Российские учёные испытали комбинированную систему восстановления мерзлоты под железнодорожным полотном с применением жидкого азота

Российские исследователи предложили и экспериментально изучили комбинированную технологию восстановления мерзлого состояния грунтов в теле и основании железнодорожного земляного полотна. Разработка предусматривает быстрое первоначальное охлаждение грунтового массива жидким азотом с последующим поддержанием отрицательной температуры при помощи сезонно действующего парожидкостного охлаждающего устройства. Такой подход предназначен для участков железных дорог в криолитозоне, где требуется оперативно реагировать на деградацию многолетнемёрзлых грунтов и одновременно ограничивать риск морозного пучения.

Результаты исследования опубликованы в первом номере журнала «Криосфера Земли» за 2026 год. Авторами работы стали специалисты Российского университета транспорта и Сибирского государственного университета путей сообщения Е.С. Ашпиз, Е.И. Нагаев, Д.А. Разуваев и А.О. Салмин.

Проблема устойчивости железнодорожного земляного полотна в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов связана с изменением температурного режима его основания. При эксплуатации железной дороги на грунтовый массив воздействуют климатические факторы, тепловые потоки через конструкцию насыпи, изменение снежного покрова, поверхностный сток и другие процессы.

Повышение температуры многолетнемёрзлых грунтов приводит к изменению их физико-механических характеристик. При развитии оттаивания возможны дополнительные осадки, изменение несущей способности и появление неравномерных деформаций земляного полотна. Для железнодорожной инфраструктуры подобные процессы особенно опасны из-за требований к устойчивости положения рельсового пути и допустимым геометрическим отклонениям.

Одним из распространённых способов инженерной защиты в криолитозоне является применение сезонно действующих охлаждающих устройств. Такие системы обеспечивают перенос тепла из грунта в атмосферу при наличии необходимой разности температур. Их преимуществами являются возможность автономной работы и относительно небольшие эксплуатационные энергозатраты.

Однако эффективность сезонного охлаждения ограничена продолжительностью и интенсивностью холодного периода. Если в грунтовом массиве уже сформировались неблагоприятные температурные условия, восстановление его мерзлого состояния исключительно за счёт сезонной работы термостабилизаторов может потребовать продолжительного времени.

При этом на действующем железнодорожном объекте возможность ожидать постепенного восстановления необходимой температуры ограничена требованиями безопасности эксплуатации.

Для решения этой проблемы исследователи предложили объединить два принципиально разных способа охлаждения.

Первый предполагает использование жидкого азота для интенсивного отвода тепла от грунтового массива. Температура кипения азота при нормальном атмосферном давлении составляет около −196 °C, что позволяет создавать значительный температурный перепад между охлаждающим агентом и грунтом.

При подаче жидкого азота в соответствующее охлаждающее устройство происходит интенсивный теплообмен. Азот испаряется, поглощая теплоту, а окружающий грунт охлаждается. В зависимости от его первоначального состояния и продолжительности воздействия возможно промораживание части массива.

Главное преимущество такой технологии — высокая интенсивность охлаждения, практически не зависящая от температуры наружного воздуха.

Однако её применение связано с необходимостью доставки и расходования криогенного продукта, а также с дополнительными требованиями к оборудованию, теплоизоляции, организации работ и безопасности персонала.

Второй этап предложенной технологии предусматривает использование парожидкостного сезонно действующего охлаждающего устройства для дальнейшего поддержания отрицательной температуры грунтов.

После достижения необходимого температурного состояния основания активная подача жидкого азота прекращается. Дальнейший отвод тепла обеспечивается за счёт сезонного теплообмена с атмосферой.

Таким образом, интенсивная криогенная стадия предназначена для оперативного восстановления температурного состояния, а пассивная система — для его последующего поддержания в течение длительного периода эксплуатации.

Особое внимание авторы уделили проблеме морозного пучения грунтов при искусственном охлаждении.

Быстрое промораживание водонасыщенного грунтового массива сопровождается фазовым переходом поровой воды в лёд. В определённых грунтовых и гидрогеологических условиях это может вызывать миграцию влаги к фронту промерзания, образование ледяных включений и увеличение объёма грунта.

Возникающие деформации морозного пучения способны неблагоприятно воздействовать на конструкцию земляного полотна. Поэтому технология термостабилизации должна обеспечивать не просто снижение температуры, но и управляемый характер процесса охлаждения.

Предложенная исследователями система рассчитана на ситуации, когда требуется быстро восстановить мерзлое состояние основания, не допуская при этом опасных деформаций.

Для проверки концепции авторы выполнили масштабный лабораторный эксперимент.

В ходе исследований сравнивалась работа комбинированного охлаждающего устройства с традиционной сезонно действующей парожидкостной системой. Изучались особенности теплообмена при использовании жидкого азота, изменение температурных условий и эффективность различных режимов работы оборудования.

Эксперимент позволил получить эмпирические данные, необходимые для дальнейшего построения и проверки аналитических и численных моделей температурной стабилизации грунтов.

Отдельной задачей стала оценка тепловых потерь при работе установки в режиме интенсивного охлаждения.

Это важный аспект расчётного обоснования технологии. Не вся холодопроизводительность подаваемого жидкого азота непосредственно используется для охлаждения требуемой зоны грунтового массива. Часть энергии расходуется на теплообмен с окружающими конструкциями и средой, а фактическая эффективность определяется геометрией устройства, его теплоизоляцией и условиями контакта с грунтом.

Учёт таких потерь необходим для определения расхода жидкого азота, продолжительности охлаждения и технических характеристик оборудования.

В опубликованной аннотации исследования не приведены универсальные значения сокращения продолжительности охлаждения, расхода азота на единицу объёма грунта или экономии по сравнению с традиционной термостабилизацией. Поэтому количественную эффективность технологии применительно к промышленным объектам пока нельзя оценивать без обращения к экспериментальным графикам и расчётным материалам.

Авторы рассматривают полученные результаты как экспериментальную основу для дальнейшего совершенствования способов термостабилизации.

Дополнительный интерес представляет возможность использования комбинированной технологии при эксплуатации уже существующих железнодорожных сооружений. В подобных условиях выполнение крупномасштабных работ по реконструкции земляного полотна может сопровождаться значительными ограничениями движения поездов.

Возможность локального восстановления температурного режима основания с последующим использованием автономных охлаждающих устройств потенциально расширяет набор инженерных мероприятий по обеспечению устойчивости железнодорожной инфраструктуры.

Вместе с тем практическое применение такой системы потребует оценки распределения температур в грунтовом массиве, возможных деформаций морозного пучения, изменения фильтрационных условий и взаимодействия охлаждающих элементов с существующей конструкцией насыпи.

Необходимо также учитывать затраты на доставку жидкого азота, особенно в удалённые районы Арктики и северных железнодорожных магистралей.

Следовательно, комбинированная технология не может рассматриваться как универсальная замена традиционным термостабилизаторам. Её рациональная область применения связана прежде всего с участками, где требуется ускоренное восстановление мерзлого состояния грунтов и обычного сезонного охлаждения недостаточно для своевременного достижения требуемых параметров.

Научная новизна работы заключается в экспериментальном исследовании сочетания интенсивного охлаждения жидким азотом и последующей сезонной термостабилизации в рамках единой технологии.

Для инженерно-геокриологической практики полученные результаты важны как основа для разработки расчётных моделей и обоснования мероприятий по защите железнодорожного земляного полотна от деформаций, связанных с деградацией многолетнемёрзлых грунтов.

Дальнейшая проверка технологии на натурных объектах позволит оценить её эффективность с учётом реальных тепловых потоков, гидрогеологических условий и особенностей эксплуатации железнодорожной инфраструктуры.