Россия
Россия
Россия
Цель: Разрабатывается математическая модель для изучения процесса промерзания грунтов с учетом миграции влаги, и выполняется численное моделирование температурного режима земляного полотна железных дорог при нестационарном процессе в условиях холодного климата. Методы: Численная реализация модели выполнена обработкой математического модуля в программе COMSOL Multiphysics, основанной на дифференциальных уравнениях в частных производных (PDE) методом конечных элементов. Достоверность модели подтверждается сравнением с предыдущими экспериментальными данными и результатами моделирования другими авторами. Результаты: Результаты расчета на основе разработанной модели показывают лучшую коррелированность с экспериментальными данными по сравнению с результатами других моделей. Представлены пример вычисления и результаты расчета температурного режима земляного полотна в пятом цикле промерзания — оттаивания. Выполнен анализ изменения глубины промерзания грунтов и изменения колебания температуры грунтов по глубине на пятый год. Практическая значимость: Разработанная математическая модель дает возможность прогнозировать глубину промерзания грунта с учетом ми-грации влаги, в том числе изменение глубины промерзания и оттаивания, вызванных потеплением климата. Разработанная модель может быть использована как для изучения закономерности распределения теплового режима земляного полотна при промерзании и оттаивании, так и для совершенствования конструкции земляного полотна, чтобы защитить его от морозного пучения грунтов.
Промерзание грунта, температурный режим, миграция влаги, численное моделирование, земляное полотно
1. Лыков А. В. Теория тепло-и массопереноса / А. В. Лыков, Ю. А. Михайлов. - М.; Ленинград: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.
2. Иванов Н. С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах / Н. С. Иванов. - М.: Наука, 1969. - 240 с.
3. Павлов А. Р. Алгоритм раздельного определения влажностного поля в талой и мерзлой зонах в задаче тепломассопереноса / А. Р. Павлов, М. В. Матвеева // Матема-тические заметки СВФУ. - 2010. - № 17(1). - С. 83-92.
4. Павлов А. Р. Итерационная разностная схема для задачи тепломассопереноса с фазовыми переходами в пористой среде / А. Р. Павлов, И. Г. Ларионова, М. В. Михай-лова // Математические заметки СВФУ. - 2006. - № 13(2). - С. 68-78.
5. Павлов А. Р. Итерационная разностная схема для задачи тепломассопереноса при промерзании грунтов / А. Р Павлов, М. В. Матвеева // Вестник Самарского госу-дарственного университета. - 2007. - № 6. - С. 242-253.
6. Harlan R. L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil / R. L. Harlan // Water Resources Research. - 1973. - № 9(5). - Pp. 1314-1323.
7. Sheppard M. I. Development and Testing of a Computer Model for Heat and Mass Flow in Freezing Soils / М. I. Sheppard, B. D. Kay, J. P. G. Loch // Proceedings of the third International Conference on Permafrost (July 10-13, 1978, Edmonton, Alberta, Canada). - Ottawa: National Research Council of Canada, 1978. - Pp. 76-81.
8. Jansson P-E. Model for Annual Water and Energy Flow in a Layered Soil / P-E. Jans-son, S. Halldin // Developments in Agricultural and Managed Forest Ecology. - 1979. - Iss. 9. - Pp. 145-163.
9. Taylor G. S. A model for coupled heat and moisture transfer during soil freezing / G. S. Taylor, J. N. Luthin // Canadian Geotechnical Journal. - 1978. - Iss. 15(4). - Pp. 548-555.
10. Jame Y.-W. Heat and mass transfer in a freezing unsaturated porous medium / Y.-W. Jame, D. I. Norum // Water Resources Research. - 1980. - Iss. 16(4). - Pp. 811-819.
11. Fukuda M. Numerical analysis of heat-moisture flow during soil freezing / M. Fuku-da, S. Nakagawa // Journal of the Japanese Society of Snow and Ice. - 1982. - Vol. 44. - Iss. 1. - Pp. 13-21.
12. Hu H. A numerical simulation for heat and moisture transfer during soil freezing / H. Hu, Sh. Yang, Zh. Lei // Journal of Hydraulic Engineering. - 1992. - Iss. 07. - Pp. 1-8.
13. Bai Q.-B. Equations and numerical simulation for coupled water and heat transfer in frozen soil / Q.-B. Bai, LI Xu, Y. Tian et al. // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. - 2015. - Iss. 37(S2). - Pp. 131-136.
14. Richards L. A. Capillary Conduction of Liquids Through Porous Mediums / L. A. Richards // Physics. - 1931. - Iss. 1(5). - Pp. 318-333.
15. СП 25.13330.2020 «СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечно-мерзлых грунтах». - Утв. Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 30 декабря 2020 г. № 915/пр. - М.: ФАУ «ФЦС», 2020. - 135 с.
16. Van Genuchten M. Th. A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Con-ductivity of Unsaturated Soils / M. Th. van Genuchten // Soil Science Society of America Journal. - 1980. - Iss. 44(5). - Pp. 892-898.
17. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media / Y. Mualem // Water Resources Research. - 1976. - Iss. 12 (3). - Pp. 513-522.
18. Егоров В. И. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности: учеб-ное пособие / В. И. Егоров. - СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2006. - 77 с.
19. Кудрявцев С. А. Промерзание и оттаивание грунтов (практические примеры и конечноэлементные расчеты) / С. А. Кудрявцев, И. И. Сахаров, В. Н. Парамонов. - СПб.: Геореконструкция, 2014. - 247 с.
20. Shang X.-Y. Numerical Simulation Improvement of Frozen Soil's Frost Heave with Hydraulics Model / X.-Y. Shang, Guo-qing Zhou, J.-S. Zhou // Journal of China University of Mining & Technology. - 2006. - Iss. 35(6). - Pp. 762-766.
21. Wang X. Optimization Study for Subgrade Structure of HSR in Deep Seasonally Frozen Region Based on Temperature Field: Master's Thesis / X. Wang. - Beijing: Beijing Jiaotong University, 2019. - 101 p.
