При какой температуре замерзает почва

Обновлено: 07.07.2024

С наступлением устойчивых отрицательных температур начинается промерзание почвы. Вначале замерзает верхний ее слой, а затем и нижние на 30—150 см. Глубина промерзания в основном зависит от погодных и почвенных условий, а также и от рельефа. Глубокое промерзание почв обычно бывает в малоснежную с сильными морозами зиму.

Вода замерзает в почве при температуре ниже нуля градусов. Это обусловливается содержанием в ней растворимых веществ. Чем выше концентрация раствора, тем ниже температура замерзания воды.

Например, в песчаных и суглинистых почвах вода замерзает при минус 4—4,5°, а в торфяной, где выше концентрация раствора, только при минус 5°.

Почвы на возвышенных местах промерзают глубже, чем в низинах, где больше снега. Равнины занимают среднее положение. Чем выше степень дисперсности почвы и чем сильнее действие поверхностных явлений, тем дольше она не промерзает. Медленнее промерзают избыточно увлажненные почвы вследствие высокой теплоемкости воды, а также сухие, так как они имеют связанную воду, которая превращается в лед при более низких температурах. Плотные почвы по сравнению с рыхлыми промерзают быстрее и на большую глубину.

На дерново-подзолистых почвах вследствие подтягивания влаги (во время промерзания) влажность верхнего слоя увеличивается до полной влагоемкости. Кристаллы льда растут в почве также в результате конденсации парообразной влаги, притекающей из нижних горизонтов почвы. Передвижение ее в парообразной форме связано с разностью в упругости водяных паров верхнего и нижнего слоев почвы.

Промерзание верхнего слоя при влажности ниже полной влагоемкости способствует улучшению физических свойств почвы вследствие разрыва крупных почвенных комков на мелкие при расширении пор, в которых находилась вода, кристаллами льда. Поэтому почва, вспаханная с осени, при весенней обработке хорошо крошится.

Снеговой и растительный покров, а также лесная подстилка замедляют промерзание почвы.

Замерзание и оттаивание почвы оказывают значительное влияние на перезимовку озимых зерновых культур и клевера. С этими явлениями связано образование ледяной корки, вымочек, выпревание и выпирание корней растений. Они также могут пострадать от быстрого и глубокого промерзания почвы.

Для жизни растений большое значение имеет количество образовавшихся кристаллов льда в почве и их структура, которая зависит от температуры, влажности, плотности и других условий почвы.

В Беларуси, Прибалтийских республиках и прилегающих областях РФ больше всего гибнут озимые от вымокания, выпревания, снежной плесени и очень редко от вымерзания и высыхания.

Нагревание и охлаждение водоемов

Вода,
в отличие от почвы, для прямой и рассеянной
солнечной радиации является прозрачным
телом, и потому коротковолновая лучистая
энергия проникает в воду на довольно
значительную глубину (в зависимости от
прозрачности воды от 10 до 100 м), и
радиационное нагревание их происходит
в слое воды толщиной несколько метров.

Второе
отличие состоит в том, что объемная
теплоемкость воды приблизительно в 2
разы больше теплоемкости почвы, и по
этой причине для достижения ими одной
и той же температуры вода должна получить
больше тепла, чем почва. Если же к воде
и к почве поступает одинаковое количество
тепла, или же они отдают одинаковое
количество тепла, то температура воды
изменится на меньшую величину, чем
температура почвы.

В-третьих,
в почве тепло передается по вертикали
путем молекулярной теплопроводности,
а в легко движущейся воде передача тепла
по вертикали осуществляется в результате
более активного процесса — турбулентного
перемешивания слоев воды, из-за чего
происходит интенсивный обмен
физико-химических свойств между этими
слоями. Турбулентность в водоемах
обусловлена волнением и разными
скоростями течений водных масс, а также
термической конвекцией, а в морях —
конвекцией, вызванной разностью солености
водных слоев. Турбулентное перемешивание
в водоемах предопределяет:

перенесение
тепла вглубь водоемов в 1000-10000 раз
больше, чем перенесение его в почве;

быстрое
выравнивание температур между слоями
воды;

нагревание
и охлаждение водных бассейнов до
значительно больших глубин;

более
медленное, чем в почве, изменение
температуры поверхности водоемов, и
на величину меньшую, чем изменение
температуры на поверхности почвы.

Поверхностный
слой воды, как и почвы, хорошо поглощает
инфракрасную радиацию. Условия поглощения
и отображения длинноволновой радиации
в водных бассейнах и в почве отличаются
мало. Иначе отстоит дело с коротковолновой
радиацией. Короткие волны, в особенности
фиолетовые и ультрафиолетовые, проникают
в воду на довольно значительную глубину
и радиационное нагревание происходит
в слое воды толщиной несколько метров.

Расхождения
теплового режима водоемов и почв
вызываются следующими причинами:

—
теплоемкость воды в 3-4 раза больше
теплоемкости почвы. Поэтому, для
одинакового их нагревания вода должна
получить больше тепло, чем почва. Если
к воде и к почве поступит одинаковое
количество тепла, то температура воды
измениться меньше;

— частицы воды
имеют большую подвижность. Поэтому, в
водоемах передача тепла внутрь воды
происходит не путем молекулярной
теплопроводности, как в почве, а в
результате более интенсивного процесса
– турбулентного перемешивания.

Между
поверхностными и нижележащими слоями
почвы и воды постоянно происходит
теплообмен. Поток тепла в почве или
водоеме приблизительно выражается
формулой:

λ – коэффициент
теплопроводности.

В
системе СИ поток тепла выражается в
Вт/м2.

Функциональность вод

Схема установки глубокого умягчения воды.

Грунтовые воды очень ценны, потому что это главные источники водоснабжения. Очень широким является спектр их использования, ведь они везде нужны: и населенным пунктам, и промышленным предприятиям, и для народного хозяйства. В целях поиска и добывания грунтовых вод делают колодцы или бурят скважины. Лучше их соорудить, используя гравийную отсыпку и взяв специальные фильтры, изготовленные из сетки галунного плетения.

Однако они весьма разрушительны, негативно влияют на различные строительные материалы, особенно бетон. Поэтому, перед тем как строить что-либо, проводят анализ на агрессивность воды. Классификация ее такова. Наименьшим типом агрессивности является общекислотная. Наибольшее разрушительное влияние оказывает углекислотная. Помимо них, еще различают магнезиальную, выщелачивающую и сульфатную агрессивность.

Вторым по надежности будет грунт, ведь его температура даже зимой редко падает ниже +5°C. В любом случае от того, что используют в качестве получения энергии, и будет зависеть остальная схема получения, прочие характеристики.

Чтобы получить тепло от грунтовых вод, понадобится бурение колодцев (абсорбционных и экстракционных). Предварительно делается скважина для контроля. Она обязана подтвердить, что вода пригодна, хорошего качества, отвечает остальным критериям, которые необходимы для теплового насоса. Температура колеблется не сильно, даже в течение всего года.

Диапазон 7-12°C позволяет обеспечить то, что ни сезон, ни температурные показатели окружающего воздуха не повлияют на стабильную производительность тепла. Такая система очень проста и не требует больших эксплуатационных и энергетических затрат. Она является подходящей и для санации, и для общего потребления хозяйственно-бытовых вод. Геотермальная энергия – это альтернатива другим способам, которая отличается экологической чистотой добывания.

Во всех случаях предусматривается охрана и защита воды от загрязнения или истощения. Преследуются цели рационального ее использования. Например, существенно влияет на химический состав воды соседство с химическими заводами, теплоэлектростанциями, обогатительными фабриками, оросительными каналами, шахтными водоотводными канавами.

Горные работы зачастую истощают ресурсы источников, нарушают гидрогеологический режим. Коэффициент этого влияния напрямую зависит от того, какие работы проводятся, наземные или подземные. В случае с подземными учитывается, на какой глубине идет разработка и прочие немаловажные факторы. Для достижения положительного эффекта применяется много средств и технологий.

Температура почвы под снегом.

Опыты ученых показали, что при температуре воздуха -25…-28 градусов и высоте снежного покрова 25 – 30 см температура земли не опускается ниже -10 гр., а на глубине 35 – 40 см – ниже -5 гр. В то же время при температуре воздуха -45 гр. и высотой снега до 1,50 м и при условии, что снег довольно рыхлый, температура почвы не опускается ниже -8 гр. Это еще раз доказывает то, что снег, как надежный щит, закрывает землю от замерзания.

Промерзание грунта – природное явление, которое можно наблюдать в регионах, где столбик термометра опускается ниже 0°С. Чем холоднее зима, тем более глубокие слои земного покрова замерзают. За годы наблюдений и изучения этого физического свойства были установлены нормативы: обозначить параметр можно по таблицам, рассчитанным для каждого региона. Эта информация важна в первую очередь для строительства: уровень замерзания почвы определяет глубину закладки и типы фундаментов. Под воздействием отрицательной температуры превращается в лед не грунт, а вода в нем, существенно увеличиваясь в объеме. Одновременно растет и давление, которое может разрушить основание здания. Чтобы этого избежать, выбирают наиболее подходящий вид фундамента, его глубину.

От чего зависит глубина промерзания грунта (ГПГ)

На указанный параметр влияют природные факторы:

максимальная низкая температура;
длительность холодного времени года;
наличие и толщина снежного покрова;
температурные колебания в течение зимних месяцев;
теплопроводность земной поверхности, которая зависит от ее структуры и состава;
наличие теплоизолирующих слоев (мха, торфа);
уровень грунтовых вод.

Расчеты осложняются периодическими колебаниями ряда показателей, поэтому не могут быть абсолютно достоверными.

Формула определения ГПГ

Рассчитать этот показатель можно самостоятельно – необходимо отметить отрицательную среднемесячную температуру в холодный период, приблизительно с ноября по март включительно. Средние показатели суммируются. Из модуля полученного числа вычисляют квадратный корень, результат умножают на коэффициент по типу почвенного состава:

суглинки, земля с большим содержанием глины – 0,23;
песчаные почвы, мелкодисперсные супеси – 0,28;
крупнозернистые пески, гравелистые структуры – 0,3;
структуры с включением крупнообломочных пород – 0,34.

Результат расчетов обычно получается в метрах.

Отличия между нормативным и реальным уровнем промерзания

Фактические показатели, как показывает практика, отличаются от параметров, прописанных в нормативах. На их уровень влияет наличие снега и льда, которые защищают почву от холода, одновременно оставаясь источником влаги.

Существенно уменьшают ГПГ в конкретном месте и другие факторы:

Наличие по соседству отапливаемых построек.
Утепление поверхности для защиты посевов и различных культурных растений.
Наличие неподалеку кустарников (они удерживают снег, который выступает теплоизоляционным слоем, а уровень промерзания сокращается в три раза).
Влажные глинистые почвы промерзают гораздо меньше, чем грунт с большим содержанием песка.
Мелкозернистая структура подвергается воздействию низкой температуры в меньшей степени, чем крупнодисперсная.

В результате реальная глубина оказывается на 20-50% меньше нормативной. Но это относительные данные. Специалисты рекомендуют проводить теплотехнические расчеты для каждого конкретного региона и участка, хотя это сложное и трудоемкое решение.

Определение реальной глубины промерзания грунта на участке

Среди вариантов, используемых в реалиях средних широт и умеренного климата, где на глубину промерзания почвы влияют слишком много факторов, отмечают два способа – выкопка ямы (визуальное изучение слоев земли) и использование специального прибора мерзлотомера.

Первый метод осложняется температурным режимом проведения работ, как и состоянием земных покровов. Второй помогает определить уровень промерзания на конкретном участке независимо от числа активных факторов.

Прибор, состоящий из обсадной трубки с расположенным внутри шлангом с водой, погружается в грунт на 12 часов. Показатель ГПГ определяется по уровню льда в трубке с сантиметровой разметкой. Подобные измерения проводят исключительно в холодное время года – при устоявшейся отрицательной температуре воздуха. Мерзлотомер погружают на нормативную глубину — глубже почва обычно не замерзает.

Интересно

Знание того, насколько глубоко промерзает слой земли, имеет огромное значение в разных областях, но особенно – в строительстве. Рассмотрим, от каких факторов зависит данная величина, как выполняется ее расчет, а также какова толщина слоя промерзания почвы в средних широтах.

Что такое глубина промерзания грунта?

Глубина промерзания грунта (сокращенно ГПГ) – параметр, отображающий уровень промерзания слоя почвы зимой. Она зависит от нескольких факторов и устанавливается по многолетним наблюдениям за конкретным регионом. Глубина, на которой температура почвы поднимается выше нуля градусов, считается точкой промерзания грунта.

Интересный факт: при минусовых температурах замерзает не сам грунт, а влага (подземные воды), которая в нем содержится. Переходя из жидкого в твердое состояние, она увеличивается в объеме на 10-15%, чем провоцирует опасное для строительных объектов явление – пучение грунта.

Схема промерзания грунта

Основные факторы, влияющие на ГПГ:

тип почвы;
температура воздуха;
уровень подземных вод;
наличие растительности;
толщина снежного покрова.

Выделяют несколько основных типов грунта, для каждого из которых определен специальный коэффициент промерзания:

крупные пески – 0,3;
сыпучие пески, супеси – 0,28;
крупнообломочные почвы – 0,34;
глины и суглинки – 0,23.

Чем больше снега и растительности на территории, тем меньше промерзает земля под ними. Также снижается ГПГ под помещениями, которые отапливаются в зимний период.

Как рассчитать?

ГПГ для различных регионов считается нормативной величиной и предварительно определена в документации. Однако ее можно и рассчитать по формуле: df = d0 + √Mt, где df – глубина промерзания, d0 – коэффициент грунта, Mt – сумма среднемесячных минусовых температур. Данная формула позволяет узнать ГПГ без учета различных объектов, которые могут присутствовать на поверхности.

Для этого используется формула с дополнительным параметром – kh. Это коэффициент, который базируется на конструктивных особенностях здания и среднесуточной температуре в нем. Формула приобретает следующий вид и обозначает она расчетную глубину промерзания: df = d0 + √Mt x kh.

Карта сезонного промерзания и протаивания грунтов России

Во время определения нормативной ГПГ наблюдения за местностью ведутся не менее 10 лет. При этом дополнительные факторы в расчет не берутся. Реальная глубина промерзания, как правило, отличается от нормативной на 20-50%. Поэтому непосредственно перед какими-либо работами ее определяют визуально либо с помощью специального прибора.

Мерзлотомер представляет собой трубку со шлангом внутри, заполненным водой, и сантиметровой разметкой. Прибор погружают в почву на нормативную глубину и оставляют там на 12 часов. Уровень льда позволяет сделать выводы о толщине слоя промерзания.

Глубина промерзания грунта по регионам

Так как Россия находится в нескольких природно-климатических зонах с разными среднегодовыми температурами, грунтами, показатели ГПГ сильно отличаются от региона к региону. Общая наблюдаемая тенденция – данный параметр возрастает с запада на восток.

Карта промерзания почвы Центральной России и Московской области

Согласно нормативам, минимальная толщина слоя промерзания отмечается в таких городах, как Сочи, Симферополь, Ростов-на-Дону, Калининград и составляет от 50 до 80 см. Максимальные показатели установлены в Сургуте, Якутске, Новосибирске, Тюмени и др. – от 200 до 270 см.

Что касается средней полосы, то ее умеренно-континентальный климат с большим количеством снега, умеренными морозами, лесной растительностью обуславливает относительно небольшую ГПГ. Она варьируется в пределах 80-150 см. Например: Москва – 140 см, Орел – 130 см, Пенза – 120 см, Воронеж – 130 см.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Глубина промерзания почвы относится к основным фактору, который нужно учитывать при монтаже септика, водопровода, заложении фундамента.

Несмотря на существующие стандарты, глубина промерзания является постоянно меняющейся величиной, т.к. зависит от множества климатических и погодных факторов.

Глубина промерзания грунта по регионам РФ

Определить степень промерзания непосредственно перед планируемым строительством невозможно. Расчет глубины промерзания грунта основывается на анализе определенной местности за 10-летний период.

Для определения ГПГ используется базовая информация, а также нормативные данные, содержащиеся в документации СНиП. Основными документами, которые содержат точные цифры, являются СНиП 20201-83 и СНиП 2301-99, а также карта промерзания грунтов России.

Данная документация содержит средние показатели для определенных регионов РФ. На ГПГ оказывают влияние тип почвы и среднестатистические отрицательные температуры конкретных регионов.

Как правило, для Московской области для расчетов берут показатель с запасом — 140 см, однако по таблице видно, что в ней есть значения и выше. Все дело в том, что глинистый и песчаный грунт промерзают по разному.

Песчаный грунт имеет свойство быстро фильтровать воду. Причем чем крупнее фракция, тем быстрее происходит фильтрация. Таким образом степень проявления пучения в них низкая, т.к. влага не задерживается. А в результате открытых пор промерзания проходит глубже.

В глинистом грунте фильтрация воды проходит медленно. Поры не успевают освободиться от влаги к наступлению заморозков, что тем самым приводит к значительному вспучиванию.

Нужно помнить, что нормативная глубина сезонного промерзания грунта может существенно отличаться от фактической. Немалое значение имеет температура, толщина снежного слоя, покрывающего землю, количество выпавших осадков за осень и зиму, локализация (участки в низинах вблизи болот будут более влажными, чем участки на холмах).

Промерзание почвы для водопроводов и септиков

Для прокладывания трубных магистралей водоснабжения учитывается глубина промерзания грунтов СП 131.13330.2012, соответствующая конкретным регионам.

Читайте также: