ИСТИНА

Разработка новых методик изучения строения и свойств широкого спектра грунтов, а так же создания грунтов с заданными свойствами, с использованием нового высокоточного оборудования.

Development of new methods for studying the structure and properties of a wide range of soils, as well as creating soils with specified properties, using new high-precision instruments.

Будет разработана методика комплексного изучения состава, макро- и микростроения глинистых грунтов (с использованием нового оборудования), как фактора формирования их свойств. Будут выявлены закономерности изменения состава, макро- и микростроения глинистых грунтов при прочностных и деформационных испытаниях, и установлены корреляционне взаимосвязи между составом, количественными показателями строения и свойствами глинистых грунтов. Будут выработаны количественные критерии возникновения состояния деформационной неустойчивости дисперсных грунтов. Будут выявлены и описаны основные закономерности возникновения и развития состояния деформационной неустойчивости в различных дисперсных грунтах. Будут созданы математические модели напряжённо-деформированного состояния дисперсных грунтов с учётом масштаба и условий испытаний. Будет разработана методика создания техногенно-измененных дисперсных грунтов путем обработки растворами коллоидного кремнезема, в том числе и с пластифицирующими добавками (пионерный опыт в мировой практике), и щавелево-ферросиликатных растворами. Основная научная продукция: статьи в рецензируемых научных изданиях и сборниках трудов научных конференций. Апробация результатов исследований: выступления с докладами на научных конференциях.

Научным заделом НИР являются результаты исследований, проводимых коллективом исполнителей в рамках ранее выполненных НИР по государственному заданию и научных проектов РФФИ. Среди них: "Закономерности формирования состава, строения и свойств грунтов и совершенствование методов их исследований","Разработка методических основ управления состоянием и свойствами дисперсных грунтов в условиях динамических нагрузок", " Минеральные наноструктуры гидротермальных глин: особенности формирования и влияние на свойства грунтов", "Трехмерная модель строения, как основа для прогноза прочности и деформационного поведения глинистых грунтов", "Комплексное изучение макро- и микростроения, как основа для прогноза прочности и деформационного поведения глинистых грунтов".

1. Разработана новая методика изучения строения образцов глинистых грунтов на различных стадиях деформирования при трехосных и компрессионных испытаниях. Количественные показатели строения оценивались по результатам анализа общего массива данных, полученных с помощью компьютерной рентгеновской микротомографии (µКТ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Установлено, что при компрессионных испытаниях глинистых грунтов поры различных категорий в процессе сжатия образца не закрываются монотонно, а имеют различную скорость и порядок закрытия. В процессе нагружения, даже при отсутствии существенной деформации, в строении образца, тем не менее, происходит перераспределение вклада пор различных категорий в общую пористость, которое в процентах значительнее, чем сокращение общей пористости. Экспериментальные исследования показали, что деформирование модельных образцов глинистых грунтов с влажностью около нижнего предела пластичности (при давлении до 0,4 МПа) происходит в основном за счет сокращения объема крупных микропор (с эквивалентным диаметром более 10 мкм) и макропор (более 100 мкм), микропоры менее 10 мкм практически не принимают участия в деформировании. Деформирование образцов с влажностью около верхнего предела пластичности происходит в два этапа. При давлении до 0,15 МПа деформирование происходит за счет сокращения объема крупных микропор и макропор, при дальнейшем увеличении давления (0,15-0,4 МПа) сжатие происходит в основном за счет сокращения объема мелких межмикроагрегатных и внутримикроагрегатных микропор (с эквивалентным диаметром 10-0,1 мкм). Поры меньше 0,1 мкм не участвуют в процессе сжатия всех исследованных образцов. Также показано, что при трехосном деформировании моренных глинистых грунтов природного сложения происходит существенное уменьшение (более чем в 10 раз) вклада макропор (с эквивалентным диаметром > 100 мкм) и увеличение вклада крупных (10-100 мкм) и мелких (1-10 мкм) микропор (в 1,3-1,4 раза) в общую пористость грунта. При этом вклад ультрамикропор (< 0,1 мкм) и тонких микропор (0,1-1 мкм) практически не меняется, но уменьшается коэффициент формы ультрамикропор, то есть форма таких пор становятся более вытянутой, при этом до конца они не смыкаются. Этот факт указывает на то, что в процессе трехосного сжатия моренных суглинков в образце деформируются все структурные элементы, сложенные глинистыми частицами, включая и мельчайшие ультрамикроагрегаты. Также отмечается, что в ходе деформирования макропоры, крупные и тонкие микропоры приобретают более округлую изометричную форму. В результате исследований удалось получить новые данные об изменении количественных параметров строения: вкладе в общую пористость и коэффициенте формы пор отдельных категорий. Данные об изменении коэффициента формы пор отдельных категорий удалось получить благодаря применению новых алгоритмов обработки данных. 2. Разработана методика экспериментального определения точки неустойчивости, которая основывается на результатах испытаний глинистых грунтов в условиях недренированного трехосного сжатия. Для характеристики неустойчивости далее предложено использовать понятие «точка неустойчивости», соответствующее моменту времени, после которого рост деформаций значимо ускоряется. Разработаны количественные критерии возникновения состояния деформационной неустойчивости грунтов, в качестве которых наиболее информативными являются коэффициент напряжений и относительная деформация в точке неустойчивости, которая, в свою очередь, определяется из экспериментальных данных по моменту резкого увеличения суммарной работы деформации. Рассмотрена возможная природа пороговых деформаций, разделяющих разные стадии деформирования грунта, а также их проявление в некоторых моделях поведения грунтов. Описано 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 такое состояние обычно в диапазоне деформаций 0.25-0.8%. Установлено, что при трехосных испытаниях модельных глинистых грунтов к моменту возникновения деформационной неустойчивости (докритическое состояние грунтов, предшествующее разрушению) уже происходят основные изменения их строения: существенно увеличивается количество крупных микропор (10-100 мкм) и возникает выраженная ориентация структурных элементов грунта. При последующем деформировании, вплоть до разрушения, соотношение количества пор не меняется, при этом ориентация структурных элементов увеличивается на протяжении всего процесса деформирования. Разработан новый экспериментально-расчетный подход к экспериментальной оценке нагрузки предварительного уплотнения, основанный 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. 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. Завершена разработка методики определения параметров виброползучести грунтов в условиях динамического простого сдвига. 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. Документ прошел публичное обсуждение и одобрен профильным комитетом ТК 465 «Строительство» 03.11.2020 г. 3. Разработана математическая модель деформирования дисперсных грунтов в основании штампа, а также получены модели напряжённо-деформированного состояния грунтов в основании штампов различного диаметра. На основании математических моделей выполнен прогноз поведения связных грунтов в основании сооружений по результатам штамповых испытаний и моделирования в среде PLAXIS. Установлено, что общей тенденцией деформирования грунтов под штампами является снижение значений критического давления и соответствующей ему осадки при увеличении площади штампов. 4. Проведено обобщение материалов по использованию органических и неорганических вяжущих для укрепления грунтов и созданию композитов с заданными свойствами. Выявлена зависимость физико-механических свойств укрепленных грунтов от особенностей их состава и активности отходов. Подчеркнуто влияние количества и состава органических веществ в грунтах на эффективность их укрепления активными и неактивными золами в композиции с цементом. Определена стадийность процессов твердения зологрунтовых, золоцементогрунтовых и шлакоцементогрунтовых материалов. Установлено влияние вида и дозировки активизаторов на интенсификацию процессов твердения и структурообразования грунтов, укрепленных золами и шлаками, использованных в качестве самостоятельного вяжущего материала или комплексными вяжущими (золами и шлаками в композиции с цементом). Проведена сравнительная оценка влияния качества растворов силиката натрия на эффективность укрепления среднего лессовидного суглинка. Установлено, что использование высокомодульного раствора силиката натрия обеспечивает грунту повышенную прочность, водостойкость, меньшую выщелачиваемость неполимеризованной кремниевой кислоты и высокую степень ее полимеризации. Также проведена статистическая обработка по влиянию химико-минерального состава активных сланцевых зол на кинетику твердения и характера изменения прочностных свойств во времени. Такой подход к оценке влияния химико-минерального состава позволяет спрогнозировать возможные стадии стабилизации процесса твердения или проявления признаков формирования новообразований, способствующих резкому снижению прочностных показателей гидратированных зол во времени. 5. Проведены исследования состава, структурно-текстурных особенностей, физических и физико-механических свойств песчаных грунтов, обработанных комплексным инъекционным раствором на основе коллоидного кремнезема и алифатической эпоксидной смолы. Отработана методика закрепления песчаных грунтов растворами коллоидного кремнезема модифицированных алифатической эпоксидной смолой. Разработан рабочий раствор, который, по результатам проведенных исследований, можно рекомендовать как силовой при залегании песка в зоне аэрации и как тампонажный – при залегании песчаного грунта ниже уровня грунтовых вод. Проведена сравнительная оценка токсичности вяжущих, используемых для инъекционной обработки грунтов в строительстве и барьерных технологиях. Показано, что наименьшая нагрузка на окружающую среду оказывается при использовании гидравлических гидратационных вяжущих, конденсационных вяжущих, неорганических и органических, и поликонденсационных неорганических вяжущих. Проведены исследования возможности омоноличивания отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (гидролизный лигносульфонат и зола уноса ТЭЦ). Протестировано около 20 вяжущих рецептур, приготовленных на основе цемента, гидравлической извести, жидкого стекла, коллоидного кремнезема и эпоксидной смолы, в чистом виде и с добавлением песка в качестве инертного заполнителя. Разработаны две рецептуры, которые могут быть рекомендованы к дальнейшему исследованию. Проведены исследования конструктивных особенностей экранов, используемых для предотвращения вредного воздействия полигонов ТБО на окружающую среду. Показано, что проницаемые реакционные барьеры являются весьма эффективным средством для предотвращения распространения токсикантов в верхних слоях литосферы. Также составлен обновленный вариант классификации насыпных грунтов городских территорий. Уровень исследований, проводимых в рамках темы НИР, соответствует мировому. За 5 лет (2016-2020 годы) по данной теме НИР было опубликовано: статей в рецензируемых научных журналах – 50; статей в сборниках трудов конференций – 100; тезисов докладов – 29; представлено докладов на научных конференциях и конгрессах – 97; монографии – 3. В рамках работ по теме НИР было подготовлено и успешно защищено: научно-исследовательских курсовых работ 3-го курса – 19; бакалаврских работ – 11; магистерских работ – 13; кандидатская диссертация – 3; докторская диссертация – 1.