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

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

ков из сухой глины показали, что		их	деформативность
резко	возрастает при смачивании полярной жидко­
стью	(например, водой) и почти	не	изменяется при

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

6*

83

«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

денные	нами	на срезном		приборе		конструкции			Мас-
лова—Лурье		и методом		шариковой		пробы		Н. А. Цыто-
вича [53], также показали,					что после		нарушения		при­
родного	сложения		грунта		его прочность			(сопротив­
ление сдвигу)		значительно снижается.					Аналогичные ре­
зультаты	получены		Г. И. Тер-Степаняном при исследо­

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

(Грозный)	и засоленного ила (оз. Сиваш). Из					каждого
монолита были вырезаны три образца-близнеца.
Давление в трех компрессионных					приборах	конструк­
ции Гидропроекта		(площадь 60 см2)			прикладывали		по
трем схемам ступеней. В первом				приборе давление			при­
кладывали ступенями по 0,025 кгс/см2,					во втором — 0,050
и в третьем — 0,01		кгс/см2.	В качестве		критерия	стабили­
зации была принята осадка, равная					0,005 мм/сутки.		Ре­
зультаты	этого	исследования		приведены в		табл. 1.8.
Как видно из таблицы,			величина		ступеней	давления

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

				Таблица	1.8
		Максимальное	давление, при котором
		наблюдается сжатие образца (струк­
	Грунт	турная прочность сжатия), при ступе­
		нях давления в		кгс/см2
		0,025	0,05	о , .	-
Ил органо-минеральный (Ри­		0,425	0,4	0,4
га)
Ил речной (Кашира) . . .		0,275	0,25	0,2
»	засоленный (оз. Сиваш)	0,25	0,25	0,2
Лёсс	(Грозный)	0,225	0,25	0,2

0,9). Один из образцов-близнецов испытывали по обыч­ ной методике, приведенной в п. 4, главы I , другой — пос­

ле определения на первом образце		величины структур­
ной прочности сжатия — обжимали		давлением, на 0,05
кгс/см2	меньшим, чем полученная для этого грунта струк­
турная	прочность сжатия. Под этим	давлением образец

грунта находился от 2 до 5,5 месяца. Затем к нему вновь прикладывали давление ступенями по 0,05 кгс/см2 и оп­ ределяли структурную прочность сжатия. Результаты опытов приведены в табл. 1.9. Такие опыты были проведе­ ны для всех исследуемых грунтов и показали, что вели­ чина структурной прочности сжатия устойчива во време­ ни. Интересно отметить, что структурная прочность сжа­ тия грунтов, у которых она определяется в основном цементационными связями (лёсс, ил из района Мурман­ ска), остается постоянной, а в грунтах, у которых эта ха­ рактеристика существенно обусловлена водно-коллоид­ ными связями, со временем происходит даже некоторое увеличение структурной прочности сжатия грунтов. Это может быть'объяснено некоторым упрочнением структу­ ры в системах «карточный домик».

Некоторые исследователи (Н.	А. Красильников,
Я. Л. Коган и др.) отмечали в своих	опытах, что величи­

на структурной прочности сжатия, определенная в ком­ прессионных испытаниях, значительно меньше по срав­ нению с этой же характеристикой, полученной при испы­ тании грунтов штампами. С целью выяснения этого воп­ роса мы провели сопоставительные опыты по определе­ нию характеристики «структурная прочность сжатия» в

86

								Таблица 1.9
					Струк­	"і Время "	Давление	Структур­
					турная			ная проч­
		Грунт			прочность	длитель­	длитель­	ность
					сжатия	ного об­	ного об­	сжатия
					До обжа­	жатия	жатия	после об­
					тия	в сутках	в кгс/см''	жатия
					в кгс/см2			в кгс/см'
Ил		оргаио-минераль-			0,25	173	0,2	0,3
ный	(Рига)
То	же (Новокузнецк)				0,25	89	0,2	0,35
Ил		морской		(Мур­	0,3	108	0,25	0,3
манск)
Ил		озерный	(Волго­		0,1	108	0,05	0,1
град)
Ил		речной	(Архан­		0,3	108	0,25	0,4
гельск)
Лёсс		(Грозный)		. .	0,4	86	0,35	0,4
»		(Оби-Киик)		. .	0,2	86	0,15	0,2

лабораторных и полевых условиях. Опыты проводились на экспериментальных площадках оз. Сиваш, Мурман­ ска и Волгограда. Свойства исследуемых грунтов приве­ дены далее в табл. 1.10. На всех площадках использова­ лись опытные штампы площадью 10 тыс. см2, а на пло­ щадке оз. Сиваш — штампы различного размера и формы (см. п. 4 этой главы).

Опыты показали, что в подавляющем большинстве случаев при длительных испытаниях штампами струк­ турная прочность сжатия грунтов получается либо рав­ ной аналогичным результатам компрессионных испыта­ ний, либо большей. Интересно отметить, что при испы­ тании грунтов штампами малого диаметра во многих опытах величина структурной прочности сжатия оказа­ лась равной нулю.

В. В. Рощин и Эль-Сир Мохамед Эль-Хасан [49] предложили формулу для определения величины струк­ турной прочности сжатия по результатам испытаний сла­ бых водонасыщенных глинистых грунтов на срезном приборе или стабилометре в виде

Рстр	2с cos ф		•
	~~;	:
ѵ	1 —sin ф

87

образца№	Грунт
1	Ил речной (Архангельск)

2То же

3»

4»

5 Ил органо-минеральный

6у г'ига )

7То »же

8»

9»

10	Ил озерный (Волгоград)

11То же

12»

13Лёсс (Грозный)

14То же

15»

16Лёсс (Оби-Киик)

17То же

18Ил речной (Кашира)

19» морской (Мурманск)

20	»	озерный	(оз. Сиваш)
21	»	морской	(г. Фао)
22	»	речной	(Тула)

			Пределы
			пластичности
Удель-	Объем­	Влаж­		в %
ный вес	ный вес	ность
в гс/см3	в гс/см3	в %	W r	WP
2,68	1,55	72.J	75,6	39,2
2,68	1,55	76, 4	71	39,2
2,7	1,67	55,2	53,2	36,3
2,7	1,71	50,4	56,2	35
2,64	1,34	72,3	80,5	30,4
2,7	1,78	40,6	37	21,2
2,57	1,5	69,8	77	30,5
2,57	1,49	62,3	79,3	34,2
2,32	1,24	158	180,2	81,2
2,68	1,73	49,2	47,1	25
2,66	1,69	52,3	53,6	28,1
2,68	1,7	51,7	52,6	28,1
2,7	1,42	7,7	22,3	18,1
2,7	1,43	7,2	22,3	18,1
2,7	1,4	7,9	22,3	18,1
2,71	1,69	8,3	20,6	18,4
2,71	1,68	7,8	20,6	18,4
2,6	1,6	56	52,4	29,2
2,77	1,98	27,5	22,3	17,5
2,64	1,68	39,3	35,6	18,7
2,73	1,81	44,2	38,7	24,2
2,7	1,79	28,6	32	19

Степень влажности G

1

0,98

1

1

—

—

1

0,98

—

0,97

—

—

0,2

—

—

0,3

1—

0,98

0,96

1

0,94

			Таблица 1.10
	Коэффи­	Количе­	Начальное
			давление,
	циент	ство ор­	необходимое
	пористо­	ганиче­	для	наруше­
	сти е	ских ве­	ния	струк­
		ществ в %	туры,
			в	кгс/см11
	1,98	5,6	0,2
	2,05	3,4	0,15
	1,49	9,4	0,3
	1,36	7	0,3
	2,06	8	0,25
	1,21	2,6	0,4
	1,97	2,2	0,1
	2,02	5,2	0,2
	3,88	12,8	0,15
	1,4	8,7	0,1
	1,34	8,3	0,15
	1,31	8,3	0,1
	1,06	—	0,25
	1.01		0,4
		—
	1,08		0,4
	0,74	—	0,2
	0,76	—	0,2
	1,45	4,8	0,35
	0,78	—	0,3
	1,4	—	0,2
		—
	1,14		0,25
	0,78	1,4	0,2

Экспериментальная проверка этой формулы показа­ ла, что величина структурной прочности сжатия, опреде­ ленная расчетом и в экспериментах, для грунтов с малым

углом внутреннего трения получается очень	близкой.
Для грунтов, у которых угол внутреннего трения	больше

10°, величина структурной прочности сжатия, определен­ ная по формуле, на 20—40% больше, чем по результа­ там компрессионных опытов, и на 5—15% больше, чем по результатам испытаний грунтов штампами площадью

10 тыс. см2	(табл. 1.11).
						Таблица 1.11
			Характери­		Структурная		прочность
			стика	проч­	сжатия грунтов в			кгс/см2,
			ности		определенная
	Ил				по	по ком­		по по­
				с,		пресси­
			Ф°		форму­			левым
				кгс/см''		онным
					ле	опытам		опытам
Речной	(Архангельск)		12	0,25	0,62	0,3		—
Речной (Кашира) . .			9	0,12	0,28	0,3		—
Морской	(Мурманск)		8	0,2	0,46	0,3		0,4
Озерный	(оз. Сиваш)		6	0,22	0,49	0,2		0,3
Морской	(г.	Фао,	4	0,15	0,32	0,25		' —
Структурная		прочность		сжатия	грунтов		постоянна
при статическом		приложении нагрузки. Однако						при ди­

намических воздействиях структурная прочность сжатия, как это отмечал Б. Ф. Рельтов, резко уменьшается. На­ ми были выполнены опыты на образцах-близнецах ила из районов Риги (см. табл. 1.10) и Архангельска. После десяти ударов гири весом 100 г, подвешенной на веревке

длиной 35 см, структурная прочность сжатия					падала до
0,1	кгс/см2,	хотя	при статическом	нагружении	она была
равна 0,25		кгс/см2.
	Структурная		прочность сжатия	речного ила из райо­
на	Архангельска		(№ 3, табл. 1.10) после десяти ударов
гири уменьшилась с 0,3 до 0,05 кгс/см2.
	Структурная прочность сжатия образца водонасы-
щенного лёсса из района Грозного				(№ 14, табл. 1.10) пос­
ле	десяти	ударов составляла		0,1 кгс/см2	вместо
0,4 кгс/см2 при статической нагрузке.

89

Другой образец-близнец водонасыщениого лёсса из района Грозного (№ 14, табл. 1.10) испытывали по сле­ дующей схеме. После приложения нагрузки 0,1 кгс/см2 производились удары гирькой до тех пор, пока не начи­ налась деформация образца грунта в результате раз­ рушения его структуры. Для одного образца данного грунта потребовалось 16 ударов, а для другого—24.

Аналогичные опыты были проведены с образцами речного ила из Архангельска (№ 3, табл. 1.10). Опыты показали, что для нарушения структуры образцов-близ­ нецов потребовалось соответственно 6; 8 и 12 ударов.

Несмотря на условность поставленных эксперимен­ тов и их малочисленность, они со всей очевидностью по­ казали, что динамическое воздействие на сильносжимаемые грунты в условиях их напряженного состояния при­ водит к резкому понижению структурной прочности сжа­ тия грунтов.

Для изучения изменяемости порового давления в грун­ тах природной структуры в лаборатории МИСИ были проведены компрессионные испытания сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, обладающих струк­

турной прочностью	сжатия: лёсса из	района	Грозного
(№ 14, табл. 1.10)	и ила органо-минерального		из Риги.
С помощью компрессионных приборов		в опытах	исследо­

валось изменение порового давления в процессе консо­ лидации.

В качестве приемника порового давления в образце грунта использовались две большие медицинские иглы, пропущенные через отверстия верхнего штампа компрес­ сионного прибора. Чтобы уменьшить трение между штампом и иглой, последнюю смазывали тавотом. Спе­ циальное устройство обеспечивало независимость пере­ движения верхнего штампа относительно иглы. Меди­ цинская игла присоединялась к капиллярной трубке с пузырьком защемленного воздуха, один из концов ко­ торой был запаян. Величину порового давления опреде­ ляли по изменению объема воздушного пузырька (по закону Бойля—Мариотта).

Другая игла		тонкой медной	трубкой	диаметром
1,5 мм была соединена с прибором			(порового	давления)
системы	Ничипоровича — Мигина.		В некоторых		опытах
поровое	давление	измеряли тензометрическими			датчи­
ками.
Компрессионные испытания проводились				по	следую-

90

щей схеме. Уплотняющую нагрузку к образцам прикла­ дывали ступенями по 0,05 кгс/см2. На каждой ступени измеряли деформацию образца и определяли поровое давление.

Проведенные на пяти образцах исследования показа­ ли, что до нарушения структуры, т. е. до тех пор, пока вертикальное давление меньше структурной прочности сжатия, поровое давление равно нулю. Максимальная величина порового давления (которое возникало после резкого нарушения структуры грунта) составляла всего 0,2—0,3 величины приложенной нагрузки, что не согла­ суется с теорией фильтрационной консолидации. Следует отметить, что для лёссовых грунтов, обладающих боль­ шим коэффициентом фильтрации, чем илы, величина по­ рового давления была несколько выше.

Причины расхождения наблюдаемого порового дав­ ления с его величиной, определенной по теории фильтра­ ционной консолидации, могут быть объяснены тем, что образцы имели небольшую высоту (2 см) и консолида­ ция происходила уже в процессе уплотнения в очень ко­ роткие сроки. Кроме того, согласно работам Я. Л. Кога­ на [26], используемые для измерения медицинские иглы являются плохими приемниками порового давления. Это объясняется тем, что игла соприкасается с очень малой поверхностью грунта и давление не всегда передается в капиллярную трубку. При этом, по наружной по­ верхности иглы возможна фильтрация воды из области определения порового давления, что неизбежно снижает величину измеренного прибором порового давления.

Лабораторные исследования структурной прочности сжатия грунтов позволяют сделать следующие выводы.

1. Большинство сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов характеризуется структурной проч­ ностью сжатия.

2.Структурная прочность сжатия грунтов является определенной устойчивой величиной, не зависящей от ступени приложенной статической нагрузки.

3.Динамические нагрузки резко снижают величину структурной прочности сжатия сильносжимаемых грун­ тов. В ряде случаев структурная прочность сжатия пол­ ностью исчезает.

4.При уплотнении сильносжимаемых водонасыщен­ ных глинистых грунтов давлением, по величине меньшим структурной прочности сжатия этих грунтов, поровое

91