Конечно-элементные модели термогидромеханического расчета насыпей автомобильных дорог в районах многолетнемерзлых грунтов

Введение. Современная практика строительства в районах с многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) показывает, что наиболее рациональным принципом возведения оснований для автомобильных дорог (АД) в зоне перспективного развития территорий арктической зоны является сохранение грунтов в мерзлом состоянии (так называемый I принцип проектирования). Это объясняется, прежде всего, экономическими соображениями, так как оттаивание грунтов затратная технология и ее использование в какой-то степени оправдано только в зоне островного залегания вечномерзлых грунтов.

Материалы и методы. Чтобы обеспечить нормативные требования к прочности и деформациям дорожного покрытия в районах ММГ, необходимо выполнить совместный расчет трех физических полей — термического, гидравлического и механического, т.е. термогидромеханический (TГM) расчет. Такие расчеты требуются для проектирования и оценки соответствия нормативным требованиям при строительстве дорог в районах вечной мерзлоты. Сейчас на практике применяются отдельные методики расчета теплового состояния дорог на ММГ, после которого используются обычные приемы расчета механики многослойных дорожных конструкций. Для осуществления совместных TГM расчетов использовали широко распространенный для расчетов строительных конструкций конечно-элементный (КЭ) программный пакет Plaxis 2D.

Результаты. На основе проведенных исследований разработаны рекомендуемые КЭ модели для совместного TГM расчета насыпей АД в районах ММГ. Данные КЭ модели позволяют также изучать поля деформаций и поля скоростей фильтрации воды в процессе размораживания конструкции насыпь – основание.

Выводы. Продемонстрированы возможности разработки КЭ моделей для совместного TГM расчета насыпей АД в районах ММГ с помощью пакета программ Plaxis 2D. На конкретных примерах показано, что эти модели позволяют, в частности, определить оптимальную конструкцию насыпи автодороги в районах вечной мерзлоты при наличии ММГ и использовании для термостабилизации теплоизолирующих плит типа XPS в теле насыпи. Проведенные исследования на разработанных КЭ моделях показали, что эти модели позволяют также изучать поля деформаций и поля скоростей фильтрации воды в процессе размораживания конструкции насыпь – основание, что дает возможность проведения исследований различных дорожных конструкций, проектируемых для работы в арктических зонах на ММГ.

1. Aukenthaler M. The Frozen & Unfrozen Barcelona Basic Model: A Verification and Validation of a New Constitutive Model : MSc thesis. Delft : Delft University of Technology, 2016.

2. Ghoreishian Amiri S.A., Grimstad G., Kadivar M., Nordal S. Constitutive model for rate-independent behavior of saturated frozen soils // Canadian Geotechnical Journal. 2016. Vol. 53. Issue 10. Pp. 1646–1657. DOI: 10.1139/cgj-2015-0467

3. Aukenthaler M., Brinkgreve R.B.J., Haxaire A. A practical approach to obtain the soil freezing characteristic curve and the freezing/melting point of a soil-water system // Proceedings of the GeoVancouver 2016: the 69th Canadian Geotechnical Conference, Vancouver, Canada. 2016. Pp. 397–404.

4. Tuohino M., Solowski W., Abed A., Koivisto K., Lei X. Application of the Frozen and Unfrozen Soil model to modelling effects of freeze-thaw on low-volume roads // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 710. P. 012067. DOI: 10.1088/1755-1315/710/1/012067

5. Aukenthaler M., Brinkgreve R.B.J. Application of a Thermo-hydro-mechanical Model for Freezing and Thawing // Procedia Engineering. 2017. Vol. 191. Pp. 74–81. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.156

6. Rostami H. Finite element analysis of coupled thermo-hydro-mechanical processes in fully saturated, partially frozen soils. 2017. 103 p.

7. Lyu C., Nishimura S., Ghoreishian Amiri S.A., Zhu F., Eiksund G.R., Grimstad G. Pore-water pressure development in a frozen saline clay under isotropic loading and undrained shearing // Acta Geotechnica. 2021. Vol. 16. Issue 12. Pp. 3831–3847. DOI: 10.1007/s11440-021-01338-y. EDN JDTCNY.

8. Li K.-Q., Yin Z.-Y. State of the Art of Coupled Thermo–hydro-Mechanical–Chemical Modelling for Frozen Soils // Archives of Computational Methods in Engineering. 2025. Vol. 32. Issue 2. Pp. 1039–1096. DOI: 10.1007/s11831-024-10164-w. EDN XCWVXH.

9. Nishimura S. A model for freeze-thaw-induced plastic volume changes in saturated clays // Soils and Foundations. 2021. Vol. 61. Issue 4. Pp. 1054–1070. DOI: 10.1016/j.sandf.2021.05.008. EDN XCWVXH.

10. Lu Y., Liu S., Alonso E., Wang L., Xu L., Li Z. Volume changes and mechanical degradation of a compacted expansive soil under freeze-thaw cycles // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol. 157. Pp. 206–214. DOI: 10.1016/j.coldregions.2018.10.008

11. Nishimura S., Okajima S., Joshi B.R., Higo Y., Tokoro T. Volumetric behaviour of clays under freeze–thaw cycles in a mesoscopically uniform element // Géotechnique. 2021. Vol. 71. Issue 12. Pp. 1150–1164. DOI: 10.1680/jgeot.20.p.047. EDN MZOSED.

12. Zheng H., Kanie S., Akagawa S. A method for obtaining radial stress in the freezing direction in frozen soil samples // Cold Regions Science and Technology. 2020. Vol. 169. P. 102899. DOI: 10.1016/j.coldregions.2019.102899. EDN KJCYAL

13. Cui W., Potts D.M., Zdravkovic L., Gawecka K.A., Taborda D.M.G. An alternative coupled thermo-hydro-mechanical finite element formulation for fully saturated soils // Computers and Geotechnics. 2018. Vol. 94. Pp. 22–30. DOI: 10.1016/j.compgeo.2017.08.011

14. Nishimura S., Liang M., Lyu C. Analysis of freezing and thawing processes in clay with freeze-induced compression (FIC) model // Soils and Foundations. 2025. Vol. 65. Issue 1. P. 101559. DOI: 10.1016/j.sandf.2024.101559. EDN RYADWR.

15. Yamazoe N., Tanaka H., Hayashi H., Nishimura S. A rational design approach to peat ground improvement by vertical drains // Soils and Foundations. 2020. Vol. 60. Issue 6. Pp. 1387–1404. DOI: 10.1016/j.sandf.2020.08.009. EDN IXMETU.

16. Nishimura S., Wang J. A simple framework for describing strength of saturated frozen soils as multi-phase coupled system // Géotechnique. 2019. Vol. 69. Issue 8. Pp. 659–671. DOI: 10.1680/jgeot.17.p.104

17. Dalla Santa G., Cola S., Secco M., Tateo F., Sassi R., Galgaro A. Multiscale analysis of freeze–thaw effects induced by ground heat exchangers on permeability of silty clays // Géotechnique. 2019. Vol. 69. Issue 2. Pp. 95–105. DOI: 10.1680/jgeot.16.p.313

18. Shastri A., Sánchez M., Gai X., Lee M.Y., Dewers T. Mechanical behavior of frozen soils: Experimental investigation and numerical modeling // Computers and Geotechnics. 2021. Vol. 138. P. 104361. DOI: 10.1016/j.compgeo.2021.104361. EDN OTDJFK.

19. Li Q., Zhang D., Li P., Cui K., Jing X. The small-strain stiffness of frozen clay soils at different temperatures and initial water contents: Experimental study and predicted model // Cold Regions Science and Technology. 2023. Vol. 215. P. 103986. DOI: 10.1016/j.coldregions.2023.103986. EDN WSFZPO.

20. Желнин М.С., Костина А.А., Прохоров А.Е., Плехов О.А., Семин М.А., Агутин К.А. Верификация термогидромеханической модели промерзания влагонасыщенного грунта на основе лабораторных экспериментов // Вычислительная механика сплошных сред. 2021. Т. 14. № 2. С. 144–158. DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.2.12. EDN TJUHGV.

21. Репина П.И., Сахаров И.И., Фадеев А.Б. Численное моделирование процессов промерзания и пучения в системе «фундамент основание» // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1994. № 5. С. 6–9.

22. Шашкин К.Г. Использование структуры универсального конечного элемента при разработке моделей в рамках программы «FEM models» // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2000. № 2. С. 26–32.

23. Сахаров И.И., Парамонов М.В. Численная оценка влияния морозного пучения на НДС укрепленных стен котлованов // Численные методы расчетов в практике геотехники : сб. тр. науч.-техн. конф. 2012. С. 159–164.

24. Максимов И.А., Максимова А.Г. Прогноз искусственного оттаивания вечномерзлых грунтов в основаниях гидротехнических сооружений // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Л. : Энергоатомиздат, 1988. С. 111–118.

25. Kudriavtsev S.A. Numerical investigations of the thermophysical processes in seasonally freezing soils // Kriosfera Zemli. 2003. Vol. 7. Issue 4. Pp. 76–81. EDN MPPZAH.

26. Карлов В.Д. Принципы проектирования фундаментов при использовании в основаниях сооружений сезоннопромерзающих грунтов // Геотехника. Наука и практика : сб. науч. тр. 2000. С. 15–24.

27. Ашпиз Е.С., Вавринюк Т.С. Усиление деформирующихся длительно эксплуатируемых насыпей на многолетнемерзлом основании // Политранспортные системы : мат. IX Междунар. науч.-техн. конф. 2017. С. 86–90. EDN ZWVQJL.

28. Чжан А.А., Ашпиз Е.С., Хрусталев Л.Н., Шестернев Д.М. Новый способ защиты мерзлых грунтов основания насыпи от оттаивания // Журнал «Путь и путевое хозяйство». 2018. № 1. С. 6–9.

29. Ашпиз Е.С., Хрусталев Л.Н. Предотвращение деградации многолетнемерзлых грунтов в основании насыпей для условий строительства линии Салехард – Надым // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железно-дорожного пути : тр. XVI Междунар. науч.-техн. конф. Чтения, посвящ. памяти профессора Г.М. Шахунянца. 2019. С. 49–54.

30. Ашпиз Е.С., Вавринюк Т.С. Защитные слои земляного полотна для условий северного широтного хода // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : тр. XVI Междунар. науч.-техн. конф. Чтения, посвящ. памяти профессора Г.М. Шахунянца. 2019. С. 96–99.

31. Ашпиз Е.С. Земляное полотно в условиях многолетнемерзлых грунтов Северного широтного хода // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 3. С. 22–25. EDN PVTRAW.

32. Пассек В.В., Величко В.П., Герасимов В.А. Тепловое и напряженно-деформированное состояние насыпи в зоне водопропускной трубы на вечной мерзлоте // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 11. С. 8–13. EDN VBCKYL.

33. Пассек В.В., Пасков М.В., Андреев В.С. Возведение насыпей в сложных мерзлотно-грунтовых условиях при наличии погребенных льдов и льдогрунтов заполярной и приполярной тундры // Нефть и газ Западной Сибири : мат. Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения Косухина Анатолия Николаевича. 2015. С. 270–275. EDN UNJFCP.

34. Кудрявцев С.А., Кажарский А.В. Численное моделирование процесса морозного пучения и оттаивания в зависимости от скорости промерзания грунтов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 2 (34). С. 105–110. EDN PCGRPJ.

35. Ланис А.Л., Разуваев Д.А., Усов Д.А. Влияние оттаивания сезонно-мерзлых грунтов на деформации земляного полотна // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2021. № 3 (58). С. 104–111. DOI: 10.52170/1815-9265_2021_58_104. EDN FKKNWQ.

36. Прохоров А.Е., Желнин М.С., Костина А.А., Плехов О.А. Исследование особенностей неравновесного фазового перехода во флюидонасыщенном грунте // Вестник Пермского университета. Физика. 2018. Т. 4 (42). С. 31–37. DOI: 10.17072/1994-3598-2018-4-31-37. EDN VQRDBQ.

37. Желнин М.С., Прохоров А.Е., Костина А.А., Плехов О.А. Экспериментальное и теоретическое исследование механических деформаций в промерзающем влагонасыщенном грунте // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 4. С. 19–28. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.4.02. EDN UOASYG.

38. Белозеров А.Г., Семенов Е.В., Бабакин Б.С. Математическое моделирование процесса промерзания грунта на основе данных опытных наблюдений // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 102–107. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-102-107. EDN XXTTQU.

39. Трапезников А.Г., Беккер А.Т., Исаева Е.С., Цимбельман Н.Я., Чернова Т.И. Численное моделирование температурного режима грунтовой плотины мерзлого типа Анадырского гидроузла // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2022. № 1 (50). С. 81–93. DOI: 10.24866/2227-6858/2022-1/81-93. EDN UFIKXG.