Температура вечномерзлых грунтов

Вечной мерзлотой называют грунты и породы, которые характеризуются отрицательной температурой на протяжении минимум 2-3 лет. Эти участки далеко не всегда покрыты льдом и могут оставаться замерзшими под циклически оттаивающим и замерзающим «активным слоем» почвы или камня сотни и даже тысячи лет.

• Академическое название толщ, имеющих отрицательную температуру в течение трехлетнего периода и более — многолетнемерзлые породы. Термин «вечная мерзлота» был введен в обиход в 1927 году ученым Михаилом Сумгиным.

Температура вечномерзлых грунтов (ВМГ) — усредненный коэффициент, который находится в некотором диапазоне значений, характерных для грунтов и пород исследуемой местности. Ключевым фактором влияния на данный показатель выступают сезонные изменения климата: температура воздуха, количество и тип осадков, хозяйственная деятельность. 

Температурный режим ВМГ

Вследствие внешних процессов (сезонное промерзание/оттаивание) в верхнем слое (до 10 м) происходит циклическое колебание температуры грунта между положительным и отрицательным значениями, причем в отдельные периоды нижняя граница верхнего слоя может смещаться, промерзая или оттаивая вместе с многолетнемерзлой толщей, температура которой также характеризуется колебаниями, но в пределах исключительно отрицательных значений.

• Среднегодовая температура мерзлого грунта определяется замерами на глубине 10 метров, так как породы на этой отметке наименее подвержены сезонным колебаниям.

В зависимости от полученных показателей вечномерзлые грунты разделяют на две группы:

• низкотемпературные (ниже -1,5 °C);

• высокотемпературные (выше -1,5 °C).

Температура, при которой грунты теряют пластичность и переходят к твердомерзлому состоянию:

Несмотря на внешне небольшую разницу, принадлежность грунтов к той или иной группе имеет важное значение для строительства и эксплуатации промышленных и гражданских объектов, расположенных в зоне вечной мерзлоты. 

При проектировании на основе температуры многолетнемерзлого грунта определяются способы устройства фундаментов, длительность вмерзания свай, сроки возвращения грунтов к исходным температурам вокруг погруженных элементов конструкции и время выхода оснований в режим расчетных нагрузок.

Низкотемпературные грунты (преимущественно твердомерзлые) допускают строительство без предварительного замораживания с применением специального охлаждающего оборудования. Несущая способность фундаментов в таких условиях эффективно превышает показатели высокотемпературных, а период вмерзания свай с достижением проектной несущей способности объективно короче. Эти особенности позволяют качественно оптимизировать сроки и бюджет возведения зданий и сооружений.  

Высокотемпературные грунты (преимущественно пластичномерзлые), в свою очередь, предполагают особые меры для предварительного понижения температуры грунтов на связанных этапах строительства и эксплуатации объекта. Способность фундаментов эффективно выдерживать проектные нагрузки в таких условиях относительно невелика, поэтому для укрепления участка вокруг них применяются различные методы искусственного охлаждения грунтов — термостабилизация.

Данная технология позволяет сохранить отрицательную температуру нетающих толщ и существенно ускорить процесс естественного вмерзания конструкции, сокращая продолжительность строительства и повышая безопасность эксплуатации объекта.

Инструменты измерения температуры ВМГ

Одним из ключевых этапов в установлении особенностей геокриологических условий на территориях, где ведется хозяйственная деятельность, является геотехнический мониторинг, включающий измерение температуры грунтов оснований инженерных сооружений.

Разнообразие климатических и ландшафтных условий в зоне вечной мерзлоты требует от измерительных систем в первую очередь гибкости архитектуры, позволяющей осуществлять оперативный, автономный или непрерывный мониторинг температуры без использования значительного финансового, технического и человеческого ресурса на внедрение и трансформацию в процессе наблюдения. Этим требованиям в полной мере отвечает оборудование компании РУСГЕОТЕХ. 

Классификация инструментов измерения температуры ВМГ

В зависимости от поставленных задач устройства для замера температуры грунтов классифицируются по ряду признаков:

• способ размещения — стационарные и переносные;

• глубина измерения — поверхностные и глубинные;

• принцип действия — термометры сопротивления, с термопарами, цифровые термодатчики;

• степень интеграции — автономные или в составе автоматических мониторинговых комплексов.

К основным аппаратным элементам наблюдения за температурой многолетнемерзлых грунтов относятся:

• термокосы — кабельные системы последовательно соединенных датчиков для полевых и стационарных исследований методом погружения в скважины (рабочая зона, глубина погружения и количество датчиков подбирается индивидуально);

• логгеры — стационарные внешние модули, постоянно соединенные с термокосой, предназначенные для автономной регистрации температурных показателей (выгрузка данных из памяти зависит от типа устройства и допускает как проводную, так и беспроводную передачу);

• считыватели температуры — приборы для ручного считывания данных с термокосы (поставляются в комплекте соединительной гарнитурой, флеш-накопителем и ПО для адаптации подключения к смежным программно-аппаратным комплексам).

На выбор инструмента для определения температуры грунта оказывают влияние множество факторов, среди которых глубина измерений, требуемая точность, периодичность считывания, условия эксплуатации и бюджет проекта. Наши специалисты готовы оказать любую консультационную помощь по подбору измерительного оборудования в рамках контроля геокриологической обстановки объекта.

Заключение

Разработанные компанией РУСГЕОТЕХ устройства контроля температуры грунтов могут быть интегрированы в программный комплекс SmartGTM, который помогает оптимизировать работу с данными. Преимущества централизации систем:

• круглосуточный мониторинг объектов, непрерывная фиксация температурных параметров, потоковый анализ;

• контроль событий в реальном времени из любой точки мира, распределенный доступ;

• отслеживание изменений с автоматическим уведомлением о выходе параметров за пределы допустимого диапазона значений;

• вывод информации датчиков в общую панель, возможность визуализации (графики, таблицы). 

Обратите внимание! Если позволяют условия, оптимальным решением становится внедрение автоматической системы мониторинга уже на этапе проектирования объекта. Такой подход позволяет учесть особенности местности и сооружения, а также оперативно обнаруживать и предупреждать изменения в течение всего жизненного цикла конструкции, осуществляя контроль температуры грунта независимо от режима эксплуатации.