Исследование российских учёных показало: ледяные линзы в Арктике могут укреплять железные дороги
Москва. 1 июля. ГеоИнфо — Российские учёные из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» провели уникальное исследование, касающееся поведения железнодорожных конструкций в условиях вечной мерзлоты, передает NakedScience. Результаты, опубликованные в Lobachevskii Journal of Mathematics, продемонстрировали неожиданную двойственную природу ледяных линз — одного из самых опасных проявлений мерзлотной зоны. Оказалось, что со временем ледяные включения, изначально создающие пиковые нагрузки на путь, могут стать стабилизирующим элементом и даже укреплять конструкцию.
Арктика — регион с колоссальными запасами ресурсов, освоение которых невозможно без надёжной транспортной инфраструктуры. Однако строительство и эксплуатация железных дорог в зоне многолетнемёрзлых грунтов связаны с серьёзными инженерными трудностями. Одна из главных — морозное пучение: при промерзании влажного грунта образуются ледяные линзы, способные деформировать рельсы и нарушить устойчивость насыпей.
До сих пор основное внимание уделялось долгосрочным последствиям, таким как просадка и деформация почвы. Однако для анализа мгновенной реакции железнодорожного полотна на ударную волну от поезда требуются точные численные методы. Именно на этом аспекте и сосредоточились учёные.
Целью работы было создание высокоточной цифровой модели, описывающей поведение системы «шпала — балласт — грунт — ледяная линза» в первые мгновения после прохождения состава. Исследователи применили сеточно-характеристический метод, позволяющий описывать распространение упругих волн. Главной задачей стало точное моделирование геометрии самих ледяных линз, обычно имеющих вытянутую, эллиптическую форму. Для этого применили метод пересекающихся сеток (Chimera meshes).
Инженер кафедры вычислительной физики МФТИ Евгений Песня пояснил принцип метода: «Мы использовали общую, фоновую сетку для грунта и балласта, а на неё наложили отдельную, высокоточную криволинейную сетку, точно описывающую форму ледяной линзы. Специальные алгоритмы “сшивают” эти сетки, обеспечивая корректный обмен информацией».
Моделирование прохода поезда над участком пути дало парадоксальные результаты. В первом сценарии — с наличием крупной ледяной линзы под насыпью — волна напряжений отразилась от её верхней границы, вызвав резкий рост пикового давления у основания балластной призмы на 13%. Это подтвердило первоначальную негативную роль линзы. Однако дальнейшие переотражения волн показали противоположный эффект: линза начала рассеивать энергию, снижая концентрацию напряжений и стабилизируя путь. В стационарном режиме общая нагрузка оказалась ниже, чем без ледяного включения.
Такой эффект имеет большое практическое значение. Если железнодорожная конструкция может выдержать начальный пик напряжений, ледяная линза способна укрепить путь. Если нет — инженеры могут принять решение о применении технологий искусственной заморозки для создания более однородного основания.
Доцент МФТИ Антон Кожемяченко отметил, что исследование опиралось на данные китайской высокоскоростной магистрали, проходящей через зону вечной мерзлоты. Тем не менее, выводы имеют большое значение и для России: значительная часть территории страны находится в подобных климатических условиях. «Ранее наша группа уже изучала особенности проектирования инженерных сооружений в Арктике», — добавил он.
Исследование также подтвердило необходимость укрепления краёв балластной призмы, где наблюдаются наибольшие смещения. Полученные данные могут быть использованы совместно с долгосрочными моделями, обеспечивая комплексный подход к проектированию и повышая надёжность железнодорожной инфраструктуры в Арктике.
