Инженеры разработали новую методику расчета замораживания грунтов и горных пород, которая впервые учитывает влияние растворенных солей на процессы промерзания. Полученная модель позволит значительно точнее прогнозировать поведение почвы в сложных климатических условиях и заранее выявлять зоны риска опасного вспучивания, деформации и потери устойчивости. Она даст возможность проектировщикам и строителям точнее оценивать надежность оснований и выбирать безопасные параметры шахтного строительства. Подробнее о методологии расчетов — в материале «Известий».
Как соль меняет поведение мерзлых грунтов
Ученые впервые детально изучили, как небольшие концентрации растворенной соли влияют на замерзание грунтов и миграцию влаги в мерзлой породе. Исследование провели специалисты Пермского политеха, Горного института УрО РАН и Института природопользования НАН Белоруссии.
Проблема морозного пучения остается одной из ключевых при строительстве в северных регионах и освоении подземных выработок. При промерзании вода перемещается к холодным участкам, превращается в лед и увеличивается в объеме. Это вызывает деформацию пород, которая может привести к просадке фундаментов, разрушению дорог и повреждению трубопроводов. Особую опасность такие процессы представляют при строительстве шахтных стволов и калийных рудников, где грунты нередко содержат природные рассолы.
До недавнего времени влияние соли на поведение мерзлой почвы изучалось в основном эмпирически. В инженерных расчетах обычно исходили из того, что засоление снижает эффект морозного пучения. Однако новое исследование показало, что этот процесс значительно сложнее.
Для экспериментов ученые использовали глину, мел и суглинок — наиболее распространенные типы грунтов в районах вечной мерзлоты и добычи калийных солей. Образцы помещали в специальные установки с контролируемым температурным градиентом, имитирующим естественное промерзание. Затем добавляли различные концентрации поваренной соли и анализировали движение влаги, а также изменения структуры пород.
— Анализ показал, что при малых концентрациях соли — до 0,0035 кг на 1 кг грунта — пучение не ослабевает, а, наоборот, усиливается на 17–40%. При более высоких концентрациях эффект становится противоположным: миграция влаги замедляется, — рассказал доктор технических наук, заведующий лабораторией Горного института УрО РАН, профессор ПНИПУ Михаил Семин.
По его словам, ключевой вывод исследования заключается в том, что соль влияет на процесс не только через химические реакции, как считалось ранее, но прежде всего через изменение гидравлической проницаемости грунта. При небольшом количестве соли в порах увеличивается объем незамерзшей воды, благодаря чему влага активнее движется к фронту промерзания. При высокой засоленности фильтрационные свойства почвы, напротив, ухудшаются.
Михаил Семин отметил, что работа ориентирована прежде всего на задачи шахтного строительства и технологии искусственного замораживания пород. В перспективе полученные результаты могут быть применены и при освоении территорий в условиях природной вечной мерзлоты.
— Можно точнее оценивать вклад морозного пучения при замораживании грунтов и пород, в которых находится растворенная соль. Это довольно острая проблема при проходке стволов калийных рудников, и раньше не всегда удавалось проходить такие участки безаварийно из-за встречающихся рассолов, — пояснил он.
По итогам работы ученые также подготовили методику расчета параметров искусственного замораживания пород в условиях переноса минерализованной влаги. Фактически речь идет о новом внутреннем нормативном документе для инженерных расчетов, добавили авторы. Само исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Технология для Арктики и промышленной инфраструктуры
Разработка может существенно повысить надежность строительства в северных регионах и снизить риски аварий на инфраструктурных объектах, полагают специалисты. Так, эксперт НТИ по технологиям Леонид Дробышевич считает, что новая методика делает строительство в сложных климатических условиях более предсказуемым.
По его словам, инженеры смогут учитывать влияние солености грунта, которая действует как своеобразный антифриз и меняет процессы замерзания пород под фундаментами, дорогами и трубопроводами. Это позволит точнее прогнозировать деформации и сократить вероятность разрушения инженерных конструкций.
— Для Арктики такая разработка особенно актуальна: там, где вечная мерзлота и экстремальные условия, любая неточность в расчетах может обойтись очень дорого, — отметил эксперт.
Он также добавил, что подобные методики могут использоваться совместно с беспилотниками и цифровыми моделями местности. Это позволит создавать цифровые двойники грунтов, контролировать их состояние в режиме реального времени и заранее выявлять потенциально опасные изменения.
Новая технология имеет стратегическое значение для северных территорий России, добавил координатор экспертного совета экспертного центра Проектного офиса развития Арктики, к.х.н., доцент Института общественных наук РАНХиГС Александр Воротников. По его словам, около 60% территории страны находится в зоне вечной мерзлоты, что требует особого подхода к строительству жилых объектов, дорог, железнодорожной инфраструктуры и трубопроводов.
— Многие аварии, которые раньше считались техническими, на самом деле связаны с деградацией вечной мерзлоты. Изменение состояния грунтов приводит к деформации фундаментов и разрушению инженерных конструкций. Одним из наиболее известных примеров стала авария в Норильске, — отметил Александр Воротников.
Эксперт подчеркнул: новая методика позволит заранее прогнозировать поведение грунта, точнее оценивать сроки службы сооружений и снижать вероятность чрезвычайных ситуаций. Дополнительные возможности, по его мнению, даст применение искусственного интеллекта и цифровых моделей, способных заранее просчитывать различные сценарии изменения мерзлоты.
В условиях активного освоения Арктики и развития северной инфраструктуры такие технологии могут стать важным инструментом для снижения аварийности и сокращения затрат на восстановление объектов.