Анализ влияния технологии усиления основания вертикальными столбами из щебня на процессы промерзания – оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания земляного полотна
Автор: Шепитько Т.В., Артюшенко И.А., Полянский А.В., Ноздрачёв А.С.
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Системные решения технологических проблем
Статья в выпуске: 3 т.18, 2026 года.
Бесплатный доступ
Введение. В регионах с распространением многолетнемерзлых грунтов при строительстве объектов транспортной инфраструктуры сложной, но в то же время важной задачей является обеспечение устойчивости и стабильности оснований транспортных сооружений. Сложность строительства в регионах криолитозоны обуславливается трудностью прогноза поведения многолетнемерзлых грунтов и влияния на них различных природных факторов и возводимого сооружения. Методы и материалы. При развитии путей сообщений в регионах с распространением многолетнемерзлых грунтов важно грамотно подходить к выбору конструктивно-технологических решений, направленных на повышение надежности оснований транспортных сооружений. Ключевыми элементами выбора таких решений выступают прогнозирование деформационных процессов оснований, разработка мероприятий по стабилизации и термостабилизации грунтовых условий. Предложенные конструктивно-технологические решения должны не только оказывать благоприятное воздействие на физико-механические характеристики грунтового массива, но и быть экономически целесообразны. Результаты и обсуждение. В статье рассматриваются вопросы обеспечения стабильности и устойчивости земляного полотна на участке Забайкальской железной дороги в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов. Авторами предложено конструктивно-технологическое решение (далее КТР) по устройству вертикальных столбов из щебня при усилении грунтов основания. Данную технологию можно отнести к нанотехнологиям в строительстве, так как в ходе ее применения происходит улучшение строительных свойств многолетнемерзлых грунтов. Особенностью рассматриваемого участка является наличие многолетнемерзлых грунтов в основании железнодорожной насыпи, поэтому в данной статье выполнено моделирование теплофизических процессов в грунтах и влияние объекта транспортной инфраструктуры, которым является железнодорожная насыпь как с применением технологии армирования основания вертикальными столбами из щебня в криолитозоне, так и без применения на естественном основании, данном КТР, и представлен анализ полученных результатов. Вывод. Итоги работы демонстрируют целесообразность применения технологии армирования грунтов оснований вертикальными столбами из щебня в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов.
Транспорт, железная дорога, автомобильная дорога, земляное полотно, многолетнемерзлые грунты, вертикальные столбы из щебня, промерзание, оттаивание, нанотехнологии в строительстве
Короткий адрес: https://sciup.org/142248045
IDR: 142248045 | УДК: 625:69.05:004.8 | DOI: 10.15828/2075-8545-2026-18-3-417-432
Analysis of the impact of the foundation reinforcement technology using vertical crushed stone columns on the freeze-thaw processes of permafrost soils in railway subgrade foundation
Introduction. In regions characterized by permafrost soils, the construction of transport infrastructure facilities presents a complex yet critically important challenge: ensuring the stability and operational reliability of foundations for transport structures. The complexity of construction in cryolithozone regions is attributable to the difficulty in predicting the behavior of permafrost soils and assessing the impact of various natural factors and the constructed facility itself on their condition. Methods and Materials. In the development of transport infrastructure in regions characterized by the distribution of permafrost soils, a systematic approach to selecting constructive and technological solutions aimed at ensuring the operational reliability of foundations for transport structures is of critical importance. Key factors in the selection of such solutions include the forecasting of deformation processes in foundations and the development of measures for stabilization and thermal stabilization of soil conditions. The proposed constructive and technological solutions should not only exert a favorable influence on the physical and mechanical characteristics of the soil mass but also demonstrate economic feasibility. Results and Discussion. The article addresses the issues of ensuring the stability and operational reliability of the railway subgrade on a section of the Trans-Baikal Railway located within the permafrost soils distribution zone. The authors propose a constructive and technological solution (hereinafter referred to as CTS) involving the installation of vertical crushed stone columns for reinforcing foundation soils. This technology can be classified under nanotechnologies in construction, as its application contributes to the enhancement of the engineering properties of permafrost soils. A distinctive feature of the considered section is the presence of permafrost soils in the foundation of the railway embankment. Therefore, this study presents modeling of thermophysical processes in soils and evaluates the impact of the transport infrastructure facility-represented by the railway embankment-both with the application of the foundation reinforcement technology using vertical crushed stone columns in the cryolithozone and without this CTS, on a natural foundation. An analysis of the obtained results is provided. Conclusion. The results of the work demonstrate the feasibility of applying foundation soil reinforcement technology using vertical crushed stone columns in regions characterized by the distribution of permafrost soils.
Текст научной статьи Анализ влияния технологии усиления основания вертикальными столбами из щебня на процессы промерзания – оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания земляного полотна
Шепитько Т.В., Артюшенко И.А., Полянский А.В., Ноздрачев А.С. Анализ влияния технологии усиления основания вертикальными столбами из щебня на процессы промерзания – оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания земляного полотна. Нанотехнологии в строительстве. 2026;18(3):417–432. – EDN: TOTDYD.
Достоверность данных инженерно-геологических изысканий выступает критическим аспектом при разработке проектной документации для транспортных объектов, возводимых в криолитозоне. Основой таких изысканий служит серия лабораторных ис- пытаний грунтов, направленных на выявление их основных теплофизических и физико-механических характеристик. Полученные эмпирические данные служат базисом для выполнения теплофизических расчетов. Последние позволяют смоделировать изменение температурно-прочностных свойств грунтов основания в течение всего эксплуатационного пе-
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
риода здания или сооружения. Проведение данных расчетов не только предписано действующими нормативами (СП 25.13330.2020 [1], СП 11-105-97 ч. 4 [2], РСН 67-87 [3]), но и обусловлено практической необходимостью, особенно в регионах с негативными криогенными процессами (наличие таликов, перелетков, засоленных или сильнольдистых мерзлых грунтов, а также грунтов не сливающегося типа).
Сложностью строительства в северных регионах является, как уже отмечалось, наличие многолетнемерзлых грунтов в основании сооружений. Недостаточная теплоизоляция земляного полотна способствует развитию негативных геокриологических процессов – термокарста, термоэрозии, морозного пучения, – что приводит к снижению устойчивости и деформациям земляного полотна [4, 5]. Для предотвращения или сведения к минимуму указанных явлений уже на проектной стадии требуется обоснованный подбор конструктивно-технологических решений [6, 7].
Грунты, находящиеся в мерзлом состоянии, характеризуются выраженной зависимостью от термических колебаний и механических воздействий. Согласно положениям механики мерзлых пород, снижение температуры атмосферного воздуха транслируется в охлаждение грунтового массива, что неизбежно влечет за собой модификацию его прочностных свойств [8].
Криогенные процессы, возникающие в основании насыпи, критически сказываются на общей надежности эксплуатации объекта: они способствуют деформированию как земляного полотна, так и верхнего строения пути / дорожной одежды, снижая долговечность транспортных сооружений [9–11].
В настоящей работе проведено численное теплофизическое моделирование для анализа эффективности метода укрепления основания вертикальными столбами из щебня (щебеночными сваями) в условиях криолитозоны. Несмотря на ранее доказанную результативность данного КТР для мерзлых грунтов [12, 13], исследование фокусируется на участке с иными криолитологическими условиями, а также с выполнением теплофизического моделирования с использованием иного программного комплекса Frost 3D.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Прогноз температурного режима грунтов основания на участке Забайкальской железной дороги выполнен с использованием ПК Frost 3D (модуль Frost.Термо) [14]. Данный программный продукт реализует численное решение пространственной задачи теплообмена в мерзлых грунтах с учетом фазовых переходов и фильтрации. В расчете принимаются во внимание тип грунта, его льдистость и концентрация солей в поровой влаге, определяющая температуру начала замерзания.
Возможности модуля включают учет влияния инженерных сооружений, термостабилизаторов, снежного покрова и насыпей через граничные условия. Особенностью алгоритма является симуляция фильтрации, являющейся определяющим фактором для влагонасыщенных сред. Геометрическая часть модели формируется на основе многослойных инженерно-геологических напластований и цифровых моделей рельефа, загружаемых из облаков точек. Математическая постановка задачи представляет собой сопряженную систему уравнений теплопроводности и фильтрации.
Климатические условия для моделируемого участка представлены в таблице 1 [15].
Для поверхности грунта воздействие солнечной радиации учтено согласно СП 447.1325800.2024 «Железные дороги в районах вечной мерзлоты» [16] с помощью применения суммарной поправки температуры воздуха путем прибавления ∆ T = 3 °С к среднемесячным значениям температуры воздуха с апреля по сентябрь.
Пространственная модель представляет собой 3D-фрагмент среды. Верхним пределом служит дневная поверхность, снизу область ограничена плоскостью, удаленной на достаточное расстояние для исключения краевых эффектов в зоне интереса. Боковые грани характеризуются отсутствием теплообмена (нулевой тепловой поток), что обусловлено симметричностью постановки задачи.
Согласно [1, 15], участок Забайкальской железной дороги, для которого осуществляется выполнение прогнозных теплотехнических расчетов, представлен в таблицах 2, 3 следующими физическими, теплофизическими свойствами и инженерно-геокриологическими условиями.
С целью выявления степени влияния предлагаемого конструктивно-технологического решения на температурный режим системы «насыпь – основание, сложенное многолетнемерзлыми грунтами», в исследовании следует считать, что отсыпку земляного полотна производят в середине сентября. При этом моделирование выполняется в базовых условиях, исключающее использование теплоизоляции, наноматериалов и других специальных тем-пературо-регулирующих технологий.
Расчетный период составил 50 лет: с 01.10.2025 по 01.10.2075.
На рисунке 1 представлена модель насыпи без применения предлагаемых конструктивно-технологических решений на рассматриваемом участке.
На рассматриваемом участке грунты основания представлены торфом, суглинками и гравийно-га-
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Nanob
Таблица 1. Климатические характеристики для участка Забайкальской железной дороги [15]
|
Месяц |
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
|
T возд ,оС |
–24,0 |
–18,0 |
–8,0 |
3,0 |
11,0 |
17,0 |
19,0 |
17,5 |
9,5 |
0,0 |
–12,0 |
–21,0 |
|
Vвет,, м/с |
4,25 |
4,41 |
4,63 |
5,08 |
4,83 |
3,81 |
3,36 |
3,41 |
3,97 |
4,25 |
4,30 |
4,19 |
|
δ снега , м |
0,05 |
0,08 |
0,18 |
0,24 |
0,22 |
0,29 |
0,12 |
|||||
|
ρснега, кг/м3 |
0,12 |
0,14 |
0,15 |
0,18 |
0,11 |
0,12 |
0,14 |
|||||
|
λснега, Вт/м·оС |
0,14 |
0,16 |
0,17 |
0,20 |
0,13 |
0,14 |
0,16 |
|||||
|
R снега , м2·оС |
0,33 |
0,32 |
0,31 |
0,26 |
0,16 |
0,37 |
0,33 |
|||||
|
αпов, Вт/м2·оС |
1,84 |
2,12 |
2,50 |
3,05 |
8,30 |
7,58 |
7,10 |
6,62 |
6,86 |
3,33 |
1,99 |
1,89 |
Примечание: Твозд – температура воздуха, оС; Vвет – скорость ветра, м/c; δснега – высота снежного покрова, м; ρснега – плотность снега, кг/м3; λснега – коэффициент теплопроводности снега, Вт/м·оС; Rснега – термическое сопротивление снежного покрова, м2·оС/Вт; αпов – коэффициент теплообмена с дневной поверхностью, Вт/м2·оС
Таблица 2. Свойства грунтов для участка Забайкальской ж.д. [15]
|
Параметр |
Обозначение |
Ед. изм. |
Торф |
Суглинок мерзлый при оттаивании мягкопластичный |
Гравийно– галечковый грунт |
Песок средней крупности |
|
Суммарная весовая влажность мерзлого грунта |
W tot |
% |
5,11 |
0,37 |
0,2 |
0,27 |
|
Влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями |
W i |
% |
– |
0,02 |
– |
– |
|
Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды |
W w |
% |
– |
0,050 |
– |
0,007 |
|
Плотность грунта |
Pf |
г/см3 |
0,4 |
1,68 |
1,67 |
1,89 |
|
Плотность скелета грунта |
|
г/см3 |
– |
1,21 |
– |
1,48 |
|
Суммарная льдистость мерзлого грунта |
itot |
д.е. |
– |
0,43 |
– |
0,44 |
|
Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений |
i i |
д.е. |
– |
0,12 |
– |
– |
|
Степень засоленности грунта |
Dsal |
% |
– |
0,816 |
– |
0,034 |
|
Температура начала замерзания грунта |
T bf |
°C |
–0,13 |
–0,23 |
–0,31 |
–0,10 |
|
Теплопроводность грунта в талом состоянии |
λth |
Вт/(м•°C) |
0,4 |
1,57 |
2,13 |
1,90 |
|
Теплопроводность грунта в мерзлом состоянии |
λf |
Вт/(м•°C) |
0,7 |
2,17 |
2,72 |
2,10 |
|
Объем теплоемкости грунта в талом состоянии |
Cth |
Дж/(м3•К) |
3440 |
3080 |
2330 |
785 |
|
Объем теплоемкости грунта в мерзлом состоянии |
C f |
Дж/(м3•К) |
2180 |
2030 |
2150 |
525 |
|
Степень заторфованности |
J om |
д.е. |
– |
0,06 |
– |
0,01 |
|
Число пластичности |
I p |
д.е. |
– |
0,06 |
– |
– |
Таблица 3. Температура грунта для участка Забайкальской ж.д. [15]
|
Глубина замера температуры, м |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Температуры грунта на 11.08.2020, °C |
5,75 |
1,91 |
0 |
–0,19 |
–0,28 |
–0,21 |
–0,31 |
–0,36 |
–0,42 |
–0,4 |
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 1. Конструкция насыпи без усиления для участка Забайкальской железной дороги
лечниковым грунтом. В геокриологическом плане торф и суглинок на момент изысканий находились в талом состоянии. Гравийно-галечниковые грунты представлены охлажденными высокотемпературными мерзлыми грунтами, но не имеют в своем составе ледяных включений и/или льда-цемента, за счет которых образованы криогенные структурные связи – такие грунты не дают осадку при оттаивании.
Технологические аспекты устройства вертикальных столбов из щебня при усилении грунтов оснований
Технология виброзамещения, реализуемая посредством устройства щебеночных свай (вертикальных столбов из щебня), заключается в формировании в грунтовом основании вертикальных уплотненных столбов из щебня с применением специализированного вибрационного оборудования [17]. Данная технология направлена на повышение несущей способности основания, при этом щебеночные элементы функционируют как вертикальные дрены, способствуя понижению и доведению до оптимальной влажности грунтов основания, тем самым можно говорить о том, что данную технологию можно отнести к нанотехнологиям в строительстве.
В основе проектирования системы усиления лежит принцип грамотной системы распределения опорных элементов по всей площади грунтового массива. Размещение столбов может варьироваться: допускается как шахматный порядок, так и формирование сетки (треугольной либо прямоугольной). Глубину погружения столбов коррелируют с мощностью слабых грунтовых прослоек (в рассматриваемом контексте – деятельного и талого слоев) [18].
Монтаж осуществляется вибрационным зондом, подвешенным на крановом оборудовании. Погружение на проектную отметку происходит под действием собственной массы инструмента и вибрационных колебаний. В случаях высокой плотности грунта может применяться предварительное бурение [19].
Суть данного метода усиления основана на том, что вибрирующий зонд разрушает поровую структуру окружающего грунта, вызывая его дополнительное уплотнение. Щебень замещает слабый грунт, воспринимая давление, создаваемое инструментом [20]. Фракционный состав щебня, а также шаг и диаметр столбов регламентируются требованиями проектной документации.
Транспортная насыпь с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня, спроектированная на многолетнемерзлых грунтах, представлена на рисунке 2.
Для выполнения теплофизического расчета при формировании расчетной модели используется схема расстановки вертикальных столбов из щебня с шагом 1,9 x 2,2 м и диаметром 700 мм, представленная на рисунке 3.
Физические и теплофизические характеристики щебня приведены в таблице 4.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для проведения анализа влияния устройства вертикальных столбов из щебня при усилении основания земляного полотна на многолетнемерзлые грунты в условиях Забайкальской железной дороги выполнено численное теплофизическое моделирование в программном комплексе Frost 3D. Для выполнения прогнозного расчета выбрана расчетная область размерами 150,0 x 15,0 x 30,0 м (по осям х, y, z соответственно). Расчетная область насыпи без применяемых КТР и с ними, их граничные условия расчетной области обозначены на рисунках 4–5.
Моделирование верхней границы опиралось на граничные условия третьего рода, обеспечивающие учет теплообмена с внешней средой с учетом климатических особенностей и снега. В то же время нижняя и боковые границы были теплоизолированные, что описывается условиями второго рода с нулевым тепловым потоком.
Расчетный период составил 50 лет: с 06.08.2025 по 30.09.2075.
Результаты расчетов показали, что технология усиления основания вертикальными столбами из щебня положительно влияет на температурный
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 2. Транспортная насыпь с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня (щебеночными сваями) на многолетнемерзлых грунтах
Рис. 3. Схема расстановки вертикальных столбов из щебня [19]
режим грунтов основания, оказывая эффект охлаждения. Рассмотрим данный эффект на различных временных интервалах.
На рисунках 6 и 7 показаны изополя температур на 5 год зимнего периода.
Согласно теплофизической модели, представленной на рисунке 7 30.04 пятого года моделирования, в зоне примыкания откосов насыпи к естественному основанию зафиксировано образование таликов (выделены желтым цветом). Данные геокриологические процессы могут привести к деформационным процессам, создающим неблагоприятные последствия для эксплуатационной надежности инженерного сооружения.
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Nanob
Рис. 5. Расчетная область участка Забайкальской железной дороги с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня
Таблица 4. Физические и теплофизические характеристики щебня [13]
|
Параметр |
Обозначение |
Ед. изм. |
Щебень фракции 20-40 |
|
Суммарная влажность |
Wtot |
% |
0,14 |
|
Плотность |
P f |
кг/м3 |
1475,8 |
|
Температура начала замерзания |
Tbf |
°C |
–0,05 |
|
Теплопроводность в талом состоянии |
λth |
Вт/(м•°C) |
2,64 |
|
Теплопроводность в мерзлом состоянии |
λ f |
Вт/(м•°C) |
2,73 |
|
Объем теплоемкости в талом состоянии |
Cth |
Дж/(м3•К) |
2300 |
|
Объем теплоемкости в мерзлом состоянии |
C f |
Дж/(м3•К) |
2109,6 |
Рис. 4. Расчетная область участка Забайкальской железной дороги на естественном основании
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Nanob
Рис. 6. Теплофизическая модель насыпи на естественном основании по состоянию на 30.04 пятого года расчетного периода
Рис. 7. Теплофизическая модель насыпи с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня по состоянию на 30.04 пятого года расчетного периода
На рисунке 7 на 30.04 пятого месяца можно заметить, что в подошве откосов насыпи по сравнению с рисунком 6 (без применения усиления) отсутствуют образовавшиеся талики, которые могут привести к нарушению устойчивости сооружения, тем самым технология начинает проявлять эффективность по- сле пятилетней эксплуатации сооружения. Для более наглядной картины на рисунке 8 и 9 приведем графики температурных полей на эти же годы.
Помимо отсутствия таликов на рисунке 9 видно, что в теле насыпи также происходит активное промораживание грунтов.
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 8. Теплофизическое моделирование с включением графиков температурных полей на 30.04 пятого года расчетного периода насыпи на естественном основании (красным показаны талики)
Рис. 9. Теплофизическое моделирование с включением графиков температурных полей на 30.04 пятого года расчетного периода насыпи на усиленном основании вертикальными столбами из щебня
Рассмотрим изополя температур и графики температурных полей на 30.09 15 года. На рисунках 10 и 12 показаны изополя температур по состоянию на 30.09 пятнадцатого года эксплуатации, а также на рисунках 11 и 13 представлены графики температурных полей на естественном основании и усиленном основании вертикальными столбами из щебня.
Как можно заметить из рисунка 10, оттаивание грунтов прогрессирует, и талая зона с начальной 2,0 метров опустилась до 6 метров в летний период.
Нагляднее этот процесс представлен на рисунке 11. Из него видно, что тело насыпи также подвержено оттаиванию.
На рисунке 12 показано, что столбы из щебня препятствуют деградации многолетнемерзлых грунтов, но оттаивания полностью избегать не получается. В сравнении с моделью без использования талая зона прогрессировала до 3 метров (от первоначальной картины 2 метра), а при сравнении с моделью без усиления (6 метров) эффект значительный.
Нагляднее этот процесс представлен на рисунке 13. Заметно, что тело насыпи также подвержено оттаиванию.
На рисунке 13 отчетливо прослеживается стабилизация отрицательных температур в теле насыпи. Это контрастирует с данными рисунка 13, где в от-
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 10. Теплофизическая модель насыпи на естественном основании состоянию на 30.09 пятнадцатого года расчетного периода
Рис. 11. Теплофизическое моделирование с включением графиков по состоянию на 30.09 пятнадцатого года расчетного периода на естественном основании
сутствие усиления основания вертикальными щебневыми столбами температурный режим остается околонулевым.
Наблюдая динамику процессов промерзания-оттаивания, рассмотрим окончательные модели и графики температурных полей после зимы двадцатилетнего периода насыпи на естественном основании (рис. 14–15) и насыпи с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня (рис. 16–17).
В сравнении с моделью 5 года (рис. 6) размер таликов увеличился в несколько раз, что более нагляд- но показывают графики распределения температур (рис. 15).
Талая зона присутствует и в модели с усилением, но значительно меньше по масштабу и температурам.
Можно констатировать целесообразность устройства вертикальных столбов из щебня при усилении основания и положительном влиянии на охлаждение ММГ. Таким образом, в данной технологии содержатся не только стабилизирующие элементы (повышение прочностных характеристик талых грунтов),
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 12. Теплофизическая модель насыпи с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня на 30.09 пятнадцатого года расчетного периода
Рис. 13. Теплофизическое моделирование с включением графиков температурных полей по состоянию на 30.09 пятнадцатого года расчетного периода насыпи с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 14. Теплофизическая модель насыпи на естественном основании на 30.04 тридцатого года расчетного периода
Рис. 15. Теплофизическое моделирование с включением графиков температурных полей на 30.04 тридцатого года расчетного периода насыпи на естественном основании
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Рис. 16. Теплофизическая модель насыпи на естественном основании на 30.04 тридцатого года расчетного периода
Рис. 17. Теплофизическое моделирование с включением графиков температурных полей на 30.04 тридцатого года расчетного периода насыпи с усиленным основанием вертикальными столбами из щебня
Nanotechnologies in construction
Нанотехнологии в строительстве
2026; 18 (3): 417–432
Nanob
СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
но и термостабилизирующие, которые препятствуют скорой деградации ММГ. В качестве перспектив дальнейшего теплотехнического моделирования необходимо включить теплоизоляционные материалы в верхнюю часть вертикального столба.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненное в ходе исследования моделирование и анализ теплофизических процессов в основании транспортных сооружений, возводимых в криолитозоне, показали высокую значимость учета термодинамического взаимодействия в системе «насыпь – мерзлый грунт – внешняя среда». Численное моделирование, выполненное в программном комплексе Frost 3D, позволило оценить динамику изменения температур грунтов основания при использовании различных конструктивно-технологических решений – без применения специальных мер термостабилизации и с усилением основания вертикальными столбами из щебня.
Результаты моделирования для участка Забайкальской железной дороги продемонстрировали, что в условиях изменения климата и эксплуатационного воздействия без специальных мер термостабилизации многолетнемерзлых грунтов оснований транспортных сооружений происходит их интенсивная деградация, образование таликов под откосами насыпи и значительные осадки основания. Возникающие негативные геокриологические процессы особенно ярко выражены на высокольдистых и влагонасы- щенных глинистых грунтах, где даже незначительное повышение температуры может вызвать разрушение криогенных структурных связей и потерю несущей способности.
В то же время применение для укрепления грунтов оснований технологии вертикальных столбов из щебня, несмотря на теплопроводность щебня, в рассматриваемых условиях показало выраженный охлаждающий эффект. За счет конвекции холода в зимний период и улучшения дренирующих свойств грунтового массива вертикальные столбы из щебня способствуют уменьшению глубины и площади распространения талых зон, сохранению отрицательных температур в теле насыпи и прилегающем основании, а также замедлению оттаивания многолетнемерзлых грунтов в основании транспортного сооружения в течение всего расчетного периода (до 50 лет).
Таким образом, вертикальные столбы из щебня выполняют двойную функцию: стабилизирующую (усиление основания за счет улучшения физико-механических характеристик слабых грунтов и создания искусственного геомассива) и термостабилизирующую (сезонное охлаждение и термостабилизация температурного режима многолетнемерзлых грунтов оснований), тем самым можно говорить о том, что данную технологию можно отнести к нанотехнологиям в строительстве. Это делает данную технологию перспективной для решения задач строительства и эксплуатации объектов транспортной инфраструктуры в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов.
