В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ провели оценку состояния геологических сред российской Арктики и Сибири. Исследование выявило реакцию мерзлых грунтов на температурные изменения, вызванные, в том числе, воздействием человека.
Ученые НГТУ НЭТИ совместно с Институтом нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН провели моделирование напряженно-деформированного состояния геологических сред. Исследователи создали математические модели, которые показали состояние почв при изменении температуры и под влиянием внешних нагрузок. Оказалось, что вечную мерзлоту в Арктике и Сибири можно назвать условной — она реагирует на каждый сезон и даже тепло от построек и трубопроводов.
Доцент кафедры геофизических систем НГТУ НЭТИ Анастасия Кутищева сообщила, что летом грунт может растаять до четырех метров в глубину, а зимой вновь промерзнуть на пять метров. Моделирование показало важность не только температуры воздуха, но и снежного покрова, который действует как естественный утеплитель. «Конечно это общеизвестный факт, однако это косвенно подтверждает корректность получаемых результатов. Иными словами, численное моделирование соответствует “физике процесса”», — пояснила учёная.
Изучение техногенных факторов, например, влияния свайных конструкций, дало особенно любопытные результаты. Теплая бетонная свая буквально «прожигает» грунт вокруг себя, формируя область постоянного оттаивания. Это делает породу менее прочной и создает риски для строительства, инфраструктуры и экологии. Разрушение мерзлых грунтов может привести к выбросу парниковых газов, таких как метан и углекислый газ, что ускорит глобальное потепление.
Чтобы изучить эти процессы, исследователи применяли особые вычислительные методы. Благодаря им удалось отследить изменения состояния мерзлоты с шагом в 10 минут для суточных колебаний и один день для сезонных. Данные получат применение для прогнозирования поведения грунта в будущем и учета различных факторов при строительстве дорог, зданий и трубопроводов в регионах вечной мерзлоты.
Численное моделирование показало, как мерзлые грунты реагируют на изменение температуры и нагрузки. Даже без учета движения грунтовых вод при оттаивании грунта под воздействием гравитации за сезон порода проседает на два сантиметра. Исследователи также зафиксировали последовательное таяние и замерзание породы до четырех метров в глубину, что приводит к ухудшению её структуры.
Работа ученых НГТУ НЭТИ по словам Анастасии Кутищевой уникальна. Методика учитывает теплопередачу, механическую деформацию и фазовые переходы воды в грунт, что обеспечивает более точные результаты по сравнению с другими моделями, часто фокусирующимися на одной из этих задач. Созданные алгоритмы оптимизированы для параллельных вычислений, ускоряя расчеты и повышая разрешение. Чем выше детализация, тем лучше прогноз. В вопросах устойчивости зданий или безопасности трубопроводов точность решает все, подчеркнула Анастасия Кутищева.
Продолжение исследований предусмотрено. Необходимо постоянное наблюдение за деградацией мерзлых пород и уточнение прогнозов. В дальнейшем модели адаптируют к новым климатическим условиям, расширят возможности программного комплекса, проведут дополнительные вычислительные эксперименты и проанализируют влияние изменяющегося климата на многолетнемерзлые породы.
Новосибирский государственный технический университет предоставил информацию.
Источник фото: ru.123rf.com