КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 21-77-00010

НазваниеИсследование закономерностей акустической эмиссии грунтовых материалов, подвергнутых закреплению твердеющими растворами и (или) термической консолидации, для оценки их прочностных свойств

РуководительНовиков Евгений Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-305 - Инженерная геология

Ключевые словагрунты, температурный режим, несущая способность, напряженное состояние, искусственное упрочнение, акустическая эмиссия, закономерности, эксперимент, разработка способов геоконтроля

Код ГРНТИ67.21.17

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Цель настоящего проекта состоит в решении фундаментальной научной проблемы установления и обоснования закономерностей акустической эмиссии, отражающих динамику прочностных свойств грунтов при их искусственном упрочнении. Предполагается, что на основе выявленных закономерностей будет разработан новый способ геоконтроля, повышающий надежность оценки как текущего состояния упрочненного грунтового материала, так и прогноза эволюции его несущей способности под действием климатических факторов и квазистатической механической нагрузки от расположенного на нем фундамента инженерного сооружения и прилегающих к нему пород. В рамках указанной проблемы предполагается определить различия механизмов формирования акустической эмиссии в исходных (рыхлых) и упрочненных грунтах как функцию от способа упрочнения при наложении действия полей различной физической природы (механического, термического, гидрологического и др.) на структуру грунта. Достижение обозначенной цели предполагается на основе экспериментального установления и теоретического обоснования взаимосвязей между изменениями параметров акустико-эмиссионного отклика многокомпонентных проб грунтов различной структуры и состава на протекающие в них процессы закрепления твердеющими растворами с одной стороны, и параметрами (режимами) оказываемых на эти грунты извне термических и механических воздействий, интенсивности фильтрации вод с различной степенью минерализации – с другой. На основе указанных взаимосвязей планируется создание нового способа геоконтроля, который сможет использоваться как самостоятельно, так и в комплексе с уже существующими способами. Последнее целесообразно, т.к. традиционно применяемые для решения такого рода задач прямые деформационные или активные геофизические измерения дают существенно вероятностные оценки. Поэтому за счет комплексирования и уточнения полученных традиционными методами оценок результатами планируемого к созданию в настоящем проекте способа геоконтроля, ожидается повышение достоверности определения состояния соответствующих грунтовых оснований. Актуальность проекта связана с необходимостью минимизации рисков техногенных катастроф, обусловленных обрушением и деформациями зданий и сооружений гражданского и индустриального назначения в связи с недостаточным упрочнением грунтов в районе строительства. Среди основных причин аварий такого рода можно выделить следующие: 1. Несовершенство и нарушения технологии упрочнения, которая не может гарантировать соответствие требуемых по проекту и фактически достигнутых характеристик для всего объема закрепляемого грунтового материала. Как следствие, на некотором участке геосреды возникает очаг концентрации напряжений и развития деструктивных процессов. В случае, когда такой участок не удается вовремя обнаружить и принять дополнительные меры по его укреплению, деструкция может принять лавинообразный характер и распространиться на все основание в целом; 2. Недостаточность априорных сведений о состоянии грунта и его прогнозном поведении под действием объекта строительства и при потенциальных внешних воздействиях (климатических, гидрологических и др.). Как следствие многократные корректировки проекта упрочнения и получение грунтового массива со сложной структурой, отдельные участки которого закреплялись по разным технологиям и имеют отличающиеся свойства и несущую способность. При этом, очевидно, что исходно хуже закрепленные участки быстрее потеряют эксплуатационные свойства и опирающиеся на них отрезки фундамента потеряют устойчивость. В результате возникнут неравномерные просадки всего инженерного сооружения в целом; 3. Влияние климатических факторов. Характерным примером здесь служит размытие слоя рыхлых грунтов, покрывающих участок геосреды, в который были инъектированны твердеющие растворы. Как следствие с течением времени этот участок все больше испытывает действие криогенной дезинтеграции при сезонном чередовании циклов положительных и отрицательных температур. Аналогичное влияние могут оказывать проложенные в близи от преобразованных грунтов коллекторы и иные коммуникации, служащие каналами миграции температур с дневной поверхности; 4. Ведение строительных работ с интенсивностью, превышающей интенсивность увеличения несущей способности и снижения деформируемости затронутых строительством участков грунтового массива. Такая ситуация в первую очередь актуальна при возведении новых объектов в близи уже существующих. Фундаменты последних также подлежат укреплению, но в виду ограниченности ресурсов и их сосредоточении на площадке нового объекта, грунтовые основания старых сооружений отрабатываются во вторую очередь. Очевидно, что достоверное и оперативно актуализируемое информационное обеспечение о деформационном состоянии грунтов в зоне действия строящихся и уже эксплуатируемых сооружений позволит свести к минимуму указанные риски. Однако создание такого информационного обеспечения сейчас осложнено экономическими причинами. Натурные методы контроля состояния грунтов требуют значительных трудовых и временных затрат, сложных и крупногабаритных измерительных устройств. Важно так же, что принципиально не возможна реализация натурных деформационных измерений в режиме мониторинга, а лабораторные методы не позволяет отследить эволюцию напряженного состояния грунтового основания и идентифицировать очаги развития деструктивных процессов. Отмеченное обусловливает интерес к использованию для оценки состояния грунтов, находящихся в изменяющихся термобарических условиях, геофизических и, в частности, акустико-эмиссионных методов, среди которых в последние годы весьма интенсивное развитие получил метод термостимулированной акустической эмиссии. Данный метод уже подтвердил свою эффективность при изучении структурных особенностей, свойств и состояния скальных горных пород и ископаемых углей. Однако исследования этим методом почвенных грунтов до настоящего времени носили ограниченный характер. В частности, в рамках подготовки научного задела к настоящему проекту, его руководителем показана возможность использования метода акустической эмиссии для оценки стабильности рыхлых грунтов под действием повторно-переменного термомеханического нагружения и для исследования эволюции несущей способности ледопородной матрицы при чередовании положительных и отрицательных температур. Отличительной особенностью настоящего проекта является не только сам объект исследования (подвергнутые закреплению твердеющими растворами и термической консолидации грунты), но и то, что отдельное внимание в нем предполагается уделить выявлению закономерностей акустической эмиссии в грунте при фильтрации через него жидкости при переменном градиенте напора. При этом соответствующий образец может находиться в сложно-напряженном состоянии (схема Кармана). Кроме того, раньше такого рода исследования не выполнялись на пробах с ярко выраженной слоистой структурой грунтового материала. Таким образом, научная новизна проекта заключается в установлении закономерностей параметров акустической эмиссии подвергнутых искусственному упрочнению грунтов в функции от их деформированного состояния при различных режимах квазистатического механического нагружения с учетом воздействия нестационарных температурных полей и в условиях, воспроизводящих фильтрацию подземных вод при переменном градиенте напора. До настоящего времени исследования таких закономерностей не проводились. Новым в проекте также будет являться попытка использования термомеханических аналогов эффектов Кайзера и Фелисити в подвергнутых закреплению твердеющими растворами и термической консолидации грунтах для исследования изменения их состояния при одновременном воздействии квазистатических механических напряжений и изменяющихся температурных полей. Ожидаемые по проекту результаты позволят снизить риски аварий и инцидентов, связанных с некорректной оценкой устойчивости и несущей способности подверженных влиянию климатических факторов и действию повторно-переменной квазистатической механической нагрузки искусственно упрочненных грунтовых оснований зданий и сооружений. Кроме того, планируемый к созданию способ геоконтроля может найти применение для оценки и управления стабильностью бортов карьеров и оползневых террас. Таким образом, результаты проекта позволят повысить качество информационного обеспечения для предупреждения разнообразных чрезвычайных ситуаций, связанных с оползневыми явлениями, просадками оснований и фундаментов, разрушением несущих конструкций инженерных сооружений, затоплениями по причине разрушения гидротехнических сооружений и др.

Ожидаемые результаты
Предлагается практически новое направление в исследовании динамики несущей способности и снижения деформируемости грунтов при их закреплении твердеющими растворами и термической консолидации. Ожидаемые результаты проекта ранее не были получены ни в нашей стране, ни зарубежом и, следовательно, можно ожидать, что они будут превосходить мировой уровень. Выполнение настоящего проекта может привести к значительному развитию в области решения таких научных и прикладных задач, как: – экспериментальное установление и теоретическое обоснование закономерностей параметров акустической эмиссии как функции деформированного состояния и несущей способности локально закрепляемых твердеющим реагентом грунтов, находящихся под действием квазистатических механических напряжений, нестационарного поля температур и фильтрации жидкости с переменным градиентом напора. – обоснование методологии использования акустических методов для исследования свойств грунтов, подвергнутых искусственному упрочнению; – разработка приборной базы для экспериментального исследования свойств подвергнутых закреплению твердеющими растворами и (или) термической консолидации грунтов акустическими методами; – создание подходов к использованию метода акустической эмиссии для оценки скорости и идентификации момента завершении процесса набора прочности участком грунтового материала, обработанным твердеющим раствором; Прикладная значимость решения указанных задач состоит в разработке нового способа геоконтроля, а также создании соответствующих методических подходов и технологий, позволяющих подготовить достоверное и оперативно актуализируемое информационное обеспечение для управления рисками, связанными с оценкой и прогнозом стабильности и несущей способности искусственно упрочняемых рыхлых грунтов при размещении в них фундаментов инженерных конструкций различного назначения. Также ожидаемые результаты могут найти применение для обеспечения устойчивости конструктивных элементов систем разработки, например, бортов карьеров. Результаты, ожидаемые в первый год выполнения проекта 1.1 Аппаратурный измерительный комплекс и методическое обеспечение для исследования акустико-эмиссионных эффектов, возникающих в грунтах под влиянием квазистатической механической нагрузки и переменного температурного поля при одновременном их упрочнении различными способами. Модернизация созданного в рамках проекта РНФ № 18-77-00009 лабораторного стенда и специального аппаратурного обеспечения, базирующегося на более ранних разработках авторов, которые в частности использовались в проекте РФФИ № 16-35-00105 мол_а. Суть модернизации изложена ниже. 1.1.1 Будут обеспечены возможности: – инъектирования твердеющих (упрочняющих) растворов в находящиеся под действием неравнокомпонентного поля механических напряжений пробы грунтов; – нестационарного термического нагружения указанных проб; непрерывной регистрации параметров акустической эмиссии и ультразвукового прозвучивания проб, как при наборе раствором прочности, так и после его окончательного отвердения; – исследования закономерностей параметров акустической эмиссии при упрочнении находящихся под действием квазистатических механических нагрузок грунтовых проб в условиях чередования положительных и отрицательных температур 1.1.2 Будет добавлен инструментарий для формирования в испытуемых пробах фильтрационных процессов с возможностью обеспечения переменного градиента напора жидкости; 1.2 Результаты пробных экспериментов и методические рекомендации по учету влияния помеховых факторов на достоверность интерпретации измерительной информации, получаемой по предлагаемому методу на созданном согласно п. 1.1 аппаратурном измерительном комплексе. 1.3 Закономерности акустической эмиссии и результаты испытаний ультразвуковым методом находящихся в условиях повторно-переменного термомеханического нагружения исходных и прошедших искусственное упрочнение проб из различных типов грунтов. 1.4 Методика интерпретации установленных согласно п. 1.3 закономерностей, позволяющая по особенностям характера акустической эмиссии у находящихся в сложно напряженном состоянии грунтовых материалов оценить изменения их прочностных свойств после искусственного закрепления. Результаты верификации полученных по предлагаемому методу данных путем сравнительных испытаний аналогичных проб с использованием ультразвуковых и деформационных измерений. 1.5 Способ акустико-эмиссионного контроля динамики прочностных свойств находящегося в сложно напряженном состоянии грунтового материала при его искусственном упрочнении. Заявка на изобретение. Результаты, ожидаемые во второй год выполнения проекта 2.1 Характеристики изменения акустико-эмиссионных и ультразвуковых параметров под влиянием динамики прочностных свойств искусственно закрепленных грунтов с ярко выраженной слоистой структурой, находящихся в условиях повторно-переменного термомеханического нагружения. 2.2 Установление влияния фильтрации жидкости в испытуемых пробах при переменном градиенте напора на полученные согласно п. 1.3, п 2.1 закономерности. 2.3 Временные зависимости параметров акустической эмиссии и данных активных ультразвуковых измерений в функции от скорости отверждения инъектированных в грунт растворов 2.4 Акустико-эмиссионные идентификационные признаки, позволяющие судить о завершении процесса набора прочности участком грунтового материала, обработанным твердеющим раствором 2.5 Методические подходы к использованию установленных закономерностей акустической эмиссии (п. 1.3, 1.4, 2.1 – 2.3) для оценки изменения интенсивности фильтрационных процессов в грунтовом материале 2.6 Закономерности акустической эмиссии при упрочнении грунтовых проб, находящихся под действием квазистатических механических нагрузок и в условиях чередования положительных и отрицательных температур. Закономерности проявления в подвергнутых искусственному упрочнению грунтах акустико-эмиссионных эффектов (термомеханических аналогов эффектов Кайзера, Фелисити и др.), возникающих при чередовании положительных и отрицательных температур в условиях сложно напряженного состояния, созданного ступенчато изменяющейся квазистатической механической нагрузкой. 2.7 Заключение о возможности использования установленных по 2.6 эффектов для оценки стойкости подвергнутых искусственному упрочнению грунтов к криогенной деструкции и развитию деформационных процессов под влиянием механических напряжений. 2.8 Методический учет отличий в условиях проведения измерений на образцах и в массиве. Рекомендации по аппаратурному и методическому обеспечению акустико-эмиссионного контроля динамики прочностных свойств искусственно упрочненных грунтов в натурных условия.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---