Верификация термогидромеханической модели промерзания влагонасыщенного грунта на основе лабораторных экспериментов

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.