Метод проектирования комбинированной термостабилизации основания земляного полотна транспортных сооружений в криолитозоне

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.

1. Хрусталев Л. Н., Пармузин С. Ю., Емельянова Л. В. Надежность северной инфраструктуры в условиях меняющегося климата / Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Геологический факультет. Москва : Университетская книга, 2011. 259 с.

2. Ревин Б. А., Харькова Т. Л. Климатические риски социального развития Ямало-Ненецкого автономного округа // Проблемы прогнозирования. 2023. № 4 (199). С. 157–167. DOI 10.47711/0868-6351-199-157-167. EDN ZDMOKM.

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

4. 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.

5. Евдокимов В. С., Максименко В. А., Николаев В. С. Исследование работы комбинированного сезонно-действующего охлаждающего устройства // Омский научный вестник. 2015. № 1 (137). С. 73–76. EDN UCDJZP.

6. Паздерин Д. С. Расчет теплообмена при проектировании конденсаторной части одиночного сезонно-действующего охлаждающего устройства // Сборник тезисов Тюменского международного инновационного форума «НефтьГазТЭК-2013». Тюмень, 2013.

7. 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.

8. 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. Москва, 2021. 150 с.

9. 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.

10. Комбинированный способ восстановления мерзлого состояния грунтов в теле и основании земляного полотна / Е. С. Ашпиз, Е. И. Нагаев, Д. А. Разуваев, А. О. Салмин // Криосфера Земли. 2026. Т. 30, № 1. С. 37–44. DOI 10.15372/KZ20260104. EDN ENCOYG.

11. СП 119.13330.2024. Железные дороги колеи 1520 мм. Москва, 2024. 231 с.

12. Об утверждении Классификатора и норм пороговых значений критических параметров, характеризующих предотказное состояние земляного полотна : распоряжение ОАО «РЖД» от 14 апреля 2016 года № 660р. Москва, 2016.

13. Разуваев Д. А., Нагаев Е. И. Влияние коэффициента теплообмена охлаждающих устройств на термостабилизацию основания земляного полотна транспортных сооружений // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2026. № 1 (78). С. 56–65. DOI 10.52170/1815-9265_2026_78_56. EDN BCERSD.

14. Ашпиз Е. С., Разуваев Д. А. Организация полевого эксперимента по охлаждению многолетне-мерзлых грунтов основания сезонно-действующими установками в условиях полуострова Ямал // Проектирование, строительство и эксплуатация объектов транспортной инфраструктуры в сложных климатических и инженерно-геологических условиях : материалы Международной научно-практической конференции, 24–26 октября 2024 г. / Российский университет транспорта. Москва : Дашков и К, 2024. С. 22–24. EDN CWIRGP.