Разработка новых методических подходов к оценке устойчивости геотехнических систем и управлению их свойствамиНИР

Development of new methodic approaches to the evaluation of geotechnical systems' stability and management of their properties

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка методики исследований. Изучение и анализ методов преобразования свойств слабых грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением.
Результаты этапа: Реферат Изучение деформационной неустойчивости грунтов, как правило, проводятся в лабораторных условиях с использованием разных схем испытаний и разного испытательного оборудования. Наиболее распространены испытания в условиях трехосного сжатия и испытания на простой сдвиг. Изучение явления неустойчивости актуально не только для песчаных грунтов, но и для связных, так как позволяет лучше понять природу деформируемости и прочности грунта, а также подойти к получению еще одной группы уравнений состояния грунтов, расширяющих наши возможности описания и моделирования их поведения. Определение точки неустойчивости определяет уровень нагрузок, знаменующих начало массового разрушения структурных связей в грунте, которое в конечном итоге приводит к его разрушению. Разработана методика экспериментального определения точки неустойчивости, которая основывается на результатах испытаний глинистых грунтов в условиях недренированного трехосного сжатия. Для характеристики неустойчивости далее используется понятие «точка неустойчивости», соответствующее моменту времени, после которого рост деформаций значимо ускоряется. Определение начального момента неустойчивости предлагается проводить двумя независимыми способами, каждый из которых опирается исключительно на первичные данные, полученные в процессе эксперимента. Первый подход основан на анализе развития деформаций в образце в процессе осевого нагружения, а определение точки неустойчивости заключается в установлении момента достоверного отклонения скорости накопления деформаций от скорости начального процесса деформирования грунта. Второй подход основан на расчете величины суммарной работы, совершаемой над образцом при деформировании, который базируется на идее о том, что увеличение скорости деформирования означает возникновение значимого сопротивления грунта, то очевидным образом меняется и совершаемая работа. Целенаправленное управление реакцией слабых грунтов на динамическое воздействие требует новых поисков для улучшения их свойств. Технология высоконапорной инъекции с использованием неинъектабельных растворов достаточно сложна, так как производится с обязательным разрывом грунтового массива. Выявлены различные новые технологические решения по удержанию и накапливанию закрепляющих растворов в зоне инъекции. Важным результатом работ явилась систематизация различных схем оконтуривания упрочняемого массива. В связи с этим показана необходимость геофизического контроля за всей зоной инъецирования грунтов. Приведены примеры использования этого перспективного метода на многочисленных объектах страны. Введение Цель и назначение исследования: разработка методики исследования деформационной неустойчивости грунтов и поиск оптимальных рецептур разрывных инъекций в неустойчивые дисперсные грунты для улучшения их состояния и свойств. Основные задачи исследования на 2016 год, согласно техническому заданию, включали: Анализ и обобщение научно-технической литературы по деформационной неустойчивости грунтов в разных условиях нагружения. Разработка методики лабораторных испытаний грунтов для выявления состояния неустойчивости. Изучение и анализ методов преобразования свойств дисперсных грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением. Определение выбора конкретной схемы, позволяющей превращать массив грунта в сложную геотехническую систему с улучшенными свойствами. Ожидаемые результаты исследований 2016 года включали: Обобщение теоретических и практических исследований (с примерами положительных и отрицательных опытов) по закреплению широкого спектра структурно-неустойчивых грунтов с помощью различных модификаций высоконапорной инъекции. Описание состояния деформационной неустойчивости и методики его экспериментального изучения. I. Начало разработки теории неустойчивости было положено в работах П. Ладе в конце 80-х годов XX века. Существует несколько определений феномена неустойчивости, данные разными авторами. Изучению вопросов неустойчивости в настоящее время посвящено довольно большое количество исследований, но все они рассматривают песчаные грунты. Этот интерес связан, прежде всего, с разжижаемостью последних. Среди недавних работ по этой теме можно отметить исследованияЧу, Ванатовски, Ладе, Чжао и др. Изучение деформационной неустойчивости грунтов проводятся в лабораторных условиях с использованием разных схем испытаний и разного испытательного оборудования. Наиболее распространены испытания в условиях трехосного сжатия и испытания на простой сдвиг. Представленное исследование основано на результатах испытаний глинистых грунтов в условиях недренированного трехосного сжатия. Для характеристики неустойчивости далее используется понятие «точка неустойчивости», соответствующее моменту времени, после которого рост деформаций значимо ускоряется. Для того чтобы полнее раскрыть понятие деформационной неустойчивости, рассмотрим некоторые вопросы, связанные с выделением точки неустойчивости. В мировой практике таких исследований при интерпретации результатов трехосных испытаний используется два критерия разрушения образца: 1. разрушение происходит при достижении девиатором напряжений максимального значения; 2. разрушение происходит, при достижении максимума отношения главных эффективных напряжений. При дренированных испытаниях эти два условия достигаются одновременно, однако при недренированных испытаниях, в которых во время сдвига развивается значительное поровое давление, возникает сложность в определении момента разрушения. Здесь максимальное значение девиатора напряжений достигается раньше, чем максимальное значение отношения главных эффективных напряжений. При анализе результатов опытов, проведенных в недренированных условиях на песчаных грунтах, и представленных в поле напряжений, следует отметить, что пик траектории не связан с линией критических состояний и не соответствует моменту разрушения. Деформации продолжают развиваться и после достижения максимума девиатора при продолжении его снижения. Увеличение деформации при уменьшении нагрузки является одним из характерных проявлений неустойчивости. Это означает, что в недренированных условиях в рыхлых несвязных грунтах достижение максимума девиатора не может служить критерием разрушения, а в условиях минимальной разницы напряжений неустойчивость развивается внутри некоторой «истинной поверхности разрушения». Разрушение образца в недренированных условиях происходит при максимальном значении отношения главных эффективных напряжений после достижения максимального девиатора напряжений. Таким образом, эти два условия характеризуют область потенциальной неустойчивости грунта. По определению П. Ладе неустойчивость – это состояние, при котором касательное напряжение достигает максимума на истинной поверхности разрушения, а затем начинает уменьшаться. Неустойчивость –не синоним разрушения, но достижение этого состояния означает потенциальную возможность разрушения грунта при данной нагрузке. Проявление неустойчивости в грунте после развития девиаторного напряжения предполагает, что в поле эффективных напряжений ниже линии критического состояния существует линия, соответствующая нижней границе области неустойчивости и разделяющая зоны стабильного и нестабильного состояния грунта. Она именуется «линией неустойчивости» и характеризует геометрическое положение точек неустойчивости для образцов одной плотности, но с разными начальными напряженными состояниями. Зона между линией неустойчивости и линией критического состояния называется зоной потенциальной неустойчивости. На основании большой серии экспериментов, проведенных на различных несвязных грунтах разной крупности, М. Липински предложил универсальный критерий достижения состояния неустойчивости, однако, он был выведен автором эмпирически без какого-либо теоретического обоснования. Изучение явления неустойчивости актуально не только для песчаных грунтов, но и для связных, так как позволяет лучше понять природу деформируемости и прочности грунта, а также подойти к получению еще одной группы уравнений состояния грунтов, расширяющих наши возможности описания и моделирования их поведения. Определение точки неустойчивости определяет уровень нагрузок, знаменующих начало массового разрушения структурных связей в грунте, которое в конечном итоге приводит к его разрушению. В связи с тем, что состояние неустойчивости интересно и с научной, и с практической точки зрения, а глинистые грунты в этом отношении практически не изучены, были проведены исследования 2016 г. В настоящее время важной геотехнической задачей является целенаправленное управление реакцией грунтов, прежде всего дисперсных, на динамическое воздействие. Все это требует поисков новых рациональных путей разработки технологий по искусственному преобразованию грунтовых массивов. Преобразование структурно-неустойчивых, глинистых, водонасыщенных, илистых, торфяных грунтов цементацией представляет наибольшую сложность, так как использование этого способа определяется оптимальным сочетанием проницаемости грунтов с реологическими свойствами инъекционных растворов. Упрочнение таких сложных грунтов инъецированием цементных растворов возможно только с образованием разрывов сплошности массива. Этот метод до последнего времени был запрещен нормативными документами вследствие неопределенности процесса, так как образование полости разрывных нарушений принципиально меняет характер распространения раствора. Преобладающей формой движения становится линейная. II. Результатом работ по первому блоку исследований стала разработанная в соответствии с техническим заданием методика лабораторных испытаний грунтов для выявления состояния неустойчивости. Она основывается на испытаниях образцов природного сложения в условиях трехосного сжатия по схеме недренированных испытаний водонасыщенных образцов с постоянной скоростью приложения осевой нагрузки. Измерение порового давления проводится по нижнему торцу образца диаметром около 70 мм и высотой до 140 мм. Осевые напряжения создаются сервомотором, располагающимся под камерой. Давление внутри камеры с образцом и противодавление внутри системы создается гидравлически с помощью двух автоматизированных контроллеров. Управляющий сигнал на контроллеры подается компьютером через электронно-цифровой преобразователь в соответствии с выбранной программой эксперимента. 1 Проведение испытаний Каждый отдельный эксперимент проводился в несколько последовательных стадий, начиная с подготовки образцов 1.1. Подготовка образцов. В работе использовалось две группы образцов: природного сложения и искусственно сформированные, методики пробоподготовки которых существенно отличаются. Основная задача формирования искусственных образцов – создание образцов «близнецов» с близкими коэффициентами пористости и влажностями. Образцы природного сложения подготавливаются к эксперименту существенно проще. Основная задача – вырезать образец правильной цилиндрической формы диаметром 70 мм и высотой 140 мм. Это достигается путем обрезания периферийных частей образца, так чтобы наименее нарушенная центральная часть образца попала в пробу, которая будет испытываться в стабилометре. 1.2. Подготовка оборудования. Перед тем как подготовленный к эксперименту образец устанавливать в камеру, необходимо выполнить процедуру удаления пузырьков воздуха из дренажной системы стабилометра и из датчика порового давления. Для этого одну из дрен необходимо подключить к контроллеру обратного давления, а другую оставить открытой в атмосферу. После этого в контроллере необходимо создать давление 100 кПа и дождаться появления воды в открытой дрене. Если вода не появилась, необходимо увеличивать давление ступенями по 100 кПа до ее появления. 1.3. Сборка камеры. На нижний пьедестал устанавливается каменный пористый фильтр, на который укладывается фильтровальная бумага», чтобы избежать «фильтрацию» тонких глинистых частиц в дрены и их закупоривание. Кроме торцевых фильтров на образец также устанавливается пара боковых фильтров – полоски фильтровальной бумаги шириной 1 см – которые увеличивают скорость вертикальной фильтрации и уменьшают время консолидации. Каменные фильтры на обоих торцах образца необходимы также для увеличения скорости консолидации, а в случае нижнего торца и для достоверного измерения порового давления. Далее на образец, установленный на пьедестале, устанавливается верхний штамп и затем с помощью специальной расширительной обоймы одевается силиконовая мембрана, для обеспечения герметичности в ходе опыта. В завершение процедуры сборки купол камеры устанавливается на основание и соединяется с ним с помощью болтов, тем самым делая систему полностью закрытой от атмосферного воздействия. После этого ячейку необходимо заполнить вакуумированной дистиллированной водой, заранее подготовленной в деаэраторе. 1.4. Ход эксперимента. После установки полностью снаряженной камеры с образцом все управление экспериментом и непрерывная регистрация данных ведется с компьютера с помощью управляющей программы. А) Начальные установки. С клавиатуры вводятся следующие исходные данные, необходимые для вычисления напряжений и деформаций в процессе испытания: высота, диаметр и масса образца; информация об использовании боковых дрен; частота считывания показаний каждого датчика и другая информация. Для дальнейшей обработки важно отметить, что во всех экспериментах показания датчиков фиксировались в память компьютера каждые 30 секунд. Затем в автоматическом режиме происходит фиксация текущих показаний датчиков и установка их в качестве начальных. После этого происходит создание различных стадий каждого эксперимента. Б) Определение параметра Скемптона (B), контролирующего степень водонасыщения образца и отсутствие воздуха в системе измерения порового давления При полном водонасыщении параметр B должен быть не меньше 0,95. Контроль параметра B проводится при увеличении всестороннего давленеия с шагом 50 кПа в условиях закрытой системы. В) Предварительная консолидация грунта. Все опыты объединяются в две группы: с предварительной изотропной и с предварительной анизотропной консолидациями. Средние эффективные напряжения соответствовали условиям залегания испытываемых грунтов, или некоторым стандартным условиям, заданным для серии экспериментов. Так, при экспериментальной оценке деформационной неустойчивости глинистых грунтов для условий их природного залегания гидростатическое давление рассчитывалось как произведение удельного веса грунта на глубину залегания в массиве. В сериях экспериментов, выполненных на модельных грунтах и направленных на исследование влияния различных факторов на деформационную неустойчивость, для обеспечения идентичных условий подготовки образцов задавались стандартные величины средних эффективных напряжений. Величины напряжений для серии на модельных образцах выбраны таким образом, чтобы совпадали с напряжениями одной из серий природных грунтов. Тем самым, мы исключили величину действующих напряжений как один из факторов, влияющих на деформационную неустойчивость. При анизотропной консолидации соотношение главных напряжений не равно единице. В нашем случае коэффициент бокового давления был выбран равным Кс=0.6, что в большинстве случаев удовлетворительно характеризует природное напряженное состояние массивов, сложенных глинистыми грунтами. При этом абсолютные величины средних эффективных напряжений остаются равными величинам при изотропной консолидации. Здесь равенство напряжений также связано с тем, чтобы исключить величину действующих напряжений как фактор, влияющий на неустойчивость. Консолидация проводилась ступенями до достижения заданных нагрузок. Каждая последующая ступень прикладывалась при условной стабилизации объемной деформации. В качестве критерия условной стабилизации во всех опытах принималась величина 5 мм3 за время 5 минут. Выполнение данного критерия обеспечивает окончание первичной консолидации в грунте и, напряженное состояние в образце максимально приближено к природным условиям. После окончания стадии предварительной консолидации происходит фиксирование обновленных размеров образца. Причем это происходит по-разному для изотропной и анизотропной консолидации. Так, при изотропной, фиксация изменения высоты образца происходит путем пересчета из объема, отжатой из образца жидкости, считая деформирование по всему объему однородным. При анизотропной же консолидации изменение высоты образца происходит напрямую, с помощью датчика линейных перемещений, что является более точным, чем расчет по вытесненному объему. Г) Девиаторное нагружение. Основной частью экспериментальных работ являлось девиаторноенагружение в неконсолидированных условиях с измерением порового давления на нижнем торце. В основе работы лежит предположение о том, что наиболее отчетливым критерием, фиксирующим начало деформационной неустойчивости, является скорость изменения деформации. В соответствии с этим была принята схема монотонного нагружения с постоянной скоростью увеличения нагрузки равной 1 кПа в мин. Кроме этого, для изучения влияния эффекта скорости нагружения, на искусственно сформированных образцах была проведена серия испытаний со скоростью нагружения 10 кПа/мин. Все эксперименты проводились до величины предельной осевой деформации 20 процентов. Выбранная схема осевого нагружения позволяет нам контролировать развитие деформаций в образце во времени при заранее заданных условиях приложения нагрузки. Это в свою очередь позволяет нам рассчитывать величины скорости развития деформаций, которые далее будут использованы в определении точки неустойчивости. 1.2. Обработка и интерпретация результатов. По окончании испытаний программа создает файл, содержащий в себе данные эксперимента и первичную информацию об опыте (размеры образца, дата начала опыта, использование различных дрен и т.д.) в ASCI формате, которые в дальнейшем импортируются в среду MS EXCEL для их обработки. Обработка результатов сводится к выполнению необходимых расчетов и построений зависимостей относительных осевых деформаций от осевого напряжения, скорости развития осевых деформаций от времени, величины порового давления от времени, а также траектории эффективных напряжений в координатах максимальные касательные напряжения - средние эффективные напряжения. Определение начального момента неустойчивости в разработанной нами методике предлагается проводить двумя независимыми подходами, каждый из которых опирается на первичные экспериментальные данные. Первый подход основан на анализе развития деформаций в образце в процессе осевого нагружения. Для этого необходимо поинтервально за каждые 30 секунд вычислить скорость развития относительных осевых деформаций в образце. Установленное на начальном этапе время фиксации показаний датчиков обуславливает интервал времени, на котором происходит вычисление скорости. В наших экспериментах это время составляло 30 с. Уменьшение этого интервала нецелесообразно, так как это приведет к увеличению размеров обрабатываемого файла и его громоздкости, при том же качестве данных. Принцип определения точки неустойчивости основан на установлении момента достоверного отклонения скорости накопления деформаций от скорости начального процесса деформирования с учетом ее среднеквадратичного отклонения от среднего начального значения Основная задача этого подхода определения положения точки деформационной неустойчивости заключается в правильном выделение «начального участка», скорость деформирования, на котором мы можем считать постоянной. Для этого требуется проанализировать полную зависимость скорости относительной осевой деформации во времени, которая даже визуально отчетливо делится на две части: на начальной стадии скорость деформирования принимается постоянной, а в дальнейшем скорость деформирования значительно меняется на разных этапах деформирования. Определим на «начальном участке» среднее значение скорости деформаций. Далее для частных значений скоростей начального участка воспользуемся критерием согласия Пирсона хи-квадрат для проверки этой выборки на нормальность распределения. После доказательства нормального закона распределения на начальном участке мы вычисляем значение среднеквадратичного отклонения на этом участке. За точку деформационной неустойчивости принимается первая точка на диаграмме, значение скорости в которой будет достоверно превышать начальную, то есть будет превышать ее не меньше, чем на величину 3сигма. Второй подход основан на расчете величины суммарной работы, совершаемой над образцом при деформировании. Исходя из того, что увеличение скорости деформирования означает возникновение значимого сопротивления грунта, то очевидным образом меняется и совершаемая работа. Анализируя суммарную работу деформирования над образцом грунта, вычисленную по аналогии с известным методом Беккера (Becker, Crooks, Been, &Jefferies, 1987) и представив ее в виде функции натурального логарифма времени, получим диаграмму с отчетливым перегибом, момент которого, отвечающий началу возрастания совершаемой над грунтом работы, и является точкой неустойчивости. При сравнении значений осевых деформаций в точке неустойчивости для серий испытаний при изотропной консолидации на искусственно сформированных модельных глинистых грунтах было получено, что их значения при разных способах обработки различаются не более чем на 0,1 процента. Этот факт подтверждает достаточную надежность определения точки неустойчивости на основании анализа суммарной работы. Этот метод является менее трудоемким, хотя и не опирается напрямую на расчет скорости деформации, как прямой критерий выявления момента достижения неустойчивости. Важным преимуществом метода является, то что в расчетах используется две величины непосредственно измеряемых в процессе опыта: осевая деформация и осевая нагрузка. Все это делает метод определения положения точки неустойчивости по величине суммарной работы приоритетным и в работе мы будем использовать именно этот метод выявления точки деформационной неустойчивости. Для дальнейшего анализа точки деформационной неустойчивости наносятся на траектории эффективных напряжений, соответствующие развитию напряжений в образце на стадии сдвига, которые характеризуются в этом поле коэффициентом напряжения (SR), определяемого как соотношение величин нормальных и касательных напряжений в заданной точке траектории нагружения. III. В области поиска оптимальных рецептур разрывных инъекций в неустойчивые дисперсные грунты для улучшения их состояния и свойств выявлена перспективность рассмотренных технологий инъецирования неинъектабельных растворов под большим давлением по улучшению прочностных и деформационных свойств широкого спектра слабых дисперсных грунтов в сложных инженерно-геологических, гидрогеологических и геологических условиях. В отличие от других методов высоконапорная инъекция (ВНИ) производится с частичным или полным разрушением грунта путем использования нагнетания под большим давлением (до 3-5 МПа) заведомо неинъектабельных растворов в виде густых суспензий и вязких коллоидных систем. Инъецирование растворов ведется по глубине скважины ярусами. В результате внедрения рабочей смеси и ее твердения получается новый геотехногенный массив, состоящий из двух компонентов: полускальных линз различных размеров и форм и уплотненного материала (между линзами). В связи с тем, что процесс ВНИ трудно поддается контролю, особенностью этой технологии является обязательное оконтуривание упрочняемого массива, позволяющее ограничивать распространение инъекционного раствора в необходимой области. Поэтому многие специалисты рекомендуют различные схемы этого оконтуривания: 1)двумя экранами: вертикальным и горизонтальным (фирма «Геомассив»); 2) «компенсационным нагнетанием» (ООО НПЦ «Фундамент»); 3) замкнутой рабочей системы (ОАО «УралНИИАС»). Контроль (динамическое и статическое зондирование) качества проведенных работ с помощью вышеперечисленных технологий фирм показал высокую их эффективность. Так, динамическое сопротивление после закрепления различных типов грунтов повышается в 1,5-2,7 раза, а при статическом – в 1,3-1,9 раз. Такие геотехногенные массивы классифицируются как динамически устойчивые. Например, уровень вибрации наземного железнодорожного транспорта и метрополитена неглубокого заложения можно снизить на 5-15 дБ. Модификации ВНИ широко используются для усиления оснований аварийных зданий на слабых просадочных грунтах юга России (Волгодонск, Ростов-на-Дону, Азов, Армавир и др.), при строительстве сложных объектов в Московском регионе и Западной, Восточной Сибири. По результатам проведенных работ можно сделать следующие основные выводы. 1. Гидроразрыв является основой метода ВНИ, который позволяет осуществлять уплотнение и армирование грунта, превращая массив в сложную композитную систему с улучшенными свойствами. 2. Определено, что выбор рассмотренных технологических схем инъецирования грунтов обусловлен созданием таких условий, при которых закрепляющие растворы не растекаются произвольно, а образуют контур вокруг зоны уплотнения, в результате чего разрыв грунта не может покинуть зону уплотнения. 3. Выявлена перспективность рассмотренных технологий инъецирования неинъектабельных растворов под большим давлением по улучшению прочностных и деформационных свойств широкого спектра слабых дисперсных грунтов в сложных инженерно-геологических, гидрогеологических и геологических условиях. 4. Продемонстрировано использование этого метода на многочисленных объектах страны, включая сейсмоопасные районы.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Выработка количественных критериев возникновения состояния деформационной неустойчивости грунтов. Выявление особенностей использования разрядно-импульсной и буросмесительной технологий при изменении свойств структурно-неустойчивых грунтов.
Результаты этапа: В области изучения деформационной неустойчивости грунтов выявлены количественные критерии, которые могут использоваться для ее последующего анализа. наиболее информативными показателями являются коэффициент напряжений и относительная деформация в точке неустойчивости, которая, в свою очередь, фиксируется на экспериментальных кривых по резкому изменению суммарной работы деформирования грунта. В области поиска наиболее перспективных рецептур по управлению реакцией слабых грунтов на динамическое воздействие в 2017 г. показано следующее: 1. Электроразрядная технология, основанная на использовании мощных электрических разрядов в конденсированных средах как средства возбуждения ударных волн и импульсов высокого давления, позволяет производить конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками при сравнительно низких удельных затратах. 2. Эта технология позволяет достичь более высокой степени цементации в связи с изменением свойств воды под действием электрических разрядов (растворяющая способность воды возрастает почти в два раза), т.к. способствует лучшему проникновению цементного раствора в грунты. 3. Использование электроразрядной технологии приводит к существенному изменению физико-механических свойств слабого дисперсного грунта вокруг сваи, повышению его плотности, уменьшению влажности, увеличению угла внутреннего трения, что в совокупности приводит к повышению несущей способности сваи и грунта. 4. Применение этой технологии в геотехнике позволяет создать новый геотехногенный массив с улучшенными свойствами за счет уплотнения и армирования грунта. Это, в свою очередь, дает широкую возможность использовать территории, ранее считавшиеся непригодными для строительства из-за сложных грунтовых условий.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка методики исследований. Изучение и анализ методов преобразования свойств слабых грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением.
Результаты этапа: Корректное выделение разных стадий деформирования грунта является ключевым моментом успешного описания соответствующих процессов математически, из чего вытекает необходимость идентификации определенных пороговых значений деформации, разделяющих разные стадии деформирования грунта. В ходе выполнения исследований в 2018 г. установлено, что самая малая из измеренных пороговых деформаций лежит в области значений порядка 10^-7, при которой начинается временное и обратимое снижение модулей деформации, что объясняется потерей непосредственного контакта между частью зерен при масштабе смещений 1-4 нм, соответствующих порядку расстояния действия сил Ван-дер-Ваальса. Вторая – хорошо известная – пороговая деформация – деформация начала деградации жесткости грунта, составляющая для песчаных и глинистых грунтов (2¸8)×10^-5, иногда до (1.6¸5)×10^-4. Третий эффект – пороговая деформация начала генерации избыточного порового давления, которая составляет (1.4¸10)×10^-4, когда смещения достигают уже первых мкм и становятся сопоставимыми с размером глинистых частиц. Наконец, состояние деформационной неустойчивости, которое обусловлено перестройкой порового пространства в поле напряжений на фоне разрыва или ослабления значимого количества межчастичных контактов, в результате чего в грунте формируются основные зоны сдвига, достигается обычно в диапазоне деформаций 0.25-0.8%. Рассмотрена возможная природа этих пороговых деформаций, а также их проявление в некоторых моделях поведения грунтов.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Разработка методики исследований. Выявление и описание основных закономерностей возникновения и развития состояния деформационной неустойчивости в различных дисперсных грунтах. Изучение и анализ методов преобразования свойств слабых грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением.
Результаты этапа: В настоящее время уже существует значительный арсенал способов для исключения вредного воздействия вибраций от различных источников. Проведенный анализ широко используемых методов глубинной обработки слабых грунтов показал, что наиболее перспективными являются следующие: инъецирование однородной пропиткой; с разрывами и уплотнением; струйная; глубинное перемешивание. Изучение широкого спектра методов инъецирования грунтов показал, что они имеют как общие черты, так и различия. К общим можно отнести аналогичность химических реакций и физико-химических процессов взаимодействия грунта и раствора, приводящих к формированию устойчивой структуры грунтоцементов. Основным отличием в использовании перечисленных методов являются технологические особенности выполнения работ. Определены границы возможности использования рассмотренных технологий с целью преобразования слабых грунтов. Показано, что использование перечисленных технологий приводит к существенному изменению физико-механических свойств слабого грунта, повышению его плотности, уменьшению влажности, угла внутреннего трения, динамического модуля сдвига. Что в совокупности приводит к повышению несущей способности грунта. Геофизический мониторинг контроля грунтоцементных свай является ответственным этапом работ, в связи с тем, что большинство из рассмотренных технологий являются достаточно сложными с использованием высоких давлений. Корректное выделение разных стадий деформирования грунта является ключевым моментом успешного описания соответствующих процессов математически, и из этого вытекает необходимость идентификации определенных пороговых значений деформации, разделяющих разные стадии деформирования грунта. В результате предшествующих исследований была рассмотрена возможная природа этих пороговых деформаций. Обобщение опубликованных материалов разных лет показывает, что пороговые деформации разных стадий, особенно фазы деформационной неустойчивости различны у нормально уплотненных и переуплотненных грунтов. Для прояснения этого вопроса в 2019 году было проведено несколько серий экспериментов, результаты которых потребовали существенного переосмысления процесса переуплотнения и модификации методик определения параметров этого состояния. Эти исследования позволили предложить новый экспериментально-расчетный подход к экспериментальной оценке нагрузки предварительного уплотнения. Этот подход основывается на представлениях о том, что изменение свойств грунтов в процессе переуплотнения обусловлено прогрессирующим сокращением пористости под растущим геостатическом давлением и старением, включающим длительную вторичную консолидацию в геологическом времени и преобразование контактных взаимодействий частиц грунта. Проведенный анализ показывает, что стандартные методы определения показателей переуплотнения субъективны и во многих случаях недостоверны. По существу они определяют не нагрузку предварительного уплотнения, а структурную прочность грунта, которая имеет другой физический смысл. В результате предложена методика расчета нагрузки предварительного уплотнения как минимального давления, при котором начинается трансформация грунта в нормально уплотненное состояние, которая не требует субъективного анализа графических зависимостей.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Разработка методики исследований. Разработка методического подхода к оценке оползневых склонов и массивов с учетом деформационной неустойчивости грунтов. Изучение и анализ методов преобразования свойств слабых грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением.
Результаты этапа: 1. Показано, что «сцепление упрочнения» следует трактовать как эффект ненулевого параметра сцепления песка при близких к нулю сжимающих напряжениях. Значит, такой материал не может быть сыпучим и должен обладать определенным сопротивлением при растяжении. Возможные механизмы такого эффекта сводятся к трем: проявлению капиллярной связности, молекулярным взаимодействиям между частицами глинистой фракции (при ее наличии) и цементации частиц. Первый может реализовываться только в неполностью водонасыщенном песке при наличии некоторого количества капиллярных менисков, а второй и третий, вообще говоря, в песках любой влажности, но очевидно, что формирование такой смешанной структуры будет проявляться наиболее отчетливо в маловлажном грунте, например, при высыхании песка. 2. Завершена разработка методики определения параметров виброползучести грунтов в условиях динамического простого сдвига. Анализ научных публикаций, в которых проведено прямое сопоставление результатов параллельных динамических испытаний в условиях простого сдвига и трёхосного сжатия, показывает хорошее совпадение получаемых значений прочности грунтов. Однако есть некоторые преимущества определения параметров виброползучести в условиях динамического простого сдвига по сравнению с трёхосными испытаниями. 3. В соответствии с Программой национальной стандартизации в Российской Федерации 2020 года подготовлена новая редакция ГОСТ Р 56353-2015 «Грунты. Методы лабораторных динамических испытаний дисперсных грунтов», в который включен новый раздел испытаний в условиях динамического простого сдвига и разработанная авторским коллективом методика экспериментального определения параметров виброползучести. Документ прошел публичное обсуждение и одобрен профильным комитетом ТК 465 «Строительство». 4. Показано, что для контроля грунтовых массивов, закрепленных струйной цементацией и разрядно-импульсной технологией, при проведении поверхностных акустических методов обязательным условием является использование технологических скважин ввиду непостоянства продольных волн вдоль сваи и др. 5. Выявлено, что наиболее эффективно использовать сейсмоакустические методы при закреплении слабых грунтов сложными инновационными технологиями (разрывной, струйной и электроразрядной). Контроль прочности модуля деформации грунтоцемента осуществляется на основе градуировочных зависимостей «скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие» и «скорость упругой волны – модуль деформации (упругости)». Сейсморазведочный метод поверхностных волн позволяет на разных этапах проведения работ наблюдать динамику изменения физико-механических свойств (модуль Юнга, модуль деформации искусственно измененных грунтов). 6. Достигнутый эффект искусственного преобразования слабых грунтов на длительную перспективу можно оценить сравнением показателей физико-механических свойств массива, соответствующих его начальному и конечному состояниям. Измеренные величины скоростей упругих волн в соответствии с рекомендациями переводятся в показатели деформируемости и прочности, и производится сравнительная оценка.
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Моделирование поведения потенциально оползнеопасного склона в терминах деформационной неустойчивости и анализ полученных результатов. Изучение и анализ методов преобразования свойств слабых грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением.
Результаты этапа:
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Моделирование поведения потенциально оползнеопасного склона в терминах деформационной неустойчивости и анализ полученных результатов. Изучение и анализ методов преобразования свойств слабых грунтов на длительную перспективу инъецированием неинъектабельных растворов под большим давлением.
Результаты этапа:
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Разработка методики оценки динамической прочности грунтов. Изучение деформационной неустойчивости в режиме динамического нагружения
Результаты этапа:
9 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Разработка методики оценки динамической прочности грунтов. Изучение деформационной неустойчивости в режиме динамического нагружения
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".