Инженерно-геологические процессы в грунтах

Инженерно-геологические процессы в грунтах

Гигроскопическая и максимальная гигроскопическая влажности оказываются большими при возрастании дисперсности глин Наибольшая гигроскопическая влажность отличается у майкопских глин, а наименьшая — у киммерийских. Влажность предела усадки характеризует в известной мере гидрофильные свойства глин, поэтому глины, имеющие большое значение этой влажности, обладают повышенной способностью к набуханию. Влажность набухания зависит от различных факторов, в том числе и от методических. Например, влажность образца грунта, замоченного в приборе Васильева, оказывается выше влажности образца, увлажненного в компрессионном приборе.

С увеличением числа пластичности снижается значение коэффициента А. При этом более устойчивая закономерность наблюдается между wsw и WL. Деформативные свойства набухающих глин зависят в основном от влажности и структурных связей. В набухающих грунтах структурная прочность, характеризуемая давлением сжатия, обусловлена двумя факторами — влажностью и природной прочностью связей скелета.

С уменьшением глубины залегания сарматских глин снижается их структурная прочность. Это объясняется нарушением структурных связей в результате объемных деформаций, происходящих в верхней части массива под действием климатических факторов. Толщина этой зоны для сарматских. глин составляет 4-5 м. Структурная прочность образцов грунта, отобранных в пределах этой зоны равна 0,03- 0,07 МПа, а на отобранных на большой глубине 0,15 МПа.

Образцы грунта, имеющие влажность, близкую к влажности набухания, не обладают структурной прочностью, так как в процессе набухания практически полностью нарушаются структурные связи.
Деформативные свойства набухающих глин определяли в полевых условиях опытными фундаментами и штампами, а в лабораторных условиях — компрессионных приборах Гидропроекта. В полевых условиях с помощью глубинных марок измеряли также послойные деформации в основании фундаментов. Опытные штампы устанавливали на грунте природной влажности и после набухания грунта.

После набухания грунта модуль деформации уменьшается в несколько раз. Наиболее значительное снижение деформативных характеристик наблюдается у хвалынских глин. Эти глины обладают наибольшей структурной связностью вследствие кристаллизационных связей между частицами. Поэтому сжимаемость этих глин в природном состоянии высока, а нарушение связей обусловливает резкое уменьшение деформативных свойств.

Модуль деформации набухающих глин, определенный при полевых испытаниях, значительно выше, чем определенный при лабораторных испытаниях. При этом разница между этими характеристиками возрастает по мере увеличения влажности грунта. Так, для глины природной влажности модуль деформации по полевым данным больше, чем по лабораторным, в 2,3 — 2,7 ра¬за, а для увлажненной — 3 — 3,3 раза. Перемещение глубинных марок, установленных в основании опытных фундаментов, показало, что величина сжимаемой зоны зависит от размеров фундаментов в плане и передаваемого давления и для рассмотренных случаев не превышает двух ширин фундамента.

Имеющиеся данные позволяют сопоставить относительное сжатие слоев грунта, прилегающих к подошве фундаментов, и относительное сжатие грунта в компрессионном приборе.

Кроме послойных деформаций, на одной из строительных площадок были измерены напряжения под опытными штампами в основании из грунта нарушенной структуры. Из этого грунта с послойным уплотнением была отсыпана дамба значительных размеров. На поверхности устанавливался круглый металлический штамп диаметром 80 см. Давление по подошве штампа доводилось до 0,09 МПа. При максимальной нагрузке, несмотря на отсутствие боковой пригрузки вокруг штампа, не наблюдалось выпора грунта. В основании опытных фундаментов на глубине 50; 100 и 150 см от подошвы фундамента устанавливались динамометры и датчики порового давления конструкции Гидропроекта.

Кроме того, были заложены глубинные марки на расстоянии 35; 60; 90; 120; 140 и 160 см от подошвы штампа. Загрузка штампа производилась ступенями по 0,1—0,2 МПа после стабилизации осадки от предыдущей ступени. Послойные деформации напряжения по глубине при различных давлениях на грунт (Pd = 1 >91 т/м3; w = 10,7%). Наибольшее значение коэффициента порового давления составляет 0,3.
Расчетные значения напряжений ниже фактических; при этом с увеличением глубины эта разница увеличивается и на глубине 1,5 м это отношение достигает значения, равного 2,7. Однако характер распределения напряжений в основании близок к теоретическому.

Набухающие глины природного сложения обладают высоким сопротивлением сдвигающим усилиям. При взаимодействии с водой наблюдается уменьшение прочностных характеристик таких грунтов в результате разрушения структурных связей. Кроме того, увеличение толщины гидратных пленок вокруг частиц приводит к тому, что при сдвиге частицы не контактируют между собой и плоскость перемещений располагается в гидратном слое. При небольшой толщине слоя, когда вода находится в прочносвязанном состоянии, сопротивление сдвигу могут оказать тангенциальные силы сопротивления гидратных пленок, возникающие вследствие неоднородности пленки по высоте. По мере утолщения пленок плоскость сдвига перемещается, располагаясь в слабосвязанной части пленок. В этом случае сопротивление сдвигу уменьшается и достигает определенного значения.

Дальнейшее набухание грунта не оказывает влияние на сопротивление сдвигу, т. е. эта величина остается постоянной. Иными словами при замачивании грунта должна существовать предельная величина набухания, при которой, с одной стороны, полностью нарушается структурная связность, а с другой — вокруг частиц образуется гидратный слой такой толщины, при которой тангенциальные силы гидратной пленки и межмолекулярные силы части грунта не влияют на сопротивление внешних сдвигающих усилий.

Прочностные характеристики при набухании снижаются у всех набухающих грунтов. Изучение этих показателей для сарматских глин производилось по следующей методике. Часть образцов грунта природного сложения и влажности в пределах 32 — 37 % испытывали в консолидированном (медленный сдвиг) и неконсолидированном (быстрый сдвиг) состоянии. Пятнадцать образцов грунта предварительно замачивали без нагрузки до полного проявления деформаций набухания, а затем осуществляли быстрый сдвиг.

При набухании наблюдается уменьшение угла внутреннего трения у в 2 раза, а сцепления с — в 4,5 раза в случае быстрого сдвига и в 1,5 и 1,8 раза соответственно — в случае медленного сдвига. Различие, наблюдаемое в снижении прочностных показателей, полученных по разным схемам, закономерно. При медленном консолидированном сдвиге набухание происходило под нагрузкой, поэтому не было достигнуто таких деформаций, при которых полностью устраняются структурные связи грунта. Из табл. 3.10 видно, что в большей мере уменьшается сцепление, чем угол внутреннего трения, так как при набухании нарушаются структурные связи между частицами.

Оценить влияние набухания грунта на уменьшение прочностных характеристик можно путем испытаний на сдвиг проб грунта, набухшего под заданным давлением. Однако для этого требуется осуществить значительное количество опытов, что сопряжено с определенными трудностями. Поэтому была сделана попытка оценить уменьшение прочностных показателей на основании корреляционных зависимостей между простейшими характеристиками физических свойств и сопротивлением грунта сдвигу. В данном случае независимые факторы принимают по результатам определения относительного набухания грунта под нагрузкой.

Для выявления отмеченной корреляционной зависимости использованы результаты лабораторных опытов, выполненных по схеме консолидированного и быстрого сдвига; при этом для каждой схемы показатели физических свойств взяты до и после опыта. Для каждой схемы обрабатывались результаты 900 определений сопротивления сдвига аральских глин. Обработка результатов лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов произведена с применением ЭВМ.

Влияние отдельных независимых факторов на изменение зависимого фактора для набухающих грунтов не установлено, поэтому было исследовано несколько моделей. Вначале для учета связи с отдельными показателями свойств грунта изучалась линейная модель с большим числом факторов. Затем производились функциональные преобразовании параметров, оставшихся г. модели, и при этом каждый раз выбиралась новая форма связи. Таким путем достигался выбор модели с наилучшей множественной корреляцией между зависимым фактором и факторами аргумента.

Однако наиболее существенные факторы в разных схемах различных удельных давлениях не совпадают. В дальнейшем были отобраны наиболее существенные фаг юры и все операции проводились на шестифакторных моделях, что в общем существенно по повлияло на коэффициент множественной корреляции. Угол внутреннего трения и удельное сцепление зависят от трех показателей физических свойств: влажности на границе текучее влажности и пористости. При набухании изменяются значения лишь двух последних факторов. Используя значения е и w грунта природного сложения и эти же показатели после набухания при соответствующей нагрузке, можно определить уменьшение прочностных показателей.

Различие, наблюдаемое в снижении прочностных показателей, полученных по разным схемам, закономерно. При медленном консолидированном сдвиге-набухание происходило под нагрузкой, поэтому не было достигнуто таких деформаций, при которых полностью устраняются структурные связи грунта.

Оценить влияние набухания грунта на уменьшение прочностных характеристик можно путем испытаний на сдвиг проб грунта, набухшего под заданным давлением. Однако для этого требуется осуществить значительное количество опытов, что сопряжено с определенными трудностями. Поэтому была сделана попытка оценить уменьшение прочностных показателей на основании корреляционных зависимостей между простейшими характеристиками физических свойств и сопротивлением грунта сдвигу. В данном случае независимые факторы принимают по результатам определения относительного набухания грунта под нагрузкой.

Для выявления отмеченной корреляционной зависимости использованы результаты лабораторных опытов, выполненных по схеме консолидированного и быстрого сдвига; при этом для каждой схемы показатели физических свойств взяты до и после опыта. Для каждой схемы обрабатывались результаты 900 определений сопротивления сдвига аральских глин. Обработка результатов лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов произведена с применением ЭВМ.

Влияние отдельных независимых факторов на изменение зависимого фактора (сопротивления сдвигу) для набухающих грунтов не установлено, поэтому было исследовано несколько моделей. Вначале для учета связи с отдельными показателями свойств грунта изучалась линейная модель с большим числом факторов. При наличии связи между двумя факторами один из них исключался. Затем производились функциональные преобразования параметров, оставшихся в модели, и при этом каждый раз выбиралась новая форма связи. Таким путем достигался выбор модели с наилучшей множественной корреляцией между зависимым фактором и факторами аргумента.

Установлено, что наилучшую корреляцию дает квадратичная форма, а наиболее существенными показателями являются коэффициент пористости е, естественная влажность w и влажность на границе текучести wp. Однако наиболее существенные факторы в разных схемах и при различных удельных давлениях не совпадают. В дальнейшем были отобраны наиболее существенные факторы и все операции проводились на шестифакторных моделях, что в общем существенно не повлияло на коэффициент множественной корреляции.

Угол внутреннего трения и удельное сцепление зависят от трех показателей физических свойств: влажности на границе текучести, влажности и пористости. При набухании изменяются значения лишь двух последних факторов. Используя значения е и w грунта природного сложения и эти же показатели после набухания при соответствующей нагрузке, можно определить уменьшение прочностных показателей.

Для классификации грунтов по степени набухания многие исследователи предлагают использовать простейшие характеристики этих грунтов. Одной из первых попыток в этом направлении является работа [3], где степень набухания предлагается оценивать по количеству коллоидно-дисперсных частиц, числу пластичности и пределу усадки.

Эта классификация составлена на основании испытаний 38 образцов калифорнийских глин ненарушенной структуры.

Для выявления зависимости относительного набухания от пределов пластичности были обработаны результаты испытаний хвалынской и сарматской глин. Образцы естественной структуры испытывали в компрессионных приборах при отсутствии внешней нагрузки. До начала опытов определяли природную влажность, плотность, пределы пластичности, гранулометрический состав и удельный вес грунтов. Для всей совокупности грунтов, имеющих различные значения влажности и плотности, по средним значениям построена зависимость относительного набухания от числа пластичности. Можно отметить, что существует зависимость между и Jp: с возрастанием пластичности свободное набухание увеличивается, причем тем быстрее, чем больше значение Jp.

Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод, что число пластичности не может служить классификационным показателем для оценки набухания грунта. В самом деле для различных генетических разновидностей глин зависимость между esw и Jp в количественном отношении не является идентичной. В результате одному числу пластичности соответствует различное набухание и наоборот.

Следовательно, установить единый для всех грунтов показатель числа пластичности, оценивающий глины как набухающие, не представляется возможным, так как число пластичности, характеризующее набухающие глины, колеблется в широких пределах — от 14 до 42. Однако не исключена возможность использования числа пластичности для характеристики набухающих глин отдельных регионов.

Для изученных глин зависимость относительною набухания от пределов пластичности (влажность на границе раскатывания wp и на границе текучести W[j не проявляется четко. В обоих случаях имеется тенденция к возрастанию набухания с увеличением указанных характеристик грунта. Для хвалынских глин наблюдается не такое резкое возрастание t’sw при увеличении wp по сравнению с w. Для сарматских глин характерна не столь резкая зависимость е§\у от wp, как хвалынских глин. Имея в виду относительно тесную связь свободного набухания и влажности на границе текучести, последнюю можно было бы считать показателем для оценки набухаемости. Однако и в данном случае численные значения этого показателя будут различными для каждой генетической разновидности грунтов.

Рассмотрим подробнее влияние характерных влажностей на набухание на примере сарматских глин. В наиболее тесной связи набухание находится с количеством поглощенной в процессе набухания воды, т. е. показателем, который характеризуется разностью между влажностью набухания и естественной влажностью грунтов (wsw — w). Была сделана попытка установить зависимость между набуханием и разностью между влажностью на границе текучести и естественной влажностью грунтов. При этом предполагалось, что wsw — w характеризует гидрофильные способности грунтов. Однако оказалось, что зависимость esw = = £(WL — w) проявляется менее тесно, чем esw = f (wgw).

Это говорит о том, что влажность на границе текучести является менее совершенным показателем гидрофильных способностей глинистых грунтов, чем влажность набухания. Анализ зависимости набухания от характерных возможностей показывает, что наиболее тесной является зависимость esw = f(wsw).

Влажность набухания является наиболее достоверным показателем, характеризующим набухание. Затем в наибольшей степени на набухание влияют влажность на границе усадки, далее влажность на границе текучести и начальная влажность. Между набуханием и влажностью на границе раскатывания связь практически отсутствует. Особенно тесная связь отмечается между набуханием и количеством воды, поглощенной грунтом в процессе набухания. Наличие достаточно тесной связи между набуханием, с одной стороны, и влажностью набухания и количеством поглощенной в процессе набухания воды, с другой, позволяет использовать эти показатели для предварительной оценки набухания.

Можно отметить, что классифицировать по набуханию различные генетические типы глин с использованием простейших показателей не представляется возможным. В пределах отдельного региона такой путь может быть оправдан при условии статистической обработки большого количества экспериментальных данных для носа роения зависимостей набухания от простейших характеристик.

Другим путем решения этого вопроса является нахождение статистическим путем зависимости между набуханием и критерием, включающим две или более простейших характеристики. Была предпринята попытка использовать для набухающих грунтов критерий Jss = (ер- е) (1 + е) , аналогичный принятому для оценки просадочных грунтов. Отрицательное значение этого критерия физически соответствует относительному набуханию при изменении влажности от природной до влажности на границе текучести. Для определения числового значения этого критерия, оценивающего грунты как набухающие, были изучены результаты лабораторных испытаний 138 образцов на свободное набухание при замачивании глинистых грунтов различных районов. Обработка результатов показала, что к набухающим относятся грунты у которых Jss > 0,3.

Указанный номенклатурный критерий необходимо рассматривать как предварительный показатель, в определенной мере отражающий степень набухания грунта. Однако по этому показателю нельзя предусматривать мероприятия, обеспечивающие устойчивость сооружений.