Влияние коэффициента теплообмена охлаждающих устройств на термостабилизацию основания земляного полотна транспортных сооружений

В работе обосновывается применение коэффициента теплообмена охлаждающих устройств в качестве основного критерия проектирования систем термостабилизации основания земляного полотна транспортных сооружений в криолитозоне.

Для оценки влияния коэффициента теплообмена охлаждающих устройств на термостабилизацию основания земляного полотна выполнено численное моделирование эксплуатируемого в Арктической зоне участка железнодорожной насыпи на перегоне Чум – Лабытнанги. Для составления и последующей верификации численной модели эксплуатируемой железнодорожной насыпи собраны необходимые инженерно-геологические и теплотехнические данные и проведен мониторинг температурного режима системы «насыпь – основание» в годовом цикле. На составленной и верифицированной модели проведено исследование влияния коэффициента теплообмена охлаждающих устройств на термостабилизацию основания рассмотренной насыпи. По результатам численного моделирования определены зависимости времени термостабилизации основания от коэффициента теплообмена при многолетней термостабилизации и за один холодный период года.

На основании выполненных исследований сформулирован принцип проектирования охлаждающих устройств для термостабилизации оснований эксплуатируемых насыпей в криолитозоне, который позволяет определить требуемый коэффициент теплообмена, обеспечивающий проектные сроки термостабилизации и снижение величины морозного пучения транспортных сооружений до предельно допустимых значений.

По результатам проведенных исследований отмечено, что в некоторых случаях могут потребоваться решения по термостабилизации, обеспечивающие коэффициент теплообмена, превышающий возможности существующих сезонно действующих охлаждающих устройств. В таких случаях актуальны исследования, направленные на разработку и эффективное применение решений, основанных на ускоренных или комбинированных способах термостабилизации, способных обеспечить более высокие итоговые значения коэффициента теплообмена между основанием земляного полотна и атмосферой.

1. Ашпиз Е. С. Опыт проектирования земляного полотна железных дорог России, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов // Материалы Пятой конференции геокриологов России, Москва, 14–17 июня 2016 г. Москва : Университетская книга, 2016. С. 162–168. EDN WEQOXZ.

2. Изменения климата и динамика толщ многолетнемерзлых пород на северо-западе России в ближайшие 300 лет / В. В. Клименко, Л. Н. Хрусталев, О. В. Микушина [и др.] // Криосфера Земли. 2007. Т. XI, № 3. С. 3–13.

3. 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.

4. Cheng G., Wu Q., Ma W. Innovative designs of the permafrost roadbed for the Quinghai-Tibet railway / eds. D. L. Kane & K. M. Hinkel // Ninth International Conference on Permafrost. Institute of Northern Engineering, University of Alaska Fairbanks : 2 Vol. 2008. P. 239–247.

5. Lepage J.-M., Dore G., Fortier D., Murchison P. Thermal performance of the permafrost protection techniques at beaver creek experimental road site, Yukon, Canada / ed. K. M. Hinkel // Tenth International Conference on Permafrost. Vol. 1. International Contributions. Salekhard : The Northern Publisher, 2012. Р. 261–266.

6. Ашпиз Е. С., Хрусталев Л. Н. Предотвращение деградации многолетнемерзлых грунтов в основании насыпей железных дорог // Криосфера Земли. 2020. Т. 24, № 5. С. 45–50.

7. Устройство термостабилизационных мероприятий для предотвращения деградации многолетнемерзлых оснований железнодорожных насыпей / С. А. Кудрявцев, Т. Ю. Вальцева, А. В. Кажарский, И. И. Гаврилов // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении : материалы научно-технической конференции, Новочеркасск, 28–30 сентября 2022 г. Новочеркасск : Лик, 2022. С. 469–475. EDN ZNBLPV.

8. Жаркой А. М., Ковалева М. А., Кудрявцев С. А. Проблемы деградации многолетнемерзлых грунтов // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2023. Т. 2. С. 236–239. EDN MZHQDP.

9. Цернант А. А. Инновационные технологии управления температурой грунтовых массивов транспортных сооружений в арктических широтах // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 3. С. 26–31.

10. Ибрагимов Э. В., Кроник Я. А., Куплинова Е. В. Экспериментальные исследования инновационных конструкций пологонаклонных конструкций термостабилизаторов грунта // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 4 (45). С. 208–220.

11. Сравнительная оценка эффективности работы двухфазных термосифонов для термостабилизации грунтов в криолитзоне / Р. М. Баясан, А. Д. Лобанов, Т. В. Баясан, С. И. Голубин // Инженерные изыскания. 2012. № 7. С. 61–63.

12. Ибрагимов Э. В., Гракович Л. П. Определение теплопередающих характеристик вертикального парожидкостного термостабилизатора грунта с разными теплоносителями // Геотехника. 2016. № 5. С. 24–29.

13. Примаков С. С, Паздерин Д. С. О расчете теплообмена при проектировании конденсаторной части сезонно действующего охлаждающего устройства // Нефтяное хозяйство. 2013. № 4. С. 124–125.

14. Погоржальский Д. Е., Георгияди В. Г. Влияние снегозаноса на эффективность работы сезоннодействующих охлаждающих устройств // Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений. 2022. № 10. С. 110–112.

15. 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.

16. Ибрагимов Э. В. Оптимизация устройства оснований и фундаментов в криолитозоне с использованием термостабилизации грунтов : специальность 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ибрагимов Энвер Валерьевич, 2021. 150 с. EDN VXLAAD.

17. Баясан Р. М., Голубин С. И., Аврамов А. В. Особенности применения технологии термостабилизации для защиты от морозного пучения грунтов // Инженерные изыскания. 2015. № 12. С. 56–62.

18. Разуваев Д. А., Ашпиз Е. С., Нагаев Е. И. Результаты масштабного моделирования морозного пучения грунтов при термостабилизации сезонно-действующими охлаждающими устройствами // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2025. № 3 (75). С. 32–41. DOI 10.52170/1815-9265_2025_75_32. EDN UUIBGZ.