Пермский край, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Рассматривается проблематика для проведения лабораторных исследований в целях получения зависимости теплопроводности грунта от гранулометрического состава. Выработана технологическая последовательность проведения эксперимента. Представлена последовательность планирования экспериментального исследования и порядок анализа полученных данных. Определена модель исследования в виде уравнения регрессии, составлена матрица планирования эксперимента. В ходе испытаний планируется получить зависимость теплопроводности песчаного грунта от изменения его гранулометрического состава 0,5; 0,25; 0,1, а также зависимость различной плотности и влажности исследуемого образца.
планирование эксперимента, теплопроводность, теплофизика грунтовых оснований, уравнение регрессии, гранулометрический состав.
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. Медведев Д.П., Захаров А.В. Планирование эксперимента по определению теплопроводности песчаных грунтов экспериментальными методами //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Серия: Урбанистика. - 2014. - Вып. 4 - С. 109-115.
2. Медведев Д.П., Захаров А.В. Анализ сходимости результатов натурного измерения, теплопроводности песчаного грунта с зарубежными расчетными методами //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2014. - Вып. 4 - С. 129-137.
3. Захаров А.В., Пономарев А.Б., Мащенко А.В. Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве: учеб. пособие для вузов. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. - 127 с.
4. Захаров А. В. Анализ взаимодействия прогрессивных конструкций энергетических фундаментов с грунтовым массивом в геологических условиях г. Перми // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2011 Вып. 4(19).
