О РОЛИ С.С. ВЯЛОВА В СТАНОВЛЕНИИ И РАЗВИТИИ РЕОЛОГИИ ГРУНТОВ

Диапазон научных исследований С.С. Вялова весьма широк. Ему принадлежит решение ряда проблем общей механики грунтов, включая изучение на микроструктурном уровне физической природы процесса деформирования, создание кинетической теории прочности и ползучести грунтов и применение реологического подхода в исследовании нелинейной механики грунтов. Результаты этих работ обобщены в монографии С.С. Вялова «Реологические основы механики грунтов».

Имя С.С. Вялова получило мировое признание, и сейчас трудно встретить в России и за рубежом публикации по инженерному мерзлотоведению и реологии грунтов без ссылок на его работы.

Первая обобщающая работа С.С. Вялова была опубликована в 1959 г. по итогам экспериментально-теоретических работ на Игарской станции Института мерзлотоведения (1950-1953 гг.). Эта монография называлась «Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов». В ней дан прекрасный обзор работ в области общей теории реологических процессов (упруго-вязкость, вязкопластическое течение, понятия длительной прочности, ползучести и релаксации). Дан обзор теорий ползучести: старения, упрочнения, наследственной ползучести. С.С. Вялов показал применимость общей теории реологических процессов к описанию поведения мерзлых грунтов и льда. А его экспериментальные исследования сопротивления мерзлых грунтов вдавливанию штампов и оценка предельных значений сопротивления свай нагрузкам придали этому направлению практическую значимость.

Зададим себе вопрос: чем интересна эта работа С.С. Вялова сегодня, спустя 40 лет после ее публикации? С моей точки зрения, она, прежде всего, интересна богатством результатов лабораторных исследований (около 1300 опытов). Достаточно вспомнить о таких исследованиях, как определение сцепления мерзлых грунтов и изучение изменения сцепления во времени; исследование сопротивления сжатию, растяжению и сдвигу мерзлых грунтов и изучение реологических процессов в условиях простейших напряженных состояний; формулировка аналитической зависимости прочности мерзлых грунтов от времени действия нагрузки, подтвержденной многочисленными данными экспериментов; определение длительного сцепления с помощью шариковой пробы на основании решения Ишлинского для идеально-пластической среды. Это позволило практически оценивать несущую способность оснований из мерзлых грунтов, определяя ее как для «эквивалентной» идеально-пластической среды, в частности для ленточных, квадратных и круглых фундаментов. На основании обобщения экспериментальных данных С.С. Вяловым предложена зависимость изменения сцепления (эквивалентного) от температуры. До сих пор не потеряли значения результаты уникальных крупномасштабных опытов по исследованию контактных напряжений фундаментов при взаимодействии с мерзлыми грунтами основания. Анализ результатов показал: в отличие от талых грунтов основания эпюра контактных давлений с увеличением нагрузки на фундамент трансформируется от «двугорбой» («равномерной») к «седлообразной»; в опытах не наблюдалась «параболическая» форма эпюры; при постоянной нагрузке не зафиксирована трансформация во времени эпюр контактных давлений.

После участия С.С. Вялова в Антарктической экспедиции в 1961 г. вышла его интереснейшая статья «Вязкопластическое течение ледниковых покровов», в которой на основе аналитического решения предсказывается очертание ледникового щита. В отличие от известных работ Вайнберга-Сомильяны и Ная в ней впервые учитывается такой фактор, как баланс твердых осадков, а также нелинейный закон вязкопластического течения Глена. Таким образом, решение Ная можно считать частным случаем решения С.С. Вялова.

Натурные наблюдения в Восточной Антарктиде по профилю «Мирный – Пионерская – Восток-1 – Комсомольская» подтвердили очертания ледникового щита, предсказанные теоретически профессором С.С. Вяловым.

Для вскрытия богатейшего железорудного месторождения полезных ископаемых Курской магнитной аномалии, залегающего на глубине ~600 м, потребовалась проходка шахтных стволов D~9 м на глубину 700 м. На глубине 400-500 м залегали полностью водонасыщенные слои глины батбайосса и плывуны келловейской супеси.

Проект вскрытия месторождения был поручен тресту «Шахтспецстрой» Минмонтажспецстроя. Вскрытие месторождения решено было проводить с помощью проходки стволов методом замораживания с образованием ледопородного ограждения ствола из замороженных пород как временной крепи. Обоснование проекта проходки проводилось несколькими институтами: Институтом проблем механики АН СССР, Институтом мерзлотоведения АН СССР, Институтом горного дела АН СССР, МГУ, Московским горным институтом и др. Помимо технологических и технических проблем, таких, например, как проблема хладоносителя при низкотемпературном замораживании (-60 °С), вертикальности бурения для установки замораживающих колонок на глубину 700 м, предстояло обосновать с помощью расчетно-аналитических методов важнейшие проектные параметры: толщину ледопородного ограждения, как временной крепи, и допустимую величину незакрепленной части ствола в процессе проходки.

Эти рекомендации должны были исходить не столько из условий прочности ледопородного ограждения, сколько из условий предельных деформаций. Дело в том, что металл, из которого собирались замораживающие колонки, становился хладоломким при температуре -60 °С и не выдерживал больших деформаций при изгибе. Разрыв же колонок означал бы прорыв хладоносителя в окружающий массив пород и весьма быстрое размораживание, а вслед за этим и разрушение ледопородного ограждения. Поэтому оптимальные размеры ледогрунтового ограждения (его толщина и величина «заходки») должны были определяться, исходя из условий недопустимости радиальных перемещений, больших некоторой заданной величины и реализующихся за срок от начала проходки до установки ж/б тюбингов крепления, т.е. как минимум за 24 ч.

Профессор С.С. Вялов точно алгоритмизировал поставленную техническую проблему, расчленил ее на составные части и организовал исследовательскую работу. Здесь проявился его талант как организатора, как инженера и как ученого.

Поучительным будет вспомнить по каким конкретным направлениям С.С. Вялов проводил это комплексное исследование. Это: изучение текстуры искусственно замораживаемых грунтов (влияние скорости и температуры замораживания); пучение глинистых грунтов массива при замораживании; физико-механические свойства и реология замороженных пород в зависимости от температуры; изучение реологических свойств при трехосном сжатии; создание нового экспериментального оборудования; физическое моделирование инженерной задачи; расчетные исследования пространственной задачи (и это в 60-е годы!); ледопородное ограждение ограниченной высоты, взаимодействие с окружающим немерзлым массивом горных пород; расчетная оценка температурного поля, температурные деформации и т.д.

Вялов С.С. блестяще организовал бригады по этим отдельным направлениям и координировал их работы. Например, в экспериментах с длительностью каждого опыта 24-36 ч. участвовали все сотрудники группы по установленному графику дневных и ночных дежурств.

Разработанный им новый реологический подход к оценке поведения ледогрунтовых ограждений был положен в обоснование проекта проходки и крепления глубоких шахтных стволов. Комплексные решения проблем искусственного замораживания пород при проходке горных выработок были удостоены Государственной премии СССР. Результаты исследований обобщены в широко известных коллективных монографиях С.С. Вялова, его сотрудников и учеников – «Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты ледогрунтовых ограждений», «Прочность и ползучесть при искусственном замораживании», «Методика определения характеристик прочности и ползучести», которые стали основным руководством для специалистов, занимающихся вопросами использования мерзлых грунтов в инженерных целях.

В 70-е годы круг научных интересов С.С. Вялова существенно расширяется. Он, с присущей ему энергией и неутомимой жаждой нового, интенсивно работает над проблемами реологии глинистых немерзлых грунтов. Здесь его внимание обращено на общность реологического поведения грунтов совершенно различного состава и состояния, включая грунтовые суспензии, мерзлые и талые грунты, пески, глины и скальные породы. В связи с этим С.С. Вялов формулирует уравнения состояния, справедливые для широкого спектра геоматериалов. Анализируя особенности деформирования грунтов в условиях сложного напряженного состояния, выявленные в работах Г.И. Ломизе и его учеников. С.С. Вялов формулирует обобщенные реологические уравнения состояния. Эти уравнения отражают влияние всех инвариантов тензора напряжений на деформации сдвига и объема с учетом фактора времени. При изменяющихся по произвольному закону воздействиях эти уравнения принимаются в форме интегральных соотношений Больцмана-Вольтерры аналогично тому, как это делается в теории наследственной ползучести. Все теоретические предположения относительно вида уравнений состояния проверяются сопоставлением их с интенсивно проводимыми в этот же период экспериментальными исследованиями (Н.К. Пекарская, Е.П. Шушерина, С.Э. Городецкий и др. под руководством С.С. Вялова).

Особенностью работ С.С. Вялова всегда было доведение теоретических исследований до ясной формы с обязательной разработкой методических рекомендаций по их применению. Проблеме уравнений состояния, отражающих поведение грунтов в условиях сложного напряженного состояния с учетом фактора времени, С.С. Вялов посвящает ряд работ с подробным изложением методики обработки экспериментальных данных для получения необходимых параметров с целью их практического использования.

В конце 70-х и начале 80-х годов С.С. Вялов со своими учениками успешно развивает кинетическую теорию прочности и ползучести грунтов. В основу этой теории положены результаты экспериментальных исследований изменения микроструктуры глинистых грунтов в процессе деформирования во времени, проведенные Р.В. Максимяк и Н.К. Пекарской. Связь кинетики деформаций со структурными изменениями теоретически была представлена в работах С.С. Вялова и Ю.К. Зарецкого, а критерий разрушения глинистых грунтов сформулирован на основе экспериментов. Р.В. Максимяк было показано, что достижение степени поврежденности структуры грунта в результате накопления дефектов критического значения можно рассматривать в качестве критерия длительного разрушения. С.С. Вяловым подробно рассмотрены закономерности длительного разрушения грунтов и дана интерпретация физического смысла параметров, входящих в уравнение длительной прочности. Им показано, что разрушение глинистых грунтов хорошо согласуется с представлениями кинетической теории, которая рассматривает разрушение как термофлуктуационный процесс нарушения и восстановления связей, активируемый воздействием внешней силы. В конце 80-х и начале 90-х годов С.С. Вялов значительное время уделяет термодинамическому подходу в механике грунтов. Совместно со своим учеником В.Н. Разбегиным он разрабатывает энтропийный подход при формулировке уравнения длительной прочности. Согласно этому подходу разрушение наступает при достижении приращением плотности энтропии некоторого критического значения. В этом случае деформация при разрушении зависит от действующего напряжения и определяется критическим значением работы вязкопластических деформаций. Термодинамический подход в механике грунтов, по-видимому, имеет значительную перспективу, и мы в будущем ожидаем существенные обобщения, особенно в формулировке определяющих соотношений теории вязкопластического течения грунтовых сред.

Заканчивая этот краткий обзор работ профессора С.С. Вялова, посвятившего всю свою творческую жизнь служению науки, необходимо сказать и о его чисто человеческом подвиге. Он не переставал работать ни на одну минуту даже в последние пять лет своей жизни, будучи абсолютно слепым. Потеряв зрение, Сергей Степанович не только не стал обузой для своих близких и коллег по работе, но продолжал вести работу со своими учениками на кафедре МГСУ и принимал активное участие в заседаниях кафедры и Ученых советов. Трудно представить каких творческих, моральных и физических усилий потребовалось Сергею Степановичу, чтобы надиктовать текст своей новой монографии объемом 25 печатных листов Л.Т. Роман и С.Э. Городецкому. Научное редактирование выполнил самый молодой, талантливый ученик С.С. Вялова – В.Н. Разбегин.

Эта монография вышла в свет в 2000 г., когда ученого уже не было в живых.

 

Д.т.н, профессор, директор по науке ОАО "Институт Гидропроект"

Ю.К. Зарецкий

2010 год