Вечная мерзлота занимает свыше 60% территории России (более 10 миллионов км²), однако в результате изменения климата и усиления антропогенного воздействия на окружающую среду ее границы меняются. В северных районах большинство жилых зданий и инженерных сооружений имеет свайные фундаменты и рассчитано на то, чтобы поддерживалось мерзлое состояние грунтов. Но уже ясно, что деградация вечной мерзлоты из-за потепления климата или различных техногенных факторов (например, подземных источников тепла) будет сопровождаться проседанием земной поверхности и снижением несущей способности грунта. Это, в свою очередь, может привести к авариям: от разрушения скважин на нефтяных и газовых месторождениях до обрушения жилых домов. Прогнозировать и предотвращать такие катастрофические последствия помогает геотехнический мониторинг, включающий измерения температуры в грунте вокруг свайного фундамента капитального строения и анализ динамики ее изменений, и здесь без глубокой математики не обойтись. Ведущий сотрудник отдела прикладных задач Института математики и механики им. Н.Н.Красовского УрО РАН доктор физико-математических наук Михаил Филимонов и старший научный сотрудник этого отдела Наталия Ваганова во взаимодействии со специалистами Научного центра изучения Арктики (Салехард) разработали новые модели и компьютерные программы, описывающие распространение нестационарных тепловых полей в многофазных средах. Речь идет прежде всего о мерзлых грунтах со сложной литологией и учете особенностей конструкций свайных фундаментов северных городов. Свои результаты уральские специалисты опубликовали в международном журнале Land. И эти исследования получили хороший практический результат.
В 2018 году в Салехарде запущен автоматический дистанционный мониторинг температуры грунта под жилыми домами — с контролем температурных изменений в термометрических скважинах, пробуренных в зоне фундамента. Для совершенствования мониторинга уральские ученые предложили подход, основанный на сочетании методов компьютерного моделирования трехмерных нестационарных тепловых полей в почве — с мониторингом температуры грунта в термометрических скважинах в режиме реального времени. Они детально исследовали и оценили несущие способности свайного фундамента конкретного жилого дома в Салехарде и разработали цифровую модель, позволяющую прогнозировать их изменения.
Фундамент этого 9-этажного дома шириной 42 метра и длиной 18 метров, с подземным проветриваемым помещением высотой 1,8 м образуют 229 свай. В проветриваемом подполье находятся 189 устройств, охлаждающих грунт до глубины 10 метров, влияние которых также учитывается в математической модели. Температура почвы отслеживается системой автоматизированного мониторинга (САМ). Станция САМ получает данные из 4 термометрических скважин, оборудованных термисторами на разных уровнях. Точность измерения температуры термисторов составляет 0,10оС. В подземном помещении этого дома таких станций 5. Таким образом, в 20 скважинах температура грунта до 10 метров измеряется каждые 3 часа, и данные передаются на сервер каждые 12 часов.
«Мы провели численные расчеты для моделирования тепловых полей вокруг фундамента с оценкой несущей способности свай и на основании этих вычислений дали долгосрочный прогноз по ее изменению. Разработанное программное обеспечение было проверено и откалибровано под конкретные характеристики свайного фундамента этого дома (геометрическое расположение свай, сезонно действующие охлаждающие устройства, расположение термометрических скважин, литология грунта). Мы показали, что на точность получения численных результатов существенно влияет начальное распределение температуры в грунте. Для этого дома необходимо было также учесть не менее трех предыдущих лет работы сезонно действующих устройств зимой и осенью», — поясняет Наталия Ваганова.
По сути, специалисты ИММ УрО РАН создали цифровой температурный двойник свайного фундамента конкретного жилого дома, позволяющий прогнозировать изменения его характеристик. В случае прогнозируемого снижения несущей способности отдельных свай ниже проектных значений можно будет вовремя принять меры для температурной стабилизации грунта.
Уральские ученые создали цифровой температурный двойник еще для одного дома в Салехарде, под которым случилась коммунальная авария. В этом случае математическую модель пришлось существенно усложнить, так как под домом зимой образовался огромный «айсберг» из замерзшей воды, который растаял только к середине лета. Эти исследования также будут опубликованы.
Стоит добавить, что разработанная методика проведения тепловых расчетов и оценки несущей способности свай строительных объектов в сочетании с температурным мониторингом может использоваться не только в Салехарде, но и в других городах, расположенных в зоне вечной мерзлоты.
Елена ПОНИЗОВКИНА
Нет комментариев