Sezónní hloubka zamrznutí je maximální hloubka, do které může půda v zimě zamrznout. Tento ukazatel je jedním z nejdůležitějších ve stavebnictví, protože určuje hranici, pod kterou se doporučuje umístit základnu základových a podzemních potrubí. Hloubka zamrznutí je také jedním z důležitých faktorů, které určují podmínky pro přezimování přezimujících plodin, stejně jako určující odtok tající vody na jaře. V druhém případě hloubka zamrznutí ovlivňuje vlhkost půdy po tání sněhové pokrývky. Hluboké zmrazení zabraňuje pronikání roztavené vody do spodních vrstev půdy.
Existují dva typy hloubky mrazu
- Aktuální – hloubka, do které půda v daném místě a v daném okamžiku zamrzla.
- Regulační – průměrná roční (podle pozorování za období minimálně 10 let) maximální hloubka mrazu v otevřené horizontální oblasti bez sněhu.
Pozornost. Donedávna se pro výpočet hloubky zamrznutí půdy používal Pravidla SP 131.13330.2012 (SNiP 23-01-99*), která od roku 2020 pozbyla platnosti kvůli uznání vyhlášky Ministerstva výstavby Ruska. ze dne 28.11.2018. listopadu 763 N 131.13330.2018/pr, kterým byl schválen nový Řád SP XNUMX .XNUMX.
Faktory ovlivňující hloubku promrzání půdy
Skutečná hloubka promrzání závisí na typu půdy, na tepelné kapacitě, tepelné vodivosti a vlhkosti půdy, na reliéfu, na tloušťce sněhové pokrývky a na přítomnosti vegetace, která chrání půdu před prudkým ochlazením, průtok podzemní vody (čím je větší, tím méně zamrzá).
Ale hlavním faktorem jsou povětrnostní podmínky: v zasněžených a velmi mrazivých zimách půda zamrzne až na 170-250 cm a v teplých a zasněžených zimách – až 50 cm.Sníh výrazně snižuje přenos tepla z půdy do atmosféry, protože obsahuje hodně vzduchu a má tuto nízkou tepelnou vodivost. Proto sněhová pokrývka s rostoucí tloušťkou zpomaluje ochlazování půdy a její promrzání.
Graf závislosti promrzání půdy na tloušťce sněhové pokrývky
V případě sněhové pokrývky je třeba zadat koeficient 0,85 pro tloušťku krytu 0,25 m, koeficient 0,7 pro tloušťku 0,5 m a 0,65 pro tloušťku 0,75 m.
Vliv tloušťky sněhové pokrývky na promrzání půdy
Pro normativní hloubku zámrzu je důležitý typ půdy a součet průměrných měsíčních záporných teplot, zbývající faktory se standardně považují za nejhorší. Výpočet se provádí podle vzorce: H = √M*k, kde M je součet průměrných měsíčních záporných teplot za rok, k je koeficient pro každý typ půdy.
U jílovité půdy se maximální hodnota snižuje o 1.47 krát, u písku – o 1,2, u štěrku – o 1,1. Při trvalém pobytu se hloubka zamrznutí půdy pod domem snižuje 1.2krát.
Období zmrazování a rozmrazování
Zamrzání půdy v zimě měsíc od měsíce stoupá a ve většině regionů dosahuje maxima v březnu. Začátkem dubna dochází k postupnému rozmrazování půdy, ke kterému dochází jak zespodu, tak z vrchu zmrzlé vrstvy. K úplnému rozmrazení dochází nejdříve v druhé polovině května. V případě návratu chladného počasí může horní rozmrzlá vrstva opět promrznout a následně se v určité hloubce vytvoří vrstva nezmrzlé půdy.
Graf zamrznutí půdy v Moskvě pro rok 2021 podle databáze klimatu-energy.ru
V rozsáhlé oblasti Ruska (hlavně na Sibiři) však půda zamrzá tak hluboko, že v létě má půda čas roztát pouze z povrchu a hlouběji zůstává trvale zamrzlý horizont, známý jako permafrost.
Pro jasnější představu o obdobích zamrzání a rozmrazování půd v konkrétní oblasti můžete použít tabulku teplot půdy v různých hloubkách po měsících z knihy „Příručka pracovníka plynárenského průmyslu“ z roku 1989.
Tabulka hloubky zamrznutí půdy ve velkých městech Ruska
Rozmanitost tvarů krajiny, vegetace a půdy na území Ruska vede k významným rozdílům v hloubce zamrznutí půdy. Ve středním pásmu evropské části se hloubka mrazu pohybuje od 1 do 1,5 m v jižních oblastech – od 40 do 50 cm. Ve východní Sibiři, kde jsou zimy chladnější a sněhová pokrývka velmi malá, dosahuje hloubka mrazu několik metrů. Takže v Kaliningradu půda promrzne jen na 0.59 m a v Jakutsku na 4.41 m. Za těchto podmínek má půda v letním období čas rozmrznout pouze z povrchu a hlouběji zůstává trvale zamrzlý horizont, tzv. permafrost.
Místo předmluvy.
Chytří a benevolentní lidé mě upozornili ne na to, že by se tento případ měl hodnotit pouze v nestacionárním prostředí, vzhledem k obrovské tepelné setrvačnosti země a brát v úvahu roční režim změn teplot. Hotový příklad byl řešen pro stacionární tepelné pole, má tedy zjevně nesprávné výsledky, takže je třeba jej považovat pouze za jakýsi idealizovaný model s velkým množstvím zjednodušení zobrazujících rozložení teplot ve stacionárním režimu. Takže jak se říká, jakákoliv náhoda je čistá náhoda.
Jako obvykle nebudu uvádět mnoho konkrétních o přijatých tepelných vodivostech a tloušťkách materiálů, omezím se na popis pouze několika, předpokládáme, že ostatní prvky jsou co nejblíže skutečným konstrukcím – termofyzikální charakteristiky jsou přiřazeny správně a tloušťky materiálů jsou přiměřené reálným případům stavební praxe. Účelem článku je získat rámcovou představu o rozložení teplot na hranici budovy a země za různých podmínek.
Trochu o tom, co je třeba říci. Vypočtená schémata v tomto příkladu obsahují 3 teplotní limity, 1. je vnitřní vzduch v prostorách vytápěného objektu +20 o C, 2. je venkovní vzduch -10 o C (-28 o C) a 3. teplota v půdě v určité hloubce, při které kolísá kolem určité konstantní hodnoty. V tomto příkladu je hodnota této hloubky 8 m a teplota +10 ° C. Tady se mnou někdo může polemizovat o přijatých parametrech 3. hranice, ale spor o přesné hodnoty je není úkolem tohoto článku, stejně jako získané výsledky nejsou nárokem na zvláštní přesnost a možnost vazby na konkrétní návrhový případ. Opakuji, úkolem je získat základní rámcovou představu o rozložení teplot a otestovat některé zavedené myšlenky v této otázce.
Teď rovnou k věci. Takže teze k testování.
1. Země pod vytápěnou budovou má kladnou teplotu.
2. Normativní hloubka promrzání půdy (to je spíše otázka než konstatování). Zohledňuje se při vykazování údajů o zamrzání v geologických zprávách sněhová pokrývka půdy, protože zpravidla je okolí domu odklízeno od sněhu, jsou uklízeny cesty, chodníky, slepá místa, parkoviště atd.?
Promrzání půdy je proces v čase, proto pro výpočet vezmeme venkovní teplotu rovnou průměrné teplotě nejchladnějšího měsíce -10 o C. Zeminu vezmeme se sníženou lambda = 1 pro celou hloubku.
Obr. 1. Schéma výpočtu.
Obr.2. Teplotní izolinie. Schéma bez sněhové pokrývky.
Obecně platí, že teplota země pod budovou je kladná. Maxima jsou blíže středu budovy, minima k vnějším stěnám. Izolace nulových teplot vodorovně se týká pouze průmětu vytápěné místnosti na vodorovnou rovinu.
Zamrzání půdy daleko od budovy (tj. dosažení záporných teplot) nastává v hloubce ~2.4 metru, což je více než normativní hodnota pro konvenčně zvolenou oblast (1.4-1.6 m).
Nyní přidáme 400 mm středně hustého sněhu s lambdou 0.3.
Obr.3. Teplotní izolinie. Schéma se sněhovou pokrývkou 400 mm.
Izolanice kladných teplot vytlačují záporné teploty venku, pouze kladné teploty pod budovou.
Zamrznutí půdy pod sněhovou pokrývkou ~1.2 metru (-0.4 m sněhu = 0.8 m zemního mrazu). Sněhová “deka” výrazně snižuje hloubku mrazu (téměř 3x).
Přítomnost sněhové pokrývky, její výška a stupeň zhutnění zřejmě není konstantní hodnotou, proto je průměrná hloubka mrazu v rozmezí výsledků 2 schémat, (2.4 + 0.8) * 0.5 = 1.6 metru, což odpovídá na standardní hodnotu.
Nyní se podívejme, co se stane, pokud udeří silné mrazy (-28 o C) a budou stát dostatečně dlouho na to, aby se tepelné pole stabilizovalo, a přitom kolem budovy nebude sněhová pokrývka.
Obr.4. Schéma na -28 о Bez sněhové pokrývky.
Záporné teploty se plazí pod budovou, kladné jsou přitlačovány k podlaze vytápěné místnosti. V oblasti základů půda zamrzne. Ve vzdálenosti od budovy půdy promrzají o ~4.7 metru.
