Файл: Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению.pdf

связность искусственного ила определяли путем расплю­ щивания (сравнивая диаметры образцов перемятого

[16, 17]. Пасты хвалынской глины, имеющие влажность на пределе текучести, укладывали в кольца компресси­ онных приборов, помещали в закрытые сосуды и выдер­ живали длительное время, после чего проводили ком­ прессионные испытания. Оказалось, что после четырех­ месячного отдыха сжимаемость грунта резко уменьшалась

образом, со временем в пасте возникли связи тиксотропного характера, которые нарушались при деформациях и снова восстанавливались после непродолжительного времени.

Прочность коагуляционных структур, образованных после выпадения частиц анизометрической формы, за­ висит от содержания электролитов в жидкой среде. На это положение указывал П. А. Ребиндер, считавший, что для повышения прочности свежеобразованных структур необходимо, чтобы водная среда содержала определен­ ное количество электролитов, способствующих частич­ ной коагуляции и сцеплению частиц.

По данным Розенквиста [61], для морской воды (с высоким содержанием электролитов) характерно об­ разование рыхлых, губчатых малоустойчивых коагуля­

В случае образования коагуляционных структур в пресной воде анизометрические частицы занимают упо­ рядоченное положение, близкое к параллельному, при этом создаются более плотные структуры. Определяется это явление тем, что частицы, выпадая в пресной воде, сильно гидролизуются. При соприкосновении выпавших частиц возможно преобладание сил отталкивания, под воздействием которых частички, скользя друг по другу, занимают более плотное положение. Гольдшмидт и

80

Лэмб [62] объясняют различное строение структур не­ нарушенных морских и речных илов различными усло­ виями процесса накопления осадков в ранней стадии диа­ генеза. К аналогичным выводам пришли Бьеррум и Розенквист [61], подтвердившие косвенными опытами ука­ занное положение. Розенквист дал объяснение причин бы­ строго оплывания норвежских иллитовых глин, осно­ вываясь на выводах Гольдшмидта и Лэмба.

По мнению И. М. Горьковой и др. [18, 35, 36], структурообразование в пресноводных современных отложени­ ях происходило при большой концентрации частиц с до­ бавкой электролитов и заключалось в застудневании всей системы без разделения фаз. В этом случае осадки имели рыхлую пространственную сетку. Частицы соприкасались по углам и ребрам, т. е. по частично десольватированным участкам, захватывая в поры свободную воду. Высоко­ дисперсные морские илы (древнечерноморские) имели другую схему структурообразования.

Наибольшая устойчивость грунтовых агрегатов вы­ зывается образованием в пограничном слое студней, ко­ торые могут содействовать застудневанию всей системы, вследствие взаимодействия лиофильных оболочек смеж­ ных частиц. Такие лиофильные мицеллы образуют объ­ емную структуру, превращаясь в структурированную систему.

По мнению Н. Я- Денисова [22], кроме первичного сцепления, определяемого молекулярными силами ван- дер-ваальса, при исследовании структурных свойств грунтов необходимо учитывать сцепление упрочнения, т. е. сцепление между частицами глинистых пород на стадии диагенеза, которое может возникнуть под влия­ нием химических, физико-химических и биохимических процессов, ведущих к литификации (окаменению осад­ ков).

Сцепление упрочнения возникает в результате выпа­ дения из поровой воды различных химических веществ, являющихся природным цементом, и их отложения на контактах между частицами. Пленки цемента имеют ма­ лую толщину и практически не увеличивают плотности осадков. Н. Я. Денисов и П. А. Ребиндер [22], исследуя коллоидно-химическую природу структурных свойств глинистых пород, пришли к выводу, что при взаимодей­ ствии воды с гидрофильными минеральными глинистыми частицами на поверхности последних образуются пленки

не чистой воды, а коллоидного раствора, обычно имею­ щего свою структуру. Эти пленки сами способны к за­ студневанию, что и является причиной их клеящего или связывающего действия.

Кроме связывающего действия на поверхности мине­ ральных частиц коллоидные пленки могут оказывать и смазочное действие. Исследования сжимаемости порош­

смачивании неполярной жидкостью (например, бензи­ ном) .

H. Н. Серб-Сербина и Н. А. Ребиндер, исследуя зако­ номерности структурообразования, установили влияние катионов на структурообразование.

Влияние катионов поровых растворов на структурные свойства исследовалось П. А. Ребиндером, H. Н. СербСербиной, Е. И. Кобахидзе, M . Е. Шишкаишвили. Ана­ лизируя эти исследования, можно сделать вывод, что ка­ тионы во многом определяют деформационные и проч­ ностные свойства структур глинистых грунтов в природ­ ном залегании. Так, для сильносжимаемых глинистых грунтов, содержащих кальций, характерно проявление структурной прочности до определенных значений на­ грузки, при превышении которых резко наступает хруп­ кое нарушение структурных связей и проявляются зна­ чительные деформации грунта. Это можно объяснить следующим образом. У кальциевых глин образуется уп­ лотненный мономолекулярный слой с достаточно жест­ кой структурой, обладающей определенной прочностью. При повышении этой прочности происходит прорыв сольватных оболочек по наиболее гидрофобным участкам. Разрушение образовавшихся структур имеет хрупкий характер.

Для сильносжимаемых водонасыщенных грунтов, со­ держащих натрий, характерны крайне слабые проявле­ ния структурных свойств. Это объясняется тем, что бла­ годаря катиону Na в водной среде происходит дисперги­ рование частиц, а вода способствует их скольжению относительно друг друга.

Таким образом, структурные свойства глинистых грунтов в природном залегании зависят от минералоги­ ческого состава грунта, содержания электролитов в вод­ ной среде, времени структурообразования, физико-хими-

82

ческих и биохимических процессов, определяющих проч­ ность цементационных связей, и других факторов.

Заслуживает внимания связь между физико-химичес­ кими свойствами слабых грунтов (в частности, структур­ ными свойствами) и их сжимаемостью и прочностью Влияние структурных свойств глинистых грунтов на их прочность и деформируемость исследовали многие

специалисты. Так, M . Н. Гольдштейн [17, 23], Н. Я. Де­ нисов [22], С. А. Роза [41] и Г. И. Тер-Степанян при ис­ следовании ленточных, иольдиевых и норвежских плы­ вунных глин, а также других сильносжимаемых мало­ прочных грунтов отмечали, что нарушение их «природ­ ной» структуры резко уменьшает прочностные характе­ ристики грунтов. H. Н. Маслов в 1934 г., анализируя методику компрессионного испытания грунтов [32], ука­ зывал на необходимость сохранения структуры грунтов и считал, что одной из причин погрешности компресси­ онных испытаний является нарушение структуры грунта при вырезании образца из монолита и его зачистке.

С. А. Роза [41, 42], изучая деформационные свойства морских илов, естественная влажность которых выше влажности на пределе текучести, обратил внимание на высокую прочность их структурных связей. Некоторые образцы илов имели незначительную сжимаемость (до 4 кгс/см2).

Высокая структурная прочность была обнаружена также у водонасыщенных образцов с ненарушенной структурой из черной юрской глины в районе Верхней Волги и у северо-западных ленточных глин, имеющих большую пористость. Образцы деформировались лишь при нагрузках более 3 кгс/см2, а отдельные образцы на­ чинали сжиматься при давлении 6 кгс/см2 [41].

С. А. Роза считает, что такая высокая структурная прочность может быть обусловлена присутствием в пог­ лощенном комплексе катионов железа и алюминия.

Интересные исследования разрушения коагуляционных структур первичных каолинов под воздействием од­ ноосного и трехосного сжатия были проведены А. Я- Ту­ ровской [34]. До приложения нагрузки каолин не обна­ руживал ориентации частиц. Под воздействием нагруз­ ки частицы каолина занимали сначала перпендикуляр­ ное положение к направлению перемещения частиц, а с появлением зоны сдвига поворачивались под углом 45°.

Следует отметить, что, по данным Лэмба, структура

«карточный домик» под воздействием внешних сил пере­ ходит в более упорядоченную структуру с нормальным расположением граней частиц по отношению к нормаль­ ным или касательным силам. Для плотных глин этот эф­ фект усиливается с увеличением влажности. Данные Лэмба хорошо согласуются с результатами исследова­ ний А. Я. Туровской.

Изучая характер относительного расположения час­ тиц глинистых грунтов так называемого сложения «кар­ точный домик», M . Н. Гольдштейн [16] высказал пред­ положение, что при уплотнении нагрузками глинистый грунт не сразу приобретает конечное плотное «пакетное» сложение, а имеет промежуточное «пакетно-карточное» сложение.

Для изучения механизма деформации глинистых кол­ лоидных структур под воздействием внешних сил Рельтов [40] провел наблюдение за изменением электропро­ водности призм, состоящих из смеси графита с транс­ форматорным маслом и перемятой нижнекембрийской глиной, в процессе их скашивания. Графитовые частицы, имеющие пластинчатую форму, образовали в трансфор­ маторном масле структуры типа «карточного домика». Электропроводность смеси обусловливалась пробоем тонких слоев масла в зазорах между частицами. В ре­ зультате многочисленных исследований удалось устано­ вить, что при приложении нормальных или сдвигающих нагрузок к структурам типа «карточный домик» углы, образуемые плоскими гранями контактирующих частиц, изменяются. Среди различных видов деформаций встре­ тятся и такие, при которых острые углы между гранями будут уменьшаться, а тупые увеличиваться. При мгно­ венном приложении нагрузок разной величины угловые деформации могут происходить настолько быстро, что в зонах соприкосновения гидратных слоев в углах кон­ тактирующих частиц жидкость не успевает вытесняться. В этой области возникнут напряжения, которые разру­ шат сцепление в контактах между частицами и будут стремиться оторвать их друг от друга. С увеличением расстояния между частицами взаимное притяжение час­ тиц ослабевает и общая прочность системы уменьшается.

По-видимому, именно так происходит нарушение при­ родной структуры сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов при приложении динамических на­ грузок.

84

Измерения сопротивления сдвигу образцов речного ила (Архангельск и Рига), водонасыщенного лёсса (ОбиКиик, Грозный) и озерного ила (Красноармейск), прове­

вании иольдовых глин, Л. Бьеррумом и И. Розенквистом [61] при исследовании норвежских плывунных глин и др.

Исследования В. И. Савельева [43], проведенные на морских илах из различных районов, на сжимаемость показали, что с увеличением глубины залегания сжимае­ мость грунтов уменьшается. Образцы илов с глубины до 2,5 м значительно деформировались при нагрузках, боль­ ших 0,25 кгс/см2, тогда как илы с глубины 7,5 м и более ежимались только при нагрузках более 2 кгс/см2, что свидетельствует об их высокой структурной прочности.

В МИСИ им. В. В. Куйбышева при участии автора были проведены исследования влияния нагружения на величину структурной прочности сжатия грунта. В опы­ тах исследовались образцы органо-минерального ила (Рига), речного ила (Кашира), водонасыщенного лёсса

в компрессионных исследованиях не влияет на значение структурной прочности сжатия слабых водонасыщенных глинистых грунтов.

Для определения изменения структурной прочности сжатия этих грунтов во времени были проведены следую­ щие опыты. Образцы-близнецы каждого грунта исследо­ вали в компрессионном приборе конструкции Гидропро­ екта для определения структурной прочности сжатия (при этом лёссы предварительно замачивали без нагруз­ ки до достижения степени влажности образцов, большей

85