Верификация термогидромеханической модели промерзания влагонасыщенного грунта на основе лабораторных экспериментов
Автор: Желнин Максим Сергеевич, Костина Анастасия Андреевна, Прохоров Александр Евгеньевич, Плехов Олег Анатольевич, Семин Михаил Александрович, Агутин Кирилл Алексеевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.14, 2021 года.
Бесплатный доступ
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.
Искусственное замораживание грунта, морозное пучение, численное моделирование, волоконно-оптический датчик
Короткий адрес: https://sciup.org/143174603
IDR: 143174603 | УДК: 552.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.2.12
Validation of a thermo-hydro-mechanical model of freezing of water-saturated soil based on laboratory tests results
Frost heave of freezing water-saturated soils is an important worldwide problem from an engineering point of view. In cold regions, this phenomenon significantly affects foundations of buildings and road pavements. Application of artificial ground freezing to underground construction due to frost heave can cause an undesirable uplift of the ground surface and an increase in pressure acting on a lining and frozen wall. In the present paper, a mathematical model of soil freezing enabling one to predict soil deformation due to phase transformation of pore water into ice is proposed. The model is based on a set of nonlinear equations of water transfer, heat transfer, and equilibrium which are solved relative to porosity, temperature, and displacement variables. Constitutive relations of the poromechanics theory along with Bishop-type effective stress are used to simulate the mechanical behavior of soil during the process of pore water freezing and to evaluate pore pressure depending on a changein porosity and volumetric strain. Moreover, equations of the associated flow rule of plasticity are incorporated into the model to describe an inelastic volumetric expansion of the freezing soil induced by pore ice pressure. The ability of the model to capture essential features of the freezing process of water-saturated soils is demonstrated by numerical simulation of two laboratory tests. For the first test, a comparison between results of the numerical simulation and experimental measurements of variations of temperature and uplift of the top surface of silty clay specimens with time has been conducted. It has been shown that the numerical results are highly consistent with the measurements when the soil specimen is frozen with the growth of a massive cryogenic structure. In the numerical simulation of the second test, the calculated radial deformation of freezing soil is in good agreement with the experimental measurements, obtained by a fiber-optical sensor during the radial freezing of the quartz sand sample in a closed system.
Список литературы Верификация термогидромеханической модели промерзания влагонасыщенного грунта на основе лабораторных экспериментов
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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)
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
