Разработка новых подходов к комплексному моделированию динамики изменения температурного режима грунтов в области свайного фундамента с оценкой несущих способностей оснований объектов капитального строительства расположенных на вечной мерзлоте

В России более 60% территории занимает вечная мерзлота. Эти территории чрезвычайно важны для российской экономики, поскольку там находятся богатые залежи полезных ископаемых, добывается около 93% российского природного газа и 75% нефти. Более 75% всех зданий и сооружений в зоне вечной мерзлоты построено и эксплуатируется по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов оснований. Многолетние температурные наблюдения за климатом Северного полушария показали увеличение среднегодовых температур воздуха. Например, для Ямало-Ненецкого автономного округа потепление климата продолжается с конца 1970-х годов со скоростью 2,4– 2,8°С за 50 лет, что приводит к деградации вечной мерзлоты и повышению температуры грунта. Увеличение этой температуры способствует снижению несущих способностей грунтов оснований различных объектов капитального строительства и риску возникновения серьезных техногенных аварий. Одна из таких крупнейших экологических катастроф за последние 30 лет в Арктике произошла в мае 2020 года в Норильске, когда снижение несущих способностей грунта основания резервуара привели к его повреждению и разливу 15000 кубометров нефтепродуктов, а причиненный ущерб оценивается в несколько десятков миллиардов рублей. Поэтому проблемы, связанные с моделированием динамики изменения температурных режимов и несущих способностей грунтов оснований с учетом климатических и техногенных факторов является актуальной задачей. Несмотря на то, что такие задачи для различных инженерных объектов хорошо известны и многие исследователи их пытаются решать с той, или иной точностью без возможности сравнить свои численные результаты с экспериментальными данными), авторы Проекта для решения поставленных задач планируют использовать новые математические модели и алгоритмы, частично уже апробированные для конкретного жилого дома в городе Салехард в упрощенной постановке. В настоящем Проекте планируется провести компьютерное моделирование динамики изменения несущих способностей грунтов оснований как для ряда жилых зданий (в том числе и смоделировать случившуюся коммунальную аварию в проветриваемом подполье в зимний период для одного из домов) в городе Салехард, так и для аварийной опоры железнодорожного моста, состоящей из 12 свай большого диаметра (1024 мм), вблизи города Новый Уренгой. Для достижения поставленных целей Проекта планируется в новые математические модели и алгоритмы интегрировать данные температурного мониторинга, учесть предыстории изменения температурного режима грунта (для мостовой опоры на длительном промежутке времени с учетом тренда на потепление климата), а также рассмотреть комплексно все элементы свайного фундамента, оказывающие взаимное влияние друг на друга, включая сезоннодействующие охлаждающие устройства, необходимые для термостабилизации грунта. Для мостовой опоры железнодорожного моста планируется учесть и солнечное излучение, которое особенно для ее южной части должно привести к эффекту «теплового моста», когда тепло от поверхности в летнее время распространяет вглубь с большей скоростью (за счет высокой теплопроводности бетона), чем в окружающем грунте. Проектом планируется проведение большой серии численных расчеты по разработанным алгоритмам и программам на высокопроизводительных ЭВМ, поскольку учет всех элементов свайного фундамента (для жилого дома может быть несколько сот элементов, включающих сваи, сезоннодействующие охлаждающие устройства, термометрические скважины) требует значительных вычислительных ресурсов, как по оперативной памяти, так и по быстродействию. Запланированные оригинальные научные результаты посвящены актуальным проблемам и соответствуют мировому уровню исследований в области решения задач долгосрочного прогнозирования динамики изменения температуры мерзлого грунта и его несущих способностей, поскольку сформулированные задачи в такой комплексной постановке ставятся впервые в данном Проекте.