Егор Игоревич Нагаев - преподаватель кафедры «Путь и путевое хозяйство»
Новосибирск
Egor I. Nagaev - Lecturer of the Track and Track Facility Department
Novosibirsk
Денис Алексеевич Разуваев - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог»
Новосибирск
Denis A. Razuvaev - Candidate of Engineering, Associate Professor of the Surveying, Designing and Construction of Railways and Highways Department
Novosibirsk
Эксплуатация железнодорожных насыпей в криолитозоне сопровождается деградацией многолетне-мерзлых грунтов основания, развитием термических просадок и деформаций морозного пучения. Традиционные сезонно действующие охлаждающие устройства обладают принципиальным ограничением длительным временем выхода на проектный режим, в течение которого накапливаются просадки и развиваются деформации морозного пучения в водонасыщенных глинистых грунтах основания. Указанное ограничение обусловлено зависимостью скорости промерзания от коэффициента теплообмена охлаждающего устройства, теплофизических характеристик грунтового массива и климатических условий участка.
Разработан метод проектирования комбинированной термостабилизации основания земляного полотна транспортных сооружений в криолитозоне, включающий активную и пассивную стадию работы, охватывающий полный цикл от анализа исходных геокриологических данных до обоснования параметров стадий работы охлаждающих устройств. Алгоритм представляет собой замкнутую итерационную процедуру, на каждом этапе которой принятые проектные решения проверяются на соответствие нормативным требованиям по деформациям морозного пучения и долгосрочной термодинамической устойчивости грунтового массива.
Предложен способ расчета деформаций морозного пучения при термостабилизации основания, основанный на эмпирической логарифмической зависимости объемного коэффициента пучения от радиальной скорости промерзания и численном моделировании напряженно-деформированного состояния системы «насыпь основание».
Введен критерий выбора коэффициента теплообмена пассивной стадии, определяющий допустимый диапазон и обеспечивающий долгосрочное поддержание сформированной зоны отрицательных температур без оттаивания и без развития деформаций морозного пучения сверх предельно допустимого значения с учетом прогнозируемого потепления климата. Предложен подход к определению эквивалентного коэффициента теплообмена комбинированных термостабилизаторов с использованием жидкого азота на основе критерия Нуссельта, позволяющий переносить результаты лабораторных испытаний на натурные объекты с измененными геометрическими параметрами без проведения повторных экспериментов.
Верификация предложенного способа расчета выполнена на опытном полигоне «Семь лиственниц» в Ямало-Ненецком автономном округе. Сопоставление расчетных вертикальных перемещений с натурными данными геокриологического мониторинга показало их количественное согласование, что подтверждает достоверность предложенного способа расчета деформаций морозного пучения при термостабилизации глинистых грунтов охлаждающими устройствами.
The operation of railway roadbeds in permafrost regions is accompanied by degradation of the frozen foundation soils, development of thermal subsidence and frost heave deformations. Traditional seasonally operating cooling devices have a fundamental limitation a long time to reach the design mode, during which subsidence accumulates and frost heave deformations develop in water-saturated clayey foundation soils. This limitation is due to the dependence of the freezing rate on the heat transfer coefficient of the cooling device, thermophysical characteristics of the soil mass, and climatic conditions of the site.
A design method for combined thermal stabilization of the railway roadbed foundation of transport structures in the permafrost zone has been developed, covering the full cycle from analysis of initial geocryological data to justification of the parameters of the active and passive stages of cooling device operation. The algorithm represents a closed iterative procedure, at each stage of which the adopted design decisions are verified against regulatory requirements for frost heave deformations and long-term thermodynamic stability of the soil mass.
A method for calculating frost heave deformations during foundation thermal stabilization has been proposed, based on an empirical logarithmic dependence of the volumetric heave coefficient on the radial freezing rate and numerical modeling of the stress-strain state of the roadbed-foundation system.
A criterion for selecting the heat transfer coefficient of the passive stage has been introduced, defining the permissible range and ensuring long-term maintenance of the formed negative temperature zone without thawing and without development of frost heave deformations beyond the maximum allowable value, accounting for predicted climate warming.
An approach to determining the equivalent heat transfer coefficient of combined thermal stabilizers using liquid nitrogen, based on the Nusselt criterion, has been proposed, enabling the transfer of laboratory test results to full-scale objects with modified geometric parameters without conducting repeated experiments.
Verification of the proposed calculation method was performed at the ‘Seven Larches’ test site in the Yamalo-Nenets Autonomous Okrug. Comparison of the calculated vertical displacements with field geocryological monitoring data demonstrated their quantitative agreement, confirming the reliability of the proposed method for calculating frost heave deformations during thermal stabilization of clayey soils with cooling devices.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.