Андрей Будимирович Пономарев — доктор технических наук, профессор, кафедра промышленного и гражданского строительства
199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д. 2
Andrey B. Ponomarev — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Industrial and Civil Engineering
build. 2, 21st Line, Vasilievsky Island, Saint Petersburg, 199106
Денис Сергеевич Кораблев — ассистент, аспирант, кафедра геотехники
190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4
Denis S. Korablyov — assistant, postgraduate student, Department of Geotechnics
4, 2nd Krasnoarmeyskaya st., St. Petersburg, 190005
Вячеслав Михайлович Полунин — кандидат технических наук, доцент, кафедра геотехники; старший научный сотрудник
190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4;127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21
Vyacheslav M. Polunin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Geotechnics; senior researcher
4, 2nd Krasnoarmeyskaya st., St. Petersburg, 190005;21, Locomotive passage, Moscow, 127238
Введение. Практически четверть суши земного шара и две трети территории Российской Федерации, включая значительные площади с высокой концентрацией природных ресурсов и полезных ископаемых, находятся в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов. Эти грунты обладают структурной неустойчивостью: температурные колебания приводят к радикальному снижению их прочностных характеристик и развитию значительных деформаций, что может критически влиять на безопасность и надежность зданий и сооружений. Географические особенности РФ обуславливают необходимость разработки и уточнения расчетных методов для определения температурных полей в основаниях грунтов криолитозоны. Рассматривается реализация задачи промерзания и оттаивания грунтового массива с использованием численных методов.
Материалы и методы. Представлены основные положения нелинейной математической модели, описывающей температурные превращения в грунтовом массиве с учетом фазового перехода поровой жидкости в лед и соответствующими теплофизическими процессами. Модель реализована в разрабатываемом авторами специализированном программном комплексе, реализующем метод конечных элементов.
Результаты. Проведены численные расчеты температурных воздействий от возводимых зданий и сооружений на грунтовый массив в плоской подстановке. Рассматривались численные модели с учетом воздействия граничных условий различного типа на расчетную область. Результаты численных расчетов подробно сравнивались с результатами аналогичных расчетов, выполненных в апробированных программных комплексах.
Выводы. Сформулированы ключевые механизмы численной модели, описывающей температурные превращения в грунтовом массиве, и предложена их реализация с использованием метода конечных элементов. Дополнительно представлены рекомендации о дальнейшем развитии численной модели, включая решение деформационной задачи об определении осадки оттаивания грунтового массива.
Introduction. Almost a quarter of the Earth’s landmass and two thirds of the territory of the Russian Federation, including significant areas with a high concentration of natural resources and minerals, are located in the permafrost zone. These soils have structural instability: temperature fluctuations lead to a radical decrease in their strength characteristics and the development of significant deformations, which can critically affect the safety and reliability of buildings and structures. The geographical features of the Russian Federation necessitate the development and refinement of computational methods for determining temperature fields in the bases of cryolithozone soils. This paper discusses the implementation of the problem of freezing and thawing of a soil mass using numerical methods.
Materials and methods. The main provisions of a nonlinear mathematical model describing temperature transformations in a soil body, taking into account the phase transition of a pore liquid into ice and the corresponding thermophysical processes, are presented. The model was implemented in a specialized software package developed by the authors that implements the finite element method.
Results. As part of the study, numerical calculations of the temperature effects of buildings and structures under construction on the soil mass in a flat substitution were carried out. Numerical models were considered taking into account the impact of boundary conditions of various types on the computational domain. The results of numerical calculations were compared in detail with the results of similar calculations performed in proven software packages.
Conclusions. In this paper, the main mechanisms of a numerical model describing temperature transformations in a soil body are formulated and their implementation using the finite element method is proposed. Additionally, recommendations are presented on the further development of the numerical model, including the solution of the deformation problem of determining the precipitation of thawing of a soil body.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.