1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология
  4. № 6, 2023

Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 6, стр. 39-46

Моделирование порового давления воды в промерзающих дисперсных грунтах при миграции влаги

Чжоу Бичэн 1, *, А. В. Брушков 1, **, Ху ЦзяБо 2, ***

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы 1, Россия

2 Китайский университет наук о Земле
430074 Ухань, Хубэй, Лумо проспект, Китай

* E-mail: zhoubicheng@mail.ru
** E-mail: brouchkov@geol.msu.ru
*** E-mail: jiabo96@163.com

Поступила в редакцию 23.09.2023
После доработки 06.10.2023
Принята к публикации 26.10.2023

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.

Ключевые слова: мерзлый грунт, поровое давление воды, ледяной шлир, миграция влаги, моделирование промерзания

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 материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал