книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

ры, меньшие, чем поры, могут прилипать к стенам пор и образовывать внутри них пространственные структу­ ры. Особенно это относится к глинистым грунтам с ма­ лыми коэффициентами фильтрации Для прилипания необходимо, чтобы взвешенные частицы, сталкивающие­ ся в процессе броуновского движения, в течение неко­ торого времени могли задерживаться на поверхности стенок пор. Такие условия создаются в тех случаях, когда движение воды в порах происходит с достаточно малыми скоростями. Наиболее благоприятные условия для прилипания возникают в углах и «тупиках» пор, где существуют «мертвые» пространства. В ряде случаев, при временном прекращении фильтрации, взвешенные частицы оседают на стенки пор или вследствие теплового движения попадают в сферу действия молекулярных сил. В первый момент частицы находятся в наименее устойчивом положении. Постепенно силы прилипания возрастают, т.е. увеличивается сопротивление частиц сносу фильтрационным потоком и они сами становятся в состоянии удерживать прилипшие к ним новые части­ цы. Таким образом, создаются «рыхлые» структуры внутри пор, значительно увеличивающие гидравлическое сопротивление потоку и резко уменьшающие коэффи­ циент и скорость фильтрации.

Именно эти структуры и являются, по мнению Б. Ф. Рельтова, причиной явления начального градиен­ та. Согласно исследованиям, проведенным в ВНИИГе им. Б. Е. Веденеева, для образования пространственных структур требуется крайне небольшое количество кол­ лоидного вещества.

Многочисленные лабораторные исследования, прове­ денные в лаборатории МИСИ в 1962—1971 гг., показа­ ли, что явления начального градиента напора при филь­ трации через уплотняемые образцы слабых водонасы­ щенных глинистых грунтов природной структуры наблю­ дались при коэффициентах пористости, значительно больших по величине, чем коэффициенты пористости плотных глин, у которых были обнаружены начальные градиенты напора С. А. Роза [42] и Б. Ф. Рельтовым [22].

Это явление может быть объяснено тем, что при уп­ лотнении сильносжимаемых глинистых грунтов проис­ ходят микросдвиги частиц, в результате чего резко уменьшается прочность связей между глинистыми ча-

72

стицами и агрегатами. Несомненно, что прочность свя­ зей между глинистыми частицами и агрегатами значи­ тельно меньше прочности связей между глинистыми ча­ стицами в «плотных» глинах.

При создании напора фильтрационный поток в порах скелета грунта увлекает за собой большое число глини­ стых частиц, которые и застревают в отдельных порах, закупоривая пути фильтрации, что принято называть заиливанием грунта. Для проверки этого явления был проведен ряд опытов на пастах саратовской глины с ко­ эффициентом пористости 2,12—1,83 и на образцах ила ненарушенного сложения из районов Архангельска и Риги.

	К образцам грунтов сразу же после обжатия нагруз­
кой	0,4	кгс/см2	(образцы раньше были	обжаты нагруз­
кой	0,2	кгс/см2)	прикладывали, напор	100 см	(градиент
24—30).		Фильтрация проводилась по		схеме	снизу —

вверх. Воду, которая профильтровывалась через обра­ зец, собирали в мензурки. Затем ее наливали в чашки, выпаривали и определяли количество взвешенных час­ тиц на аналитических весах. Аналогичные опыты по оп­ ределению количества взвешенных частиц проводились и после полной стабилизации осадки образцов грунта. Некоторые результаты этих опытов приведены в табл. 1.7.

Из данных таблицы видно, что количество выноси­ мых глинистых частиц зависит от относительного сжа­ тия образца. Для всех исследуемых грунтов по мере их нагружения наблюдалось уменьшение количества ча­ стиц, выносимых фильтрационным потоком.

Исследования гранулометрического состава инфиль­ трата показали, что диаметр частиц (по Стоксу) в ос­ новном меньше 0,001 мм. Определения производились с небольшой точностью, так как исследовались неболь­ шие объемы суспензий. Во многих случаях в течение не­ дели совершенно не наблюдалось выпадения частиц из раствора. Опыты показали, что при уплотнении образ­ цов сильносжимаемых глинистых грунтов и прохожде­ нии через них фильтрационного потока наблюдается суффозия коллоидных частиц. Следовательно, при филь­ трации через грунт вода движется со взвешенными гли­ нистыми частицами.

Итак, многочисленные экспериментальные исследо­ вания, проведенные нами на различных сильносжимае-

73

Грунт

Хвалынская		глина
(Волгоград) :
паста	1 (е0 = 1,7)
»	2 ( е 0	=1,52)
»	3 ( е0	=1,77)

Таблица 1.7

Содержание в % коллоидных глинистых час­ тиц в инфильтрате при градиентах напора 24—30

*	со	н		о	m
*
О Чfc,Et	стабили	врево!МЯ УПЛ(	-	1	1
			нагрузнения	откой**0 5 0,7с/смкг -	§ §
		о	. і-г		:адкн
	<и о				стабил
о, ¥					О) о
m д с: о	5 я				ч а
О О eu О	о я
	С Й
0,0744	0,0211	0,0306			0,0113
0,0593	0,0362	0,0370			0,0203
0,0892	0,0430	0,0583			0,0210

Глина	неокома (Сара­
тов) :
паста	1 ( е 0	=1,92)	0,176	0,064	0,122	0,036
»	2 (е 0	=1,99)	0,143	0,060	1,098	0,024
Ил (Архангельск), е0 =			0,0903	0,0271	0,0393	0,0165
= 2,05
Ил (Рига)*,		8о=3,83	—	—	—	0,0060

* Образец ила (Рига) уплотнялся нагрузкой от 0,5 до

1кгс/см2.

**В первые 24 ч.

мых водонасыщенных глинистых грунтах, показали, что для многих видов слабых грунтов различного проис­ хождения действительно наблюдается отклонение филь­ трации от закона Дарси. В отличие от опытов С. А. Ро­

за и Б. Ф. Рельтова	фильтрация через		сильносжимае-
мые грунты естественной пористости		часто происходит
по закону Дарси, однако в процессе		их уплотнения на­
чиная с определенной	пористости наблюдается ее откло­
нение от закона Дарси. Впервые было			установлено, что
начальный градиент	напора слабых		водонасыщенных

74

глинистых грунтов является переменной величиной для многих видов сильносжимаемых грунтов (в отличие от «плотных» глин, которые характеризуются одним посто­ янным значением начального градиента напора) [1] .

На рис. 1.18 были показаны результаты исследова­ ний изменяемости величины начального градиента на­ пора в процессе уплотнения. Опыты, проведенные на глинистых грунтах различного происхождения, показа-

О 2,5

2,6

2,7

2ß

і

2

2,5

3

Î5

€

Рис. 1.20. Зависимость между величиной начального градиента напора и коэффициентом пористости при уплотнении грунтов

а — ил (Рига); б — юрская глина (Москва)

ли, что для некоторых видов грунтов (засоленные илы) величина начального градиента напора остается посто­ янной практически в период всего уплотнения образцов до давления 5 кгс/см2 (см. рис. 1.18, г). Для слабых гли­ нистых грунтов аллювиального происхождения, содер­ жащих органические вещества, характерна линейная зависимость начального градиента напора от коэффици­ ента пористости (рис. 1.20, а). Для иольдиевых глин, верхнего слоя юрских отложений, хвалынских водонасы­ щенных глин и некоторых других типов глинистых грун­ тов характерна параболическая зависимость между ве­ личиной начального градиента и коэффициентом пори­ стости при уплотнении грунтов (рис. 1.20, б).

В лаборатории МИСИ им. В. В. Куйбышева иссле­ довалось также изменение коэффициента фильтрации слабых глинистых грунтов различного происхождения и с различных площадок во времени. Опыты проводи­ лись в течение одного — шести месяцев при различных градиентах напора на образцах грунтов, предваритель-

75

но обжатых	в компрессионно-фильтрационном приборе
давлениями	1; 2; 3 и 5 кгс/см2.

Исследования, проведенные на слабых водонасыщен­ ных грунтах из районов Новокузнецка и Каширы, кото­ рые содержат 5,5—9,4% органических веществ, показа­ ли, что при градиентах напора меньше 10 коэффициент фильтрации уменьшается во времени на 20—65%.

Исследования проводились также на грунтах нару­

шенной	структуры — пасты, хвалынской	глины (Волго­
град) и	илов озера Сиваш. Параллельно	исследования

проводились на образцах грунта ненарушенной струк­ туры — ила (Рига) и лёсса (Оби-Киик). Во всех опы­ тах при градиентах напора меньше 10 (а для образцов ила из Риги при градиентах напора меньше 20.) наблю­ далось уменьшение коэффициента фильтрации во вре­ мени на 15—45%- Некоторые результаты опытов приве­ дены на рис. 1.21.

Были проведены, кроме того, исследования изменяе­ мости коэффициента фильтрации лёссовых грунтов из районов Грозного, Запорожья, Белгорода, Душанбе во времени. Во всех опытах при вертикальной фильтрации через образцы лёссового грунта при градиентах напора 10 и выше наблюдалось значительное увеличение коэф­ фициентов фильтрации во времени, что может быть объ­ яснено развитием суффозионных процессов. В некото­ рых опытах (лёсс из Душанбе) при исследовании филь­ трации в течение 75 дней при градиенте напора 10 ве­ личина коэффициента фильтрации увеличилась в 3 раза.

Как показывают опыты, для лёссовых грунтов значе­ ние коэффициента фильтрации во времени практически постоянно при градиентах напора 3 и меньше.

Исследования фильтрационных свойств морских илов из района Мурманска, у которых были обнаружены вер­ тикальные макропоры (природная влажность этих грун­ тов на 4—6% выше влажности на пределе текучести), показали, что при длительной фильтрации (опыты про­ водились в течение 140 суток) коэффициент фильтра­

ции в вертикальном направлении при неизменной			пори­
стости	остается постоянным.
При	исследовании проницаемости	засоленных	илов
оз. Сиваш и г. Фао (Ирак), у которых		количество	солей

составляло до 12% веса скелета грунта, уменьшение ко­ эффициента фильтрации во времени при фильтрации насыщенными растворами (близкими по составу к по-

76

гк9 Ю''_ см/сек

О

20

40

60

t, сі/тки

У7

кф 10 см/сек

2,26

да*"--»

\ 1,65		1,84*		1,76	1,74
1,1$*~	0,97	0,91
		г*		0,89
20	40	60	во		100 t, сутки

	а' „у***
0	о
0 •Г"	е~о,зев

	о	го	цв	m	so	too t.q/mm
Рис.	1.21. Изменение	коэффициента			фильтрации	во времени
а —паста хвалынской		глины	(Волгоград); б — ил			(Рига); в —лесс (Оби-
Киик); / — после обжатия давлением				0,5	кгс/см2; 2 —после обжатия давлени­
ем 1	кгс/см2

77

ровой жидкости) наблюдалось при градиентах напора, меньших 8, а при градиентах напора, больших 30, на­ блюдалось увеличение коэффициента фильтрации во времени.

Исследования слабых водонасыщенных глинистых грунтов, содержащих более 10% органических веществ, при градиентах напора меньших 10, показали уменьше­ ние коэффициента фильтрации во времени. В отдельных опытах (заторфованный суглинок Новокузнецка с со­ держанием органических веществ до 14,6%) коэффици­ ент фильтрации за 90 суток уменьшился в 7 раз.

Таким образом, можно сделать вывод, что существу­ ющая методика определения фильтрации грунтов, по которой величина коэффициента фильтрации определя­ ется в течение нескольких часов, часто дает искаженные значения коэффициента фильтрации. Это особенно важ­ но для расчетов консолидации грунтов основания, так как в эти расчеты входит значение коэффициента филь­ трации, которое существенно определяет время проте­ кания осадок фундаментов.

Очевидно, целесообразно ввести понятие «мгновен­ ный» и «длительный» коэффициенты фильтрации (наз­ вания приняты по аналогии со сцеплением глинистых грунтов) при данном градиенте напора.

7.СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

В1963 г. при оценке сжимаемости грунтов нами было предложено использовать характеристику сжимаемости

(или точнее несжимаемости)	грунта — «структурную
прочность» сжатия. Под этой	характеристикой понима­

ется максимальное давление, при котором грунт прак­ тически не сжимается (за исключением тех осадок штам­ па, которые могут быть вызваны неровностями на кон­ такте между штампом и поверхностью грунта).

Горизонтальные площадки на графиках, построен­ ных по результатам компрессионных опытов и данным исследований слабых водонасыщенных глинистых грун­ тов штампами при приложении малых ступеней давле­ ния, были обнаружены многими исследователями (Г. В. Сорокиной, M . Н. Гольдштейном, И. М. Горьковой, А. Вило, Г. Л. Коффом и другими). Однако эта ха­ рактеристика, получаемая на графиках и свидетельст­ вующая о несжимаемости грунта до определенного дав-

78

ления, не формулировалась как расчетная величина и не была использована для расчетов консолидации глини­ стых грунтов.

Для определения величины структурной прочности сжатия грунтов и выявления факторов, влияющих на эту величину, в МИСИ им. В. В. Куйбышева при уча­ стии автора были проведены многочисленные исследо­ вания в лабораторных и полевых условиях.

Физико-химическая природа структурной прочности глинистых грунтов может быть представлена в следую­ щем виде.

Частицы глинистого грунта соединены между собой поверхностными молекулярными (ван-дер-ваальсовыми) силами притяжения и цементационными связями.

Ван-дер-ваальсовы силы действуют через тонкие про­ слойки воды в местах сцепления частиц. В результате действия этих сил на ранней стадии диагенеза образу­ ются губчатые структуры с определенной прочностью. Прочность структур глинистых частиц со временем уве­ личивается под действием уплотнения, приводящего к увеличению числа контактов частиц в единице объе­ ма, и зависит от формы частиц и строения кристалличе­ ских решеток глинистых минералов, входящих в состав скелета грунта. Ребра и углы частиц обладают меньшей гидрофильностью по сравнению с их гранями, в резуль­ тате чего толщина пленки связанной воды уменьшается к углам и ребрам. То, что силы сцепления между части­ цами возрастают именно у ребер и углов коллоидных частиц, т. е. в отдельных активных местах, убедительно показали исследования, проведенные H. Н. Серб-Серби- ной с глинистыми суспензиями, содержащими натрие­ вые соли (соду или фосфаты натрия).

Опыты, проведенные Б. Ф. Рельтовым и его сотруд­ никами с глинистыми минералами (бентонитом) в стек­ лянных капиллярах, показали, что процесс структурообразования зависит от продолжительности покоя струк­ тур и что прочность образовавшихся структур увеличи­ вается со временем.

Интересные опыты по «искусственному» приготовле­ нию илов провела Г. В. Сорокина. Образцы изготовля­ лись в лаборатории в течение продолжительного време­ ни (от двух месяцев до двух лет). В этих опытах уда­ лось получать образцы большой однородности, причем высота образцов достигала 20 см. Ил формировали из

79

суспензии.	Полученный осадок	«заражали»		свежим
илом. При этом на поверхность		осадка	вносили	водо­
росли и	другие растительные	остатки.	Структурную

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

грунта и грунта с искусственной		структурой).
Влияние времени	на величину	структурной прочно­
сти при сжатии было	исследовано	M . Н. Гольдштейном

[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

в диапазоне давлений до	0,25 кгс/см2.	После	отды­
ха в течение шести месяцев (с частичной усадкой)			струк­
турная прочность сжатия	составляла 0,5	кгс/см2.	Таким

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

ционных структур типа	карточного	домика.	Структура
в указанных условиях	образуется	по схеме	«ребро в
грань».

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

6—1

81