Структурно-энергетические модели деформирования и разрушения природных и искусственных материалов в условиях Арктических температур

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-11-01204

НазваниеСтруктурно-энергетические модели деформирования и разрушения природных и искусственных материалов в условиях Арктических температур

Руководитель Плехов Олег Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-305 - Разрушение деформируемых тел, кинетика и динамика

Ключевые слова связанные задачи механики сплошных сред, фильтрация флюида, мерзлые грунты, задача Стефана, критерии прочности и пластичности, численное моделирование, мониторинг геотехнических сооружений

Код ГРНТИ30.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Области вечной мерзлоты занимают около 25% поверхности суши Северного полушария, и более 60% этих областей приходится на территорию, принадлежащую Российской Федерации. Процессы потепления, ведущие к таянию и деградации вечной мерзлоты, наблюдаемые в последние десятилетия, по-видимому, и далее будут ускоряться в результате изменения климата. Это существенно повышает актуальность разработки как механических моделей поведения (определяющих соотношений) флюидонасышенных гетерогенных материалов при низких температурах, так и связанных задач, описывающих процессы фильтрации и фазовых переходов, происходящие в многокомпонентной системе «грунт-вода-лёд-газ». Наряду с необходимостью учёта геофизических опасностей, связанных с использованием мерзлых грунтов (например, при возведении хвостохранилищ), в процессе приполярного строительства возникает необходимость проектирования и прогнозирования процессов взаимодействия инженерных сооружений с твёрдомерзлыми или пластичномёрзлыми грунтами. Одновременно процессы замораживания и оттаивания грунтов активно используются при строительстве в условиях умеренного климата. Например, при проведении вертикальных шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях. Создание адекватных виртуальных моделей процессов эволюции структуры, деформирования и разрушения флюидонасыщенных грунтов, взаимодействующих с инженерными конструкциями, позволит снизить риски для инфраструктуры и окружающей среды, связанные с изменением климата в районах вечной мерзлоты и/или существенными сезонными процессами промерзания-оттаивания. Современный уровень развития вычислительной механики сплошных сред, теории прочности гетерогенных сред, физики фазовых переходов, геокриологии и методов экспериментальной механики позволяет существенно продвинуться в детализации виртуальных моделей многофазной среды «грунт-вода-лед-газ» и разработать как инновационные методы сопровождения и контроля реальных объектов в процессе строительства и эксплуатации, так и создать необходимое программное обеспечение для мониторинга и прогнозирования последствий тех или иных механических воздействий на контролируемые объекты. В проекте будут поставлены и решены ряд связанных задач механики сплошных сред, описывающие процессы фильтрации, фазовых переходов, деформирования и разрушения флюидонасыщенных грунтов при механических и термических воздействиях. Основываясь на предыдущем опыте участников проекта, основное внимание будет уделено разработке определяющих соотношений флюидонасыщенных гетерогенных материалов и расчёту процессов деформирования и разрушения замороженных грунтов. Принимая во внимание междисциплинарный характер проблемы и определяющее влияние условий формирования (процессов фильтрации, фазовых переходов и т.д.) на физико-механические свойства исследуемых объектов в проекте предусмотрено решение широкого комплекса связанных задач механики сплошных сред и горной механики с привлечением в исследовательский коллектив соответствующих специалистов. В проекте планируется создание трёх взаимодействующих групп (РГ1-группа механики сплошных сред, РГ2- группа механики деформируемого твёрдого тела, РГ3-группа управления и прикладных исследований), специализирующихся на решении различных задачах. Участники проекта являются сотрудниками двух академических институтов: Института механики сплошных сред УрО РАН (ИМСС УрО РАН) и Горного института УрО РАН (ГИ УрО РАН), имеющих значительный опыт как в построении механических моделей поведения сплошных сред, так и в проведении прикладных исследований в области горной механики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Левин Л.Ю., Семин М.А., Богдан С.И., Зайцев А.В. Решение обратной задачи Стефана при анализе замораживания грунтовых вод в породном массиве Инженерно-физический журнал, Т. 91, №3, С. 655-663 (год публикации - 2018)

2. Желнин М., Изюмова А., Вшивков А., Плехов О. Experimental study of an effect of plastic deformation on thermal properties of stainless steel Quantitative InfraRed Thermography Journal (год публикации - 2018)
10.1080/17686733.2018.1514712

3. Костина А., Желнин М., Плехов О., Пантелеев И., Левин Л. Creep behavior of an ice-soil retaining structure during a shaft sinking Procedia Structural Integrity (год публикации - 2018)

4. Левин Л.Ю., Семин М.А., Плехов О.А. Сравнительный анализ существующих методов расчета толщины ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура (год публикации - 2018)

5. Пантелеев И., Костина А., Желнин М., Плехов О., Левин Л. Numerical model of fluid-saturated rock mass with phase transitions as a theoretical basis for artificial ground freezing control system Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses: Proceedings of the 2018 European Rock Mechanics Symposium, V. 1 (год публикации - 2018)

6. Головатый И.И., Левин Л.Ю., Паршаков О.С., Диулин Д.А. Оптимизация процессов формирования ледопородного ограждения при сооружении шахтных стволов Горный журнал, №8, С. 48-53 (год публикации - 2018)
10.17580/gzh.2018.08.06

7. Ведерникова А.И., Костина А.А., Плехов О.А., Брагов А.М. On the use of the critical distance concept to estimate tensile strength of notched components under dynamic loading and physical explanation theory Theoretical and Applied Fracture Mechanics, V.103, UNSP 102280 (год публикации - 2019)
10.1016/j.tafmec.2019.102280

8. Прохоров А.Е., Плехов О.А. Разработка системы мониторинга нестационарных температур и деформаций во влагонасыщенном грунте в условиях фазового перехода на базе оптоволоконных датчиков Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика., №1, С.129-137 (год публикации - 2019)
10.15593/perm.mech/2019.1.11

9. Желнин М.С., Костина А.А., Плехов О.А., Пантелеев И.А., Левин Л.Ю. Numerical simulation of soil stability during artificial freezing Procedia Structural Integrity, V.17, P.316-323 (год публикации - 2019)
10.1016/j.prostr.2019.08.042

10. Желнин М.С., Костина А.А., Плехов О.А., Пантелеев И.А., Левин Л.Ю. Numerical analysis of application limits of Vyalov’s formula for an ice-soil wall thickness Frattura ed Integrita Strutturale, V.13(49), P.156-166 (год публикации - 2019)
10.3221/IGF-ESIS.49.17

11. Костина А.А., Желнин М.С., Плехов О.А., Пантелеев И.А., Левин Л.Ю. Numerical simulation of freezing pipe deformation during artificial ground freezing Procedia Structural Integrity, V.18., P.293-300 (год публикации - 2019)
10.1016/j.prostr.2019.08.168

12. Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю., Захаров А.П., Шлянников В.Н., Плехов О.А. The experimental and theoretical study of heat dissipation at fatigue crack tip under biaxial loading Theoretical and Applied Fracture Mechanics, V.103, 102308 (год публикации - 2019)
10.1016/j.tafmec.2019.102308

13. Левин Л.Ю., Семин М.А., Зайцев А.В. Adjustment of thermophysical rock mass properties in modeling frozen wall formation in mine shafts under construction Journal of Mining Science, V.55, I.1, P.157-168 (год публикации - 2019)
10.1134/S1062739119015419

14. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С. Improving methods of frozen wall state prediction for mine shafts under construction using distributed temperature measurements in test wells Journal of Mining Institute., T.237, P.268-274 (год публикации - 2019)
10.31897/PMI.2019.3.268

15. Семин М.А., Левин Л.Ю. Numerical simulation of frozen wall formation in water-saturated rock mass by solving the Darcy-Stefan problem Frattura ed Integrita Strutturale, V.13, I.49, P.167-176 (год публикации - 2019)
10.3221/IGF-ESIS.49.18

16. Левин Л.Ю., Семин М.А., Зайцев А.В. Калибровка теплофизических свойств породного массива при моделировании формирования ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №1., С.172-184 (год публикации - 2019)
10.15372/FTPRPI20190119

17. Паршаков О.С. Обзор аварийных ситуаций при строительстве шахтных стволов специальным способом искусственного замораживания горных пород Горное эхо, №2, С.89-92 (год публикации - 2019)

18. Желнин М.С., Плехов О.А., Левин Л.Ю. Оптимизация пассивного режима искусственного замораживания водонасыщенного породного массива Инженерно-физический журнал (год публикации - 2020)

19. Пантелеев И.А., Костина А.А., Желнин М.С., Плехов О.А., Левин Л.Ю. Intellectual monitoring of artificial ground freezing in the fluid-saturated rock mass Procedia Structural Integrity, Том: 5 Стр.: 492-499 (год публикации - 2017)
10.1016/j.prostr.2017.07.149

20. Плехов О.А., Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю. Theoretical and Experimental Analysis of the Energy Dissipation at Fatigue Crack Tip Under Cyclic Loading with Constant Stress Intensity Factor Proceedings of the 17th International Conference on New Trends in Fatigue and Fracture, C. 1-6 (год публикации - 2018)
10.1007/978-3-319-70365-7

21. Пантелеев И.А., Костина А.А., Плехов О.А, Левин Л.Ю. Numerical simulation of artificial ground freezing in a fluid-saturated rock mass with account for filtration and mechanical processes SCIENCES IN COLD AND ARID REGIONS, Том: 9 Выпуск: 4 Стр.: 363-377 (год публикации - 2017)
10.3724/SP.J.1226.2017.00363

22. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С. Математическое прогнозирование толщины ледопородного ограждения при проходке стволов Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №5, С.154-161 (год публикации - 2017)
10.15372/FTPRPI20170517

23. Желнин М.С., Плехов О.А., Семин М.А., Левин Л.Ю. Численное решения обратной задачи определения объемной теплоемкости породного массива в процессе искусственного замораживания Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика (год публикации - 2017)
10.15593/perm.mech/2017.4.05

24. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С., Колесов Е.В. Метод решения обратной задачи Cтефана для контроля состояния ледопородного ограждения при проходке шахтных стволов Вестник Пнипу. Геология. Нефтегазовое и Горное Дело, Т.16, №.3, С. 255-267 (год публикации - 2017)
10.15593/2224-9923/2017.3.6

Публикации