Яремчук Д.В., Овсянников С.Н.
СЕЗОННАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ ОСНОВАНИЙ НА ОБЪЕКТАХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ *
Аннотация:
деградация многолетнемерзлых грунтов, вызванная климатическими изменениями и промышленной активностью, приводит к снижению несущей способности оснований, деформациям сооружений и увеличению затрат на эксплуатацию. В данной работе рассматриваются принципы сезонной теплоизоляции, направленной на минимизацию теплопритока в грунт в теплый период года и аккумуляцию холода в зимний сезон. Особое внимание в работе уделяется прогнозному моделированию тепловых процессов с использованием методов конечных элементов, позволяющих прогнозировать температурные изменения в основаниях. Приводятся результаты расчетов, полученных в программном комплексе FROST 3D, подтверждающих эффективность сезонной теплоизоляции для стабилизации ММГ.
Ключевые слова:
сезонная теплоизоляция, многолетнемерзлые грунты, теплоизоляционные материалы, эксплуатация месторождений, криолитозона, прогнозирование
Общая площадь многолетнемерзлых грунтов на Земле – около 35 млн кв. км. Они представляют собой типичное явление для приполярных и полярных районов, расположенных вблизи Северного и Южного полюсов. Мерзлые грунты занимают около 25% от земной суши, и более 64% территории России, что составляет порядка 11 млн. кв. км [1].На сегодняшний день проблема глобального изменения климата и связанная с ней деградация мерзлоты является приоритетным направлением исследований. Климатические условия на планете претерпевают период стремительных изменений, что сказывается на глобальной температуре поверхности земли. На рисунке 1 представлены данные, демонстрирующие серьезный скачок величины средней температуры поверхности Земли. В период с 1990 по 2023 год.Рисунок 1. Динамика роста средняя температуры поверхности Земли (составлено автором на основании данных с сайта NASA [2]).В 2024 был зафиксирован самый высокий уровень средней температуры поверхности Земли за всю историю наблюдений, которые ведутся с 1880 года. В целом в 2024 году на Земле было примерно на 1,36 градуса по Цельсию теплее, чем в среднем в конце XIX века. В связи с постоянным ростом среднегодовых температур поверхности земли, необходимо предусматривать различные меры по минимизации теплового воздействия на грунт в летнее время года.Деградация мерзлых пород приводит к просадкам оснований, разрушению инфраструктуры и увеличению затрат на ремонт. Стабилизация термического режима мерзлоты предотвращает активизацию опасных криогенных процессов, снижая риски аварий на промышленных объектах и уменьшая негативное воздействие на природные экосистемы. Эксплуатация месторождений в условиях распространения многолетнемёрзлых грунтов сопровождается значительным техногенным воздействием на верхние слои грунтового массива. Основными факторами деградации мерзлых пород являются – тепловое воздействие, механические нагрузки, а также гидрогеологические изменения. Как следствие – снижение несущей способности оснований и ускоренную деградацию мерзлоты. Для минимизации ущерба применяются адаптивные инженерные решения: сезонные термостабилизирующие системы, щадящие методы строительства и мониторинг температурно-деформационного состояния грунтов.Существует несколько методов термостабилизации грунтов, направленных на сохранение отрицательной температуры грунтовой толщи. Наиболее эффективными из существующих являются сезонно действующие охлаждающие устройства. Несмотря на их эффективность, для стабилизации термического режима мёрзлых грунтов, их применение сопряжено с рядом технических и эксплуатационных ограничений. Основными проблемами является то, что большинство СОУ требуют подключения к источникам электроснабжения, что бывает невозможным в регионах Крайнего Севера, а также их эффективность снижается до 0 в летнее время, что приводит к дестабилизации грунтов, все это увеличивает капиталоёмкость на этапе строительства и эксплуатационные расходы, а также снижает надёжность системы при перебоях с энергией.В связи с наличием множества несовершенств данной системы, необходимы дальнейшие исследования для разработки более эффективных и экономичных решений, включая комбинированные подходы и новые технологии термостабилизации.В данной работе рассмотрен новый вариант сезонной термостабилзации грунтов, предполагающий раскладку теплоизолирующего материала в основании сооружений на объектах месторождений в летний период для их изоляции от теплового воздействия. Для расчета эффективности данного метода был выполнен прогонный расчет в программном комплексе FROSR 3D. В качестве теплоизолирующего материала были взяты пенополистирольные плиты ППС с коэффициентом теплопроводности материала равным 0,035 Вт / (м · ºC) и толщиной 400 мм. Климатические условия взяты для территории г. Надым, Ямало-Ненецкого автономного округа [3].Для оценки эффективности использования сезонного метода изоляции, в работе будет рассмотрен месяц, когда температура грунта в г. Надым достигает наибольших значений – август. На рисунке 2 показана расчетные температуры грунта в августе, без применения сезонной теплоизоляции. Согласно полученным данным, температура поверхности достигает +12,018 ºC. Столь высокие значения температуры верхнего слоя грунта требуют исключения всей толщи оттаявшего слоя, а это порядка 2,5 – 3,0 м для песков, из расчета несущей способности грунта, поскольку расчет по I принципу предполагает круглогодичные отрицательные температуры грунтового основания.Рисунок 2. Температурные грунтовой толщи на начало эксплуатации объекта (август, 2026 г.).На рисунке 3 виден эффект от применения сезонной изоляции уже в первый год использования.Рисунок 3. Температурные грунтовой толщи в первый год эксплуатации (август, 2027 г.).Температурные различия между поверхностью, на которую был уложен утеплитель и поверхностью, где его не было хорошо заметны по прошествии всего 1 летнего сезона. Для на рисунке 4 показан разрез 1 – 1, на котором отображена градация температур на глубине от 0,000 м до -40,000.Рисунок 4. Сечение 1 – 1, август 2027 г.На разрезе 1 – 1 хорошо видны места, которые на лето были изолированы от теплового воздействия, под ними поверхность грунта нагревается лишь до 0,23 ºC, в то время как температура на поверхности не защищенной плитами ППС температура достигает +12,0 ºC. Для обеспечения большей надежности, необходимо увеличение площади укладки изолирующего материла. Со временем температура в местах, где на лето был уложен утеплитель, будет заметно снижаться, обеспечивая надежное сцепление сваи с грунтом на протяжении всего периода эксплуатации. Но для достижения наилучшего результата необходимо предусмотреть мероприятия по раскладке изолирующего материала в начале мая, когда температура воздуха становится положительной, и сбора плит ППС в середине октября, когда начинаются заморозки, для возможности промерзания грунта.Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о то, что применение изолирующего материала из пенополистирольных плит ППС с коэффициентом теплопроводности материала равным 0,035 Вт / (м · ºC) и толщиной 400 мм обеспечивает надежную теплоизоляцию грунта от теплового воздействия окружающей среды и представляет перспективное решение для обеспечения безопасной эксплуатации объектов в условиях вечной мерзлоты.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Яремчук Д.В., Овсянников С.Н. СЕЗОННАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ ОСНОВАНИЙ НА ОБЪЕКТАХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 1830 - 1837. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23501 (дата обращения: 19.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+