veststuВестник Сибирского государственного университета путей сообщенияBulletin of Siberian State University of Transport1815-9265Сибирский государственный университет путей сообщения10.52170/1815-9265_2025_75_32veststu-188Research ArticleТРАНСПОРТTRANSPORTРезультаты масштабного моделирования морозного пучения грунтов при термостабилизации сезонно-действующими охлаждающими устройствамиResults of large-scale modeling of frost heaving in soils during thermostabilization with seasonally-operating cooling devicesРазуваевД. А.RazuvayevD. A.

Денис Алексеевич Разуваев – кандидат технических наук, доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство»

Новосибирск

Denis A. Razuvayev – Department “Track and Track Maintenance”, associate professor

Novosibirsk

razdenis@mail.ruАшпизЕ. С.AshpizE. S.

Евгений Самуилович Ашпиз – доктор технических наук, доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство»

Москва

Evgeny S. Ashpiz – department of Geotechnics, tunnels and subways, Doctor of Technical Sciences, associate professor

Moscow

geonika@inbox.ruНагаевЕ. И.NagaevE. I.

Егор Игоревич Нагаев – преподаватель кафедры «Путь и путевое хозяйство»

Новосибирск

Egor I. Nagaev –  Department “Track and track facilities”

Novosibirsk

einagaev@mail.ruСибирский государственный университет путей сообщенияРоссияSiberian Transport UniversityRussian FederationРоссийский университет транспортаРоссияRussian University of TransportRussian Federation202530092025033241Copyright © Разуваев Д.А., Ашпиз Е.С., Нагаев Е.И., 20252025Разуваев Д.А., Ашпиз Е.С., Нагаев Е.И.Razuvayev D.A., Ashpiz E.S., Nagaev E.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikstu.ru/jour/article/view/188

   Процесс термостабилизации оттаявших многолетне-мерзлых грунтов оснований сезоннодействующими охлаждающими устройствами (СОУ) может занимать значительное время (до нескольких лет), что в определенных грунтово-гидрологических условиях приводит к морозному пучению грунтов основания с достаточно продолжительным периодом проявления пучин на железнодорожном пути. В этом случае при проектировании термостабилизации основания земляного полотна железнодорожного пути СОУ рекомендуется выполнять количественную оценку указанных деформаций и принимать компенсирующие проектные решения.   В работе поставлен и проведен масштабный лабораторный эксперимент по моделированию термостабилизации грунтов сезонно-действующими охлаждающими устройствами для определения эмпирических зависимостей величины морозного пучения глинистых грунтов от их вида и скорости промораживания. Эксперимент состоял из отдельных опытов, каждый из которых заключался в термостабилизации (промораживании) грунтового массива в лотке СОУ при заданной температуре в климатической камере.   По результатам эксперимента отмечено существенное по величине морозное пучение грунтового массива при его термостабилизации СОУ. Получена эмпирическая зависимость величины объемного коэффициента морозного пучения глинистых грунтов с числом пластичности Ip от 5 до 14 от радиальной скорости промерзания у СОУ. Установлено, что при открытой системе промерзания с минимальным путем миграции грунтовых вод к фронту промерзания у СОУ число пластичности глинистых грунтов (в интервале от 5 до 14) является мало влияющим на значения морозного пучения фактором, которым при расчетах можно пренебречь. Полученную зависимость рекомендуется использовать при проектировании термостабилизации основания земляного полотна в районах распространения многолетне-мерзлых грунтов для количественной оценки возможных последующих деформаций морозного пучения и принятия компенсирующих проектных решений.

   The process of thermostabilization of thawed permafrost soils using seasonally-operating cooling devices can take a significant amount of time (up to several years). In certain soil and hydrological conditions, this leads to frost heaving of the subgrade foundation with a fairly long period of heave manifestation on the railway track.   This paper describes a large-scale laboratory experiment conducted to model the thermostabilization of soils with seasonally-operating cooling devices. The purpose was to determine the empirical relationships between the magnitude of frost heaving in clay soils and their type and freezing rate.   The experiment results show significant frost heaving of the soil mass during its thermostabilization by seasonal cooling devices. An empirical relationship was obtained for the volumetric frost heaving coefficient of clay soils with a plasticity index from 5 to 14, as a function of the radial freezing rate near the cooling device. This relationship is recommended for use in designing the thermostabilization of railway subgrade foundations in permafrost regions to quantitatively assess potential subsequent frost heaving deformations and to adopt compensating design solutions.

земляное полотногрунты основаниямноголетне-мерзлые грунтытермостабилизация грунтовсезонно-действующие охлаждающие устройстваrailway subgradefoundation soilspermafrostsoil thermostabilizationseasonally-operating cooling devicesReferencesАшпиз Е. С. Опыт сооружения земляного полотна железных дорог, расположенных на многолетнемерзлых грунтах: проблемы и пути их решения // Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО «РЖД». 2019. № 1. С. 21–27. EDN TQJHVX.Ashpiz E. S. Experience of constructing railway subgrade located on permafrost: problems and solutions. Bulletin of the United Academic Council of Russian Railways. 2019;(1):21–27. (In Russ.).Сазонов В. Н., Ашпиз Е. С. Актуальные проблемы обеспечения надежности земляного полотна на Восточном полигоне // Железнодорожный транспорт. 2015. № 9. С. 28−31.Sazonov, V. N., Ashpiz, E. S. Current problems of ensuring the reliability of the subgrade on the Eastern Polygon. Zheleznodorozhnyj Transport. 2015;(9):28−31. (In Russ.). ISSN 0044-4448.Ensuring the operational suitability of buildings, railways and bridges in of the Arctic zone in conditions of global warming / I. Sakharov, S. Kudryavtsev, V. Paramonov [et al.] // X International Scientific Siberian Transport Forum – TransSiberia 2022, Novosibirsk, 02–05 марта 2022 года. Novosibirsk : Elsevier B. V., 2022. Р. 2506–2514. DOI 10.1016/j.trpro.2022.06.288. EDN GXCWVQ.Sakharov I., Kudryavtsev S., Paramonov V. [et al.] Ensuring the operational suitability of buildings, railways and bridges in the Arctic zone in conditions of global warming. X International Scientific Siberian Transport Forum – TransSiberia 2022, Novosibirsk, March 02–05, 2022. Novosibirsk: Elsevier B. V.; 2022. P. 2506–2514. DOI 10.1016/j.trpro.2022.06.288.Цернант А. А. Инновационные технологии управления температурой грунтовых массивов транспортных сооружений в арктических широтах // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 3 (170). С. 26–31. EDN SXLQXD.Tsernant A. A. Innovative technologies for temperature control of soil masses of transport structures in Arctic latitudes. Construction Materials, Equipment, Technologies of the XXI century. 2013;(170):26–31. (In Russ.). ISSN 1729-9209.Колосков Г. В., Ибрагимов Э. В., Гамзаев Р. Г. К вопросу выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне // Геотехника. 2015. № 6. С. 4–11. EDN VXVJZF.Koloskov G. V., Ibragimov E. V., Gamzaev R. G. On the issue of choosing optimal soil thermostabilization systems during construction in the cryolithozone. Geotechnics. 2015;(6):4–11. (In Russ.).Gallavresi F. Ground freezing – the application of the mixed method (brine–liquid nitrogen) // Engineering Geology. 1981. № 18 (1). Р. 361–375. https://doi.org/10.1016/0013-7952(81)90074-0.Gallavresi F. Ground freezing – the application of the mixed method (brine–liquid nitro-gen). Engineering Geology. 1981;18(1):361–375. https://doi.org/10.1016/0013-7952(81)90074-0.Monitoring Roadbed Stability in Permafrost Area of Qinghai–Tibet Railway by MT-InSAR Technology / H. Liu, S. Huang, C. Xie [et al.] // Land. 2023. Vol. 12. P. 474.Liu H., Huang S., Xie C. [et al.]. Monitoring Roadbed Stability in Permafrost Area of Qinghai–Tibet Railway by MT-InSAR Technology. Land. 2023;12:474.Закирова Э. А., Гаррис Н. А. Как избежать выпучивания опор надземных трубопроводов в районах пучинистых грунтов // Нефтегазовое дело. 2016. Т. 14, № 2. С. 85–92.Zakirova E. A., Garris N. A. How to avoid heaving of above-ground pipeline supports in areas of frost-heaving soils. Oil and Gas Business. 2016;14(2):85–92. (In Russ.).Юшков Б. С., Сергеев А. С. Исследование зависимости величины морозного пучения глинистых грунтов от скорости промерзания // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2015. № 4. С. 130– 140. EDN VEFQGR.Yushkov B. S., Sergeev A. S. Study of the dependence of the magnitude of frost heaving of clay soils on the freezing rate. Transport. Transport Structures. Ecology. 2015;(4):130-140. (In Russ.).Шестернев Д. М., Соколова В. С., Елгина А. И. Влияние скорости промерзания на пучение пород различного состава, строения и свойств // Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов : XVI Международная научная-практическая конференция, Чита, 28–30 ноября 2016 года : в 3 ч. Чита : Забайкальский государственный университет, 2016. Ч. 1. С. 191–195. EDN WZVSVH.Shesternev D. M., Sokolova V. S., Yeldina A. I. Influence of freezing rate on the heaving of rocks of various compositions, structures, and properties. Kulagin Readings: Engineering and Technologies of Production Processes: XVI International Scientific and Practical Conference: in 3 parts. Chita, November 28–30, 2016. Chita: Transbaikal State University; 2016. Part 1. P. 191–195. (In Russ.).Ашпиз Е. С., Разуваев Д. А., Нагаев Е. И. Масштабное моделирование морозного пучения грунтов основания земляного полотна при работе сезонно-охлаждающих устройств // TRANSOILCOLD 2023 : материалы 6-го Международного симпозиума по строительному инжинирингу грунтовых сооружений на транспорте в холодных регионах, Москва, 02–05 октября 2023 года / под общей редакцией Т. В. Шепитько. Москва : Дашков и Ко, 2023. С. 98–100.Ashpiz E. S., Razuvayev D. A., Nagayev E. I. Large-scale modeling of frost heaving of subgrade foundation soils during the operation of seasonal cooling devices. TRANSOILCOLD 2023. Proceedings of the 6th International Symposium on Construction Engineering of Ground Structures in Transport in Cold Regions, Moscow, October 02–05, 2023. Edited by T. V. Shepitko. Moscow: Publishing and Trading Corporation Dashkov and Kо, 2023. P. 98–100. (In Russ.).Разуваев Д. А., Ашпиз Е. С. Криогенные проблемы эксплуатируемых железнодорожных насыпей восточного участка БАМа и сценарии развития деформаций // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2024. № 5 (72). С. 22–34. DOI 10.52170/1815-9265_2024_72_22. EDN HZVBVB.Razuvayev D. A., Ashpiz.E S. Cryogenic problems of operated railway embankments of the eastern section of the Baikal-Amur Mainline and scenarios for the development of deformations. The Siberian Transport University Bulletin. 2024;(72):22–34. DOI 10.52170/1815-9265_2024_72_22. (In Russ.).Бухов С. И., Исаков А. Л. Определение температуры начала интенсивного морозного пучения в глинистых грунтах при открытой системе промерзания // Фундаментальные и прикладные вопросы транспорта. 2022. № 4 (7). С. 80–86. DOI 10.52170/2712-9195_2022_4_80. EDN OFBUJU.Bukov S. I., Isakov A. L. Determination of the temperature of the beginning of intensive frost heaving in clay soils with an open freezing system. Fundamental and Applied Issues of Transport. 2022;(7):80–86. DOI 10.52170/2712-9195_2022_4_80. (In Russ.).

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