Верификация термогидромеханической модели промерзания влагонасыщенного грунта на основе лабораторных экспериментов
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.2.12Ключевые слова:
искусственное замораживание грунта, морозное пучение, численное моделирование, волоконно-оптический датчикАннотация
Морозное пучение промерзающих влагонасыщенных грунтов является важной инженерной проблемой во всем мире. В регионах с холодным климатом оно оказывает значительное механическое воздействие на основания и фундаменты строений и дорожных покрытий. При проведении искусственного замораживания для подземного строительства морозное пучение может приводить к нежелательному поднятию дневной поверхности и повышению давления на крепь и ледопородное ограждение. В настоящей работе предлагается математическая модель промерзания грунта, позволяющая рассчитать его деформирование в результате льдообразования из поровой влаги. Основу модели составляет система нелинейных уравнений массопереноса, теплопереноса и равновесия, из которых находятся переменные пористости, температуры и перемещения. Соотношения поромеханики вместе с эффективным напряжением вида Бишопа используются как для определения напряженно-деформированного состояния грунта в процессе замерзания поровой влаги, так и порового давления в зависимости от изменения пористости и объемной деформации. Также в модель включен ассоциированный закон пластического течения для вычисления неупругой объемной деформации грунта, возникающей при его растяжении под воздействием порового давления льда. Проверка применимости модели к описанию процесса промерзания проведена путем сравнения результатов двух лабораторных опытов с данными последующих численных расчетов. В первом опыте измерялись температура и уровень поднятия верхней поверхности образцов алевритистой глины, которые подвергались одностороннему замораживанию в условиях открытой системы. Показано, что в случае промерзания грунта с образованием массивной криогенной структуры модель адекватно воспроизводит экспериментальные данные. При численном моделировании второго опыта результаты расчета деформирования грунта в радиальном направлении показали хорошее согласование с экспериментальными данными, полученными с помощью волоконно-оптического датчика при радиальном замораживании кварцевого песка в условиях закрытой системы.
Скачивания
Библиографические ссылки
Киселев М.Ф. Предупреждение деформации грунтов от морозного пучения. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. 130 с.
Таюкин Г.И., Фурсов В.В., Балюра М.В. Воздействие сезонного промерзания грунтов на фундаменты строящихся объектов (терминал хранения сжиженных углеводородов) // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2019. № 6. С. 186-198. https://doi.org/10.31675/1607-1859-2019-21-6-186-198">https://doi.org/10.31675/1607-1859-2019-21-6-186-198
Yang B., Qin Z., Zhou Q., Li H., Li L., Yang X. Pavement damage behaviour of urban roads in seasonally frozen saline ground regions // Cold Regions Sci. Tech. 2020. Vol. 174. 103035. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2020.103035">https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2020.103035
Long X., Cen G., Cai L., Chen Y. Model experiment of uneven frost heave of airport pavement structure on coarse-grained soils foundation // Construct. Build. Mater. 2018. Vol. 188. P. 372-380. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.100">https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.100
Горелик Я.Б. Методы расчета деформаций инженерных конструкций, вызванных пучением пород промерзающего слоя // Криосфера Земли. 2010. Т. 14, № 1. С. 50-62.
Teng Z.-C., Liu X.-Y., Liu Y., Zhao Y.-X., Liu K.-Q., Teng Y.-C. Stress–strain assessments for buried oil pipelines under freeze-thaw cyclic conditions // J. Pressure Vessel Technol. 2021. Vol. 143(4). 041803. https://doi.org/10.1115/1.4049712">https://doi.org/10.1115/1.4049712
Cai H., Li S., Liang Y., Yao Z., Cheng H. Model test and numerical simulation of frost heave during twin-tunnel construction using artificial ground-freezing technique // Computers and Geotechnics. 2019. Vol. 115. 103155. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103155">https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103155
Zhou J., Zhao W., Tang Y. Practical prediction method on frost heave of soft clay in artificial ground freezing with field experiment // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021. Vol. 107. 103647. https://doi.org/10.1016/j.tust.2020.103647">https://doi.org/10.1016/j.tust.2020.103647
Хакимов Х.Р. Вопросы теории и практики искусственного замораживания грунтов. М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1957. 191 с.
Ким В.Х., Орлов В.О. Метод оценки давления морозного пучения грунта на ледогрунтовое ограждение подземного сооружения // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1988. № 3. С. 25-28. (English version https://doi.org/10.1007/BF01709718">https://doi.org/10.1007/BF01709718)
Ji Y., Zhou G., Hall M.R. Frost heave and frost heaving-induced pressure under various restraints and thermal gradients during the coupled thermal–hydro processes in freezing soil // Bull. Eng. Geol. Environ. 2019. Vol. 78. P. 3671-3683. https://doi.org/10.1007/s10064-018-1345-z">https://doi.org/10.1007/s10064-018-1345-z
Сумгин М.И. Физико-механические процессы во влажных и мерзлых грунтах в связи с образованием пучин на дорогах. М.: Транспечать НКПС, 1929. 592 с.
Taber S. Frost heaving // J. Geol. 1929. Vol. 37. No. 5. P. 428-461.
Taber S. The mechanics of frost heaving // J. Geol. 1930. Vol. 38. No. 4. P. 303-317.
Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1973. 448 с.
Hoekstra P. Moisture movement in soils under temperature gradients with the cold‐side temperature below freezing // Water Resour. Res. 1966. Vol. 2. P. 241-250. https://doi.org/10.1029/WR002i002p00241">https://doi.org/10.1029/WR002i002p00241
Penner E., Gold L.W. Transfer of heaving forces by adfreezing to columns and foundation walls in frost-susceptible soils // Canadian Geotechnical Journal. 1971. Vol. 8. P. 514-526. https://doi.org/10.1139/t71-053">https://doi.org/10.1139/t71-053
Иванов Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1969. 240 с.
Harlan R.L. Analysis of coupled heat‐fluid transport in partially frozen soil // Water Resour. Res. 1973. Vol. 9. P. 1314-1323. https://doi.org/10.1029/WR009i005p01314">https://doi.org/10.1029/WR009i005p01314
O'Neill K., Miller R.D. Exploration of a rigid ice model of frost heave // Water Resour. Res. 1985. Vol. 21. P. 281-296. https://doi.org/10.1029/WR021i003p00281">https://doi.org/10.1029/WR021i003p00281
Coussy O. Poromechanics of freezing materials // J. Mech. Phys. Solid. 2005. Vol. 53. P. 1689-1718. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2005.04.001">https://doi.org/10.1016/j.jmps.2005.04.001
Zhou M.M., Meschke G. A three‐phase thermo‐hydro‐mechanical finite element model for freezing soils // Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2013. Vol. 37. P. 3173-3193. https://doi.org/10.1002/nag.2184">https://doi.org/10.1002/nag.2184
Tounsi H., Rouabhi, A., Tijani M., Guérin F. Thermo-hydro-mechanical modeling of artificial ground freezing: Application in mining engineering // Rock Mech. Rock Eng. 2019. Vol. 52. P. 3889-3907. https://doi.org/10.1007/s00603-019-01786-9">https://doi.org/10.1007/s00603-019-01786-9
Nishimura S., Gens A., Olivella S., Jardine R.J. THM-coupled finite element analysis of frozen soil: Formulation and application // Géotechnique. 2009. Vol. 59. P. 159-171. https://doi.org/10.1680/geot.2009.59.3.159">https://doi.org/10.1680/geot.2009.59.3.159
Ghoreishian Amiri S.A., Grimstad G., Kadivar M., Nordal S. Constitutive model for rate-independent behavior of saturated frozen soils // Canadian Geotechnical Journal. 2016. Vol. 53. P. 1646-1657. https://doi.org/10.1139/cgj-2015-0467">https://doi.org/10.1139/cgj-2015-0467
Zhou J., Li D. Numerical analysis of coupled water, heat and stress in saturated freezing soil // Cold Regions Sci. Tech. 2012. Vol. 72. P. 43-49. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.11.006">https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.11.006
Lai Y., Pei W., Zhang M., Zhou J. Study on theory model of hydro-thermal-mechanical interaction process in saturated freezing silty soil // Int. J. Heat Mass Tran. 2014. Vol. 78. P. 805-819. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.07.035">https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.07.035
Arzanfudi M.M., Al-Khoury R. Freezing-thawing of porous media: An extended finite element approach for soil freezing and thawing // Adv. Water Resour. 2018. Vol. 119. P. 210-226. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2018.07.013">https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2018.07.013
Кошелева Н.А., Сероваев Г.С. Моделирование напряженного состояния в окрестности встроенного в полимерный композиционный материал оптического волокна с учетом структурных особенностей композита // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. T. 10, № 4. С. 466-473. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.38">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.38
Fedorov A.Y., Kosheleva N.A., Matveenko V.P., Serovaev G.S. Strain measurement and stress analysis in the vicinity of a fiber Bragg grating sensor embedded in a composite material // Compos. Struct. 2020. Vol. 239. 111844. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111844">https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111844
Ren G., Li T., Hu Z., Zhang C. Research on new FBG soil pressure sensor and its application in engineering // Optik. 2019. Vol. 185. P. 759-771. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.03.019">https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.03.019
Желнин М.С., Прохоров А.Е., Костина А.А., Плехов О.А. Экспериментальное и теоретическое исследование механических деформаций в промерзающем влагонасыщенном грунте // Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. № 4. С. 19-28. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2019.4.02">https://doi.org/10.15593/perm.mech/2019.4.02
Zhao X., Lv X., Wang L., Zhu Y., Dong H., Chen W., Li J., Ji B., Ding Y. Research of concrete residual strains monitoring based on WLI and FBG following exposure to freeze-thaw tests // Cold Regions Sci. Tech. 2015. Vol. 116. P. 40-48. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.04.007">https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.04.007
Wang M., Li X., Chen L., Hou S., Wu G., Deng Z. A modified soil water content measurement technique using actively heated fiber optic sensor // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2020. Vol. 12. P. 608-619. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.11.003">https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.11.003
Sun M.-Y., Shi B., Zhang D., Liu J., Guo J.Y., Wei G.-Q., Cheng W. Study on calibration model of soil water content based on actively heated fiber-optic FBG method in the in-situ test // Measurement. 2020. Vol. 165. 108176. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108176">https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108176
Thomas H.R., Cleall P., Li Y.-C., Harris C., Kern-Luetschg M. Modelling of cryogenic processes in permafrost and seasonally frozen soils // Géotechnique. 2009. Vol. 59. P. 173-184. https://doi.org/10.1680/geot.2009.59.3.173">https://doi.org/10.1680/geot.2009.59.3.173
Nixon J.F. Discrete ice lens theory for frost heave in soils // Canadian Geotechnical Journal. 1991. Vol. 28. P. 843-859. https://doi.org/10.1139/t91-102">https://doi.org/10.1139/t91-102
Mu S., Ladanyi B. Modelling of coupled heat, moisture and stress field in freezing soil // Cold Regions Sci. Tech. 1987. Vol. 14. P. 237-246. https://doi.org/10.1016/0165-232X(87)90016-4">https://doi.org/10.1016/0165-232X(87)90016-4
Tounsi H., Rouabhi A., Jahangir E. Thermo-hydro-mechanical modeling of artificial ground freezing taking into account the salinity of the saturating fluid // Computers and Geotechnics. 2020. Vol. 119. 103382. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103382">https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103382
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2021 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.