Нанотехнология и параметры растепления многолетнемерзлых грунтов при строительстве фундаментов зданий и транспортных сооружений

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.