Численное моделирование искусственного замораживания фильтрующих грунтов

• Автор: Павлова, Наталья Васильевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Якутск
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Численное моделирование задачи промерзания грунта с фазовым переходом
1.1. Математическая модель
1.2. Конечно-элементная дискретизация
1.3. Вычислительная реализация
1.4. Численное исследование тестовой задачи
1.5. Численное решение модельной ЗБ задачи
Глава 2. Численное моделирование задачи замораживания фильтрующих грунтов
2.1. Математическая модель
2.2. Конечно-элементная дискретизация
2.3. Численное моделирование фильтрации методом фиктивных областей
2.4. Численное решение модельной ЗБ задачи
Глава 3. Прикладные задачи искусственного замораживания фильтрующих грунтов
3.1. Температурная стабилизация вертикальных скважин
3.2. Моделирование укрепления фундаментов зданий
3.3. Моделирование замораживания ствола шахты
Заключение
Литература

Введение
Исследование современных прикладных проблем базируется на применении информационных технологий. Интеллектуальным ядром информационных технологий является математическое моделирование [1-8]. Вычислительные средства (компьютеры и численные методы) делают возможным описание свойств исследуемого объекта с необходимой полнотой и детальностью на основе адекватных математических моделей. Исследуемые математические модели включают системы связанных друг с другом нестационарных нелинейных уравнений с частными уравнениями, системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений.
Эффективное решение большинства прикладных задач предполагает широкое использование компьютеров и, следовательно, разработку ориентированных на компьютеры численных методов [9-13]. Вычислительные технологии используются при решении стационарных и нестационарных краевых задач для нелинейных уравнений с частными производными. При приближенном решении нестационарных задач основное внимание уделяется разностным методам [14-25]. В тоже самое время, аппроксимация по пространству может быть как разностной, так и конечно-элементной. Проблемы применения конечно-элементных аппроксимаций при решении нестационарных задач обсуждаются в [26, 27].
Исследование изменений температурного режима грунтов является необходимым элементом инженерно-геологического обоснования строительства объектов в районах многолетнемерзлых грунтов. При сезонном оттаивании мерзлых грунтов изменяются их физико-механические свойства, что приводит к нарушению несущей способности фундаментов зданий и сооружений. Для укрепления фундаментов используется метод замораживания грун-

тов [28-31]. Замораживание грунтов может производиться с помощью специальных холодильных установок или с помощью сезонных охлаждающих устройств, не требующих затрат электрической энергии в условиях резко континентального климата Крайнего Севера [32]. Использование сезонных охлаждающих устройств также позволяет производить охлаждение грунтов в районах, где электричество не доступно, например, на нефтепроводах и газопроводах.
Искусственное замораживание фильтрующих грунтов применяется практически во всех областях строительства и горного дела. Такая технология, например, широко применяется при проходке шахт, тоннелей, метрополитенов, выемке котлованов глубоких фундаментов, гидротехническом строительстве для устройства противофильтрационных завес, предотвращающих проникновение в различные водоносные горизонты больших объемов воды с растворенными вредными веществами. При строительстве зданий на многолетнемерзлых грунтах искусственное замораживание с использованием охлаждающих устройств применяется вблизи свай для обеспечения устойчивости, за счет создания вокруг сваи глыбы замерзшего грунта большой массы, которая предохранит грунт от размораживания в течение летнего периода [33-37].
При строительстве стволов подземных рудников технология термостабилизации фильтрующих грунтов применяется для прохода через водоносные горизонты, что позволяет избежать загрязнения окружающей среды, связанные с утилизацией откачиваемых высокоминерализованных вод. Для создания противофильтрационной завесы, вокруг ствола рудника устанавливаются замораживающие колонны, в которых курсирует хладагент, охлаждаемый специальными компрессионными установками. Создаваемая таким образом плотная ледяная стена призвана защитить ствол от попадания воды, а также позволяет повысить несущую способность массива горных пород [38, 39].

Рис. 11. Трехмерная расчетная сетка.
Рис. 12. Распределение температуры через 80 суток. Выделена чаша замораживания.