Об использовании акустико-эмиссионного эффекта памяти для оценки структурной устойчивости мерзлых грунтов при их циклическом отогреве и механическом нагружении

Дано обоснование нового способа геоконтроля, обеспечивающего мониторинг устойчивости грунтов в основаниях фундаментов зданий и сооружений, расположенных в зонах сезонной или многолетней мерзлоты. Рассмотрены вопросы геомеханики и геокриологии, т.к. на несущую способность грунтовых массивов существенное влияние оказывают как величина приложенной к ним механической нагрузки, так и колебания воздействующих на них температур. Поставлена задача проверки наличия акустико-эмиссионных эффектов памяти (термомеханических аналогов эффектов Кайзера и Фелисити) у почвенных грунтов, находящихся в условиях чередования положительных и отрицательных температур и одновременно пребывающих на различных стадиях деформированного состояния. Проведена серия экспериментов, заключавшихся в регистрации параметров акустической эмиссии при многократном циклическом термомеханическом нагружении проб грунтов различного состава и степени промерзания. Такое нагружение предполагало быстрый отогрев предварительно промороженной пробы при одновременном воздействии на нее внешней квазистатической механической нагрузки и внутренних напряжений от эффекта морозного пучения. С учетом установленных в ходе опытов закономерностей проанализирована информативность основных известных подходов к выявлению акустико-эмиссионных эффектов памяти в ледопородной матрице. Показана возможность использования этих эффектов для оценки изменения несущей способности и структурной устойчивости грунтового материала в функции от режима его нагружения. Предложен новый численный критерий для оценки процессов нарастания и релаксации напряжений в грунте в функции от стадии его деформированного состояния. Установлено, что указанный критерий может быть использован для идентификации предвестников перехода грунтового материала на стадию сдвигов согласно классификации проф. Н.М. Герсеванова.

Новиков Е. А., Зайцев М. Г. Об использовании акустико-эмиссионного эффекта памяти для оценки структурной устойчивости мерзлых грунтов при их циклическом отогреве и механическом нагружении // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 3. – С. 30–44. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-0-30-44.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), проект № 18-77-00009.

Новиков Евгений Александрович¹ — доцент, e-mail: e.novikov@misis.ru,
Зайцев Михаил Геннадьевич¹ — студент, e-mail: michailzaytsev1997@gmail.com,
¹ НИТУ «МИСиС».

Новиков Е.А., e-mail: e.novikov@misis.ru.

1. Пустовойт Г.П., Гречищева Э.С., Голубин С.И., Аврамов А.В. Влияние способа получения исходных данных на прогнозные теплотехнические расчеты при проектировании в криолитозоне // Криосфера Земли. — 2018. — Т. XXII. — № 1. — С. 51—57.

2. Шибаев И.А., Сас И.Е., Черепецкая Е.Б., Багрянцев Д.М. Обоснование возможных упрощений при оценке взаимодействия «грунт-основание» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 9. — С. 152—157. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-152-157.

3. Алексеев А.В., Иовлев Г.А. Адаптация модели упрочняющегося грунта (hardening soil) для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 4. — С. 75–87. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-75-87.

4. Voznesensky A.S., Kutkin Y.O., Krasilov M.N. Interrelation of the acoustic Q-factor and strength in limestone // Journal of Mining Science, 2015, Vol. 51, No 1, pp. 23—30.

5. Voznesenskii A.S., Shkuratnik V.L., Kutkin Ya.O. Dynamics of thermal and mechanical loading as a cause of acoustic emission in rock // Rock Dynamics and Applications — State of the Art: Proceedings of the 1st International Conference on Rock Dynamics and Applications (RocDyn-1). Leiden: CRC Press, 2013. Pp. 429–435.

6. Котов П.И., Роман Л.Т., Сахаров И.И., Парамонов В.Н., Парамонов М.В. Влияние условий оттаивания и вида испытаний на деформационные характеристики оттаивающих грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2015. — № 5. — С. 8—13.

7. Хафизов Р.М. Анализ методов определения деформационных характеристик связных грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2015. — № 6. — С. 37—40.

8. Котов П.И. Обобщение деформационных характеристик оттаивающих грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2013. — № 3. — С. 23—26.

9. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса: монография. — Пенза: ПГУАС, 2008. — 696 с.

10. Novikov E.А., Shkuratnik V.L., Zaytsev M.G. Manifestations of acoustic emission in frozen soils with simultaneous influence of variable mechanical and thermal effects on them // Journal of Mining Institute, 2019, Vol. 238, Pp. 383—391.

11. Novikov E.A., Shkuratnik V.L., Oshkin R.O. Acoustic emission patterns as guides to unfrozen water in frozen soils // Earth's Cryosphere, 2016, Vol. XX, No 1, pp. 91—94.

12. Novikov E.A., Shkuratnik V.L., Oshkin R.O., Zaitsev M.G. Effect of the stress-strain state of sandy-clay soils on their thermally stimulated acoustic emission // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2017. Vol. 54. No 2. pp. 81–86.

13. Шкуратник В.Л., Новиков Е.А. Термостимулированная акустическая эмиссия горных пород как перспективный инструмент решения задач геоконтроля. — 2017. — № 6. — С. 21—26.

14. Васильчук Ю.А., Вознесенский Е.А., Голодковская Г.А., Зиангиров Р.С., Королев В.А., Трофимов В.Т. Грунтоведение. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 1024 с.