Глубина промерзания сп: Глубина промерзания грунта

Глубина промерзания грунта

Суглинки и глина
Супесь, пески мелкие и пылеватые
Пески гравелистые, крупные и средней крупности
Крупнообломочные грунты
* Значения нормативной глубины сезонного промерзания грунта рассчитаны для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м. (п. 5.5.3 ( СП 22.13330.2011)) Нормативная глубина промерзания грунта в районах, где dfn > 2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330.
** Глубина заложенных труб, считая до низа, должна быть на 0,5 м больше расчетной глубины проникания в грунт нулевой температуры. При прокладке трубопроводов в зоне отрицательных температур материал труб и элементов стыковых соединений должен удовлетворять требованиям морозоустойчивости. (п. 11.40 СП 31.13330.2012) Примечание — Меньшую глубину заложения труб допускается принимать при условии принятия мер, исключающих: замерзание арматуры, устанавливаемой на трубопроводе; недопустимое снижение пропускной способности трубопровода в результате образования льда на внутренней поверхности труб; повреждение труб и их стыковых соединений в результате замерзания воды, деформации грунта и температурных напряжений в материале стенок труб; образование в трубопроводе ледяных пробок при перерывах подачи воды, связанных с повреждением трубопроводов.
*** Наименьшую глубину заложения канализационных трубопроводов необходимо определять теплотехническим расчетом или принимать на основании опыта эксплуатации сетей в данном районе. (п. 6.2.4 СП 32.13330.2012 ) При отсутствии данных минимальную глубину заложения лотка трубопровода допускается принимать для труб диаметром до 500 м — 0,3 м, а для труб большего диаметра — 0,5 м менее большей глубины проникания в грунт нулевой температуры, но не менее 0,7 м до верха трубы, считая от поверхности земли или планировки (во избежание повреждения наземным транспортом).

Глубина промерзания грунта СНИП и СП

Калькулятор позволит рассчитать нормативную и расчетную глубину промерзания грунта используя новые СП 131.13330.2018 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология».

Данные актуальны для 2020 года.

Расчет можно осуществить для любой области — Московской, Ленинградской, Самарской и других. Кроме того в нашем калькуляторе есть Крым.

Область, край, республика:
Алтайский крайАмурская областьАрхангельская областьАстраханская областьБелгородская областьБрянская областьВладимирская областьВолгоградская областьВологодская областьВоронежская областьЗабайкальский крайИвановская областьИркутская областьКабардино-Балкарская РеспубликаКалининградская областьКалужская областьКамчатский крайКарачаево-Черкесская РеспубликаКемеровская областьКировская областьКостромская областьКраснодарский крайКрасноярский крайКурганская областьКурская областьЛенинградская областьЛипецкая областьМагаданская областьМосковская областьМурманская областьНенецкий АОНижегородская областьНовгородская областьНовосибирская областьОмская областьОренбургская областьОрловская областьПензенская областьПермский крайПриморский крайПсковская областьРеспублика АдыгеяРеспублика АлтайРеспублика БашкортостанРеспублика БурятияРеспублика ДагестанРеспублика КалмыкияРеспублика КарелияРеспублика КомиРеспублика КрымРеспублика Марий ЭлРеспублика МордовияРеспублика Саха (Якутия)Республика Северная Осетия – АланияРеспублика Татарстан (Татарстан)Республика ТываРеспублика ХакасияРостовская областьРязанская областьСамарская областьСаратовская областьСахалинская областьСвердловская областьСмоленская областьСтавропольский крайТамбовская областьТверская областьТомская областьТульская областьТюменская областьУдмуртская РеспубликаУльяновская областьХабаровский крайЧелябинская областьЧеченская РеспубликаЧувашская Республика – ЧувашияЧукотский АОЯрославская область

Населенный пункт:
ДмитровКашираМоскваНовомосковский АОТроицкий АО

Тип грунта:
глина или суглиноксупесь, песков пылеватый или мелкийпесок средней крупности, крупный или гравелистыйкрупнообломочные грунты

Устройство полов:
без подвала, полы по грунтубез подвала, полы на лагах по грунтубез подвала, полы по утепленному цокольному перекрытиюс подвалом или техническим подпольем

Температура в помещении:
не отапливаетсяотапливается, 0°Cотапливается, 5°Cотапливается, 10°Cотапливается, 15°Cотапливается, более 20°C

всего расчетов — 5219

×

Расчет глубины промерзания грунта очень актуальная задача при строительстве фундаментов. Правильный расчет гарантирует долгую службу этого важного строительного сооружения. К сожалению, сервисы, которые позволяют рассчитать глубину промерзания используют устаревшие данные и результаты из расчетов отличаются от актуальных на данный момент.

Наш калькулятор построен на самых новых и актуальных данных.

Кроме того в результатах расчета вы получите дополнительную информацию о местности:

• нормативная глубина промерзания для различных грунтов,
• расчетная глубину промерзания,
• максимальную и минимальную температуры,
• среднегодовую и среднемесячные температуры,
• преобладающее направление ветра,
• количество осадков и многое другое.

На сайте вы также можете посмотреть строительную климатологию для любой местности нашей страны с более подробными климатическими данными.

Ваша оценка

[Оценок: 21 Средняя: 4.2]

Глубина промерзания грунта Автор admin средний рейтинг 4.2/5 — 21 рейтинги пользователей

Глубина промерзания грунта в различных регионах

   Глубина промерзания грунта является одной из основных характеристик, учитываемых при выборе конструктива фундамента строящегося дома. Но к сожалению среди частных застройщиков не редко случаются ошибки при попытках учесть значение этой характеристики. А именно: например, человек услышал, что ленточный фундамент нужно делать не выше глубины промерзания для его климатической зоны. Он заходит в интернет, вводит в поисковик фразу «какая глубина промерзания, к примеру, в Московской области» находит какую-то цифру (около 1,3-1,4 метра) и начинает копать траншею на эту глубину. При этом он не догадывается, что найденное им значение — это нормативная глубина промерзания.

    Но ведь при определении геометрических характеристик фундамента нужно учитывать не нормативное значение, а расчётное, которое определяется с учётом различных коэффициентов, характеризующих такие параметры, как конструкция цокольного перекрытия в доме и средняя температура в помещении в холодное время года. Ведь сам по себе отапливаемый дом прогревает грунт вокруг себя, и промерзание по его периметру порой значительно меньше нормативной величины. И это можно будет увидеть ниже.

    Чтобы узнать нормативные и расчётные значения глубины промерзания грунта в различных условиях, выберите ниже Ваши страну, регион и город и нажмите на кнопку «Определить глубину промерзания». Результаты будут представлены в виде двух таблиц. Если интересующего Вас населенного пункта в списке нет, выбирайте ближайший и желательно находящийся севернее от Вас.

Выберите странуРоссияАзербайджанАрменияБелоруссияГрузияКазахстанКыргызстанМолдоваТаджикистанУзбекистанУкраина

Выберите регион

Выберите город

    Таблица 1 заполняется на основании формулы из СП 22.13330.2011 (актуализированная версия СНиП 2.02.01-83*):

d_fn = d₀∗√M_t ,

где d_fn — нормативная глубина промерзания,м;

      d₀ — величина, учитывающая тип грунта и равная для глин и суглинков — 0,23 м; для супесей и мелких и пылеватых песков — 0,28 м; для песков средней крупности, крупных и гравелистых — 0,30 м; для крупнообломочных грунтов — 0,34 м;

      M_t — безразмерный коэффициент, который определяется по СП 131.13330.2012 (актуализированная версия СНиП 23-01-99*) как сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зимний период в конкретном регионе.

    Примечание: СНиП допускает использование данной формулы при глубинах промерзания до 2,5 метров. При большем промерзании, а также в высокогорных районах с резкими перепадами рельефа и нестабильными климатическими условиями значение d_fn должно уточняться специальным теплотехническим расчётом. В рамках данного калькулятора мы на нём не останавливаемся.

    Таблица 2 расчётных глубин промерзания (d_f) заполняется на основании формулы из того же СП 22.13330.2011 (актуализированная версия СНиП 2.02.01-83*):

d_f = k_h∗d_fn ,

где k_h — коэффициент, который учитывает тепловой режим в помещении в холодное время года. Значения его для отапливаемых помещений показаны в следующей табличке:

    Для неотапливаемых помещений коэффициент k_h = 1,1

Если калькулятор оказался для Вас полезным, пожалуйста нажмите на одну или несколько социальных кнопочек. Это очень поможет дальнейшему развитию нашего сайта. Огромное спасибо!!!

Нормативные глубины промерзания. Таблица — глубина промерзания.

Расчет глубины фундамента

Вернуться на страницу «Расчет оснований и фундаментов»

РАСЧЕТ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ

Расчет глубины заложения фундамента можно выполнить используя различные программы или просто скачать файл: РАСЧЕТ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ФУНДАМЕНТА:

СКАЧАТЬ ФАЙЛ НА ЯНДЕКС.ДИСК

СКАЧАТЬ ФАЙЛ НА GOOGLE.ДИСК

Согласно СП 22.13330.2011:

5.5.2 Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn , м, принимают равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

5.5.3 Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn , м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле

 , (5.3)

где M_t— безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СНиП 23-01, а при отсутствии в нем данных для конкретного пункта или района строительства — по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства;

d₀ — величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м; супесей, песков мелких и пылеватых — 0,28 м; песков гравелистых, крупных и средней крупности — 0,30 м; крупнообломочных грунтов — 0,34 м.

Значение d₀ для грунтов неоднородного сложения определяют как средневзвешенное в пределах глубины промерзания.

Нормативная глубина промерзания грунта в районах, где  d_fn > 2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330.

5.5.4 Расчетную глубину сезонного промерзания грунта d_f, м, определяют по формуле

d_f = k_hd_fn,      (5.4)

где d_fn — нормативная глубина промерзания, м, определяемая по 5.5.2-5.5.3;

k_h — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений — по таблице 5.2; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений  k_h = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой.

Примечания

1. В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетная глубина промерзания грунта для неотапливаемых сооружений должна определяться теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетная глубина промерзания должна определяться теплотехническим расчетом и в случае применения постоянной теплозащиты основания, а также если тепловой режим проектируемого сооружения может существенно влиять на температуру грунтов (холодильники, котельные и т.п.).
2. Для зданий с нерегулярным отоплением при определении k_hза расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.

Таблица 5.2

5.5.5 Глубина заложения фундаментов отапливаемых сооружений по условиям недопущения морозного пучения грунтов основания должна назначаться:

для наружных фундаментов (от уровня планировки) по таблице 5.3;

для внутренних фундаментов — независимо от расчетной глубины промерзания грунтов.

Глубина заложения ленточного фундамента: СНиП, таблица, расчет

На начальных этапах проектирования определяется глубина заложения ленточного фундамента, его тип и обустройство. Эти данные необходимы для дальнейших расчётов ленточного фундамента по статическим и динамическим нагрузкам. Здесь учитываются такие факторы, как: глубина сезонного промерзания, статический уровень подземных грунтовых вод, класс строения, сейсмичность района, геология грунтов.

Следуя рекомендациям СП, соответствующим требованиям ГОСТ, создаются индивидуальные проекты для отдельных объектов. Знание этих положений необходимо каждому застройщику, который настраивается самостоятельно осуществлять этапы строительства от создания проекта до сдачи в эксплуатацию объекта.

Факторы, влияющие на глубину заложения фундаментов

Перед началом строительства сооружения сделайте проект на основе которого будут проводиться строительно-монтажные работы, подключение к существующим сетям коммуникаций. На основании этого документа, после оформления, сбора подписей у контролирующих организаций, выдаётся разрешение на строительство.

Важно! Не начинайте работы до получения разрешения на индивидуальное строительство.

Проектирование ленточного фундамента, определение его заглубления производится с учётом влияния следующих факторов:

1. Глубина сезонного промерзания ниже лежащих грунтов.
2. Уровень грунтовых, паводковых вод.
3. Состав и залегание грунтов, их свойства, несущая способность.
4. Класс ответственности, долговечности, капитальности сооружения.
5. Нагрузки, передающиеся на ленточный фундамент от веса здания.
6. Близко расположенные застройки.
7. Сейсмичность района.
8. Экологические и санитарные требования.
9. Экономическая целесообразность при выборе вариантов.

Глубина промерзания, методы определения

При определении глубины заложения подошвы фундамента важную роль играет правильное определение нормативной глубины промерзания для данного района строительства. Проектные организации, для облегчения расчётов, пользуются картой с нанесёнными изотермическими линиями или таблицей, в которой указаны значения нормируемой глубины промерзания для крупных городов, регионов России.

Нормативную глубину промерзания в районе строительства ленточного фундамента можно посчитать самостоятельно по эмпирической формуле (5.3 СП 22.13330.2016) справедливой для районов с промерзанием <2.5 м:

d_н=√M*d₀

• d_н — нормативная глубина промерзания;
• М — сумма отрицательных среднемесячных температур за год которые узнайте из СНиП 23-01-99 таблица 3. В случае самостоятельного расчёта получите эти данные на местной метеостанции за последние 5 лет наблюдений, выберите холодный год;
• d₀ – эмпирический коэффициент, зависящий от типа и вида грунтов, находящихся в зоне промерзания, определяемый из таблицы.

Расчётная глубина залегания подошвы ленточного фундамента определяется умножением нормативного значения на коэффициент 1.1.

Изотермические линии нормативной глубины промерзания по Европейской территории России и Западной Сибири.Выборка из таблицы нормативной глубины промерзания грунтов по Европейской части России

Для домов с тёплым подвалом или утеплённым полом расчетная отметка заложения определяется с учётом температуры в помещениях, примыкающих к фундаменту во время отрицательных наружных температур по формуле (5.4 СП 22.13330.2016):

d_f = d_н*к

• d_f – расчётная отметка заложения;
• d_н — нормативная глубина, определяемая выше по формуле 5.3;
• к — понижающий коэффициент, определяемый по таблице 5.2 СП 22.13330.2016.

Например: по Московской области нормируемая глубина сезонного промерзания на площадке с супесными грунтами, пылевидными песками равна 1.34 метра. При строительстве дома из кирпича с отапливаемым подвалом, температурой в холодные месяцы 20 градусов понижающий коэффициент =0.4. Расчётный уровень заложения: 1.34*0.4=0.56 м. Подошва фундамента будет на отметке -0.76 м.

Коэффициенты для определения расчётной глубины промерзания для отапливаемых зданий.

Нормативные уровни промерзания берутся по пиковой нагрузке от максимально низких температур за 5—10 лет наблюдений. Поэтому, во время проектирования следуйте рекомендациям СП, чтобы гарантировать  сроки эксплуатации строения.

Грунтовые воды

Уровень положения грунтовых вод напрямую влияет на заложение проектируемого фундамента и состояние грунта. Определить уровень грунтовых вод возможно такими способами:

• получить данные по гидрогеологическим изысканиям в районе участка у отдела архитектуры;
• пробурить шурф самостоятельно;
• узнать у соседей, построившихся ранее на прилегающем участке.

Уровень грунтовых вод носит сезонный характер, поэтому расчёт ведётся по максимальному значению в пиковый, весенний период (СНиП 22.13330.2016). В зависимости от положения грунтовых и паводковых вод, глубины естественного промерзания изменяется нормируемое заложение подошвы основания.

Когда пиковый подъём грунтовых вод превышает глубину промерзания, рекомендуется возводить мелко заглублённый ленточный фундамент с применением технологий по укреплению основания, дренажа.

Пучинистость

Пучинистость — негативный фактор, влияющий на заложение фундамента. Пучение вызывают только те грунты, которые обладают высокой капиллярной активностью — способностью втягивать воду, смешиваться с ней. При замерзании таких грунтов увеличивается объём, что вызывает изменение положения фундамента, нарушается геометрия кирпичных стен, каркаса здания, конструкционных элементов.

Замерзание грунта происходит под подошвой и у боковых стенок фундамента. Пучение грунта вызывает усилия, способные поднимать  нагруженные здания. Например для лёгкого дома со стенами из блоков низкой плотности (пенобетон, газобетон) разность уровней между крайними точками стены не должна превышать 0.02% (СП 22.1330.2016, таблица Д.1). Эксцентриситет приложения нагрузок для такого варианта не допускается.

Грунты по своей способности поглощать влагу и увеличиваться в объёме при промерзании делятся на следующие категории:

• сильно пучинистые,
• пучинистые,
• средне пучинистые,
• слабо пучинистые,
• не пучинистые.

Какой вид грунтов, их залегание на участке можно узнать:

• в отделе архитектуры из геологических исследований;
• пробурив шурф на участке, взяв керн и определив состав в лаборатории — это самый надёжный способ.

К пучинистым грунтам относятся: глина, суглинки, супеси. К средне пучинистым относят мелкие пески с природными включениями пылевидных частиц или глины, имеющие способность втягивать воду через капилляры. Сильно пучинистыми становятся такие грунты когда уровень грунтовых вод выше глубины промерзания.

К не пучинистым относятся: скальные и крупнообломочные грунты, чистые крупные и средней крупности пески, способные адсорбировать влагу.

Фундаменты глубокого заложения

При строительстве зданий 1 и 2 категорий применяют фундаменты глубокого заложения, ниже глубины промерзания. Это обеспечивает их нормируемую долговечность (>50 лет), степень ответственности, капитальность (ГОСТ 27751). Немалую роль в проектировании играет:

• отсутствие выше грунтов, способных нести расчётную нагрузку;
• необходимость устройства подвала для проводки коммуникаций;
• нахождение рядом крупных объектов, способных изменить расположение и свойства грунтов за время эксплуатации;
• повышенная сейсмичность.

Привязка таких зданий производится на основе глубоких инженерных расчётов с учётом правил и требований СП 22.1330.2016, с применением необходимых мер защиты фундамента от пучения, подземных и паводковых вод.

Применяемые виды защиты:

• утепление, позволяющее сохранять температуру фундамента и предотвращать обмерзание;
• дренаж на уровне основания подошвы перфорированными трубами для отвода подземных и талых вод;
• несъёмная опалубка;
• утеплённая отмостка расчётной ширины;
• утепление цоколя;
• укрепление грунтов инъекцией цементного раствора при необходимости.

Фундаменты мелкого заложения, сплошные плиты

Фундаменты мелкого заложения применяют для зданий 2 и 3 категорий когда глубина промерзания низкая и заглублять подошву настолько экономически не целесообразно. Второй вариант — глубина сезонного промерзания ниже уровня грунтовых вод.

При этом, геология грунтов на участке должна позволять по природной несущей способности возводить мелко заглублённый фундамент.

Обустройство фундамента сплошной плиты по СП 50-101-2004.

Обустройство должно предусматривать дренаж, утепление отмостки, надёжную гидроизоляцию. Иногда заранее закладывается в проект усиление нижележащих грунтов методом инъекции цементным раствором, установка свай с целью удерживания фундамента от поднятия в случае вспучивания.

Эти меры достаточно эффективные, позволяют гарантировать долговечность фундамента до 50 лет. Расчёт заложения подошвы ведётся с учётом геологии распределения пластов грунта на участке.

Ширина фундамента зависит от несущей способности грунтов на которые он опирается и толщины кирпичной или блочной стены каркаса строения, расчётной по тепло потерям для данного климатического пояса.

Плитный монолитный фундамент рекомендуется возводить в густо застроенных городах и районах, например в Москве, где ограничена возможность копать глубокие котлованы. При соблюдении технологии строительства, плитный фундамент считается надёжнее других оснований.

Расчёт проводится по положениям СП 50-101-2004, сложен для не специалиста, выгоден по экономическим затратам, срокам возведения.

Карта промерзания грунтом Москвы и области

В разных районах области глубина промерзания грунта будет различной. Это обусловлено отличием видов грунта, климата, уровня грунтовых вод, зеленых насаждений, количества осадков в зимний период, рельефа. Поэтому глубина промерзания постоянно изменяется.

Глубина промерзания грунта в Московской области

В зависимости от всех вышеперечисленных факторов определяется глубина промерзания, которая для Московской области составляет 0,5-1,8 м. Такие разные границы обусловлены разнообразием почв, которые имеют ряд закономерностей:

• плотный грунт промерзает глубже;
• влажная почва промерзает быстро и глубоко;
• сухое основание промерзает меньше.

Нормативные акты не предусматривают единой усредненной глубины промерзания, но обычно для расчетов берут показатель в 1,4 м. Его получают при расчете глубины по формуле из СП, он имеет достаточно большой запас.

На самом деле глубина варьируется в пределах 1 м, при этом на западе показатель составляет порядка 65 см в самых неблагоприятных условиях, а на севере и востоке в среднем показатель составляет 75 см. Даже при самых сложных условиях – мороз, мало снега, влажный грунт – этот показатель не превышает 1,5 м.

В окрестностях Москвы встречаются практически все типы грунтов, кроме IV категории. Поэтому точное значение глубины промерзания грунта может рассчитать только специалист – геолог, геодезист, проектировщик. Приблизительные показатели приведены в нормативных документах. Здесь есть карта промерзания грунта, а также приблизительная глубина для крупных городов.

Где применяются данные о промерзании грунта?

В зависимости от глубины промерзания грунта предусматривается прокладка трубопровода. Также этот показатель учитывают при проектировании фундаментов. Если они будут заглублены недостаточно, будет происходить их промерзание, при этом разрушение произойдет намного быстрее, чем предусмотрено проектом. В грунте содержится вода, которая при замерзании расширяется. Кроме того, в бетонных фундаментах присутствуют поры, которые заполняются влагой и водой. Капиллярные трещины также заполняются влагой, и в результате множественных циклов замораживания и оттаивания (которые происходят в течение одной зимы) происходит значительное снижение прочности. Для свайных стальных фундаментов такие воздействия не так страшны.

Чтобы защитить столбчатый или ленточный фундамент от промерзания, предусматривается создание утепленной отмостки. Если утепление не предусматривается, фундамент закладывают на 100 мм ниже уровня промерзания в песчаных грунтах, на 250 мм ниже для остальных типов основания. Если эти условия не соблюдаются, происходят осадки здания, что приводит к деформациям и отказу от нормальной эксплуатации.

% PDF-1.5
%
4 0 obj
>
эндобдж
7 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000I \ 000n \ 000t \ 000r \ 000o \ 000d \ 000u \ 000c \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040)
эндобдж
8 0 объект
>
эндобдж
11 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000T \ 000h \ 000e \ 000o \ 000r \ 000e \ 000t \ 000i \ 000c \ 000a \ 000l \ 000 \ 040 \ 000M \ 000o \ 000d \ 000e \ 000l \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000S \ 000o \ 000i \ 000l \ 000 \ 040 \ 000F \ 000r \ 000e \ 000e \ 000z \ 000i \ 000n \ 000g \ 000 \ 040)
эндобдж
12 0 объект
>
эндобдж
15 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000H \ 000e \ 000a \ 000t \ 000 \ 040 \ 000T \ 000r \ 000a \ 000n \ 000s \ 000f \ 000e \ 000r \ 000 \ 040)
эндобдж
16 0 объект
>
эндобдж
19 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000M \ 000e \ 000c \ 000h \ 000a \ 000n \ 000i \ 000c \ 000a \ 000l \ 000 \ 040 \ 000E \ 000q \ 000u \ 000i \ 000l \ 000i \ 000b \ 000r \ 000i \ 000u \ 000м \ 000 \ 040)
эндобдж
20 0 объект
>
эндобдж
23 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000W \ 000a \ 000t \ 000e \ 000r \ 000 \ 040 \ 000M \ 000i \ 000g \ 000r \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040)
эндобдж
24 0 объект
>
эндобдж
27 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000I \ 000c \ 000e \ 000 \ 040 \ 000S \ 000e \ 000g \ 000r \ 000e \ 000g \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040)
эндобдж
28 0 объект
>
эндобдж
31 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000M \ 000o \ 000d \ 000e \ 000l \ 000 \ 040 \ 000V \ 000a \ 000l \ 000i \ 000d \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040 \ 000a \ 000n \ 000d \ 000 \ 040 \ 000N \ 000u \ 000m \ 000e \ 000r \ 000i \ 000c \ 000a \ 000l \ 000 \ 040 \ 000A \ 000n \ 000a \ 000l \ 000y \ 000s \ 000i \ 000s \ 000 \ 040)
эндобдж
32 0 объект
>
эндобдж
35 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000M \ 000o \ 000d \ 000e \ 000l \ 000 \ 040 \ 000V \ 000a \ 000l \ 000i \ 000d \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040)
эндобдж
36 0 объект
>
эндобдж
39 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000T \ 000h \ 000e \ 000 \ 040 \ 000E \ 000f \ 000f \ 000e \ 000c \ 000t \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000S \ 000o \ 000i \ 000l \ 000 \ 040 \ 000P \ 000a \ 000r \ 000a \ 000m \ 000e \ 000t \ 000e \ 000r \ 000s \ 000 \ 040 \ 000o \ 000n \ 000 \ 040 \ 000t \ 000h \ 000e \ 000 \ 040 \ 000S \ 000o \ 000i \ 000l \ 000 \ 040 \ 000F \ 000r \ 000e \ 000e \ 000z \ 000i \ 000n \ 000g \ 000 \ 040 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000c \ 000e \ 000s \ 000s \ 000 \ 040)
эндобдж
40 0 объект
>
эндобдж
43 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000C \ 000o \ 000n \ 000c \ 000l \ 000u \ 000s \ 000i \ 000o \ 000n \ 000s \ 000 \ 040 \ 000a \ 000n \ 000d \ 000 \ 040 \ 000D \ 000i \ 000s \ 000c \ 000u \ 000s \ 000s \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040)
эндобдж
44 0 объект
>
эндобдж
46 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000R \ 000e \ 000f \ 000e \ 000r \ 000e \ 000n \ 000c \ 000e \ 000s)
эндобдж
47 0 объект
>
эндобдж
64 0 объект
>
ручей
x ڵ Zm ~ o \ y /% vlUdRvJv8% Y`W> == 0 V: ‘JJ; 3 = tpq7W ~ X0q $ UrMXUp ^ qDGJ QiHTȾphj

eRw ^ $ 44
_ldD`I է / x̃, 4QK

Inter Research »CR» v80 »n2» p121-132

Наблюдательные изменения сезонной глубины промерзания на территории Китая в 1965-2013 гг.

Кун Ся *, Бинь Ван

Государственная ключевая лаборатория численного моделирования для атмосферных наук и геофизической гидродинамики, Институт физики атмосферы Китайской академии наук, Пекин, 100029, КНР

РЕФЕРАТ: Долговременные изменения глубины промерзания-оттаивания почвы являются важным индикатором изменения климата.Основываясь на данных 764 метеорологических станций по всему Китаю, мы проанализировали климатологию и изменчивость сезонной глубины промерзания (СФО) в течение 1965-2013 гг. И исследовали связи между изменениями СФО, метеорологическими факторами (температура, осадки, высота снежного покрова, индекс промерзания). и индекс таяния) и атмосферной циркуляции (восточноазиатский зимний муссон [EAWM] и североатлантическое колебание [NAO]) в каждом из 4 субрегионов: северо-западный Китай (W), Тибетское плато (TP) и восточный Китай (E1 и E2). ).Кроме того, были количественно определены вклады 2 различных факторов в вариацию SFD. Результаты показали, что в течение 1965-2013 гг. СФО заметно изменилось с положительных аномалий на отрицательные примерно в 1988 г. для всех исследованных регионов, демонстрируя значительную тенденцию к снижению со скоростью (среднее ± стандартная ошибка) 0,23 ± 0,03, 0,08 ± 0,01, 0,26. ± 0,03 и 0,24 ± 0,03 см в год ^-1 в E1, E2, W и TP соответственно. Индекс замерзания воздуха сильно коррелировал с SFD в регионах E2 и TP и составлял 82.6 и 84,9% изменения СФО соответственно. Высота снежного покрова показала значительную связь с изменчивостью СФО только в районе E1. По сравнению с НАО EAWM играет важную роль в изменениях в ЮФО. Эти результаты имеют значение для дальнейшего понимания механизмов изменения холодной окружающей среды в Китае.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Сезонная глубина промерзания · Изменчивость · Высота снежного покрова · Индекс промерзания.

Модель конечного объема гидротермального поведения почвы в условиях циклов замерзания – оттаивания

Abstract

Циклы замораживания-оттаивания в почве обусловлены миграцией воды, фазовыми переходами и теплопередачей, которые сами по себе являются тесно связанными переменными в естественной среде.Чтобы смоделировать этот сложный перигляциальный процесс в различных масштабах времени и длины, была создана мультифизическая модель путем решения систем уравнений, описывающих поток жидкости и теплопередачу, а также уравнение динамического равновесия для фазовых переходов во влажности. Эта модель учитывает влияние фазовых изменений воды и льда на гидравлические и термические свойства почвы, а также влияние скрытого тепла во время фазового перехода. Затем эти уравнения были дискретизированы с использованием метода конечных объемов и решены с использованием итераций.Программное обеспечение с открытым исходным кодом OpenFOAM использовалось для создания вычислительного кода для моделирования совместного переноса тепла и жидкости во время замерзания и оттаивания почвы. Был проведен комплекс лабораторных испытаний на замерзание с учетом двух тепловых граничных условий, результаты которых были получены для проверки предложенной модели. В целом численные решения хорошо согласуются с данными измерений. Проблема железнодорожной насыпи, включающая гидротермальное поведение почвы в ответ на сезонные колебания температуры поверхности, была наконец решена с помощью подхода на основе конечного объема, что свидетельствует о надежности и гибкости алгоритма.

Образец цитирования: Hu T, Wang T (2021) Основанная на конечном объеме модель гидротермального поведения почвы в условиях циклов замерзания и оттаивания. PLoS ONE 16 (6):
e0252680.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252680

Редактор: Реджинальд Б. Когбара, Texas A&M University System, QATAR

Поступила: 11 января 2021 г .; Принята к печати: 19 мая 2021 г .; Опубликован: 3 июня 2021 г.

Авторские права: © 2021 Ху, Ван.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его вспомогательных информационных файлах.

Финансирование: T. Ху: Национальный фонд естественных наук Китая (номер гранта 42001059), Научно-технический исследовательский проект Министерства образования Хэбэя, Китай (номер гранта QN2020180) и Фонд естественных наук провинции Хэбэй (номер гранта E2020210044) Т.Ван: Национальный фонд естественных наук Китая (номер гранта 41^{3) Спонсоры не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.}

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Ненасыщенная почва на поверхности земли или вблизи нее может испытывать частые циклы замораживания-оттаивания, вызванные сезонным изменением климата. Связанное с этим изменение температуры почвы, потока жидкости и образования льда влияет на долгосрочную работу инфраструктуры, создавая проблемы для инженеров [1–3].Таким образом, возможность прогнозирования режимов потока жидкости и температурных градиентов в почве имеет большое значение для геотехнических проектов в холодных регионах.

Последовательное замерзание и оттаивание почвенной массы — это, по сути, процесс тепломассопереноса, который определяется теплопроводностью, миграцией и фазовым превращением воды в подземной среде. Миграция и замерзание воды — это тесно связанные процессы, которые совместно влияют на температурное поле и скорость теплопередачи в почве.Ранее были разработаны два типа математических моделей для описания этой стратегии взаимодействия: механистические модели, основанные на вязком течении жидкой воды в пористой среде и тепловом балансе почвы [4], и термодинамические модели, которые применяют принципы необратимой термодинамики для воды и тепловые потоки в почве [5, 6]. В различных числовых кодах используются механистические модели, когда они применяются к инженерно-геологическим задачам, и это метод, который мы применяем в этом исследовании.

Многие предыдущие исследования заложили прочную основу для параметризации сложных численных моделей.Харлан [7] представил первое конечно-разностное решение одномерной гидротермальной задачи, касающейся замерзания и таяния однородной пористой среды. Впоследствии Newman et al. [8] представили подход к прогнозированию тепломассопереноса в промерзающей ненасыщенной почве. В своей работе характеристики для смесей почва-лед и почва-вода использовались для объединения соотношений тепломассопереноса в единое уравнение для промерзших (или мерзлых) почв. Hansson et al. [9, 10] представили надежное, энергосберегающее и экономичное решение для комбинированного переноса тепла и переменного насыщенного потока воды, которое было разработано для применения в диапазоне температур от 0 ° C.Кроме того, сообщалось и всесторонне изучалось несколько необычных явлений миграции воды, которые происходят во время замерзания почвы, такие как замерзшая кайма и ее всасывающий эффект [11, 12], эффект навеса [13, 14] и избыточные поры. -влияние давления воды [15].

На основе этих исследований было разработано несколько программ для моделирования циклов замораживания – оттаивания, включая модель HYDRUS [16], модель FROST [17], модель SHAW [18], модель SOIL [19] и Модель VAPOR [20].Эти коды иногда не подходят для решения более сложных проблем, поскольку они ограничиваются 1D или 2D проблемами. Кроме того, из-за их геометрической адаптируемости их можно применять только к структурированным сеткам, и эти коды не поддерживают параллельные вычисления, что ограничивает размер исследуемых проблем. В общем, возможности моделирования с учетом сложной геометрии и задач с высоким разрешением существенно ограничены.

В свете этого мы приняли код на основе неструктурированной сетки для устранения этих пробелов в возможностях моделирования, а именно метод конечных элементов (FVM).В FVM объемные интегралы в уравнении с частными производными, которые содержат член дивергенции, преобразуются в поверхностные интегралы с использованием теоремы о дивергенции. Затем эти члены оцениваются как потоки на поверхностях каждого конечного объема. В отличие от метода конечных элементов и метода конечных разностей, FVM оценивает точные выражения для среднего значения решения по объему и использует эти данные для построения приближений решения в пределах ячеек. Подход, основанный на FVM, демонстрирует заметные преимущества автоматического построения матриц, возможности решения уравнений в частных производных и простоту реализации на некоторых платформах с открытым исходным кодом, таких как OpenFOAM [21].Код FVM, разработанный в этом исследовании, был подтвержден лабораторными данными испытаний на замерзание и дополнительно протестирован с сезонным моделированием ситуации на железнодорожной насыпи, включающей перенос тепла и поток воды в ответ на сезонные колебания температуры поверхности.

Остальная часть статьи организована следующим образом: Раздел 2 представляет основы для совместного процесса теплопередачи и миграции воды в почвенной области; Раздел 3 описывает метод конечных объемов и стратегию разработки связанной модели; В разделе 4 представлены проверка и применение кода FVM; Наконец, в Разделе 5 приведены выводы и некоторые предложения по дальнейшим исследованиям.

Сопряженная гидротермальная модель

Теплообмен

Переходы между незамерзшей, мерзлой и оттаивающей почвой обязательно сопровождаются кондуктивной теплопередачей и изменением физического состояния H ₂ O. Согласно теории теплопередачи управляющее уравнение для нестационарной теплопередачи может быть сформулировано в терминах скрытая теплота фазовых превращений, являющаяся источником или поглотителем тепла [22], заданная как
(1)
где C — объемная теплоемкость грунта, Дж ∙ м ⁻³ ∙ K ⁻¹ ; T — температура почвы, К; λ — теплопроводность грунта, Вт ∙ м ⁻¹ ∙ K ⁻¹ ; L — скрытое тепло, выделяющееся при превращении воды в лед или наоборот, Дж ∙ кг ⁻¹ ; ρ _i — плотность льда, кг ∙ м ⁻³ ; и θ _i — объемная льдистость.

Во время замерзания или оттаивания почвы поровая вода перераспределяется и одновременно изменяется θ _i . Физические и механические свойства почвы также меняются из-за вариаций соотношения грунт-вода-лед. Объемная теплоемкость почвы может быть выражена как сумма объемной теплоемкости твердой матрицы, жидкой воды и фаз льда, умноженная на их объемные доли, выраженная как [23]
(2)
где θ _с — объемное содержание матрицы почвы, C _с — объемная теплоемкость матрицы почвы, Дж ∙ м ⁻³ ∙ K ⁻¹ ; C _i — объемная теплоемкость льда, Дж ∙ м ⁻³ ∙ K ⁻¹ ; θ _u — объемное содержание жидкой воды, а C _u — объемная теплоемкость жидкой воды, Дж ∙ м ⁻³ ∙ K ⁻¹ .

Эффективная теплопроводность почвы зависит от теплопроводности всех ее компонентов (т.е. матрицы почвы, жидкой воды и льда), их объемных долей и пространственного распределения каждой фазы. Теплопроводность обычно получают по логарифмическому закону [23] из физических свойств матрицы почвы, льда и содержания воды следующим образом:
(3)
где λ _с — теплопроводность почвенной матрицы, Вт ∙ м ⁻¹ ∙ K ⁻¹ ; λ _i — теплопроводность льда, Вт ∙ м ⁻¹ ∙ K ⁻¹ ; λ _u — теплопроводность воды, Вт ∙ м ⁻¹ ∙ K ⁻¹ .

Почвенная влага состоит из жидкой воды, находящейся в порах или трещинах в почве, и льда, расположенного вокруг поверхности зерна. Из-за разницы плотностей льда и воды объемная влажность мерзлого грунта рассчитывается по формуле
(4)
где ρ _w — плотность жидкой воды, кг ∙ м ⁻³ .

Миграция влаги

Модель миграции воды основана на применении закона Дарси к движению влаги в проницаемой среде.Миграция жидкой воды в почве при температуре выше 0 ° C описывается модифицированным уравнением Ричардса [23].
(5)
где D ( θ _u ) — коэффициент водопроводности почвы, м ² ∙ с ⁻¹ ; K ( θ _u ) — гидравлическая проводимость ненасыщенного мерзлого грунта, м ∙ с ⁻¹ .

Правый первый член в уравнении (5) учитывает поток жидкости из-за градиентов концентрации воды, а правый второй член представляет поток жидкости под действием силы тяжести.Затем рассчитывается коэффициент диффузии воды в почве по [9, 10]:
(6)
где C ( θ _u ) — удельная емкость воды, м ⁻¹ , I ( θ _i ) представляет собой блокирующее действие льда на миграцию воды в замерзшей грунт [9, 10], рассчитанный по
(7)

В данном исследовании гидравлические свойства описываются [24, 25]
(8)
(9)
где S — относительная насыщенность мерзлого грунта; a ₀ , l и m — эмпирические параметры; K _с — насыщенная гидравлическая проводимость, м ∙ с ⁻¹ .Нормализованная насыщенность задается как [25]
(10)
где θ _r — это остаточное объемное содержание воды, а θ _s — объемное содержание воды в насыщенной почве.

Стратегия соединения

В моделях теплопередачи и миграции воды есть три неизвестные переменные, а именно температура, содержание льда и содержание жидкой воды. Для решения в замкнутой форме требуется дополнительное уравнение. В промерзающей почве содержание незамерзшей воды рассматривается как функция температуры, обычно определяемая по характеристической кривой промерзания почвы [8].Если жидкая вода и минусовая температура мерзлого грунта находятся в состоянии динамического равновесия, соотношение между содержанием жидкой воды и минусовой температурой определяется выражением [26].
(11)
где w ₀ — начальная влажность незамерзшей почвы, w _u — жидкая влажность промерзшей почвы, T _f — температура замерзания, K, и B — параметр, связанный с содержанием соли и типом почвы, который может быть определен либо с помощью одноточечного метода [26], либо путем принятия типичных значений для илистого песка (0.58) и песчано-гравийный (0,65). Это соотношение между содержанием жидкой воды и минусовой температурой можно представить как
(12)

Уравнения (11), (12) и (4) объединены для описания взаимосвязи между содержанием льда, содержанием жидкой воды и температурой, выражаемой как
(13)

Объединение уравнений (1), (5) и (13) приводит к структуре гидротермальной модели. При правильных граничных условиях можно рассчитать температуру ( T ), объемное содержание жидкой воды ( θ _u ) и объемное содержание льда ( θ _i ) почвы.Однако, поскольку аналитические решения этих уравнений доступны только в особых случаях, для их решения необходимо использовать численные методы.

Численное решение

Уравнения теплопередачи и расхода воды нелинейны. В этом исследовании используется итерационный метод Пикара [27] для линеаризации обоих уравнений, позволяя нелинейностям отставать на один шаг. Более конкретно, уравнения теплопередачи и потока воды математически связаны через компонент фазового перехода, что означает, что взаимное решение должно быть получено путем итерации.В этом разделе мы представляем метод расчета для решения проблемы сцепления и процедуру на основе конечного объема для последующего моделирования.

Стратегия решения

Уравнение (14) используется для исключения переменной содержания льда в определениях тепломассопереноса, оставляя для обоих только две неопределенные переменные.
(14)
где параметр r выражается как
(15)

Тогда производная по времени θ _i может быть переписана как
(16)

Подстановка уравнения (16) в уравнение (5) дает
(17)

В численных расчетах итерационный процесс для каждого временного шага задается как:

1. Температура T _i ^{k + 1} в конце прогнозируемого временного шага T _i ^k аппроксимируется температурой в начале этого шаг.Компонент i ^{k + 1} объемной льдистости ( θ _i ) и содержания жидкой воды ( θ _u ) _i ^{k + Член 1} в конце этого периода получается с помощью динамического равновесия, определенного в уравнении (13).
2. Выражение ( θ _i ) _i ^{k + 1} , полученное с помощью коэффициента диффузии воды D _i ^k и результат, полученный на этапе (1) позволяет решить уравнение (5), и таким образом получается ( θ _u ) _i ^{k + 1} каждого узла в конце этого шага.Кроме того, уравнение (14) используется с этим выражением для ( θ _i ) _i ^{k + 1} для решения относительно T _i ^{k + 1} .
3. Выражение ( θ _i ) _i ^{k + 1} , полученное с помощью C _i ^k , λ _i ^k , и результаты этапа (2) позволяют решить уравнение управления температурой (1), и реальное значение T _i ^{k + 1} каждого узла в конце период можно определить.Это и значение коррекции этого шага итерации, и значение прогноза следующего шага итерации.

Расчет продолжается до тех пор, пока разница между содержанием незамерзшей воды и температурой двух последовательных циклов не будет удовлетворять предварительно заданному допуску.

Общий процесс этого подхода графически показан на рис. 1.

Метод конечных объемов

Все уравнения в этой модели были пространственно дискретизированы с использованием метода конечных объемов, который широко используется для численного моделирования задач, связанных с потоком жидкости и тепломассопереносом.Поскольку метод конечных объемов может быть реализован на неструктурированных полигональных сетках, он хорошо подходит для моделирования гидротермальных процессов в мерзлых грунтах. В этом исследовании для выполнения кода была выбрана библиотека C ++ OpenFOAM с открытым исходным кодом, и в следующих частях описывается реализация этого решателя.

Все основные уравнения, представленные в разделе 2, можно записать в общем виде:
(18)

Интересующие параметры приведены в таблице 1.

Первым шагом процесса дискретизации является разделение всей области на неперекрывающиеся элементы, также известные как конечные объемы.Затем дифференциальные уравнения в частных производных дискретизируются в алгебраические уравнения путем интегрирования по каждому дискретному элементу. Параметры, используемые в этом процессе дискретизации, показаны на рис. 2.

Например, рассмотрим два смежных контрольных объема P и N , которые разделяют плоскость f . Здесь вектор S _f — это вектор нормали к f , а модуль — это площадь f . Интегрируя уравнение (18) по контрольному объему, уравнение (18) можно преобразовать к виду
(19)

Заменяя объемные интегралы членов Лапласа поверхностными интегралами на основе теоремы Гаусса, уравнение (19), таким образом, преобразуется в
(20)

Заменяя поверхностный интеграл суммированием по граням контрольного объема, уравнение дискретизации для каждой ячейки можно описать следующим образом:
(21)

Затем члены Лапласа в уравнении (21) дискретизируются по центральной разностной схеме, как описано в уравнении (22), которое всегда имеет второй порядок точности:
(22)

Расчет коэффициента диффузии на поверхности ячейки требует консервативной интерполяции на основе гармонического среднего, что позволяет коэффициентам диффузии гарантировать непрерывность потока и тока.Для двух контрольных объемов P и N, показанных на рис. 2, каждый из которых имеет однородные коэффициенты диффузии ( Γ _P и Γ _N , соответственно), среднее гармоническое значение коэффициента диффузии может рассчитываться
(23)

Уравнение (21) должно быть решено с помощью процедуры шага по времени. Кроме того, из-за требований сходимости и стабильности в расчетах, полностью неявная обратная разностная схема используется для дискретизации члена производной по времени в уравнении (21).Временные переменные дискретизированы, как показано на рис. 3. Это позволяет установить дискретное время и соответствующую серию временных интервалов [ t _{n — 1} , t _n ], n = 1 ,…, N , и шаг по времени равен:
(24)

Производная по времени в момент времени t _n затем может быть аппроксимирована уравнением (25), и все уравнения решаются поэтапно для каждого временного интервала.

(25)

Наконец, дискретизация приведенных выше уравнений дает набор алгебраических уравнений, которые решаются для получения дискретных значений.

Валидация и приложения

Проверка

Описание эксперимента.

Теория и численное решение, представленные в разделах 2 и 3, были проверены на результатах одномерных испытаний почвы на промерзание. Образец почвы, использованный в этом эксперименте, был взят с насыпи вдоль железной дороги Баотоу-Ланьчжоу (BLR), Северный Китай, которая признана первой железной дорогой, пересекающей пустынную территорию Китая. BLR был построен в 1950-х годах и с тех пор сильно пострадал от морозов из-за лежащей под ним естественной поверхностной почвы, которая не была обработана должным образом с точки зрения защиты от мороза.Грунт, использованный в нашем эксперименте, был выкопан на проектном вехе BLR DK72 + 612.

Анализ частиц этой почвы показал следующий состав: 0,74% мелкого гравия, 39,87% песка, 45,74% ила и 13,65% глины. Эта почва также имеет максимальную сухую плотность 1,89 г / см ³ , оптимальное содержание влаги 13,0%, удельную плотность 2,74, предел жидкости 26,6% и предел пластичности 13,4%. Образец формуют в цилиндр высотой 10 см и диаметром 15 см. Соблюдались стандартные процедуры подготовки образцов, так что относительное уплотнение составляло 90%, а содержание влаги составляло 17.5%.

Испытания на замораживание-оттаивание проводились в Лаборатории инженерии мерзлых грунтов Пекинского университета Цзяотун [28], как показано на рис. 4. Образцы почвы кондиционировали, поддерживая постоянную температуру + 1 ° C перед каждым испытанием, в результате чего получали однородную содержание воды 17,5%. Во время эксперимента стороны образцов были теплоизолированы, а температура внизу каждого столбика почвы поддерживалась на уровне + 1 ° C. Верхние поверхности образцов почвы подвергались воздействию циркулирующей жидкости с температурой либо -1.5 ° C или −3 ° C. Эта циркуляция поддерживала постоянную температуру верхних поверхностей образцов почвы. Через 48 ч измеряли температуру и влажность почвы в зависимости от расстояний от дна каждой колонки.

Рис. 4. Экспериментальная установка для испытаний по промерзанию грунта.

(а) устройство и профиль образца и (б) изображение образца: 1 — жесткий каркас; 2 — датчик перемещения; 3 — вход и выход холодной ванны; 4 — изоляционный слой; 5 — ячейка для образца; 6 — датчик температуры; 7 — бутылка Мариотта; 8 — камера с регулируемой температурой.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252680.g004

При численном моделировании этих экспериментов использовались свойства почвы и параметры модели миграции воды, приведенные в таблицах 2 и 3. Все модели рассматривали сетку, состоящую из 50 контрольных объемов. с шагом 0,2 см в осевом направлении столба почвы. Была принята полностью неявная процедура изменения разницы во времени с шагом по времени 30 с. Реализация кода считалась сходящейся, если содержание жидкой воды и температуры не изменялись более чем на 1% между последовательными итерациями на каждом временном шаге для всех тестовых примеров.

В каждом моделировании начальные и граничные тепловые условия для уравнения теплопроводности задавались следующим образом: T (t = 0 с) = 1 ° C и T ( t > 0 с, y = 10 см) = −0,75 ° C / −3 ° C, T ( t > 0 с, y = 0) = 1 ° C. Кроме того, начальные и граничные условия для уравнения воды определялись следующим образом: θ | _{t = 0} = 0,175, и.

Сравнение экспериментальных и численных результатов.

Рассчитанное общее влагосодержание и вертикальное распределение температуры в столбе почвы сравнивались с экспериментальными результатами для проверки предложенной кодовой программы. На рис. 5 показано сравнение наборов данных, созданных для различных граничных тепловых условий, показывающее, что рассчитанное влагосодержание демонстрирует разумное соответствие с измеренными значениями. Эксперименты, проведенные с верхней температурой -0,75 ° C, сформировали фронт промерзания на холодном конце (рис. 5а), и измеренное содержание влаги в прилегающей незамерзшей почве всегда превышало таковое в других местах относительно фронта промерзания.Таким образом, коэффициент диффузии воды в незамерзшей зоне направляет поток жидкости к холодной поверхности. Эксперименты с использованием верхней температуры -3,0 ° C (рис. 4b) дали другой профиль перераспределения влаги, в результате чего измеренное содержание влаги было самым высоким вблизи холодного конца (верха) колонны. При движении вниз по колонке влажность сначала уменьшается, затем увеличивается, и, наконец, резко снижается температура замерзания. Следовательно, возникают два пика содержания влаги: один на верхней поверхности образца почвы, а второй — в точке промерзания.Формирование последнего можно объяснить тем, что фронт замерзания движется относительно быстро по сравнению с диффузионным потоком жидкости, так что максимальная скорость миграции воды происходит на фронте замерзания, хотя дальнейшая миграция через колонну значительно снижается из-за образования льда.

Эти данные также демонстрируют сильную корреляцию между измеренными и вычисленными температурами почвы (рис. 6), оба значения линейно уменьшаются с глубиной в каждом эксперименте.

На рис. 7 показано рассчитанное накопление льда в эксперименте при температуре верхнего слоя почвы –3 ° C.В этом сценарии, когда образец почвы подвергался воздействию температуры ниже точки замерзания, часть поровой воды в холодной части образца первой затвердевала в лед. Одновременно градиент водного потенциала развивался в том же направлении, что и градиент температуры. Затем вода диффундировала вверх из теплой части, чтобы накормить скопление порового льда, что привело к миграции воды и увеличению содержания льда в замороженной области. В то же время содержание жидкой воды и проницаемость почвы вблизи фронта промерзания снизились.Поэтому воде становилось все труднее поступать в промерзшую зону за фронтом промерзания. При продолжающемся промерзании фронт промерзания продвигался вниз по столбу почвы, образуя промерзшую область с относительно однородным распределением льда.

Распределение воды и льда внутри этого столба почвы также было предсказано с помощью нашей численной модели для граничных условий в диапазоне от -0,75 ° C до -5 ° C (рис. 8). Все эти результаты показывают увеличение общего содержания влаги за продвижением фронта замерзания, а именно второй пик содержания влаги и истощение в незамерзшей области.Смоделированная скорость, с которой фронт замерзания движется вниз через колонну, контролирует увеличение содержания влаги в замерзшем слое. Например, медленно движущийся фронт промерзания вызывает большее увеличение содержания влаги в мерзлой почве (рис. 8а). Кроме того, было смоделировано, что протяженность замороженной области как функция глубины увеличивалась по мере снижения температуры, а пиковое содержание льда также демонстрировало небольшое снижение. Однако, по сравнению со степенью перераспределения влажности при разных температурах, прогнозируемая льдистость имела аналогичные диапазоны.Это указывает на то, что скорость продвигающегося фронта замерзания в первую очередь влияет на миграцию жидкой воды. Эти смоделированные результаты разумны и подтверждены в литературе [29, 30]. Тесная корреляция между наблюдаемыми (экспериментальными) и расчетными (смоделированными) результатами означает, что наша теоретическая формулировка может точно описывать физические процессы, связанные с выветриванием в результате замерзания – таяния.

Приложения

Проблема железнодорожной насыпи.

Применение этой модели было проиллюстрировано путем моделирования изменения профилей температуры и влажности в железнодорожной насыпи в течение определенного периода.Участок принадлежит железной дороге Баотоу-Ланьчжоу в Северном Китае (рис. 9), где максимальная глубина промерзания может достигать 1–1,2 м ниже естественного грунта. Полевые наблюдения показывают, что на отдельных участках морозное пучение превышает 20 мм, что создает угрозу безопасной эксплуатации поездов. Гидротермальный метод был применен для разработки двухмерной модели насыпи для оценки степени дефектов морозного пучения и связанной с этим долгосрочной стабильности земляных работ.

Модель и параметры.

Пространственные конечно-объемные сетки, принятые для моделирования железнодорожной насыпи, показаны на рис. 10.Здесь верхняя часть сетки неструктурирована, а нижняя часть структурирована, имитируя искусственный и естественный грунт соответственно. Расчетная область для насыпи и естественного грунта использовала параметры грунта, перечисленные в таблицах 2 и 3. Это оправданное предположение, поскольку природный грунт когда-то был искусственно уплотнен, а насыпь была построена с использованием того же грунта без предварительной геотехнической обработки или модификация. Содержание воды в почве было установлено на уровне 9%, исходя из засушливого континентального климата и глубокого залегания грунтовых вод в регионе.

Граничные и начальные условия.

На рис. 10 верхняя граница EF представляет собой верхнюю поверхность насыпи насыпи, а границы BE и FI — наклонные поверхности насыпи. Горизонтальные границы AB и IJ представляют собой естественные поверхности грунта. Долгосрочное наблюдение за испытательной площадкой позволило оценить упрощенные граничные температурные условия, определенные уравнением (26) и представленные в таблице 4.
(26)
где T ₀ — средняя годовая температура, A — годовая амплитуда изменения температуры, p — цикл колебаний, равный 8760 часам, t — время в часах и R ₀ — скорость нагрева, принятая здесь равной 0.04 ° C / год.

Постоянная температура T = 7 ° C применялась к нижней поверхности (LK) расчетной модели, которая находилась на 20 м ниже естественной поверхности земли. Левая и правая границы модели предполагались адиабатическими.

В этом численном моделировании предполагается, что насыпь была построена 15 августа, когда обычно регистрируется самая высокая годовая температура в этом регионе. Начальный температурный профиль естественного грунта был получен путем расчета 50-летнего переходного решения для Северного Китая без учета долгосрочных климатических изменений.Затем начальное распределение температуры в насыпи насыпи было определено по температуре верхней поверхности естественного грунта в момент строительства насыпи. Затем были смоделированы пространственно-временные характеристики полей температуры и влажности внутри насыпи на основе ее строительства 10 лет спустя.

Результаты и анализ.

Проблемы морозного пучения в насыпях связаны с глубиной промерзания. Для простоты в данном моделировании в качестве температуры замерзания почвы была принята 0 ° C.Эффекты процесса замерзания-оттаивания, рассчитанные с помощью этой модели, показаны на рис. 11. Прогнозируется, что верхний слой насыпи замерзнет на открытой поверхности 11 декабря в первый год после строительства, а максимальная глубина промерзания будет около 27 марта следующего года. Интересно, что последующий процесс оттаивания одновременно распространяется как от верха, так и от низа центральной линии колонны насыпи, создавая двухстороннюю моду (рис. 11). Прогнозируемая продолжительность этого периода оттаивания относительно коротка, около 20 дней.В отличие от этого, прогнозируемый период заморозков длится с декабря первого года по апрель следующего года, охватывая почти 130 дней.

На рис. 12 показано распределение температуры насыпи на 10 ^-й год после строительства. Во время ежегодного похолодания, связанного с понижением температуры воздуха, зона охлаждения участка насыпи непрерывно расширяется. Глубина промерзания 1 апреля находится на -1,16 м ниже естественной поверхности земли, а глубина промерзания насыпи ниже средней линии равна 1.На 29 м и на 0,13 м толще, чем под естественным грунтом. Более того, минимальная температура возникает на обочинах насыпи, которая страдает от двухстороннего вторжения холодных фронтов, в результате чего они испытывают наибольшую глубину промерзания. Этот результат означает, что необходимо принять профилактические меры, чтобы избежать асимметричного морозного пучения и образования трещин на насыпях, которые в противном случае могут серьезно повлиять на устойчивость железнодорожных фундаментов.

Пространственно-временное перераспределение влаги — важный параметр для оценки долговременной устойчивости железнодорожных насыпей.На Рис. 13 показано распределение объемного содержания влаги, прогнозируемое в течение периода замерзания, определенного выше. В начале периода замерзания незамерзшая вода в неглубоких слоях насыпи уменьшается в объеме, в то время как свободная вода внутри фундамента мигрирует вверх к замерзшей кайме (рис. 13а). В результате в замороженной кайме скопилась влага, и постепенно образовался слой льда (рис. 13b и 13c). После этого замерзшая часть смоделированного керна почвы появилась под поверхностью земли из-за инициирования режима двухстороннего оттаивания (рис. 13d), который со временем уменьшился.Смоделированная ледовитость вблизи вершины и обочины железнодорожной насыпи значительно увеличилась в этот период, хотя не прогнозировалось, что она будет обильной у подножия насыпи из-за защитного эффекта облицовки. Следовательно, предполагается, что строительство ограждения является рентабельной мерой для предотвращения накопления инея, и хотя следует принять дополнительные меры предосторожности в других местах на поверхности насыпи для предотвращения образования льда.Важно то, что пространственно-временное воздействие морозного пучения в земляном полотне можно предсказать с помощью нашего числового кода, основываясь исключительно на расчетном температурном профиле и распределении льдистости.

На рис. 14 показано, как прогнозируется изменение объемной льдистости непосредственно под средней линией участка железнодорожной насыпи в течение 10 лет после ее строительства. Эти данные показывают, что лед должен постепенно накапливаться ближе к верхней части насыпи с течением времени, что позволяет предположить, что миграция влаги внутри насыпи также должна продолжаться на ежегодной основе из-за ежегодных изменений температуры.Таким образом, влагозащитные слои следует устанавливать в пределах железнодорожных насыпей, чтобы обеспечить их долгосрочную стабильность.

Выводы

В данной статье представлена ​​численная модель гидротермального процесса в ненасыщенных почвах при замерзании и оттаивании. Модель разработана с использованием платформы OpenFOAM открытого доступа. Численное моделирование лабораторных экспериментов по замораживанию показывает тесную корреляцию между прогнозируемыми и измеренными значениями пространственно-временных изменений содержания влаги и температуры, что указывает на надежность нашего кода.После проверки эта модель была применена для прогнозирования изменений перераспределения температуры и влажности в железнодорожной насыпи с течением времени, которые являются важными физическими параметрами, определяющими ее долгосрочную стабильность. Наши предварительные результаты показывают, что представленная здесь числовая модель и соответствующий код могут быть полезны для проектирования, обслуживания и исследования других насыпей в сезонно замерзших регионах.

Данные и результаты, представленные в этом исследовании, подтверждают, что наша модель эффективно учитывает множество аспектов температуры и потока жидкости и успешно разрешает взаимозависимость между теплопередачей и влагопереносом в почве.В будущих исследовательских проектах будет дана количественная оценка величины деформации столбов почвы из-за циклов замерзания-оттаивания, а полевые данные будут собираться и интегрироваться в наш код для лучшего описания гидравлических и термических свойств ненасыщенного грунта.

Список литературы

1. 1.
   Ван Т. Ф., Лю Дж. К., Тай Б. В., Занг Ч. З., Чжан З. С. (2017). Характеристики морозоподъемности винтовых свай в сезонно-мерзлых регионах на основе термомеханического моделирования. Компьютеры и геотехника , 91, 27–38.
2. 2.
   Ли К. Л., Сюй X. Т., Ху Дж. Дж., Чжоу З. В. (2018). Исследование поведения ненасыщенного мерзлого грунта: состояние фазового превращения, прочность после пика и дилатансия. Найдено почв , 58, 928–940.
3. 3.
   Лай Ю. М., Сюй Х. Т., Дун Ю. Х., Ли С. Ю. (2013). Современное состояние и перспективы механических исследований мерзлых грунтов в Китае. Cold Reg Sci Technol , 87 6–18.
4. 4.Филип Дж. Р., Де Фрис Д. А. (1957). Движение влаги в пористых материалах при перепадах температур. Eos . Транзакции Американского геофизического союза , 38, 222–232.
5. 5.
   Греневельт П., Кей Б. (1974). О взаимодействии переноса воды и тепла в мерзлых и незамерзших грунтах: II. Базовая теория; жидкая фаза 1. Журнал Американского общества почвоведов , 38, 400–404.
6. 6.
   Кей Б., Греневельт П. (1974).О взаимодействии переноса воды и тепла в мерзлых и незамерзших грунтах: I. Основы теории; паровая фаза 1. Журнал Американского общества почвоведов , 38, 395–400.
7. 7.
   Харлан Р. (1973). Анализ сопряженного переноса теплоносителя в частично мерзлой почве. Исследование водных ресурсов , 9, 1314–1323.
8. 8.
   Ньюман Г. П., Уилсон Г. В. (1997). Тепломассообмен в ненасыщенных грунтах при промерзании. Может Geotech J , 34, 63–70.
9. 9.
   Hansson K., Lundin L.C. (2006) Равнозначность и чувствительность при моделировании замораживания и оттаивания лабораторных данных и данных in situ. Холодный Рег. . Научно-исследовательский . Технол , 44, 20–37.
10. 10.
    Ханссон К., Шимунек Дж., Мизогучи М., Лундин Л. К., Генухтен М. Т. (2004). Водный поток и перенос тепла в мерзлых грунтах. Журнал зоны Вадосе , 3, 693–704.
11. 11.
    Миллер Р. Д. (1980). Явления промерзания в почвах.В: Hillel D. (Ed.), Applications of Soil Physics , Academic Press.
12. 12.
    Конрад Дж. М. (1989). Влияние скорости охлаждения на температуру образования ледяной линзы в глинистых илах. Холодный Рег. . Научно-исследовательский . Технол , 16, 25–36.
13. 13.
    Чжан С., Тэн Дж., Хэ З. (2016). Эффект навеса, вызванный паропереносом в покрытых промерзающих грунтах. Géotechnique , 66, 927–940.
14. 14.
    Тэн Дж., Шань Ф., Хэ З. (2018). Экспериментальное исследование скопления льда в ненасыщенном чистом песке. Géotechnique , 69, 1–9.
15. 15.
    Шэн Д. К., Чжан С., Ли X. (2013). Влияние железнодорожных нагрузок на морозное пучение насыпей. Китайский журнал геотехнической инженерии , 35, 2186–2191. [на китайском языке]
16. 16.
    Шимунек, Й., Шейна, М., Сайто, Х., Сакаи, М., Генухтен, М. Т. (2008). Пакет программного обеспечения HYDRUS-1D для моделирования движения воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью.Версия 4.0, программное обеспечение HYDRUS, серия 3.
17. 17.
    Шуп С. А., Бигл С. Р. (1997). Миграция влаги при замерзании и оттаивании ненасыщенных почв: моделирование и крупномасштабные эксперименты. Холодный Рег. . Научно-исследовательский . Технол , 25, 33–45.
18. 18.
    Флерчингер, Г. Н. (2000). Модель одновременного нагрева и воды (SHAW): Техническая документация. Центр исследований северо-западного водораздела Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, Бойсе, Айдахо.
19. 19.Янссон, П. Э. (1998). Имитационная модель для водно-теплового режима почвы. Отдел сельскохозяйственной гидротехники, связи.
20. 20.
    Хэ З. Ю., Чжан С., Тэн Дж. Д., Яо Ю. П., Шэн Д. К. (2018). Совместная модель миграции жидкости, водяного пара и тепла в промерзающих грунтах. Холодный Рег. . Научно-исследовательский . Технол , 148, 22–28.
21. 21.
    Ясак, Х., Емцов, А., Тукович, З. (2007). OpenFOAM: библиотека C ++ для сложных физических симуляций.Международный семинар по связанным методам в численной динамике, IUC Дубровник, Хорватия.
22. 22.
    Тай Б. В., Лю Дж. К., Ван Т. Ф., Шен Ю. П., Ли X. (2017). Численное моделирование мероприятий по борьбе с морозным пучением земляного полотна высокоскоростной железной дороги в холодных регионах. Cold Reg Sci Technol , 141, 28–35.
23. 23.
    Ху Т. Ф., Ван Т. Л., Чанг Дж., Лю Дж. Ю., Лу Ю. Т. (2020). Разработка и проверка кода для сопряженного процесса миграции воды и теплопередачи мерзлого грунта на основе метода конечных объемов. Механика горных пород и грунтов , 41, 1781–1789. [На китайском языке].
24. 24.
    Муалем Ю. (1976). Новая модель для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных пористых сред. Исследование водных ресурсов , 12, 513–522.
25. 25.
    Генухтен М. Т. (1980). Уравнение в замкнутой форме для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных грунтов. Журнал Американского общества почвоведов , 44, 892–898.
26. 26.
    Сюй X. Z., Ван Дж. С., Чжан Л. Х. (2001). Физика мерзлых почв , Пекин: Science Press. [на китайском].
27. 27.
    Гриншилдс К. Дж. (2015). Руководство пользователя OpenFOAM , OpenFOAM Foundation, США.
28. 28.
    Ван Ц. З., Лю Дж. К., Чжу X. X., Лю Дж. Ю., Лю Ц. Ю. (2016). Экспериментальное изучение характеристик морозного пучения и анализ серой корреляции отсортированного щебня. Cold Reg Sci Technol , 126, 44–50.
29. 29.
    Шэн Д.К., Чжан С., Ю. З. (2013) Оценка морозоустойчивости почв с помощью ПК-пучения. Холодный Рег. . Научно-исследовательский . Технол , 95, 27–38.
30. 30.
    Ма В., Ван Д. Ю. (2014). Механика мерзлых грунтов . Пекин: Science Press. [на китайском].

Влияние интенсивности и продолжительности замерзания на микробную биомассу почвы, извлекаемые запасы углерода и азота, а также выбросы N 2 O и CO 2 из лесных почв в холодно-умеренном регионе

Морозильные камеры | Thermo Fisher Scientific

Клеточные линии в непрерывном культивировании могут страдать от нежелательных последствий, таких как генетический дрейф, старение и микробное загрязнение, и даже в самых хорошо функционирующих лабораториях может возникнуть сбой оборудования.Установленная клеточная линия является ценным ресурсом, а ее замена требует больших затрат времени и средств. Поэтому жизненно важно, чтобы они были заморожены и сохранены для длительного хранения. Правильно поддерживаемый замороженный клеточный фонд является важной частью клеточной культуры.

Как только небольшой избыток клеток становится доступным в результате субкультивирования, лучший метод консервирования — хранить их в замороженном виде, как исходный материал , защищенным и не доступным для общего лабораторного использования. Рабочие запасы можно подготовить и пополнить из замороженных семенных запасов. Если запасы семян истощаются, криоконсервированные рабочие запасы могут затем служить источником для подготовки свежего семенного материала с минимальным увеличением числа поколений после первоначального замораживания.

Общий метод замораживания одинаков для прикрепленных и суспензионных клеток, за исключением того, что прикрепленные клетки необходимо удалить из планшетов для культивирования перед началом процедуры замораживания. Лучший метод криоконсервации культивируемых клеток — это их хранение в жидком азоте в полной среде в присутствии криозащитного агента, такого как диметилсульфоксид (ДМСО).Криозащитные агенты снижают точку замерзания среды и позволяют снизить скорость охлаждения, что значительно снижает риск образования кристаллов льда, которые могут повредить клетки и вызвать их гибель.

Примечание: Известно, что раствор ДМСО способствует процессу проникновения органических молекул в ткани. Обращайтесь с реагентами, содержащими ДМСО, используя оборудование и методы, соответствующие опасностям, создаваемым такими материалами. Утилизируйте реагенты в соответствии с местными правилами.

Среда для замораживания
Всегда используйте рекомендованную среду для замораживания для криоконсервации клеток. Среда для замораживания должна содержать криозащитный агент, такой как ДМСО или глицерин. Вы также можете использовать специально разработанную полную среду для криоконсервации, такую ​​как среда для замораживания культуры клеток Gibco Recovery или среда для криоконсервации Gibco Synth-a-Freeze.

• Среда для замораживания восстановленных культур клеток — это готовая к использованию полная среда для криоконсервации культур клеток млекопитающих, содержащая оптимизированное соотношение фетальной бычьей сыворотки к бычьей сыворотке для повышения жизнеспособности клеток и восстановления клеток после оттаивания.
• Среда для криоконсервации Synth-a-Freeze представляет собой стерильную среду для криоконсервации, не содержащую белков, химически определенную, содержащую 10% ДМСО, которая подходит для криоконсервации многих типов стволовых и первичных клеток, за исключением меланоцитов.

• Сосуды для культивирования, содержащие культивируемые клетки в логарифмической фазе роста
• Полная питательная среда
• Криозащитный агент, такой как ДМСО (используйте бутылку, отведенную для культивирования клеток; открывайте только в вытяжном шкафу с ламинарным потоком) или среду для замораживания, такую ​​как в качестве среды для криоконсервации Synth-a-Freeze или среды для замораживания культур восстановленных клеток
• Одноразовые стерильные конические пробирки на 15 или 50 мл
• Реагенты и оборудование для определения количества жизнеспособных и общих клеток (например,g., автоматический счетчик клеток Invitrogen Countess II FL или гемоцитометр, счетчик клеток и трипановый синий)
• Стерильные криогенные флаконы для хранения (т. е. криопробирки)
• Устройство для замораживания с контролируемой скоростью или камера изопропанола
• Контейнер для хранения жидкого азота

Для замораживания прикрепленных клеток, помимо вышеуказанных материалов, вам потребуются:

• Сбалансированный солевой раствор, такой как фосфатно-солевой буфер Гибко Дульбекко (DPBS), не содержащий кальция, магния или фенолового красного. как трипсин или Gibco TrypLE Express, без фенолового красного

141,15400054,150,12604013,15250061, AMQAF1000, AMQAX1000,12648010, R00550

В следующем протоколе описана общая процедура для криоконсервирования культивируемых клеток. Для получения подробных протоколов всегда обращайтесь к вкладышу продукта для конкретных ячеек.

1. Приготовьте замораживающую среду и храните при температуре от 2 ° до 8 ° C до использования. Обратите внимание, что подходящая среда для замораживания зависит от линии клеток.
2. Для прикрепившихся клеток осторожно отделите клетки от сосуда для тканевой культуры, следуя процедуре, используемой во время субкультивирования. Ресуспендируйте клетки в полной среде, необходимой для этого типа клеток.
3. Определите общее количество клеток и процент жизнеспособности с помощью гемоцитометра, счетчика клеток и исключения трипанового синего или автоматического счетчика клеток Countess.В соответствии с желаемой плотностью жизнеспособных клеток рассчитайте необходимый объем замораживающей среды.

4. Центрифугируйте суспензию клеток приблизительно при 100–200 × g в течение 5–10 минут. Слейте супернатант в асептических условиях, не нарушая клеточный осадок.

   Примечание: Скорость и продолжительность центрифугирования зависят от типа ячейки.

5. Ресуспендируйте осадок клеток в холодной замораживающей среде до рекомендуемой плотности жизнеспособных клеток для конкретного типа клеток.
6. Распределите аликвоты клеточной суспензии в криогенные флаконы для хранения. По мере того, как вы их аликвотируете, часто и осторожно перемешивайте клетки для поддержания гомогенной клеточной суспензии.
7. Заморозьте клетки в аппарате замораживания с контролируемой скоростью, снижая температуру примерно на 1 ° C в минуту. В качестве альтернативы поместите криопробирки с клетками в камеру изопропанола и храните их при –80 ° C в течение ночи.
8. Перенести замороженные клетки в жидкий азот и хранить их в газовой фазе над жидким азотом.

Следование приведенным ниже рекомендациям необходимо для криоконсервации ваших клеточных линий для будущего использования. Как и в случае с другими процедурами культивирования клеток, для достижения наилучших результатов мы рекомендуем строго следовать инструкциям, прилагаемым к вашей линии клеток.

• Заморозьте образцы культивируемых клеток до высокой концентрации и при как можно меньшем количестве пассажей. Перед замораживанием убедитесь, что жизнеспособность клеток составляет не менее 90%. Обратите внимание, что оптимальные условия замораживания зависят от используемой клеточной линии.
• Замораживайте клетки медленно, снижая температуру примерно на 1 ° C в минуту, используя крио-морозильник с контролируемой скоростью или контейнер для криогенного замораживания, такой как «Mr. Frosty », доступный в лаборатории Thermo Scientific Nalgene labware (Nalge Nunc).
• Всегда используйте рекомендованную морозильную среду. Среда для замораживания должна содержать криозащитный агент, такой как ДМСО или глицерин (см. What is Subculture? ).
• Образцы клеток следует хранить в парообразном жидком азоте при температуре ниже –135 ° C.
• Всегда используйте стерильные криопробирки для хранения замороженных клеток. Криопробирки, содержащие замороженные клетки, могут храниться погруженными в жидкий азот или в газовой фазе над жидким азотом (см. примечание по безопасности ниже).
• Всегда используйте средства индивидуальной защиты.
• Все растворы и оборудование, контактирующие с клетками, должны быть стерильными. Всегда используйте надлежащую стерильную технику и работайте в вытяжном шкафу с ламинарным потоком.

Примечание по безопасности: Биологически опасные материалы должны храниться в газовой фазе над жидким азотом.Хранение закрытых криопробирок в газовой фазе исключает риск взрыва. Если вы используете жидкофазное хранилище, помните об опасности взрыва как стеклянных, так и пластиковых криопробирок и всегда надевайте защитную маску или очки.

Изменить правила температуры почвы и максимальной глубины промерзания в период промерзания-оттаивания в песках и лугах Хоркин — q Бюллетень по охране почв и водоемов》 2016 年 06 期

Изменение правил температуры почвы и максимальной глубины промерзания в период промерзания-оттаивания в песках и лугах Хоркин

YUE Cuitong; LIU Xiaoyan; LIU Tingxi; FU Qingyun; CAO Wenmei; LIU Qiaoling; Колледж водного хозяйства и гражданского строительства, Сельскохозяйственный университет Внутренней Монголии;

[Цель] Изменения температуры почвы и максимальной глубины промерзания в песках Хорциня и луговых угодьях должны были обеспечить поддержку для разумного руководства сельскохозяйственным производством и строительством.[Методы] На основе данных искусственных наблюдений с 2007 по 2015 гг. В период промерзания и оттаивания, изменчивость температуры почвы и максимальной глубины промерзания в песках Хорцинь и луговых угодьях были проанализированы и сопоставлены в период промерзания-оттаивания. [Результаты] Изменения температуры почвы. Стандартное отклонение температуры почвы на песках и лугах на 100 см было в основном одинаковым, а значения для луговых земель были меньше, чем для песков. Но более поздний период таяния луговых земель длился дольше, в результате чего его стандартное отклонение было больше. чем песочный.Учитывая одновременное влияние температуры почвы и влажности почвы на максимальную глубину промерзания, определяющий коэффициент R2 на глубине 200 см в песке и 140 см в лугах составил 0,959 и 0,788 соответственно. [Заключение] Песчаные земли замерзли и замерзли. На исследуемой территории максимальная глубина промерзания в песках была глубже, чем у луговых земель, при одновременном учете температуры почвы и влажности почвы коэффициент корреляции с максимальной глубиной промерзания был больше, чем соответствующее значение только одна переменная включена.Температура почвы и влажность почвы отрицательно коррелировали с максимальной глубиной промерзания песков и лугов.

Моделирование стока почвы: Метод номера кривой

Моделирование стока почвы: Метод номера кривой

Сток после выпадения осадков рассчитывается с использованием метода числа кривых USDA-SCS (USDA-SCS, 1988a).

Сток рассчитывается следующим образом:

куда

Q (м) — суточный сток.

R (м) — суточное количество осадков.

S (м) — коэффициент удерживания поверхности. Колебания почвенной воды
содержание влияет на параметр удерживания поверхности.Исправления для этого

S = s i · [1.0 —

PAW * PAW * + e (w 1 — W 2 · PAW * )

]

Эффект был адаптирован из Sharpley and Williams, 1990:

куда

s_i (m) — коэффициенты поверхностного удерживания для каждой предшествующей почвы.
состояние влажности (1,2, & 3) рассчитывается по:

с и = 0.0254 ·

[

1000 CN i

— 10

]

CNi — номер кривой, зависящий от почвы, землепользования, управления
и наклон. Нижний индекс i представляет предшествующую влажность
условия (1,2 или 3), как определено в (USDA-SCS, 1988a). Значения CN (и
поэтому значения s) различны для каждого условия. В замораживании
климатические условия, когда слой почвы 1 промерз, CNi корректируется как дробная
заполненной водой пористости в слое почвы 1 для имитации инфильтрации
снижение.

CN и = CN и + (100 — CN и ) ·

WC 1 1 — BD 1 / 2.65

куда

WC1 (м3 / м3) — содержание воды в слое 1.

BD1 (г / см3) — объемная плотность в слое 1.

Когда слой грунта 1 промерз и доля водонаполненной пористости
это 1

(Я.е. WC1 = 1 — BD1 / 2.65) значение S в уравнении 14.4
устанавливается равным нулю, и уравнение 14.4 предсказывает, что все
дождь стекает. Однако текущая версия CropSyst не
позволяют содержание воды быть больше, чем емкость поля, таким образом, это
экстремальное состояние никогда не достигается.

PAW * в уравнении 14.4 — это доступная установка, взвешенная по глубине
вода по профилю почвы:

PAW * =

нл S л = 1 PAW л [ Z л — Z л-1 Z l ] nl S л = 1 PAW л [ Z л — Z л-1 Z l ]

для Z л < 1.0

nl — количество слоев.

Zl — глубина от поверхности почвы до подошвы слоя l.

w1, w2 — параметры формы кривой удерживания, рассчитываемые как:

w 2 = 2,0 · [ln |

0,5 1 — с 2 / с 1

|

— 0,5 — пер.

[

1 1 — с 3 / с 1

— 1

]

]

w 2 = ln [

1.0 1 — с 3 / с 1

— 1,0 ]

+ w 2

14.4.1 Промерзшая почва

Поскольку на сток влияют условия мерзлого грунта, важно
учитывать этот эффект в тех регионах, где условия промерзания почвы могут
существуют часть года.