Экспериментальное и теоретическое исследование механических деформаций в промерзающем влагонасыщенном грунте

Активное развитие инфраструктуры в условиях крайнего Севера, связанное с использованием метода искусственного замораживания при строительстве гражданских и промышленных сооружений, приводит к необходимости описания процесса морозного пучения, вызванного замерзанием поровой влаги в грунтах. Настоящая работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию морозного пучения в лабораторных образцах из влагонасыщенного песка. Искусственное замораживание образцов проводилось в морозильной камере. В процессе промерзания грунта выполнялось измерение температуры и деформаций с использованием системы контроля, состоящей из набора термопар и волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток. Для анализа полученных экспериментальных данных была разработана термогидромеханическая модель. Предполагается, что насыщенный грунт является трехфазной пористой средой, состоящей из сухого скелета, воды и льда. Модель включает в себя закон сохранения энергии, уравнения баланса массы для влажности и льдистости, уравнение равновесия и определяющие соотношения для описания влияния фазового перехода воды в лед на процесс тепло- и массопереноса и возникновения дополнительных объемных деформаций. Компьютерная реализация математической модели выполнена в конечно-элементом пакете Comsol Multiphysics. Особенностью предложенной модели является возможность учета кинетики фазового перехода на морозное пучение промерзающего влагонасыщенного грунта. Результатом работы является хорошее качественное и количественное соответствие между измерениями температуры в объеме лабораторного образца с результатами моделирования. Сравнение с показаниями деформационных волоконно-оптических детекторов показало, что расчетные значения имеют также малое отклонение от измеренных. Проведенный анализ измерений на основе результатов численного моделирования позволяет заключить, что морозное пучение происходит в течение длительного времени после начала фазового перехода при температуре значительно ниже температуры начала замерзания поровой влаги.