Исследование многообразия инженерно-геологических условий территории России

Объектом изучения темы НИР является все многообразие грунтов и грунтовых массивов территории России. Тематика направлена на изучение компонентов инженерно-геологических условий (ИГУ), формирующих сложную, открытую, многофакторную, динамичную систему. Многообразие компонент ИГУ определяют условия инженерных изысканий, строительства и эксплуатации инженерных сооружений или условия инженерно-хозяйственной деятельности человека в целом. На этапе работ 2024 года по теме НИР проводились работы по всем заявленным задачам исследований. Собран и обобщен материал о глинистых пород континентальных и морских осадочных формаций дочетвертичного и четвертичного возраста, распространенных на территории РФ. Пополнены базы данных по минерально-петрографическому составу, строению и свойствам глинистых грунтов различного генезиса четвертичного возраста. Осуществлена оценка опыта строительства на глинистых грунтовых толщах, в том числе в зоне развития многолетнемерзлых пород. С целью изучения изменений строения образцов глинистых грунтов при деформировании в различных режимах нагружения была уточнена специальная методика количественного анализа строения и выполнены экспериментальные исследования изменения количественных параметров строения образцов глинистых грунтов на различных стадиях деформирования, на примере образцов моренных глинистых грунтов. Было показано, что при одноосном сжатии образцов моренных глинистых грунтов на начальных стадиях деформирования происходит закрытие первичных крупных пор и трещин, в 5 раз уменьшается вклад макропор (с эквивалентным диаметром более 100 мкм) в общую пористость образца, но при этом увеличивается (в 1,6 раз) вклад мелких микропор (1-10 мкм). Установлено, что при поэтапном деформировании моренных суглинков макропоры становятся более округлыми. Показано, что при трехосном деформировании моренных глинистых грунтов происходит существенное уменьшение (более чем в 10 раз) вклада макропор и увеличение вклада крупных (10-100 мкм) и мелких (1-10 мкм) микропор (в 1,3-1,4 раза) в общую пористость грунта. Установлено, что вклад мелких микропор (<1 мкм) практически не меняется и форма таких пор становятся более вытянутой, но при этом до конца они не смыкаются. Таким образом установлено, что в процессе трехосного сжатия моренных суглинков в образце деформируются все структурные элементы, сложенные глинистыми частицами, включая и мельчайшие ультрамикроагрегаты, при этом макропоры, крупные и тонкие микропоры приобретают более округлую изометричную форму. Разработаны усовершенствованные протоколы динамических испытаний грунтов. Для испытаний на резонансной колонке разработан и опробован протокол циклического увеличения и снижения крутящего момента для реализации возвращения образца к начальному уровню деформаций по завершении эксперимента для доказательства неразрушающего характера испытаний. Протокол определения величины потенциала разжижения грунтов при сейсмическом воздействии по данным испытаний в условиях динамического простого сдвига предусматривает серию параллельных испытаний образцов одного и того же грунта с разными амплитудами динамической нагрузки при одном и том же нормальном напряжении по консолидированно-недренированной схеме. В приборе простого сдвига такая методика реализуется в условиях постоянного объема образца. Для определения параметров деформационной неустойчивости в песчаных и глинистых грунтах в условиях простого сдвига была также разработана методика определения точки неустойчивости в терминах соотношения напряжений. Показано, что положение точек неустойчивости в плоскости эффективных напряжений при простом сдвиге – так же, как и при трехосном сжатии – описывается прямой и количественно характеризуется коэффициентом напряжений, зависящим от вида грунта, но не зависящим от сжимающих напряжений. И этот показатель не зависит от скорости сдвигового деформирования в диапазоне 0,01-3 мм/мин вплоть до достижения точки неустойчивости. С целью оценки влияния температуры на эффективность закрепления дисперсных грунтов растворами коллоидного кремнезема выполнены лабораторные эксперименты по закреплению флювиогляциального олигомиктового песка средней крупности раствором алифатической эпоксидной смолы, модифицированной коллоидным кремнеземом в диапазоне температур 1-25 °С. Разработана модельная установка для лабораторной симуляции инъекционного закрепления. Установлено, что разработанный инъекционный состав (патент RU 2 785 603 С1) при незначительной модификации может использоваться для обработки грунтов и при температурах близких к нулю. Показано, что использование модельной установки (патент № #226929 от 28 июня 2024) для симуляции инъекционного закрепления дисперсного грунта позволяет получить результат, сопоставимый с натурным экспериментом. Показатели физических и физико-механических свойств грунта, закрепленного в лаборатории и в натурных условиях расходятся не более чем на 10 %. Обобщение данных, полученных на термальных полях Курило-Камчатской вулканической дуги, показали, что в зависимости от гидрогеохимических параметров разгружающихся флюидов итоговый продукт гидротермально-метасоматических процессов может значительно различаться и в инженерно-геологическом плане представлять собой как скальный или полускальный, так и дисперсный грунт. Одним из наиболее важных параметров является показатель кислотности pH, во многом контролирующий минеральные ассоциации. На термальных полях с разгружающимися слабощелочными до среднекислых гидротермами, андезиты и адезибазальты подвергаются аргиллизации и в конечном итоге превращаются в гидротермальные глины, при этом происходит резкое снижение прочностных и деформационных свойств: при сильной аргиллизации модуль упругости уменьшается в 3-4 раза, прочность на одноосное сжатие снижается в среднем на порядок, а при полной трансформации андезитов-андезибазальтов в глины прочность снижается на три порядка. На термальных полях, где распространены сильнокислые и ультракислые гидротермы и паровые струи, образуются высокопористые опалиты, относящиеся к скальным или полускальным грунтам. В отличие от гидротермальных глин, опалиты, несмотря на высокую пористость, представляют собой скальные или полускальные неразмягчаемые грунты, отличающиеся относительно повышенными прочностными и деформационными характеристиками за счет жесткого «каркаса», образованного минералами кремнезема. Часто на термальных полях нередко образуются смешанные типы гидротермально-метасоматических пород. Для диагностики такой породы целесообразно использовать коэффициент размягчаемости. Так, у опалитов коэффициент размягчаемости, как правило, превышает 0,75. У аргиллизированных пород, напротив, за счет значительного содержания глинистых минералов, коэффициент размягчаемости всегда существенно ниже 0,75. На основе асимптотического метода осреднения разработан и опробован на различных типах скальных грунтов вычислительный способ определения тензорного параметра Био, входящего в формулу расчета эффективных напряжений. Показано, что 3D модели, построенные на основе изображений рентгеновской томографии, позволяют реалистично моделировать эффективные свойства скальных грунтов (модуль Юнга и параметр Био), а использование 2D моделей не годится для моделирования эффективных свойств пористых материалов. Выявлены общие закономерности влияния состава и структуры разных типов скальных грунтов на эффективные модуль Юнга и коэффициент Био. Изучено влияние формы пор на модуль Юнга и коэффициент Био. Для образцов с округлой формой пор модуль Юнга выше, а коэффициент Био, наоборот, ниже, чем у образцов с угловатыми порами. Предложен метод прогнозирования коэффициента Био по форме пор, пористости и значению коэффициента Пуассона с помощью нейронных сетей, а также изучен и реализован конкретный алгоритм. Показана целесообразность и практическая значимость применения нейросетей для прогнозирования сложно определяемого коэффициента Био по структурным характеристикам образцов и значению коэффициента Пуассона твердой фазы. С целью проведения сравнительной оценки и анализа условий развития и распространения оползней в пределах различных горно-складчатых регионах территории России в 2024 г. выполнено полевое обследование и описаниеоползней в Краснополянском районе г. Сочи, Дагестане, северо-восточном Забайкалье, а также оползней в пределах горно-складчатых регионов России (Алтай, Крым, Горная Шория, горные системы Сахалина и Камчатки). Впервые получены количественные закономерности распределения оползневых процессов (на примере Краснополянского оползневого района (г. Сочи)) с использованием логарифмической функции. Установлен факт меньшей единичной площади (в среднем) проявлений оползневых процессов в Северо-Кавказском регионе по сравнению с проявлениями оползневых процессов (в среднем) в горных системах Дальнего Востока. Сделан вывод о возможности образования каскадных парагенетических рядов, представляющих собой серию последовательно формирующихся геологических событий, перетекающих один в другой в наследуемых природных условиях, нередко представляющих собой самонарастающий (вплоть до катастрофических масштабов) геологический процесс. Выявление закономерностей развития и распространения оползневых процессов в пределах горно-складчатых регионов России является актуальной, практически значимой задачей инженерной геологии на современном этапе, решение которой позволит повысить безопасности населения, транспортной инфраструктуры и других хозяйственных объектов. Полученные результаты в основном носят предварительный, поисковый характер и будут являться основой для постановки задач и проведения исследований на последующих этапах работ по данной тематике НИР. Уровень исследований, проводимых в рамках темы НИР, соответствует мировому. В работе использовалось оборудование, приобретённое в рамках реализации Программы развития МГУ имени М.В. Ломоносова.