Строительство ограждений и элементов временных и постоянных сооружений в районах распространения вечномерзлых (многолетнемёрзлых) грунтов нередко сопряжено с высокими инженерно-геокриологическими рисками. Одним из таких рисков становится преждевременное замерзание грунта внутри предварительно пробуренной лидерной скважины перед погружением шпунтового ограждения. После бурения скважины, её обратной засыпки местным грунтом и в период технологического ожидания начала установки шпунтовых элементов в результате теплообмена с окружающим мерзлым массивом возможно формирование ледяных включений в теле скважины. Это приводит к резкому увеличению сопротивления погружению профиля, делает невозможным дальнейшее выполнение работ без дополнительных технологических операций, либо вынуждает корректировать весь цикл работ.
В производственной практике отмечаются случаи задержек шпунтовых работ, связанных с замерзанием обратной засыпки лидерных скважин. В ряде наблюдений явление сопровождается так называемым термоклин-эффектом – интенсивным отводом тепла из незамерзшего грунта в окружающий мерзлый массив, что ускоряет кристаллизацию воды в порах и способствует формированию ледяных включений (ледяных линз). Такие ледяные линзы существенно изменяют тепломассообмен и механические свойства грунта.
Возникновение подобных процессов нарушает технологическую последовательность, требует разработки мерзлого грунта, применения теплового воздействия или увеличения возмущающей силы при вибропогружении, что приводит к росту стоимости и срыву графика строительства.
Российская нормативная база содержит ряд требований, направленных на учет мерзлотных условий при проектировании и производстве строительных работ. Необходимость анализа теплового режима, миграции влаги, фазовых переходов и влияния замерзания–оттаивания на прочностно-деформативные свойства грунтов закреплена действующей нормативной базой [1]. При этом в нормативных материалах отмечается, что при отрицательных температурах воздуха основными трудностями становятся промерзаемость грунта, усложнение проходки и снижение точности бурения [2]. Эти указания фактически подтверждают необходимость учета термодинамики грунта и временного фактора при выполнении лидерного бурения под шпунт.
В инженерной литературе сообщается, что ледообразование в грунтах способно полностью изменить условия работы погружаемых элементов, вызвать отклонение оси заглубления, увеличить сопротивление более чем в два раза и затруднить достижение проектных отметок [3]. Практический опыт выполнения строительных работ в районах вечномерзлых грунтов показывает, что промерзание рабочего участка и обратной засыпки влечёт за собой технологические простои и дополнительные операции (разработка мерзлого грунта, прогрев, оттаивание, изменение способов погружения), что объективно увеличивает продолжительность работ и экономические затраты проекта. Так, в методических и технологических материалах по устройству шпунтовых и земляных ограждений подчёркивается необходимость применения специальных приёмов и материалов в зонах возможного промерзания и указываются операции по заполнению полостей и защите элементов, которые выполняются при риске промерзания и требуют дополнительных затрат времени и ресурсов [4]. Одновременно исследования по геокриологии и теплофизике грунтов демонстрируют, что процессы промерзания обладают сложной, неоднородной и часто нерегулярной динамикой: скорость и характер кристаллизационных процессов зависят от климатического режима (температурный ряд, снежный покров), глубины заложения объектов, гранулометрии и влагосодержания грунта, а также состояния сезонной талой (активной) толщи — факторы, напрямую влияющие на теплоперенос и фазовые переходы воды в порах грунта [5]. В совокупности это означает, что без расчётного (аналитического или численного) прогноза термофизического поведения засыпки риск непредвиденного промерзания и, как следствие, срыва графика работ остаётся высоким.
Несмотря на очевидную важность вопроса для технологической надежности погружения шпунта, принимаемые в России инженерные решения по срокам погружения в условиях отрицательных температур в основном опираются на опыт и эмпирические оценки, без применения численного анализа процессов теплообмена и кристаллизации влаги. В результате возникает высокая неопределённость технологического планирования, создающая риск промерзания грунта до момента погружения, что может привести к остановке работ и необходимости корректирующих мер.
В связи с этим актуальной задачей становится разработка инженерного подхода для расчёта допустимого времени технологической паузы между бурением лидерной скважины и погружением шпунтовых профилей, позволяющего предотвратить промерзание засыпки и повысить управляемость процесса монтажа ограждений в условиях низких температур. Одним из наиболее перспективных инструментов является численное моделирование процесса теплопереноса, позволяющее учитывать фазовые переходы и теплофизическое поведение грунтов во времени.
В настоящей статье представлена термодинамическая модель процесса замерзания засыпанного грунта внутри лидерной скважины при сооружении шпунтового ограждения, выполненная в программном комплексе Midas GTS NX. Полученные результаты позволяют определить момент начала образования льда в теле скважины, рассчитать предельную длительность технологической паузы и сформировать критерий допустимого времени ожидания перед погружением шпунта, что существенно повышает надёжность, предсказуемость и эффективность строительства в условиях вечномерзлых грунтов.
