УДК 536.24

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА Математическое моделирование процесса промерзания грунтов земляного полотна железных дорог в условиях холодного климата

Опубликовано в Известия Петербургского университета путей сообщения/Proceedings of Petersburg Transport University · Том 19, Номер 4 · Страницы 820–831 · Рубрика: Проблематика транспортных систем
DOI: https://doi.org/10.20295/1815-588X-2022-4-820-831
Получено: 18.12.2022 Одобрено: 20.12.2022 Опубликовано: 20.12.2022
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
Текст Список литературы
Текст (PDF)
Читать Скачать

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.

Войти или Создать
* Забыли пароль?