Набухание грунта в зависимости от состава, состояния, концентрации солей, плотности

Набухание грунта в зависимости от состава, состояния, концентрации солей, плотности

Состав и состояние грунта оказывают различное влияние на величину и характер протекания процесса набухания, т. е. на закономерности набухания грунта. При изучении закономерностей набухания должно быть исключено влияние на получаемые результаты методики испытаний, а также типов применяемых приборов.

Исследования показали, что значения относительного набухания ∈sw, полученные в приборе Васильева, в 1,5 — 1,8 раза больше, чем в компрессионном приборе, и в 2 — 2,3 раза больше, чем в приборе трехосного сжатия М-2. Высота образца также влияет на значение ∈sw. Так, опыты на образцах нарушенной структуры сарматских глин показали, что при увеличении высоты в 2,5 раза значение набухания ∈sw снижается примерно в 1,5-1,7 раза. Опыты, проведенные на образцах нарушенной структуры в приборах Васильева при замачивании их снизу или сверху, не показали разницы в величинах относительного набухания. При изучении закономерностей набухания использовались результаты, полученные в идентичных условиях.

Влияние количества частиц размером менее 0,005 мм изучалось на пастах из сарматских и киммерийских глин с начальной влажностью 0,32 и плотностью 1,32 г/см3 при передаваемом давлении на грунт р = 0,05 МПа. Кроме того, проводились опыты на образцах хвалынской глины природного сложения. Опыты показали следующее:

  1. с увеличением количества глинистых частиц возрастают набухание и скорость набухания;
  2. зависимость набухания от количества частиц размером менее 0,005 мм определяется видом грунта.

Обменный комплекс (количество и состав обменных катионов) обусловливает проявление первичных и вторичных явлений при взаимодействии грунта с водой и оказывает определенное влияние на величину и интенсивность набухания.

Разница в набухании Na-глины и Са-глины объясняется особенностями гидратации этих катионов как составной части поверхностного слоя кристаллической решетки минералов. Во-первых, в зависимости от вида обменного катиона меняется прочность связи пакетов решетки, которая уменьшается при одновалентных катионах. Во-вторых, возможность диссоциации катионов находится в тесной зависимости от валентности катионов. Набухание грунта в присутствии иона калия и водорода меньше, чем при двухвалентных анионах, так как ионы К и Н являются негидратирующимися и, находясь в местах изоморфного замещения ионов, не притягивают молекулы воды. Кроме того, проникая в межпакетное пространство, ион калия упрочняет его решетку, снижая возможность поступления воды между пакетами минерала.

Величина емкости поглощения влияет на набухание грунта: увеличение емкости поглощения приводит к возрастанию количества связываемой воды (при больших замещениях количество некомпенсированных валентностей возрастает).

Влияние концентрации солей

На набухание грунта влияет концентрация солей в порогом растворе. Градиент, возникающий в результате разности концентрации солей в поровом растворе и в замачивающей жидкости, приводит к осмотическому накоплению воды в межчастичном пространстве. Оценка степени влияния этого явления на величину набухания проведена на пастах сиротских глин, отмытых дистиллированной водой до полного выноса растворимых солей и замачиваемых растворами, имеющими различную концентрацию.

Кроме того, готовились образцы на растворах NaCl с концентрацией 1,5; 10; 20 и 30 г/л, которые замачивались дистиллированной водой. Начальная влажность образцов — 32 %, плотность — 1,32 г/см3 . Образцы испытывались под давлением 0,1 МПа.

Анализируя эти результаты, можно отметить влияние осмотических явлений на набухание грунта. Увеличение концентрации соли в поровом растворе до 30 г/л приводит к возрастанию величины набухания. При замачивании более концентрированный раствором величина набухания несколько уменьшается, так как движение молекул воды в этом случае будет противоположным.

Набухание глинистого грунта в зависимости от плотности

Существует зависимость набухания глин от плотности для образцов нарушенной и ненарушенной структуры. Образцы нарушенной структуры испытывались в приборе Васильева, в ненарушенной — в компрессионном приборе. Начальная влажность образцов при различной плотности была постоянной.

Так, испытываемые образцы сарматской глины нарушенной структуры имели влажность 0,35, а ненарушенной структуры — около 0,30. Соответственно образцы хвалынской глины имели влажность 0,08 и 0,27. Зависимость между этими величинами носит линейный характер для образцов различной структуры и вида замачивающей жидкости. При увеличении плотности грунта величина набухания повышается в результате возрастания количества твердых частиц, а следовательно, и общей поверхности твердой фазы.

Установлена «начальная плотность набухания», при которой набухание грунта не происходит. Эта величина для сарматских глин нарушенной структуры равна 0,95 г/см3, а для ненарушенной — 1,05 г/см3; для хвалынских глин эти величины соответственно равны 0,85 и 1,0 г/см3 . Нижний предел плотности, характеризующий начало проявления набухания, не является постоянной величиной, а зависит от структуры (нарушенная или естественная), вида замачивающей жидкости (в частности, от диэлектрической постоянной), начальной влажности, количества глинистых частиц.

Начальная влажность, плотность и их влияние на набухание

Величина набухания обратно пропорциональна начальной влажности грунта. С увеличением начальной влажности образца набухание снижается тем быстрее, чем больше влажность. Так, для хвалынской глины увеличение влажности е 0,05 до 0,1 приводит к снижению относительного набухания всего лишь на 0,03. Однако при большой начальной влажности это уменьшение становится более существенным. Например, при влажности w = 0,15 набухание равно 13 %, а при w = 0,40 образцы при замачивании не набухают. Следовательно, начальная влажность является одним из основных факторов, определяющих величину набухания глин. При этом существует предел влажности — «влажность набухания», при которой набухание отсутствует.

Таким образом, начальное состояние грунта в значительной мере влияет на общую величину набухания. Оценивая совместное влияние этих факторов, установили, что плотность влияет на величину набухания практически независимо от начальной влажности. Однако наблюдается тенденция к большему изменению величины набухания с увеличением плотности.

С другой стороны, при большой плотности грунта начальная влажность образца в большей мере влияет на набухание, чем при незначительной его плотности. Следовательно, можно подобрать такое состояние грунта, при котором величина набухания будет находиться в заданных пределах или вообще отсутствовать, причем такое состояние может быть достигнуто путем изменения обоих факторов.

Плотность и влажность влияют на характер деформации набухания во времени. Опыты показали, что, если на конечную величину набухания влияет начальное состояние грунта (влажность и плотность, то на характер изменения набухания во времени оказывает влияние степень заполнения пор водой Sr. Так, для образцов, имеющих Sr = 0,17 ÷ 0,57, процесс набухания протекает быстро, в то время как при Sr = 0,88 этот процесс существенно замедляется. Экспериментами установлена зависимость интенсивности набухания J = ∈Sw, t/∈Sw (отношение величины набухания через t часов после замачивания к общей величине набухания) от степени влажности грунта Sr. Так, набухание образца, имеющего Sr = 0,2, после 24 ч замачивания составило 90% общего набухания а образца, имеющего Sr = 0,8, — всего 60%. Спустя 3 суток после начала замачивания у образцов, имеющих Sr < 0,6, наступила стабилизация набухания, в то время как образцы с большей степенью влажности не достигли ее.

Небольшая скорость набухания и длительность этого процесса в образцах с большей степенью влажности вызвана тем, что при значительной толщине гидратной пленки вокруг частицы меньше результирующая сила притяжения молекул воды. При малой влажности грунта, т. е. при неполном заполнении пор водой, частицы грунта обволакиваются пленками небольшой толщины и, кроме того, имеются свободные поры, через которые может передвигаться свободная вода. В этом случае улучшаются условия обводнения частиц грунта. Следовательно, процесс притяжения воды в данном объеме грунта произойдет быстрее, что приводит к увеличению скорости набухания.

Указанное выше будет справедливо в пределах определенной плотности, так как по мере ее возрастания увеличивается число контактов, и, следовательно, возможны некоторые отклонения от полученной зависимости.

Интенсивность набухания определяется также структурой грунта. В образцах ненарушенной структуры, когда имеются водостойкие связи, этот процесс будет протекать значительно медленнее, чем в образцах с нарушенной структурой. Так, образцы природной хвалынской глины набухают значительно медленнее, чем образцы нарушенной структуры. Например, через сутки при степени влажности образцов, равной Sr = 0,7 (влажность 0,21), набухание образцов ненарушенной структуры составило 45% всего объема, в то время как набухание аналогичных образцов нарушенной структуры составило 70%.

Четкой зависимости набухания грунта от влажности на границе текучести wL, и раскатывания wP не имеется. Однако для всех изученных набухающих грунтов наблюдается тенденция к возрастанию величины набухания с увеличением этих показателей.

Установлено, что с увеличением плотности грунта уменьшается влажность набухания. Это обусловлено тем, что с увеличением плотности возрастает число контактов между частицами, а в местах контакта частиц толщина пленки будет меньше, чем на свободной поверхности частицы. Наибольшее количество связанной воды будет в том случае, когда частица грунта не будет соприкасаться с другими. Тогда толщина пленки будет постоянной вокруг всей частицы. В местах образования контактов толщина пленки будет меньше, а значит сократится общий объем связанной воды.

По мере увеличения числа контактов уменьшается свободная поверхность частиц и снижается количество связанной воды. Следовательно, при увеличении плотности, количество связанной воды будет уменьшаться, т. е. чем плотнее грунт, тем меньше влажность набухания. С увеличением начальной влажности образца влажность набухания уменьшается.

Зависимость влажности набухания глин от давления по своему характеру близка к зависимости ∈sw = f(p), т. е. с увеличением давления влажность набухания уменьшается. Наибольшее снижение влажности наблюдается в диапазоне давления 0-0,1 МПа. В последующем влажность набухания сокращается медленнее, а при давлении 0,3 МПа и более практически остается постоянной. Сопоставление зависимостей ∈sw = f(p) и wsw = f(p) показывает, что наибольшее набухание обусловлено воздействием периферийных слабосвязанных слоев воды.

Медленное изменение влажности набухания объясняется тем, что по мере роста нагрузки толщина водных пленок уменьшается только в местах контактов между частицами, в то время как на свободной поверхности частиц, т. е. на поверхностях, образующих поровое пространство, толщина пленки остается постоянной и не зависит от нагрузки, приложенной к образцам. Вода, находящаяся в поровом пространстве, оставляет основную долю в общем водном балансе.

В заключение следует отметить, что увеличение влажности наблюдается в случае, когда набухания не происходит, т. е. при ∈sw = 0 влажность грунта после замачивания будет выше, чем природного. Следовательно, влажность набухания — это величина, характеризующая количество воды, которая притягивается грунтом и удерживается в нем внутренними силами, т. е. характеризующая количество связанной воды в набухающем грунте.