Дежина Ирина Юрьевна, доцент кафедры «Технология строительного производства», кандидат технических наук, профессор
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Irina Yu. Dezhina, Cand.Sci. (Engineering), Associate Professor of the Construction Technology Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Введение. В связи с интенсификацией строительства в районах распространения лессовых просадочных грунтов вопросы прогнозирования развития процессов подтопления являются актуальной задачей, т.к. могут привести к аварийному замачиванию, неравномерному подъему горизонта грунтовых вод, изменению напряженно-деформированного состояния грунтов и, соответственно, к потере пригодности эксплуатации здания или сооружения. Лессовый грунт обладает ярко выраженной фильтрационной анизотропией. Просадка, фильтрация воды происходят в условиях неполного водонасыщения. Появление новых компьютерных технологий позволяет совершенствовать методы математического моделирования и разрабатывать математические модели численными методами, достоверно отражающими внутрипочвенные процессы. Настоящая статья посвящена совершенствованию математической модели задачи влагопереноса для неоднородных фильтрационно-анизотропных лессовых грунтов с учетом их структурных особенностей.
Материалы и методы. Исследование включает:
Результаты исследования. Установлено, что существующие методики расчета не всегда достоверно отражают процесс фильтрации и влагопереноса в лессовых грунтах. Сформулировано определяющее уравнение влагопереноса. Предложена математическая модель задачи влагопереноса в неоднородных фильтрационно-анизотропных средах, учитывающая структурные характеристики лессового грунта. Решение начально-краевой задачи получено итерационными методами с линеаризацией решения на достаточно малых отрезках времени. Для практической реализации теоретического решения разработана блок-схема алгоритма программы, включающая вычисление физико-механических характеристик конечных элементов и геометрических размеров расчетной области, разбиение расчетной области на узлы и треугольные элементы, определение коэффициентов фильтрации и диффузии, формирование параметров уравнения по схеме Кранка-Николсона, решение системы уравнения методом компактного исключения и формирование вектора влажности. Разработан алгоритм решения осесимметричной задачи влагопереноса в условиях неполного водонасыщения, особенностью которого является применение устойчивой схемы прямого интегрирования уравнения влагопереноса. Сопоставлены результаты численного эксперимента и полевого испытания при замачивании круглого котлована. Результаты численных экспериментов представлены в виде кривых равных значений объемной влажности в разные периоды времени. Установлено, что результаты решения хорошо согласуются с опытными данными.
Обсуждение и заключение. Результаты теоретических исследований задачи влагопереноса в ненасыщенных лессовых грунтах обосновали постановку и конечно-элементное решение задачи влагопереноса для ненасыщенных сред без учета напряженно-деформированного состояния. На основе экспериментальных данных по замачиванию опытного котлована выполнена проверка методики расчета, показавшая совпадение результатов расчета и эксперимента по замачиванию опытного котлована. Предлагаемую методику расчета рекомендуется использовать при расчете по второй группе предельных состояний — по деформациям.
Introduction. Due to intensified construction in the areas of loess subsiding soils, the issue of forecasting the evolvement of underflooding processes is becoming a relevant objective, since these processes can cause the emergency seepage, uneven groundwater surge, change of the soil stress-strain state and, as a result, impossibility to operate the buildings or structures. Loess soils are attributed with the distinct anisotropic permeability. Subsidence and water infiltration take place in condition of incomplete water saturation. Emergence of the advanced computer technologies makes it possible to improve the mathematical modeling and develop the mathematical models by means of numerical computation, which reliably reflects the intra-soil processes. The article strives to improve a mathematical model of the moisture transfer problem in nonhomogeneous loess soils with anisotropic permeability, taking into account their structural features.
Materials and Methods. The research includes:
Results. It has been acknowledged that the existing calculation methodologies do not always reliably reflect the process of infiltration and moisture transfer in loess soils. An equation determining the moisture transfer was formulated. A mathematical model of the moisture transfer problem in nonhomogeneous media with anisotropic permeability was proposed, which took into account the structural properties of loess soils. The initial value and boundary value problems were solved by the iterative methods with linearization of the solution over sufficiently small time spans. For practical implementation of the theoretical solution, a flow chart of the program algorithm was developed, which included the calculation of the physical and mechanical properties of finite elements and the computational domain dimensions, as well as partitioning the computational domain into the units and triangular elements, determination of the permeability and diffusion coefficients, formation of the parameters of an equation according to the Krank-Nicholson scheme, solution of the system of equations by the compact elimination method and constructing a vector of moisture. An algorithm for solving the axisymmetric problem of moisture transfer in condition of incomplete water saturation has been developed, which is characterised by stability of direct integration of the moisture transfer equation. The results of the numerical experiments and field tests on presoaking a circular-shaped excavation pit have been compared. The results of the numerical experiments have been presented in the curves of the volume moisture values in different periods of time. It has been found that the results of the solution are well cohered with the experimental data.
Discussion and Conclusion. The results of the theoretical research of the problem of moisture transfer in unsaturated loess soils have justified the formulation and the finite element solution of the problem of moisture transfer in unsaturated media, without taking into account the stress-strain state. Based on the experimental data on test excavation pit presoaking, the calculation methodology was verified, and showed the coherence of calculated and experimental results. The proposed methodology is recommended for calculation of the second group of limit states — the deformations.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.