Моделирование порового давления воды в промерзающих дисперсных грунтах при миграции влаги

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Морозное пучение глинистых грунтов – одна из основных причин инженерных аварий в холодных регионах, но экспериментальные и численные исследования в своем большинстве были сосредоточены на деформации грунтов, в то время как исследований основного фактора, вызывающего деформацию при морозном пучении, – давления поровой воды – выполнено немного. Для моделирования процесса миграции воды при замерзании глинистого грунта в данном исследовании решается уравнение для частного дифференциала с целью создания модели водно-тепловой связи в промерзающем грунте. Экспериментально изучалось изменение влажности грунта, и выполнялись расчеты с помощью методов моделирования. Данные эксперимента согласуются с результатами математической модели, демонстрируя эффективность предлагаемого метода моделирования. На основе решения уравнения свободной энергии Гиббса получены новые расчетные формулы давления поровой воды для насыщенного мерзлого грунта для изучения давления поровой воды и потока воды. В целом результаты показали, что: 1) давление воды в порах промерзающего грунта с ледяным шлиром примерно в 10 раз больше, чем без шлира, что согласуется с ранее известными экспериментальными результатами; 2) температура верхней поверхности определяет предел значения порового давления воды в промерзающем глинистом грунте; 3) в зоне промерзания поровое давление воды уменьшается с глубиной быстрее, чем скорость снижения температуры.

Об авторах

Чжоу Бичэн

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhoubicheng@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы 1

А. В. Брушков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: brouchkov@geol.msu.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы 1

Ху ЦзяБо

Китайский университет наук о Земле

Автор, ответственный за переписку.
Email: jiabo96@163.com
Китай, 430074, Ухань, Хубэй, Лумо проспект

Список литературы

  1. Akagawa S., Hiasa S., Kanie S. et al. Pore water and effective pressure in the frozen fringe during soil freezing // Proc. of the Ninth Int. Conf. on Permafrost. 2008. P. 13–18. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102899
  2. Bai Qing-Bo, Li Xu, Tian Ya-Hu, Fang Jian-Hong. Equations and numerical simulation for coupled water and heat transfer in frozen soil // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2015. V. 37 (2). P. 131–136.
  3. Beskow G. Soil Freezing and Frost Heaving with Special Application to Roads and Railroads: With Special Supplement for the English Translation of Progress from 1935 to 1946 // Technological Institute, Northwestern University. 1947. https://doi.org/10.1097/00010694-194804000-00015
  4. Fowler A. Secondary frost heaving in freezing soils // SLAM Journal on Applied Mathematics, 1989. V. 49. P. 991–1008. https://doi.org/10.1137/0149060
  5. Geng L., Tang S.Y., Cong X.Z., Ling J.Lu. Three-dimensional analysis of geosynthetic-encased granular columns for liquefaction mitigation //Geosynthetics International. 2016. V. 24 (1). P. 45–59. https://doi.org/10.1680/jgein.16.00014
  6. Harlan R.L. Analysis of Coupled Heat-Fluid Transport in Partially Frozen Soil // Water Resources Research. 1973. V. 9 (5). P. 1314–1323. https://doi.org/10.1029/wr009i005p01314
  7. Hoekstra P. Moisture movement in soils under temperature gradients with the cold-side temperature below freezing // Water Resources Research. 1996. V. 2 (2). P. 241–250. https://doi.org/10.1029/wr002i002p00241
  8. Huang X., Rudolph D.L. Coupled model for water, vapour, heat, stress and strain fields in variably saturated freezing soils // Advanced in Water Resources. 2021. V. 154. P. 39–45. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2021.103945
  9. Konrad J.M. Unfrozen water as a function of void ratio in a clayey silt // Cold Region Science and Technology. 1990. V. 18 (1). P. 49–55. https://doi.org/10.1016/0165-232x(90)90037-w
  10. Konrad J.M., Duquennoi C. A model for water transport and ice Lensing in freezing soils // Water Resources Research. 1993. V. 29 (9). P. 3109–3124. https://doi.org/10.1029/93wr00773
  11. Konrad J.M., Morgenstern N.R. A mechanistic theory of ice lens formation in fine-grained soils// Canadian Geotechnical Journal. 1980. V. 17. P. 473–486. https://doi.org/10.1139/t80-056
  12. Lai L., Zhang M. et al. Study on theory model of hydro-thermal-mechanical interaction process in saturated freezing silty soil //. Int. Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. V. 78. P. 805–819. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.07.035
  13. Loch J.P.G., Kay B.D. Water Redistribution in Partially Frozen, Saturated silt Under Several Temperature Gradients and Overburden Loads // Soil Science Society of America Journal. 1978. V. 42 (30). P. 400–406. https://doi.org/10.2136/sssaj1978.03615995004200030005x
  14. Lu Ning, Likos William J. Unsaturated soil mechanics. Beijing: Higher Education Press. 2012. P. 269–287.
  15. Miller R.D. Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils // Highway Research Record. 1972. V. 393. P. 1–11. https://doi.org/10.1029/2011wr010512
  16. Miller R.D. Frost heaving in non-colloidal soils// In: Proc. third international permafrost conference, Edmonton, Canada. 1978. P. 708–713.
  17. Miller R.D. Lens initiation in secondary heaving // Highway research record. 1972. V. 393. P. 1–11.
  18. O'Neill K. The physics of mathematical frost heave models: a review // Cold Regions Scienceand Technology. 1983. V. 6 (3). P. 275–291. https://doi.org/10.1016/0165-232x(83)90048-4
  19. Taber S. Frost heaving // The Journal of Geology. 1929. V. 37 (5). P. 428–461. https://doi.org/10.1086/623637
  20. Thomas H.R., Cleall P. et al. Modelling of cryogenic processes in permafrost and seasonally frozen soils // Geotechnique. 2009. V. 29 (3). P. 173–184. https://doi.org/10.1680/geot.2009.59.3.173
  21. Zeng Guijun, Zhang Mingyi, Li Zhenping et al. Review of mechanical criterion for formation of ice lens in freezing soil // J. of Glaciology and Geocryology. 2015. V. 37 (1). P. 192–201.
  22. Zhang Lian-Hai, Ma Wei, Shi Ya-Jun et al. The modes and its implications of water accumulation near the freezing front during soil freezing with considering ice segregation // J. of Glaciology and Geocryology. 2022. V. 44 (6). P. 1–11.
  23. Zhou J.Z., Li D. Numerical analysis of coupled water, heat and stress in saturated freezing soil // Cold Regions Science & Technology. 2012. V. 72. P. 43–49. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.11.006

Дополнительные файлы


© Чжоу Бичэн, А.В. Брушков, Ху ЦзяБо, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».