 |
Российские ученые впервые выяснили, как малые концентрации растворенной соли влияют на замерзание грунтов
При освоении северных регионов инженеры сталкиваются с морозным пучением грунтов. Вода в почве замерзает и расширяется, выталкивая фундаменты зданий, деформируя дороги и трубопроводы. Ученые из Пермского Политеха и Горного института УрО РАН впервые показали, через какой механизм соль влияет на миграцию влаги.
Статья опубликована в журнале «Journal of Mining Science». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Значительная часть территорий России, Канады и стран Скандинавии расположена в зоне многолетнемерзлых и сезоннопромерзающих грунтов. Здесь ведется добыча полезных ископаемых, строятся дороги, города и промышленные объекты. Однако поведение таких грунтов трудно прогнозировать: оно зависит от температуры, влажности и химического состава подземных вод. Ошибки в расчетах приводят к деформациям фундаментов, разрушению дорог и авариям инженерных сооружений.
Одним из ключевых процессов, сопровождающих замерзание грунтов, является морозное пучение — миграция воды к фронту промерзания. Там она образует ледяные прослойки, которые увеличиваются в объеме и выталкивают грунт вверх. За счет постоянного притока влаги рост объема грунта может достигать десятков процентов. Такие силы способны приподнимать многотонные здания, разрывать трубопроводы и разрушать дорожные покрытия.
Сегодня для борьбы с этим явлением пучинистый грунт заменяют на скальный или песчаный, утепляют почву вокруг фундаментов, используют сваи ниже зоны промерзания или осушают участки строительства. Однако при строительстве в северных регионах или в зонах техногенного загрязнения грунты нередко оказываются засолены, а значит, при замерзании они ведут себя иначе. В этих условиях привычные методы борьбы с пучением не работают, а прогнозировать поведение грунта становится намного сложнее. Еще одна важная задача, связанная с засоленными грунтами и породами, — это проходка стволов калийных рудников с применением искусственного замораживания. В этом случае привычные подходы к проектированию ледопородного ограждения также не работают.
Ранее влияние соли на миграцию влаги в грунтах и породах изучалось преимущественно эмпирически, а в расчетах обычно предполагалось, что она лишь ослабляет пучение, что напрямую влияло на точность инженерных расчетов.
В результате при определенных количествах соли грунт вел себя агрессивнее прогнозов, создавая нештатные нагрузки. Особо опасны последствия для горнодобывающей промышленности. Например, при строительстве калийных рудников, где земля изначально засолена природным образом. В таких условиях поведение породы становится труднопредсказуемым: из-за неравномерного пучения могут возникать трещины и разломы, по которым вода прорывается в шахтный ствол. Это не просто ведет к убыткам, но и угрожает безопасности жизни рабочих. Для этого в засоленных породах применяют искусственное замораживание, чтобы создать ледопородное ограждение и не допустить прорыва воды. Но чтобы такая защита работала надежно, необходимо точно знать, как соль влияет на процесс замерзания.
Для северных регионов это также создает серьезные риски. Пучение деформирует фундаменты жилых домов, разрушает дорожное покрытие, разрывает трубопроводы и повреждает другие инженерные сооружения. В результате страдает инфраструктура целых городов и регионов, а на восстановление объектов уходят миллиарды рублей.
Ученые Горного института УрО РАН, Пермского Политеха и Института природопользования НАН Беларуси впервые изучили, как концентрация соли влияет на миграцию влаги. Это позволит повысить безопасность строительства в северных регионах, а также избежать миллиардных убытков от разрушения фундаментов, дорог и шахт.
Для экспериментов выбрали три типа грунта: глину, мел и суглинок. Это одни из самых распространенных пород, с которыми сталкиваются строители в зонах вечной мерзлоты и в районах добычи калийных солей. В ходе лабораторных экспериментов ученые воспроизвели процесс промерзания. Сначала подготовили сами грунты: измельчили их, просеяли через сито и на неделю оставили в закрытых емкостях, чтобы влага равномерно распределилась по всему объему.
В подготовленные образцы добавили поваренную соль — наиболее распространенный тип засоления в природе. Ее количество рассчитывали так, чтобы получить заданные температуры начала замерзания. Для каждого типа грунта сделали по три варианта с разной соленостью и еще один контрольный образец без соли, чтобы было с чем сравнивать.
Образцы поместили в специальные емкости, чтобы воспроизвести процесс промерзания при контролируемом температурном градиенте: один конец охлаждали, а другой нагревали. Созданный перепад заставлял влагу двигаться от теплого участка к холодному, имитируя естественные условия в грунте. Сами емкости имели особую форму, которая позволяла грунту вспучиваться, имитируя реальное поведение пород.
После замеров влажности и содержания соли в каждом фрагменте образцов ученые построили графики, отражающие зависимость количества воды и соли в мерзлой зоне от исходной засоленности грунта. Эти данные должны были ответить на главный вопрос: действительно ли соль всегда ослабляет пучение или реальная картина сложнее.
— Анализ показал, что при малых концентрациях соли (до 0,0035 кг/кг) пучение не ослабевает, а, наоборот, усиливается на 17–40%. При более высоких концентрациях эффект становится противоположным — миграция влаги замедляется, — отметил Михаил Семин, доктор технических наук, заведующий лабораторией и ученый секретарь Горного института УрО РАН, профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» ПНИПУ.
Ключевой вывод исследования заключается в том, что соль влияет на пучение преимущественно через изменение гидравлической проницаемости —способности пропускать воду. При небольшом содержании соли в порах увеличивается количество незамерзшей влаги, и вода легче перемещается к фронту промерзания. При высокой засоленности, наоборот, фильтрационные свойства грунта ухудшаются, и поток воды ослабевает. Ранее влияние соли объясняли в основном изменением активности рассола и другими сложными химическими реакциями.
Полученные зависимости позволят инженерам проводить более точные расчеты и выявлять концентрации соли, при которых пучение достигает максимума, чтобы заранее предусматривать необходимые меры защиты.
Достоверность результатов обеспечили тем, что для каждого типа грунта делали несколько образцов с одинаковой соленостью, чтобы проверить повторяемость. Все эксперименты также проводили при строгом контроле температуры, а перед началом образцы выдерживали в одинаковых условиях, чтобы влажность была равномерной.
В результате ученые впервые получили экспериментальные данные и зависимости, позволяющие инженерам точно прогнозировать поведение засоленных грунтов. Особенно важны полученные результаты для строительства и эксплуатации подземных выработок с использованием технологии искусственного замораживания. Понимание того, как соль влияет на движение влаги в мерзлом грунте, позволяет точнее прогнозировать риски и делать строительство горных выработок и других подземных сооружений безопасным.
В Арктике и других северных регионах полученные результаты позволят также точнее рассчитывать нагрузки на фундаменты жилых домов, прогнозировать деформации дорожного полотна и избегать аварий на промышленных объектах, связанных с подвижками грунта и разрушением несущих конструкций.
Контактное лицо: Макарова Татьяна Андреевна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 21:12, 27.05.2026
Количество просмотров: 280
Страна: Россия
| Вырабатывается не только адреналин, но и дофамин: ученые Пермского Политеха поделились 7 фактами о панике, которых вы не знали, ПНИПУ, 16:16, 20.06.2026, Россия |
24 |
| 18 июня отмечается Международный день паники. Ученые ПНИПУ рассказали, почему во время приступа вырабатываются гормоны радости, из-за чего возникают панические атаки, легко ли спутать их симптомы с инсультом, чем они опасны для психики и почему встречаются у женщин в 4 раза чаще, чем у мужчин. |
|
| Белый, ягодный и свекольный: ученые Пермского Политеха рассказали, чем полезны разные виды кваса и в каких случаях они могут навредить здоровью, ПНИПУ, 16:02, 20.06.2026, Россия |
32 |
| 17 июня отмечается День русского кваса. Ученые ПНИПУ рассказали, какие бывают виды этого продукта, чем они полезны, как налаживают работу ЖКТ, в каких случаях рекомендованы беременным, а в каких запрещены, как помогают похудеть, вылечить простуду, поднять настроение, снизить давление и кому противопоказаны. |
|
|
|
