 2012. 127 p.
4. Zakharov A.V. Analiz vzaimodeystviya progressivnykh konstruktsiy energeticheskikh fundamentov s gruntovym massivom v geologicheskikh usloviyakh g. Permi [Analysis of the interaction of progressive structures of energy foundations with a primer in the geological conditions of the city of Perm] Internet-vestnik Volgogradskyi arkhitekturno-stroitelnyi universitet, 2011, 4(19)
