Тиксотропия и квазитиксотропия связных грунтов

6.1.Феноменология динамической неустойчивости глинистых грунтов

Термин «тиксотропия» был введен в 1927 г. Г. Фрейндлихом и Т. Петерфи для обозначения изотермических превращений коллоидных систем типа «гель- золь—гель» при механическом воздействии на систему. Основы современных пред­ ставлений о тиксотропии были сформулированы в появившейся в 1935 г. одно­ именной книге Г. Фрейндлиха (Freundlich, 1935) (русский перевод вышел в 1939 г.).

а

Рис. 65. Восстановление прочности тиксотропного (а) и частично-тиксотропного (б) мате­ риала (по A. W. Skempton, R. D. Northey, 1952 и L. Berger, J.Gnedinger, 1949, соответственно)

Однако первым, кто наблюдал проявление тиксотропных свойств глин в поле­ вых условиях, понимая, что, собственно, происходит с грунтом, был, вероятно, А. М. Аттерберг. Его представления о причинах жидкообразного поведения пласта водонасыщенных глин при строительстве железной дороги на севере Швеции были опубликованы в немецком агрономическом журнале еще в 1908 г. Позже понятие тиксотропии было постепенно расширено и стало применяться ко всем системам, склонным к временному изменению своей консистенции при деформировании (Roeder, 1939).

Здесь под тиксотропией автором понимается физико-химическое явление, присущее коагуляционным дисперсным системам и выражающееся в полном или частичном разрушении структурных связей грунта под действием динамической нагрузки и последующем самопроизвольном их восстановлении (в состоянии по­ коя), протекающее при неизменных температуре и влажности. Условие постоянства влажности грунта означает, по сути, неизменность пористости системы при тик­ сотропных превращениях. Важным свойством тиксотропных систем является их полная обратимость —•восстановление прочности до исходного уровня независимо от количества циклов «разрушение-восстановление». Схематическая кривая кине­ тики этих превращений для чисто тиксотропной системы приведена на рис. 65, а и 66, б. Однако, в силу ряда причин, речь о которых пойдет ниже, природные связные грунты, как правило, не обладают этим важным свойством — их конечная прочность после завершения восстановления либо не достигает исходного уровня (рис. 65, б и 66, в)у либо превышает его (рис. 66, в). Поэтому корректнее гово­ рить о квазитиксотропности (Вознесенский и др., 1990) таких грунтов, принимая во внимание, что в основе их реакции на динамическую нагрузку лежат все же тик­ сотропные процессы, осложненные некоторыми специфическими особенностями.

Рис. 66. Кинетика восстановления прочности тиксотропной системы (а) и квазитиксотропных природных грунтов (б, в)

Квазитиксотропия как характерный механизм динамической неустойчивости слабых связных грунтов проявляется в форме их разупрочнения при неизменных объеме и влажности и может быть частичным или практически полным. В последнем случае происходит разжижение грунта, хотя и достаточно редко по сравнению с пес­ ками и слабосвязными грунтами, и чаще наблюдается в лабораторном эксперименте, чем в полевых условиях. Падение прочности и ее восстановление происходит только за счет сцепления, а угол внутреннего трения грунта не меняется (Seed, Chan, 1957).

Степень квазитиксотропности глинистых грунтов зависит от двух групп фак­ торов: 1) «внутренних» — характеризующих состав и состояние самого грун­ та и 2) «внешних» — характеризующих динамическое воздействие. Важнейшими «внутренними» факторами, определяющими пространственную плотность и проч­ ность преимущественно коагуляционной структурной сетки грунта, являются его влажность и физико-химическая активность, зависящая от химико-минерального состава, дисперсности, присутствия органического вещества и других особенностей и комплексно характеризуемая величиной удельной поверхности грунта.

Влияние влажности изучено достаточно подробно (Вознесенский и др., 1990). Ее увеличение ускоряет снижение прочности при динамическом воздействии,

азависимость величины относительного разупрочнения от влажности при опре­ деленном ее значении, обычно близком или несколько большем предела текуче­ сти, проходит через максимум. Это объясняется ослаблением структурных связей и увеличением подвижности частиц по мере утолщения их гидратных оболочек,

аотчасти — и уменьшением затухания колебаний в грунте при повышении его влажности до критического уровня, выше которого исходная прочность системы, находящейся уже в текучепластичной или даже скрытотекучей консистенции, рез­ ко падает, что и приводит к снижению относительного разупрочнения. Величина влажности максимального разупрочнения практически не зависит от параметров динамической нагрузки и определяется физико-химической активностью грунта.

Сведения, касающиеся влияния физико-химической активности твердой ком­ поненты увлажненных глинистых грунтов, разнородны и противоречивы. И это вполне закономерно — ведь она, в свою очередь, является функцией множества факторов: дисперсности и химико-минерального состава, кристаллического стро­ ения и формы частиц, сродства их поверхности к жидкой компоненте грунта,

присутствия коагулирующих и цементирующих веществ, наличия высокомолеку­ лярного органического вещества в адсорбированной или свободной форме, типа структурных связей и степени агрегированности. Наиболее удобной и, главное, экспериментально определяемой интегральной характеристикой физико-химичес­ кой активности грунта, учитывающей все эти факторы, является величина его удельной поверхности, П5. Ее значения резко изменяются_даже при небольшом изменении дисперсности системы, поэтому, оценивая тиксотропные свойства грун­ тов как функцию Qs, мы получаем единую «шкалу» для сравнения реакции разных по составу и генезису грунтов. Такие исследования до сих пор никем не прово­ дились, однако наши первые эксперименты (Вознесенский и др., 1995) показали перспективность такого подхода. Основываясь на полученных результатах (см. гл. 4), к квазитиксотропным системам можно отнести связные грунты с величиной удель­ ной поверхности более 30 м2/г. Мировой опыт изучения динамической реакции глинистых грунтов позволяет также сделать вывод о снижении вероятности их динамического разжижения с ростом дисперсности.

Наиболее важными «внешними» факторами, определяющими динамическую нагрузку, являются такие ее параметры, как амплитуда действующих напряжений, частота и продолжительность воздействия, характерные значения виброускорения, а также форма и спектральный состав волны нагружения.

Максимальное при данных параметрах динамической нагрузки разупрочнение грунта достигается после совершения над ним определенной работы, которая явля­ ется функцией времени. Установлено (Вознесенский и др., 1990), что этот интервал времени не превышает 5 мин для глинистых грунтов пластичной консистенции и снижается до 1-3 мин при испытаниях образцов текучепластичной или скрытотекучей консистенции (т. е. увеличение влажности ускоряет разрушение структурных связей грунта).

С увеличением силовых характеристик — амплитуды и виброускорения — воз­ растает энергия динамического воздействия на грунт, вызывая рост разупрочнения последнего, который, однако, является затухающим: ведь при определенных зна­ чениях этих параметров достигается критический уровень энергии воздействия. При этом разрушается большинство структурных связей, определяющих прочность грунта, и дальнейшее увеличение амплитуды напряжений и ускорения колебаний уже не может привести к сколько-нибудь заметному дополнительному разупроч­ нению. Энергия динамического воздействия расходуется в последующем только на поддержание достигнутого уровня разрушения и тепловые потери. Наиболь­ ший спад прочности наблюдается при виброускорениях до 0,5-0,7# (Вознесенский и др., 1990). Однако виброускорение не является независимым параметром дина­ мической нагрузки и, в свою очередь, зависит от амплитуды и частоты колебаний. Если виброускорение изменяется только за счет амплитуды при постоянной часто­ те, то справедливы приведенные выше рассуждения. Если же меняется и частота динамического воздействия, то характер рассмотренных зависимостей усложняется.

Надо сказать, что вопрос о влиянии частоты нагружения на динамическую реакцию дисперсных грунтов вообще и глинистых в особенности является од­ ним из наиболее неопределенных в современной динамике грунтов. Б. О. Хардин (Hardin, 1965) показал, что динамический модуль сдвига и коэффициент затухания песков не зависят от частоты нагружения. Его результаты впоследствии были под­ тверждены и другими исследователями (Wilson, 1985) при малых деформациях сдви­ га. Так, независимость жесткости и затухания сухих песков от частоты в диапазоне 0,001-120 Гц была доказана испытаниями на резонансной колонке при деформациях до 0,07% (Bolton, Wilson, 1989). И в настоящее время указанные динамические ха­ рактеристики несвязных грунтов считаются не зависящими от частоты воздействия. Однако заметное снижение резонансной частоты колебаний образцов (с ростом деформации сдвига даже при столь небольших ее абсолютных значениях все же происходит, и этот эффект необходимо учитывать при проектировании фундамен­ тов машин и других сооружений, работающих в условиях динамических нагрузок. Нельзя также не отметить, что, в соответствии с широко известной теорией Мориса Био (Biot, 1956, 1962а,b), механизм затухания волн напряжений в водонасыщенных песках принципиально различен в низкочастотном (обычно от долей до первых десятков герц), представляющем интерес с инженерной точки зрения, и высо­ кочастотном — сейсмоакустическом (обычно свыше 1кГц) диапазонах. В первом случае потери энергии обусловлены неупругим и нелинейно-упругим поведением скелета грунта, а во втором ведущую роль начинают играть вязкие потери в поровой жидкости при ее движении относительно проницаемого скелета (Stoll, 1978).

Влияние частоты на динамические свойства связных грунтов изучено хуже. Недавними детальными исследованиями в университете шт. Вашингтон (Кгашег et al., 1992) показано, что влияние частоты нагружения в диапазоне 0,008-15 Гц на параметры динамической жесткости и затухания глинистого грунта (использо­ вался ил из скважины на дне залива Сан-Франциско) невелико. Отмечено, однако, увеличение жесткости с ростом частоты изменения нагрузки, минимальные же значения затухания наблюдались при промежуточных частотах порядка 0,3—0,8 Гц. Аналогичный результат получила исследовательская группа в Техасском универси­ тете (Kim et al., 1991), отметив, однако, заметное усиление затухания (почти вдвое) при частотах выше 5 Гц. В свете дальнейшего изложения интересно заметить, что эти зависимости лучше выражены при малых деформациях сдвига — до 0,116%, в при увеличении величины последних до 1,5-2,5% уже практически отсутствуют. Затухание может также считаться не зависящим как от частоты, так и от дефор­ мации сдвига при их значениях, соответственно не превышающих 0,1 Гц и 0,001%.

Поэтому на практике и жесткость, и затухание связных грунтов также обычно принимаются независимыми от частоты нагружения.

Но для проблемы динамической неустойчивости грунтов гораздо важнее зависимость их прочности и скорости накопления деформаций при динамическом нагружении от частоты последнего. Можно утверждать, что такая зависимость существует. Скажем, для того же ила из залива Сан-Франциско увеличение частоты с 1 до 2 Гц существенно изменяет количество циклов воздействия, необходимых для разрушения образцов (Thiers, Seed, 1969).

Рассматривая деформации грунтов на склонах при сейсмическом воздействии и используя аналогию между произвольно выбранным элементарным объемом грун­ та и блоком, сдвигаемым по наклонной поверхности, когда еще до приложения динамической нагрузки на него действует касательное (так называемое «запертое») напряжение, Н. М. Ньюмарк (Newmark, 1965) получил, что величина деформации, накопленной при циклическом нагружении грунта, должна быть обратно пропорци­ ональна квадрату частоты воздействия. Его вывод был экспериментально подтвер­ жден в дренированных испытаниях песков на вибростоле при сейсмических частотах (Goodman, Seed, 1966). Д. Тиммерман (Timmerman, 1969) показал, что в отсутствие порового давления для сухих песков снижение частоты воздействия вызывает замет­ ное увеличение деформаций в первые 100-200 циклов нагружения, а после 1 000 ци­ клов величина накопленной грунтом деформации уже не зависит от частоты (во вся­ ком случае, в диапазоне 2,5-25 Гц). Увеличение скорости накопления деформаций с уменьшением частоты недренированного нагружения песков зафиксировано также (Baziar et al., 1990), а ранее была получена аналогичная зависимость для каолиновой глины в более широком низкочастотном диапазоне — от 0,01 до 4 Гц (Brewer, 1972).

Основная причина частотной зависимости реакции грунта — разная длитель­ ность фаз нагружения и разгрузки в цшсле воздействия при различной частоте: чем ниже частота нагружения, тем дольше максимальные динамические напряжения действуют на грунт в каждом цикле. Она анализируется подробнее в следующей главе на примере слабосвязных грунтов. Но эта причина не единственная. Осно­ вываясь на опубликованных данных и собственных экспериментальных результатах автора, можно указать еще пять частотно-зависимых эффектов, в той или иной мере определяющих влияние частоты воздействия на динамическую реакцию дисперс­ ных грунтов: 1) темпы диссипации порового давления, 2) рост энергии воздействия с частотой, 3) резонансные явления, 4) проявление ползучести и 5) тиксотропные явления. С инженерной точки зрения диапазон «низких» частот можно, в свою очередь, несколько условно разделить на сейсмические (от долей до первых герц) и вибрационные (обычно более 5 Гц) частоты, в которых относительная значимость указанных эффектов различна. Рассмотрим их подробнее.

Если частота воздействия невелика, а проницаемость грунта достаточна для полной диссипации избыточного порового давления в течение фазы разгрузки каждого цикла, снижения эффективных напряжений в грунте не будет. Это пример действия уже не динамической, а переменной статической нагрузки, что Может иметь место только в дренированных условиях, т. е. для относительно проницаемых песчаных и слабосвязных грунтов (см. рис. 81). Недренированные же испытания и песков, и глин даже с очень низкой частотой, например 1 цикл за 10 часов (что соответствует скорости осевой деформации порядка 0,0002%/мин) могут считаться динамическими (в соответствии с принятым здесь критерием динамической нагруз­ ки), т. к. налицо выраженное накопление избыточного поров'ого давления (Sangrey et al., 1969) и, следовательно — динамическое разрушению грунта при напряже­ ниях выше некоторого критического. Если же они недостаточно велики, то будет достигнуто равновесное состояние с формированием замкнутой петли гистерезиса.

длительном нагружении различия в поведении грунта на разных частотах увеличива­ ются — ведь за достаточно долгий цикл успевает восстановиться примерно одна и та же доля разрушенных контактов, и для поддержания достигнутого уровня деформа­ ции они должны быть снова разрушены в каждом следующем цикле воздействия. При повышении же частоты связи между частицами не успевают восстанавливаться, и деформации грунта растут почти линейно. Очевидно, что определяющее влияние на описанную частотную зависимость должна оказывать влажность грунта: при сни­ жении подвижности частиц по мере уменьшения коэффициента влажности от 0,95 до 0,70 (рис. 67, б) роль частичного тиксотропного восстановления в поведении грунта даже при крайне малых частотах становится неразличимой.

Принимая во внимание тот факт, что восстановление квазитиксотропных природных грунтов начинает проявляться примерно через 5 с после прекращения динамического воздействия (Вознесенский, 1985), описанный эффект частичного тиксотропного структурообразования может сказываться при частотах нагружения порядка 0,1 Гц и меньше, в том числе и на фоне избыточного порового давления. Кратковременный «отдых» грунта в недренированных условиях после некоторого количества циклов нагружения (что равносильно снижению частоты воздействия) приводит к заметному уменьшению амплитуды деформирования в нескольких следующих циклах (рис. 73, а и 74, а ) .

С увеличением периода нагрузки до значений, близких к периоду релаксации данного грунта, начнут заметно проявляться эффекты ползучести даже в недрени­ рованных условиях, а при отсутствии накопления порового давления — в дрени­ рованных условиях — специфика динамического нагружения вообще утрачивается, и поведение грунта определяется в основном ползучестью, идущей при цикличес­ кой нагрузке с переменной скоростью и максимальной при амплитудных значениях приложенных напряжений. Таким образом, прочность грунтов с выраженными тик­ сотропными свойствами в условиях переменных нагрузок весьма низких частот (повидимому, менее 0,01 Гц) должна при снижении частоты, с одной стороны, падать за счет эффектов ползучести, а с другой — возрастать за счет тиксотропного восста­ новления доли разрушенных связей. Последний эффект имеет определяющее влия­ ние на поведение грунтов, в которых тиксотропное структурообразование полностью не завершено, например, в свежеуложенных глинистых массах (рис. 68). Ползучесть в условиях циклического нагружения не следует смешивать с виброползучестью. Последняя подразумевает увеличение скорости процесса ползучести (объемной либо сдвиговой) при наложении дополнительной вибрационной нагрузки, приводящей к деградации прочности грунта (снижению порога ползучести) и ускорению его разрушения или уплотнения. Это распространенный случай динамической работы основания в условиях инерционной пригрузки сверху. Пример объемной виброползучести водонасыщенного глинистого грунта представлен на рис. 69.

Итак, частотная зависимость динамической реакции грунтов определяется длительностью фаз нагружения и разгрузки в каждом цикле воздействия. При этом влияние частоты на поведение чистых песков контролируется, в основном, темпа­ ми накопления либо диссипации порового давления. Поэтому в недренированных условиях скорость накопления деформаций с ростом частоты снижается, в дрени­ рованных же — снижается до некоторой критической частоты, значение которой зависит от относительной плотности и водопроницаемости грунта, а затем уве­ личивается в связи с резким снижением темпов рассеяния порового давления. Динамическую реакцию сухих и маловлажных песков можно считать не зави­ сящей от частоты нагрузки, кроме случая непродолжительного (малоциклового) воздействия на весьма рыхлые их разности.

Частотная зависимость динамической реакции глинистых грунтов осложнена эффектами супергармонического резонанса, частичного тиксотропного восстанов-

Рис. 68. Кинетика тиксотропного упрочнения глинистых грунтов, уплотненных ударной

Рис. 69. Кривые консолидации глубоководных глинисто-радиоляриевых илов рудного поля Кпарион-Клиппертон (северо-восток Тихого океана):

1 — в статических; 2 — в динамических условиях под инерционной нагрузкой 20 кПа (а) и 40кПа (б) в покое (по Е. А. Вознесенскому, А. Ю. Федотову, 1991)

ления и ползучести. Их совместное влияние приводит к тому, что прочность грунта обычно падает при снижении частоты в «сейсмической» области и при ее увеличении — в «вибрационной», где возможно еще и резонансное усиление разупрочнения. И чем выше влажность глинистого грунта, тем более выражено влияние частоты динамической нагрузки на его поведение.

Наиболее контрастно реагируют на изменение частоты воздействия слабо­ связные грунты, чувствительные ко всем рассмотренным частотным эффектам, что рассматривается подробно в следующей главе.

Все вышеприведенные рассуждения справедливы, естественно, только при од­ ной и той же амплитуде и форме волны напряжений. Для большинства же реальных динамических нагрузок амплитуда, как правило, заметно снижается с повышением частоты, и влияние обоих параметров на разупрочнение грунта должно анализи­ роваться совместно. Определенный эффект может оказывать также форма волны нагружения, что обусловлено разной продолжительностью фаз нагружения и раз­ грузки и различной крутизной цикла, т. е. разной скоростью нарастания и спада напряжений. Так, разупрочнение грунта будет при прочих равных условиях больше при П-образной волне нагружения, чем при синусоидальной, а при синусоидаль­ ной больше, чем в случае треугольной формы цикла. Экспериментально показано, например, усиление разупрочнения глинистых грунтов в условиях импульсной (Ъиброударной) нагрузки по сравнению с синусоидальной с теми же основными параметрами (Вознесенский, 1985).

Конечная прочность тиксотропной системы после завершения ее упрочне­ ния есть величина постоянная, не зависящая от характеристик действовавшей динамической нагрузки. Восстановленная же прочность квазитиксотропного грун­ та, напротив, является в какой-то мере функцией степени предшествовавшего разрушения их природной структуры и, следовательно, определяется интенсив­ ностью динамической нагрузки. При этом с ростом энергии воздействия ко­ нечная прочность снижается для грунтов, поведение которых характеризуется кривой б на рис. 66, и, как правило, немного увеличивается для случая, предста­ вленного кривой в. Причины этого станут ясны ниже после анализа энергетики происходящих при разупрочнении-восстановлении процессов.

Тиксотропность, по справедливому замечанию Д. Крайнина (Krynine, 1958), не является характерным свойством глин вообще. Они могут быть более или менее тиксотропны в зависимости от своей физико-химической активности в присутствии влаги и ряда других факторов. Так, длительность тиксотропного восстановления и упрочнения структурных связей, по данным разных авторов, значительно варьи­ руется для глин различного химико-минерального состава, дисперсности и влажно­ сти. По нашим данным (Вознесенский и др., 1990), для многих молодых суглинков и глин континентального генезиса с преобладанием иллита в составе глинистой фракции этот процесс заканчивается обычно в течение суток. К такому же выводу пришла И. М. Горькова (1964), считавшая, однако, что дальнейшее упрочнение грунта может иметь место, но сопровождается уже потерей влаги, и в таком случае невозможно строго разграничить его тиксотропное и синеретическое упрочнение.

упрочнение (без изменения влажности) уплотненных глин и суглинков может продолжаться более 28 суток (рис. 68). В наших экспериментах (Вознесенский, Фе­ дотов, 1991) зафиксировано квазитиксотропное упрочнение нелитифицировднных глинистых грунтов — глубоководных илов Тихого океана — в течение 6-7 су­ ток. Абсолютный рекорд длительности тиксотропного упрочнения установлен, повидимому, О. Моретто (Moretto, 1948). В его опытах прочность среднечувствительной глины с влажностью на пределе текучести продолжала возрастать в течение 610 суток после перемятия! Обобщение опубликованных данных разных авторов показывает, что многодневное и даже многомесячное тиксотропное упрочнение