انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و کار عمده انجام می شود:
- Convection
- Conduction
- Radiation
انتقال حرارت توسط Conduction به صورت انتقال انرژی حرارتی بین مولکول ها در نتیجه تماس مستقیم است.
انتقال حرارت توسط Convection وقتی است که انرژی سیال حفره ای از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شود.
انتقال حرارت توسط Convection بسیار کمتر از انتقال حرارت توسط Conduction است و در خیلی از موارد می توان از آن چشم پوشی کرد.
انتقال حرارت توسط Radiation توسط انرژی الکترومغناطیسی از یک نقطه به نقطه دیگر در فضا انجام می گردد. تشعشع خورشید تغییر فاز در تبخیر و چگالش در سطح زمین را به وجود می آورد.
تغیر فاز آب می تواند ناشی از یخ زدگی و ذوب داخل خاک باشد و Radiation نقش مهمی در خاک های غیر اشباع دارد اما عموما در مقایسه با جریان حرارت Conduction کوچکتر است.
انتقال حرارت در مسائل مکانیک خاک های غیر اشباع می تواند با هر سه ساز و کار فوق باشد.
فاز آب می تواند به شکل مایع در داخل خاک در نظر گرفته شود و همین طور به شکل فاز بخار باشدکه قابل تبدیل به فاز آب در داخل خاک است. بسیاری از مسائل محیط زیستی شامل تعامل پیچیده چندین فرآیند فیزیکی است. برای مثال جریان حرارت، جریان هوا، جریان بخار می تواند به شکل همزمان در خاک غیر اشباع وجود داشته باشد که به هم وابسته هستند. لذا مدل سازی مستقل آنها مشکل است و معمولا یک یا دو فرآیند فیزیکی برای یک مسأله ژئوتکنیکی غالب هستند و حل همزمان این فرآیندها در عمل ممکن نیست.
فرآیند انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع
هدایت حرارت قابل مقایسه با جریان آب داخل خاک بوده اما این انتظار واضح است که مولفه وزنی در انرژی حرارتی وجود ندارد ولی در عین حال تشابهات بسیاری وجود دارد.
انتقال حرارت توسط Conduction مشابه با جریان آب و شامل دو مشخه عمده خاک می شود که مشخصه اول نرخ جریان و مولفه دوم نرخ ذخیره یا نرخ نگهداشت را تعیین می کند. در حالت جریان حرارت نرخی که با آن جریان حرکت می کند به عنوان هدایت پذیری حرارتی λ ماده شناخته می شود و ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی به عنوان ظرفیت حجمی حرارتی ζ ماده یاد می شود.
و همان طور که با ذخیره آب بیشتر، خاک مرطوب تر می شود با ذخیره حرارت بیشتر هم خاک گرمتر می شود و قابلیت خاک برای ذخیره حرارت تابعی از دمای آن است و هرچقدر گرمتر شود تمایل خاک به دریافت حرارت بیشتر، کمتر خواهد شد.
تفاوت های کلیدی بین جریان حرارت و آب وجود دارد. برای مثال وقتی که حالت آب از منجمد به ذوب تغییر می کند و وقتی هم که آب در سطح زمین تبخیر می شود، آنالیز حرارتی هم متفاوت خواهد شد.
تغییر فاز آب شامل یک خصوصیت ماده مرتبط با گرمای نهان ذوب و گرمای نهان تبخیر می شود.
ارزیابی خصوصیات خاک برای جریان آب (تراوش در حالت اشباع و غیر اشباع) متفاوت از آنالیز حرارت است.
مسائل جریان آب نیازمند تعیین نفوذپذیری اشباع و همینطور تخمین تابع نفوذپذیری با SWCC است و همین طور تابع نگهداشت آب هم توسط SWCC محاسبه می شود. در حالی که برای آنالیز حرارتی، هدایت حرارتی و ظرفیت حرارتی به طور غیر مستقیم از اجزای تشکیل دهنده خاک (میزان آب و هوا) و نوع دانه های خاک تعیین می شود. مشخصات جریان حرارت می تواند در آزمایشگاه تعیین شود اما اعتبار چنین اندازه گیری هایی وابسته به مهارت فرد انجام دهنده آزمایش می باشد. منحنی SWCC نقش مهمی در آنالیز حرارت دارد به این علت که نسبت هوا، آب و دانه های جامد مشخصات حرارتی را تعیین می کند. چون معمولا نسبت هوا و آب در یک مساله انتقال حرارت ثابت است، خصوصیات حرارتی اغلب ثابت در نظر گرفته می شود. اما در حالت کلی خصوصیات حرارتی می تواند یک تابع غیر خطی از SWCC باشد. این موضوع وقتی مهم می شود که بخواهیم یک آنالیز ترکیبی از جریان، هوا و حرارت انجام دهیم.
نظریه جریان حرارت در خاک
روابط رفتاری مرتبط با جریان حرارت برای هر خصوصیت حرارتی خاک تعریف می شوند و ذوب و یخ خاک ها شامل گرمای نهان تبخیر خواهد بود و شبیه سازی این شرایط پیچیده از جریان حرارت در یک خاک غیر منجمد است. نظریه جریان حرارتی برای حالت دمای بیشتر از دمای یخ زدگی و همینطور دمای کمتر از دمای تغییر فاز آب (0 درجه سانتی گراد) استفاده می شود.
روابط رفتاری جریان حرارت
مشخصه ای که پتانسیل هدایت جریان گرما را به وجود می آورد دما است و وسایل اندازه گیری دمای خاک، گرماسنج جیوه، دماسنج های مایع داخل شیشه، گرماسنج دو فلزی، گرماسنج بوردون، گرماسنج مقاومت الکتریکی و ترموکوپل ها هستند. حرکت گرما ناشی از اختلاف دما بین دو نقطه است که گرادیان حرارتی نامیده می شود. جریان حرارت توسط قانون فوریه توصیف می شود. مشخصه ای از خاک که جریان حرارتی را کنترل می کند ضریب هدایت حرارتی λ است که این ضریب یک مشخصه ایزوتروپیک خاک است و با توجه به اثر شکل دانه ها در نظر گرفته می شود.
هدایت حرارتی خاک
مقادیر میانگین هدایت حرارتی برای انواع خاک و سنگ در جدول زیر آمده است. هدایت حرارتی خاک با دادن ضرایب وزنی برای آب، هوا و خاک محاسبه می شود.
شکل زیر نشان دهنده تغییر هدایت حرارتی با مکش خاک است. مقدار آب یخ زده خاک تابعی از دمای زیر صفر بوده و درصد آب یخ نزده در خاک به کمک منحنی SWCC و معادله Clapeyron محاسبه می شود. برای مسائلی که آب داخل خاک یخ می زند یا ذوب می شود باید گرمای نهان ذوب L در نظر گرفته شود.
قسمتی از خاک که بخشی از سال یخ می زند و بخش دیگر سال یخ نزده است ناحیه فعال نامیده می شود. مقدار گرمای مرتبط با تغییر فاز آب، گرمای نهان ذوب نامیده می شود.
Jumikis(1966) و محققان دیگری نشان داده اند که یک خاک در حال یخ زدن سه ناحیه مختلف دارد یک قسمت یخ زده و یک قسمت در حال یخ زدن و یک قسمت که هنوز یخ نزده است.
ضریب نفوذپذیری آب و درصد رطوبت یخ نزده آب به تدریج در این سه ناحیه تغییر کرده و در لایه در حال یخ زدن، مقادیر مکش بزرگتری به وجود می آید.
شکل زیر نشان دهنده نقش گرمای نهان آب است.
یخ زدن خاک
یخ زدگی خاک در اثر گرادیان حرارتی هوای سرد اتمسفر و لایه های گرمتر خاک رخ می دهد. وقتی که دمای اتمسفر کمتر از نقطه انجماد شود آب داخل حفرات شروع به یخ زدن و آزاد کردن گرمای نهان به داخل سیستم می کند و فشار حفره ای منفی هم افزایش پیدا می کند و در عین حال نفوذپذیری خاک کمتر می شود.
درصد رطوبت یخ نزده
Boyoucous در سال 1920 نشان داد که قسمتی از آب حتی تا دمای 78- کماکان یخ نزده باقی می ماند. بین درصد رطوبت و مکش و دما ارتباط وجود دارد که بیانگر نقش SWCC است.
منحنی مشخصه انجماد خاک (Soil-Freezing Characteristic Curve)
(Williams,1964) داده هایی ارائه کرد که بیانگر ارتباط بین SWCC اندازه گیری شده در دمای اتاق با دمای زیر نقطه انجماد بود و Koopmas &Miller 1966 یک تشابه بین منحنی های خشک سازی و تر سازی و منحنی های ذوب و یخ ارائه کردند و مشاهده کردند که در این منحنی ها هم هیسترزیس وجود دارد و ذاتا SFCC مرتبط با SWCC است. محدوده دمایی که در آن آب یخ می زند توسط SFCC مشخص می شود، به گونه ای که دمایی که در آن آب شروع به یخ زدن می کند معمولا صفر درجه و محدوده ای که یخ زدگی کامل می شود نامیده می شود. شیب منحنی SFCC با نمایش داده می شود و نشانگر تغییر درصد رطوبت حجمی یخ نزده در برابر تغییر دمای زیر نقطه انجماد است.
اندازه گیری مستقیم خصوصیات حرارتی
اگر چه معمولا خصوصیات حرارتی تخمین زده می شوند اما مهم است که با اصول اندازه گیری خصوصیات حرارتی آشنا شویم. در همه اندازه گیری ها اطراف نمونه باید عایق باشد و شکل زیر نشان دهنده تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده توسط Cote & Konard است که این تجهیزات شامل یک سلول اندازه گیری هدایت حرارتی با یک عایق محصور شده است و کل تجهیزات در یک اتاق با دمای 4 درجه سانتی گراد قرار می گیرد. قطر داخلی سیلندر 101.6میلیمتر و ارتفاع 75 میلی متر دارد و نمونه بین دو دیسک پیرکس با ضخامت 30 میلی متر قرار گرفته و هدایت حرارتی این دیسک ها 1.015w/m/°c در دمای 20- و 1.09 در دمای 20+ است. توسط یک منبع حرارتی در بالا و پایین یک جریان حرارتی قائم و ثابت در طول دیسک های پیرکس و نمونه خاک برقرار می شود. نمونه خاک و دیسک های پیرکس با یک پتو پلی استر به ضخامت 50mm برای جلوگیری از هدر رفت شعاعی، محدود می شوند.
استفاده از کاوشگر سوزنی حرارتی
این روش توسط Stalhane & Pyk (1931) ابداع شد و توسط Vandeheld & Vander Drumen بهبود داده شد و استاندارد ASTM در خصوص نحوه استفاده از این روش توضیحات کاملی ارائه کرده است.
این روش برای دمای بین 0 تا 100 مفید بوده و اگر تغییر فاز آب داشته باشیم روش مفیدی نخواهد بود.
روش های تخمین ویژگی های حرارتی
در این روش های تخمینی از خصوصیات پایه ای خاک مثل درصد رطوبت و درجه اشباع و وزن مخصوص خشک و پوکی استفاده می شود که مدل های متداول Karsten (1949) و Johansen (1975) و Cote & Konrad (2005) هستند.
در مدل Johansen هدایت حرارتی در حالت اشباع یکی از متغیرهای ورودی مدل است.
مدل karsten نشان می دهد که درصد رطوبت و چگالی خشک خاک عامل های اصلی تاثیر گذار روی هدایت حرارتی هستند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که درصد کوارتز داخل خاک تاثیر قابل توجهی روی هدایت حرارتی خواهد داشت.
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- زمین شناسی (Geology)
- آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
- انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها Different Types of Element Test for Soil) Liquefaction Assessment)
- روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
- روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
- تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی (Offshore geotechnical Site Investigation)
- آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
- آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
- آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
- معایب و خطاهای آزمایش برش مستقیم Disadvantages of) Direct Shear Test)
- پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
- نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
- خاک های رمبنده (Collapsible Soil)
- آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW چیست؟ (Multichannel Analysis of Surface Waves)
- آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
- مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
- مبانی، تاریخچه و نظریه مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
- دستورالعمل تعیین مقاومت برشی مستقیم بر جای توده سنگ (hear strength of rock)
- تعیین مدول تغییر شکل پذیری سنگ با استفاده از آزمایش دیلاتومتری
- دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت
- میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
- پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)
- انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- سوله چیست ؟ انواع و کاربرد سوله (Industrial Shed)
- مدیریت پیمان (Management Contracting)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
- تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
- ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
- پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
- تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
- ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
- شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
- مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
- بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
- مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
- بررسی موردی عملکرد ستون های جت گروتینک در بهسازی بستر پی گسترده
- بهسازی خاک به روش میکروپایل یا ریز شمع (Micropile & Underpinning)
- بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک
- اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)
- در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
- خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
- سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
- دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
- دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
- زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
- نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
- پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
- دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
- آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
- ژئوتکستایل چیست؟ (?What is a Geotextile)
- ژئوممبران چیست؟ (?what is geomembrane)
- ژئوفوم چیست؟ (What is Geofoam)
- فوم بتن چیست؟ (What is Foam Concrete)
- جی سی ال چیست؟ (?what is GCL)
- استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)
در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار GEOSLOPE
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار ABAQUS
- معرفی نرم افزار FLAC
- معرفی نرم افزار MIDAS
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
