natureПриродопользованиеNature Management2079-3928Институт природопользования НАН Беларусиnature-103Research ArticleГЕОТЕХНОЛОГИИ. ДОБЫЧА, ПЕРЕРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХGEOTECHNOLOGY. EXTRACTION, PROCESSING AND THE USE OF SOLID FUEL MINERALSУстановки и методики исследования характеристик массопереноса и пучения при промерзании грунтовInstallations and methods for studying of mass transfer and swelling characteristics during soil freezingАгутинК. А.AgutinК. A.

Агутин Кирилл Алексеевич – научный сотрудник

ул. Ф. Скорины, 10, 220076, г. Минск

Kirill A. Agutin – Researcher, Institute of Nature Management

10, F. Skoryna Str., 220076, Minsk

 

kirill.agutin@gmail.comБровкаГ. П.BrovkaG. P.

Бровка Геннадий Петрович – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

ул. Ф. Скорины, 10, 220076, г. Минск

Gennady P. Brovka – D. Sc. (Technical), Professor, Chief Researcher

10, F. Skoryna Str., Minsk, 220076, Minsk

brovka_gp@tut.byДедюляИ. В.DedyulyaI. V.

Дедюля Иван Владимирович – кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник

ул. Ф. Скорины, 10, 220076, г. Минск

Ivan V. Dedyulya – Ph. D. (Technical), Associate Professor, Senior Researcher

10, F. Skoryna Str., 220076, Minsk

dedyulyaivan@yandex.byИнститут природопользования НАН БеларусиInstitute of Nature Management of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут природопользования НАН БеларусиIvan V. Dedyulya – Ph. D. (Technical), Associate Professor, Senior Researcher20253010202501148158Copyright © Агутин К.А., Бровка Г.П., Дедюля И.В., 20252025Агутин К.А., Бровка Г.П., Дедюля И.В.Agutin К.A., Brovka G.P., Dedyulya I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nature-journal.by/jour/article/view/103

В данной работе описаны методы экспериментальных исследований характеристик морозного пучения грунтов в соответствии с разработанными математическими моделями авторов. На предварительной стадии исследования на образцах сравнительно малого размера в закрытой системе влагообмена предлагается оперативно определять влияние температурного режима, влажности, плотности и наличия в поровом растворе солей на основную характеристику переноса влаги при промерзании грунтов – коэффициент термовлагопроводности мерзлой зоны Км. Использование этого коэффициента, численно равного потоку влаги из талой зоны в мерзлую при единичном градиенте температуры, позволяет с учетом динамики температурного поля в промерзающем грунте рассчитать перераспределение влаги и величину морозного пучения.Следующая стадия исследований проводится на установке с открытой системой влагообмена на цилиндрических образцах, диаметр и высота которых составляют 100 мм. Указанное соотношение размеров при хорошей боковой теплоизоляции обеспечивает их одномерное промерзание. Созданная установка позволяет реализовать различные варианты исследований характеристик массопереноса и морозного пучения, а также максимального давления пучения в зависимости от температуры на охлаждаемой поверхности и условий подпитки образца влагой или раствором соли.

The article describes the methods of the experimental studies of the characteristics of soil freezing in accordance with the developed mathematical models of the authors. At the preliminary stage of research on the samples of relatively small size in a closed moisture-exchange system it is proposed to determine the influence of temperature regime, humidity, density and the presence of salts in pore solution on the main characteristic of moisture transfer during soil freezing – the coefficient of the thermal moisture conductivity of the frozen zone Km. The use of this coefficient, which is numerically equal to the moisture flux from the thawed zone to the frozen zone at a single temperature gradient, makes it possible to calculate moisture redistribution and frost heave in regard to the dynamics of the temperature field in the freezing ground.The next stage of research is carried out at an installation with the open system of moisture exchange on cylindrical samples with the diameter and height of 100 mm. The specified ratio of dimensions with good lateral thermal insulation ensures their one-dimensional freezing. The created installation allows to realize different variants of the research of mass transfer and frost heaving characteristics, as well as maximum frost heaving pressure depending on the temperature on the cooled surface and conditions of the sample feeding with moisture or salt solution.

морозное пучениемиграция влагигрунтыхарактеристики влагопереносаметоды исследованияfrost heavingmoisture migrationsoilsmoisture transfer characteristicsresearch methodsReferencesВтюрина, Е. А. Льдообразование в горных породах / Е. А. Втюрина, Б. И. Втюрин. – М. : Наука, 1970. – 279 с.Vtyurina E. A., Vtyurin B. I. L'doobrazovanie v gornyh porodah [Ice formation in rocks]. Moscow, Nauka Publ., 1970, 279 p. (in Russian)Гречищев, С. Е. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз / С. Е. Гречищев, Л. В. Чистотинов, Ю. Л. Шур. – М. : Недра, 1980. – 382 с.Grechischev S. E., Chistotinov L. V., Shur Y. L. Kriogennye fiziko-geologicheskie processy i ih prognoz [Cryogenic physical and geological processes and their forecast]. Moscow, Nedra Publ., 1980, 382 p. (in Russian)Дерягин, Б. В. Термокристаллизационный перенос влаги в промерзающих пористых телах / Б. В. Дерягин, Н. В. Чураев // Тепломассообмен. – 1980. – Т. 7. – С. 3–10.Deryagin B. V., Churayev Н. V. Termokristallizacionnyj perenos vlagi v promerzayushchih poristyh telah [Thermocrystallization moisture transfer in freezing porous bodies]. Teplo- i massoobmen = Heat and Mass Transfer, 1980, vol. 7, pp. 3–10. (in Russian)Дерягин, Б. В. Течение незамерзающих прослоек воды и морозное разрушение пористых тел / Б. В. Дерягин, Н. В. Чураев // Коллоидный журнал. – 1980. – Т. 42, № 5.– С. 842–852.Deryagin B. V., Churayev N. V. Techenie nezamerzayushchih prosloek vody i moroznoe razrushenie poristyh tel [Flow of non-freezing water layers and frost damage of porous bodies]. Kolloidnyj zhurnal = Colloid Journal, 1980, vol. 42, no. 5, pp. 842–852. (in Russian)Ершов, Э. Д. Экспериментальное исследование влагопереноса в грунтах при их промерзании в условиях «открытой» и «закрытой» системы / Э. Д. Ершов, В. Г. Чеверев, Ю. П. Лебеденко // Мерзлотные исследования. – М. : Изд-во Москов. ун-та, 1978. – Вып. 17. – С. 197–206.Ershov E. D., Cheverev V. G., Lebedenko Y. P. Eksperimental'noe issledovanie vlagoperenosa v gruntah pri ih promerzanii v usloviyah "otkrytoj" i "zakrytoj" sistemy [Experimental study of moisture transfer in soils during their freezing under conditions of "open" and "closed" system]. Merzlotnye issledovaniya = Permafrost Research, 1978, iss. 17. Moscow, Moscow University Publ., pp. 197–206. (in Russian)Комаров, И. А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах / И. А. Комаров. – М. : Научный мир, 2003. – 608 с.Komarov I. A. Termodinamika i teplomassoobmen v dispersnyh merzlyh porodah [Thermodynamics and heat and mass transfer in dispersed frozen rocks]. Moscow, Sci. World Publ., 2003, 608 p. (in Russian)Кудрявцев, С. А. Численное моделирование процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания грунтов / С. А. Кудрявцев // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2004. – № 5. – С. 21–26.Kudryavtsev S. A. Chislennoe modelirovanie processa promerzaniya, moroznogo pucheniya i ottaivaniya gruntov [Numerical modeling of the process of freezing, frost heaving and thawing of soils]. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov = Bases, foundations and soil mechanics, 2004, no. 5, pp. 21–26. (in Russian)Орлов, В. О. Морозное пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений / В. О. Орлов, Ю. Д. Дубнов, Н. Д. Меренков. – Л. : Cтройиздат, Ленинград. отд., 1977. – 183 с.Orlov V. O., Dubnov Y. D., Merenkov N. D. Moroznoe puchenie promerzayushchih gruntov i ego vliyanie na fundamenty sooruzhe [Frost heaving of freezing soils and its influence on the foundations of structures]. Leningrad, 1977, 183 p. (in Russian)Пермяков, П. П. Идентификация параметров математической модели тепловлагопереноса в мерзлых грунтах / П. П. Пермяков. – Новосибирск : Наука, 1989. – 84 с.Permyakov P. P. Identifikaciya parametrov matematicheskoj modeli teplovlagoperenosa v merzlyh gruntah [Identification of the parameters of the mathematical model of heat and moisture transfer in frozen soils]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1989, 84 p. (in Russian)Чеверев, В. Г. Природа криогенных свойств грунтов / В. Г. Чеверев. – М. : Научный мир, 2004. – 234 с.Cheverev V. G. Priroda kriogennyh svojstv gruntov [Nature of cryogenic properties of soils]. Moscow, Sci. World Publ., 2004, 234 p. (in Russian)Бровка, Г. П. Математические модели и методы экспериментального исследования процессов тепломассопереноса и пучения при промерзании грунтов / Г. П. Бровка, К. А. Агутин, А. А. Мурашко // Инженерная геология. – 2021. – Т. ХVI, № 4. – С. 62–71.Brovka G. P., Agutin K. A., Murashko A. A. Matematicheskie modeli i metody eksperimental'nogo issledovaniya processov teplomas-soperenosa i pucheniya pri promerzanii gruntov [Mathematical models and methods of the experimental study of the processes of heat-mass transfer and swelling at ground freezing]. Inzhenernaya geologiya = Engineering geology, 2021, vol. XVI, no. 4, pp. 62–71. (in Russian)Бровка, Г. П. Тепло- и массоперенос в природных дисперсных системах при промерзании / Г. П. Бровка. – Минск : Навука i тэхнiка, 1991. – 189 с.Brovka G. P. Teplo- i massoperenos v prirodnyh dispersnyh sistemah pri promerzanii [Heat and mass transfer in natural disperse systems at freezing]. Minsk, Nauka i tehnika Publ., 1991, 189 p. (in Russian)Бровка, Г. П. Взаимосвязанные процессы тепло- и массопереноса в природных дисперсных средах / Г. П. Бровка. – Минск : Беларус. навука, 2011. – 362 с.Brovka G. P. Vzaimosvyazannye processy teplo- i massoperenosa v prirodnyh dispersnyh sredah [Interconnected processes of heat and mass transfer in natural disperse media]. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2011, 362 p. (in Russian)Бровка, Г. П. Методологические вопросы исследования и прогнозирования морозного пучения грунтов / Г. П. Бровка, И. В. Дедюля, К. А. Агутин // Инженерно-геологические задачи современности и методы их решения : материалы науч.-практ. конф., г. Москва, 13–14 апр. 2017 г. – М., 2017. – С. 178–185.Brovka G. P., Dedyulya I. V., Agutin K. A. Metodologicheskie voprosy issledovaniya i prognozirovaniya moroznogo pucheniya gruntov [Methodological issues of research and forecasting of frost heaving of soils]. Materialy nauchnoprakticheskoj konferencii "Inzhenerno-geologicheskie zadachi sovremennosti i metody ih resheniya". Moskva, 13–14 aprelya 2017 g. [Proc. of the sci. and pract. conf. "Engineering and geological problems of our time and methods of their solution"]. Moscow, April 13–14, 2017. Moscow, 2017, pp. 178–185. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.