Нанотехнология и параметры растепления многолетнемерзлых грунтов при строительстве фундаментов зданий и транспортных сооружений
Автор: Попонин А.Р., Пискунов А.А., Панченко А.И., Галабурда И.А., Кендюк А.В.
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Системные решения технологических проблем
Статья в выпуске: 1 т.18, 2026 года.
Бесплатный доступ
Введение. До 65% площади Российской Федерации находятся на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов, поэтому работы по совершенствованию существующих и развитию новых технологий сооружения фундаментов в таких условиях сохраняют свою актуальность. Северные территории богаты своими природными ресурсами, такими как нефть, газ и полезные ископаемые, поэтому в последние годы наблюдается тенденция их активного развития. Сооружение объектов инфраструктуры, строительство промышленных предприятий и жилых комплексов требует проектных решений, обеспечивающих эксплуатационную надежность фундаментов в условиях деградации грунтовых многолетнемерзлых массивов. Геологические условия многолетнемерзлых грунтов влияют на прочность, устойчивость и долговечность сооружений. Строительство без учета характеристик мерзлотных грунтов приводит к осадкам, деформациям зданий и аварийным ситуациям, связанным с деградацией грунтового массива из-за изменения климатических условий. Существующие на сегодняшний день технологии строительства сооружений различного назначения в данных условиях основываются на первом принципе – опирании оснований фундаментов на толщу многолетнемерзлых грунтов, которая является постоянной и не подвержена влиянию сезонного растепления и остывания грунтов. Существующие технологии не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к надежности строительных объектов. Для поддержания долговечности и устойчивости сооружений необходимо учитывать факторы риска для северных регионов, где климатические условия весьма суровы, а строительные объекты подвергаются значительным нагрузкам. Из-за увеличения среднегодовой температуры атмосферного воздуха, толща сезонно растепляемых многолетнемерзлых грунтов повсеместно увеличивается. При проектировании современных сооружений глубину заложения фундаментов необходимо увеличивать, что в свою очередь ведет к увеличению затрат на строительство в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов. По результатам расчетного обоснования определена необходимая температура подачи пара в паровую иглу, диаметр иглы, толщина её стенки, схема расстановки игл, область растепления как от одной, так и от комплекса паровых игл, а также время обратного промерзания массива грунтов для учета возможности последующего повышения их несущей способности. Материалы и методы. В статье представлена нанотехнология растепления многолетнемерзлых грунтов паровыми иглами и расчетное обоснование, необходимое для учета возможности работ по растеплению массива грунтов и их дальнейшему закреплению. Расчетное обоснование выполнено на примере строительства транспортного сооружения в г. Норильск, Красноярский край, так как эта область относится к районам Крайнего Севера, где распространенной является проблема повсеместного растепления массива грунтов. Расчетное обоснование выполнено в специализированном программном комплексе MIDAS GTS NX Thermal analysis. Обсуждение. В рамках расчетного обоснования была выполнена: верификация расчетных моделей; моделирование существующего диапазона толщин стенок паровой иглы; моделирование существующего диапазона диаметров паровой иглы; моделирование существующего диапазона температур подачи пара в паровую иглу; моделирование двух возможных схем расстановки паровых игл в массиве грунтов; моделирование по определению расстояния между паровыми иглами при их установке в массив грунтов; моделирование по определению времени, необходимого для растепления массива грунтов и их обратного остывания. Выполнен анализ полученных результатов для каждого из этапов расчетного обоснования. Определена оптимальная конструкция паровой иглы (диаметр, толщина стенки, температура подачи пара), схема расстановки игл и расстояние между иглами при их установке в массив грунтов, площадь и объем растепляемого массива грунтов, время растепления и обратного остывания массива грунтов. Заключение. В рамках выполненной работы обоснованы конструктивные параметры паровой иглы, включая оптимальный диаметр, толщину стенок и температуру подаваемого пара. Установлено оптимальное взаиморасположение паровых игл и необходимые расстояния между ними для эффективного воздействия на грунт, определены ключевые показатели процесса растепления многолетнемерзлого грунта: сроки, объём и площадь растепления, а также временной интервал возвращения грунтов в исходное мерзлое состояние. Результаты представленной статьи создают основу для проектирования и строительства надежных фундаментов зданий и транспортных сооружений в регионах с распространением многолетнемерзлых грунтов.
Результаты исследований ученых и специалистов, нанотехнологии в строительстве, нанотехнологии, транспортное строительство, многолетнемёрзлый грунт, сооружение фундаментов, теплотехника, теплотехнические расчеты, грунты основания, паропрогрев, растепление грунтов
Короткий адрес: https://sciup.org/142247089
IDR: 142247089 | УДК: 624.15 | DOI: 10.15828/2075-8545-2026-18-1-103-122
Nanotechnology and parameters of permafrost soil thawing in the construction of building foundations and transportation structures
Introduction. The construction of infrastructure facilities, industrial enterprises and residential complexes requires design solutions that ensure the operational reliability of foundations in conditions of degradation of permafrost groundwater. The geological conditions of permafrost soils affect the strength, stability and durability of structures. Construction without taking into account the characteristics of permafrost soils leads to precipitation; deformations of buildings and emergency situations associated with the degradation of the soil mass due to changes in climatic conditions. Existing technologies may not always meet the requirements for the reliability of construction facilities. In order to maintain the durability and stability of structures, it is necessary to take into account risk factors for the northern regions, where climatic conditions are very harsh and construction sites are subjected to significant loads. Rising average annual air temperatures are causing the active layer–the seasonally thawed portion of permafrost soils–to deepen across all affected regions. When designing modern structures, the depth of foundation must be increased, which in turn leads to an increase in construction costs in permafrost zones. Based on the results of the calculation, the required temperature of steam supply to the steam needle, the diameter of the needle, the thickness of its wall, the arrangement of needles, the area of thawing from both one and a complex of steam needles, as well as the time of back-freezing of the soil mass were determined to take into account the possibility of work on their fastening. Materials and methods. The article presents the nanotechnology of thawing permafrost soils with steam needles and the calculation justification necessary to take into account the possibility of work on thawing the soil mass and their further consolidation. The calculation justification is based on the example of the construction of a transport facility in Norilsk, Krasnoyarsk Territory, since this region belongs to the regions of the Far North. The calculation was performed in the specialized software package MIDAS GTS NX Thermal analysis. Discussion. The following was performed: verification of the calculation models; simulation of the existing range of steam needle wall thicknesses; simulation of the existing range of steam needle diameters; simulation of the existing temperature range of steam supply to the steam needle; modeling of two possible schemes for the placement of steam needles in a soil array; modeling to determine the distance between steam needles when they are installed in an array of soils; modeling to determine the time required for the thawing of the soil mass and their reverse cooling. The analysis of the results is performed for each of the stages of the calculation justification. The optimal design of the steam needle (diameter, wall thickness, steam supply temperature), the arrangement of the needles and the distance between the needles when they are installed in the soil array, the area and volume of the heated soil array, the time of thawing and reverse cooling of the soil array are determined. Conclusion. As part of the work performed, the design parameters of the steam needle are justified, including the optimal diameter, wall thickness and temperature of the supplied steam. The optimal location of steam needles and the necessary distances between them have been established, key indicators of the process of thawing permafrost soil have been determined: the timing, volume and area of thawing, as well as the time interval for the return of soils to their original frozen state. The results of the presented article form the basis for the design and construction of reliable foundations of buildings and transport facilities in regions with the spread of permafrost soils.
