| Резюме PDF RUS. .PDF ENG | Полный текст PDF RUS |
Резюме. В работе изучается процесс замораживания песка средней крупности, насыщенного водным раствором NaCl различной концентрации (0–104 г/л). Целью работы является определение влияния концентрации NaCl на процессы тепломассопереноса. Замораживание осуществлялось с одного торца образца, температурное поле регистрировалось восемью термопарами, распределение влажности – методом взвешивания с последующей сушкой. Показано, что температура начала замерзания поровой влаги с ростом концентрации NaCl линейно снижается до –7 °С. Выявлено, что во всех вариантах испытаний имеет место перераспределение влаги с ее накоплением вблизи фронта замерзания. В незасоленных образцах данный эффект наиболее выражен, что объясняется совокупным действием термодиффузии и различия фазовых давлений на границе «вода–лед». При увеличении концентрации соли эффект ослабевает, а различие влажностей между промерзшей и незамерзшей зонами уменьшается. Полученные временно-пространственные зависимости температуры и влажности могут быть использованы для параметризации математических моделей тепломассопереноса в замораживаемых средах и служат основой для дальнейших исследований процессов замораживания засоленных грунтов.
Ключевые слова:
искусственное замораживание грунтов, засоленный песок, NaCl, тепломассоперенос, фазовый переход, распределение влажности
Для цитирования: Левин Л.Ю., Семин М.А., Вшивков А.Н., Пантелеев И.А., Бублик С.А., Угольников М.В., Ложкин Д.В., Плехов О.А. Экспериментальное исследование закономерностей тепломассопереноса во влажном засоленном песке при осевом замораживании. Геосистемы переходных зон, 2025, т. 9, № 4, с. 439–451.
https://doi.org/10.30730/gtrz.2025.9.4.439-451, https://www.elibrary.ru/nohjvd
For citation: Levin L.Yu., Semin M.A., Vshivkov A.N., Panteleev I.A., Bublik S.A., Ugolnikov M.V., Lozhkin D.V., Plekhov O.A. Experimental study of heat and mass transfer in moist saline sand under axial freezing. Geosistemy perehodnykh zon = Geosystems of Transition Zones, 2025, vol. 9, No. 4, pp. 439–451. (In Russ.).
https://doi.org/10.30730/gtrz.2025.9.4.439-451, https://www.elibrary.ru/nohjvd
Список литературы
1. Балобаев В.Т., Баулин В.В., Гарагуля Л.С. и др. 1999. Основы геокриологии. Ч. 5. Инженерная геокриология. М.: Изд-во МГУ, 526 с.
2. Chen Q.M., Ghimire B., Su L.B., Liu Y. 2024. Micro-scale investigations on the mechanical properties of expansive soil subjected to freeze-thaw cycles. Cold Regions Science and Technology, 219, Article 104128. doi:10.1016/j.coldregions.2024.104128
3. Lai Y., You Z., Zhang J. 2021. Constitutive models and salt migration mechanisms of saline frozen soil and the-state-of-the-practice countermeasures in cold regions. Sciences in Cold and Arid Regions, 13(1): 1–17. doi:10.3724/SP.J.1226.2021.00001
4. Li K.Q., Yin Z.Y., Zhang N., Liu Y. 2023. A data-driven method to model stress–strain behaviour of frozen soil considering uncertainty. Cold Regions Science and Technology, 213, Article 103906. doi:10.1016/j.coldregions.2023.103906
5. Li S., Zhang M., Pei W., Lai Y. 2018. Experimental and numerical simulations on heat-water-mechanics interaction mechanism in a freezing soil. Applied Thermal Engineering, 132: 209–220. doi:10.1016/j.applthermaleng.2017.12.061
6. Вялов С.С., Гмошинский В.Г., Городецкий С.Э. и др. 1962. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты ледогрунтовых ограждений. М.: Изд-во Акад. наук СССР, 254 с.
7. Zhou M.B. 2025. Structure model and design of iced cylindrical shell for large-diameter ground freezing shaft sinking. In: Tunnelling into a sustainable future-methods and technologies. CRC Press, p. 1930–1937.
8. Zhou X. et al. 2022. Comprehensive review of artificial ground freezing applications to urban tunnel and underground space engineering in China in the last 20 years. Journal of Cold Regions Engineering, 36(3), Article 04022002. doi:10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000273
9. Kostina A., Zhelnin M., Plekhov O., Panteleev I., Levin L. 2018. Creep behavior of ice-soil retaining structure during shaft sinking. Procedia Structural Integrity, 13: 1273–1278. doi:10.1016/j.prostr.2018.12.260
10. Трупак Н.Г. 1974. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М.: Недра, 280 с.
11. Pilecki Z. et al. 2025. Temperature anomaly as an indicator of groundwater flow prior to the shaft sinking with the use of artificial ground freezing. Engineering Geology, 347, Article 107916. doi:10.1016/j.enggeo.2025.107916
12. Semin M. et al. 2024. Enhancing efficiency in the control of artificial ground freezing for shaft construction: A case study of the Darasinsky potash mine. Cleaner Engineering and Technology, 18, Article 100710. doi:10.1016/j.clet.2023.100710
13. Phillips M. et al. 2021. Use of artificial ground freezing in construction of cross passages under Suez Canal. Geomechanics and Tunnelling, 14(3): 298–307. doi:10.1002/geot.202000045
14. Ольховиков Ю.П. 1984. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 238 с.
15. Qin B. et al. 2022. Research on influences of groundwater salinity and flow velocity on artificial frozen wall. Transportation Geotechnics, 34, Article 100739. doi:10.1016/j.trgeo.2022.100739
16. Tounsi H. et al. 2024. Thermo-hydro-mechanical modeling of brine migration in a heated borehole test in bedded salt. Rock Mechanics and Rock Engineering, 57(8): 5505–5518. doi:10.1007/s00603-023-03632-5
17. Bublik S. et al. 2023. Experimental and theoretical study of the influence of saline soils on frozen wall formation. Applied Sciences, 13(18), Article 10016. doi:10.3390/app131810016
18. Semin M. et al. 2024. Influence of soil salinity on the bearing capacity of the frozen wall. Fracture and Structural Integrity, 18(69): 106–114. doi:10.3221/IGF-ESIS.69.08
19. Семин М.А., Левин Л.Ю., Бублик С.А., Бровка Г.П. 2025. Влияние концентрации растворенной соли на миграцию влаги в искусственно замораживаемых грунтах. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2: 111–122. doi:10.15372/FTPRPI20250211
20. Fan W.H., Yang P. 2019. Ground temperature characteristics during artificial freezing around a subway cross passage. Transportation Geotechnics, 20, Article 100250. doi:10.1016/j.trgeo.2019.100250
21. Fan W.H., Yang P., Yang Z.H. 2019. Impact of freeze-thaw on the physical properties and compressibility of saturated clay. Cold Regions Science and Technology, 168, Article 102873. doi:10.1016/j.coldregions.2019.102873
22. Wen Z., Ma W., Feng W.J., et al. 2011. Experimental study on unfrozen water content and soil matric potential of Qinghai-Tibetan silty clay. Environmental Earth Sciences, 66: 1467–1476. doi:10.1007/s12665-011-1386-0
23. Stahli M., Stadler D. 1997. Measurement of water and solute dynamics in freezing soil columns with time domain reflectometry. Journal of Hydrology, 195: 352–369.
24. Watanabe K., Muto Y., Mizoguchi M. 2001. Water and solute distribution near an ice lens in a glass-powder medium saturated with sodium chloride solution under unidirectional freezing. Crystal Growth & Design, 1(3): 207–211. doi:10.1021/cg005535i
25. Rui D.H., Guo C., Lu M., et al. 2019. Experimental study on water and salt migrations in clay under freezing effect. Journal of Glaciology Geocryology, 41(1): 109–115. doi:10.3390/app14198970
26. Xu X.Z., Wang J.C., Zhang L.X., et al. 1995. Mechanisms of frost heave and soil expansion of soils. Beijing: Science Press. (In Chinese). (Google Scholar)
27. Bing H., He P. 2008. Experimental study of water and salt redistribution of clay soil in an opening system with constant temperature. Environmental Geology, 55: 717–721. doi:10.1007/s00254-007-1023-0
28. Bing H., He P., Zhang Y. 2015. Cyclic freeze-thaw as a mechanism for water and salt migration in soil. Environmental Earth Sciences, 74: 675–681. doi:10.1007/s12665-015-4072-9
29. Xiao Z.A., Lai Y.M., You Z.M. 2017. Water and salt migration and deformation mechanism of sodium chloride soil during unidirectional freezing process. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 39(11): 1992–2001. doi:10.11779/CJGE201711006
30. Xiao Z., Hou Z., Zhu L., Dong X. 2021. Experimental investigation of the influence of salt on the phase transition temperature in saline soil. Cold Regions Science and Technology, 183, Article 103229. doi:10.1016/j.coldregions.2021.103229
31. Чеверев В.Г., Брушков А.В., Половков С.А., Покровская Е.А., Сафронов Е.В. 2021. Анализ представлений о механизме криогенной миграции воды в промерзающих грунтах. Криосфера Земли, 25(5): 3–12. doi:10.15372/KZ20210501
32. Павлов М.В., Карпов Д.Ф. 2023. Решение краевой задачи тепломассопереноса методом источников для условий лучистого обогрева почвы. Природообустройство, 4: 15–20. doi:10.26897/1997-6011-2023-4-15-20
33. Lucas T. et al. 2001. Freezing of a porous medium in contact with a concentrated aqueous freezant: numerical modelling of coupled heat and mass transport. International Journal of Heat and Mass Transfer, 44(11): 2093–2106. doi:10.1016/S0017-9310(00)00238-6
34. Xiao Z. et al. 2024. Study on the multi-field-coupling model of saline frozen soil considering ice and salt crystallization. Computers and Geotechnics, 169, Article 106209. doi:10.1016/j.compgeo.2024.106209