Дилатантно-тиксотропные явления в слабосвязных грунтах

7.1. Феноменология динамической неустойчивости слабосвязных грунтов

Уже вскоре после начала изучения тиксотропии в горных породах возникло понимание того, что это явление должно быть в какой-то мере свойственно не только глинам и суглинкам, но и существенно менее дисперсным системам. Первым обратил на это внимание, вероятно, П. Босвелл: «...даже небольшое количество глинистых частиц придает дилатантному песку тиксотропные свойства» (Boswell, 1949). Того же мнения придерживался и Е. Аккерман (1958), считавший, что «бедные глиной» мелкозернистые пески могут обладать слабой тиксотропией. А Б. М. Гуменский (1961) считал достаточным для проявления дисперсным грунтом тиксотропии хотя бы в самой слабой степени присутствие 1,5-2% глинистых частиц.

Таким образом, в природе существует достаточно обширная группа грун­ тов, по гранулометрическому составу отвечающая диапазону от пылеватых песков и супесей до легких суглинков (в том числе и малопластичные субаквальные отложения — илы (Houston, Herrmann, 1980), золы уноса и гидроудаления (Возне­ сенский, Берлина, 1993) и некоторые другие техногенные грунты), промежуточная по многим своим свойствам между несвязными, проявляющими динамическую дилатансию, и связными — квазитиксотропными грунтами. В. И. Осипов (1988) вслед за Е. Аккерманом называет их «переходными». Более удачным названием, в смысле обобщающей характеристики их поведения, нам представляется термин «слабосвязные грунты», которым мы и будем пользоваться в дальнейшем. Обобщая имеющийся материал разных авторов, можно выделить следующие особенности динамической реакции слабосвязных грунтов.

1. Резкая потеря прочности даже при незначительной интенсивности дина­ мического воздействия, выражающаяся в быстром разжижении водонасыщенных разностей. Это обусловлено особенностями их смешанной по своему типу струк­ туры — кулоновское трение меньше, чем в чистом песке, а коагуляционная сетка чрезвычайно слабая и, вероятнее всего, прерывистая. Относительно низкая проницаемость затрудняет диссипацию порового давления и облегчает быстрое разжижение грунта. Так, разжижение пылевато-глинистых отложений имело место при землетрясениях 1981 г. в Калифорнии и 1987 г. в Японии (Ishihara et al., 1992). Но в настоящее время вероятность разжижения слабосвязных грунтов оценивается с меньшей надежностью, чем для чистых песков. Известно (Seed et al., 1984), что с повышением количества тонких частиц (в зарубежной литературе это соотвествует частицам мельче 0,074 мм) при их содержании более 5%, потенциал разжижения грунтов отчетливо снижается (т. е. вероятность разжижения возрастает). В согласии с этим находятся и данные о снижении динамической прочности супесей с ростом концентрации глинистых частиц до 10% и повышении вероятности их разжижения с увеличением числа пластичности в интервале от 1,7 до 3,4 (Prakash, Sandoval, 1992). А динамическая деформируемость таких грунтов повышается и при дальнейшем росте содержания глинистой компоненты (Sandoval, 1989).

2. Постепенное и очень медленное увеличение прочности после прекращения динамического воздействия складывается из двух процессов: слабого уплотнения

• а

Рис. 71. Кинетика упрочнения слабосвязных грунтов слоя сезонного оттаивания полуострова Ямал (mQjj,) после вибрации:

I — супесь при W = 32% (а) и песок пылеватый при W = 19% (б); II — песок пылеватый (а) и супесь (б) при W = 28%; горизонтальными линиями показан средний уровень начальной прочности грунтов

(отрицательной дилатансии) грунта (для водонасыщенных разностей — с отдачей влаги) и упрочнения коагуляционной структурной сетки, имеющего тиксотроп­ ную природу. Длительность этих процессов различна — уплотнение тормозится низкой фильтрационной способностью и определяется скоростью диссипации порового давления, а тиксотропное упрочнение завершается в течение нескольких часов, максимум — одних суток. В первые несколько минут процесс идет весьма неравномерно (рис. 71), что связывается нами с продолжающейся миграцией влаги.

Обобщенная кривая кинетики упрочнения слабосвязного грунта приведена на рис. 72. При этом можно выделить и измерить четыре характерных значе­ ния недренированной прочности грунта s : 1) SQ — начальное (до динамического нагружения), 2) sd — минимальное (при предельном разрушении структурных свя­ зей), но оно является, вообще говоря, неопределенной — ведь уплотнение идет

Рис. 72. Обобщенная кривая кинетики разупрочнения неводонасыщенного слабосвязного грунта при динамическом нагружении и последующего восстановления его прочности в покое

параллельно с разрушением структурных связей; 3) sc — прочность на момент завершения процесса уплотнения, но при разжижении тиксотропное структурообразование может проявляться и до полной диссипации порового давления, и его поэтому сложно отделить от эффекта уплотнения; 4) sr — максимальное значение, достигнутое по завершении тиксотропного упрочнения. В слабосвязном грунте уве­ личение его прочности за счет уплотнения при вибрации обычно выражено крайне слабо лишь при G = 0,25-0,35, а в остальных случаях, наоборот, наблюдается разупрочнение образцов, при G = 0,7-1,0 достигающее 20-25% (sc < s0) (Возне­ сенский и др., 1995). Эта обычная для слабосвязных грунтов реакция обусловлена совместным эффектом отрицательной динамической дилатансии и тиксотропно­ го разрушения структурных связей коагуляционного типа. Одновременность этих процессов отчетливо прослеживается в трехосных динамических испытаниях водо­ насыщенных образцов (рис. 73, 74). В обоих случаях в первых же одном-двух циклах нагружения отмечается очень быстрый — практически скачкообразный — рост по­ рового давления примерно до 20кПа (при а\с = 50 кПа), однозначно указывающий на стремление системы к уплотнению. Разупрочнение суглинка выражается весьма интенсивным, почти линейным ростом осевой деформации — уже к 4-5-у циклам она превышает 2,5% (общепринятый критерий «начального разжижения» грунта) при значительной амплитуде деформации. Разупрочнение является тиксотропным: после 15-минутного перерыва в нагружении (в недренированных условиях) (21-й и 42-й циклы на рис. 73, я, 22-й цикл на рис. 74, а) амплитуда деформации спадает вдвое в результате тиксотропного упрочнения грунта за время «отдыха». Постепенно, за 8-9 циклов, амплитуда деформирования достигает прежних значений.

Доказано, что упрочнение происходит на фоне нерассеивающегося высо­ кого порового давления. Это свидетельствует об одновременности дилатантных и тиксотропных эффектов в слабосвязном грунте. Таким образом, в водонасыщен­ ных грунтах процессы уплотнения и упрочнения коагуляционных связей и после

а

Рис. 73. Изменение осевой деформации (а) и порового давления (б) в функции числа циклов нагружения при недренированных испытаниях водонасыщенного среднего суглинка (Кс =1,05; агс = 50 кПа; / = 0,43 Гц)

прекращения воздействия накладываются друг на друга, а поэтому их относительное влияние на общее изменение прочности не может оцениваться раздельно. Показа­ но (Вознесенский и др., 1995), что тиксотропное упрочнение неводонасыщецНого слабосвязного грунта начинает проявляться лишь при коэффициенте влажности G > 0,5 (рис. 75). Способность грунта к упрочнению (назовем ее тиксотропным потенциалом) постепенно повышается с ростом влажности в интервале G = 0,5—о 9, отражая увеличение подвижности частиц, их возможности к переориентации, пе­ реупаковке и установлению коагуляционных контактов по энергетически наиболее

а

Рис. 74. Изменение осевой деформации (а) и порового давления (6) в функции числа циклов нагружения при недренированных испытаниях водонасыщенного среднего суглинка (Кс =1,05; (Тзс = 50 кПа; / = 0,28 Гц)

выгодным участкам своей поверхности. Средние значения коэффициента упрочне­ ния (kr = sr/s c) при этом плавно растут от 1,15 до 1,60. При полном водонасыщении отмечается резкий скачок kr до 2,60, но этот кажущийся скачок и связан с совмест­ ным эффектом и уплотнения, и собственно упрочнения, что уже обсуждалось выше.

3. В связи с низкой гидрофильностью слабосвязных грунтов их динамическая реакция чрезвычайно зависима даже от небольших изменений влажности, и при раз­ ных ее значениях эти системы могут, в принципе, проявлять как положительную,

а

б

Рис. 76. Зависимость разупрочнения золы гидроудаления ТЭЦ (г. Иркутск) от ее влажности: а — при импульсной вибрации ( / = 40 Гц, А —0,5 мм); б — при синусоидальной вибрации (/ = 25 Гц, А = 2 мм) (по Е. А. Вознесенскому, Э. С. Бердиной, 1993)

(верхнеплейстоценовые морские отложения сезонноталого слоя с п-ова Ямал) в уз­ ком диапазоне 1,2-1,4. Это поведение интерпретируется нами как проявление супер­ гармонического резонанса в связанной нелинейной колебательной системе частиц разной дисперсности (Voznesensky et al., 1994). Весьма низкие суперрезонансные час-

/,Гц

Рис. 77. Зависимость разупрочнения слабосвязных грунтов слоя сезонного оттаивания полуострова Ямал от частоты гармонической вибрации:

а — супесь при W = 29% (1) и 32% (2); б, в — пески пылеватые при W = 14% (1) и 19% (2)

тоты обусловлены снижением собственных частот колебаний грунта как совокупно­ сти частиц («внутренних собственных частот») и объясняются существенным умень­ шением жесткости системы, во-первых, в связи с присутствием некоторого количе­ ства жидкой фазы на межчастичных контактах, повышающего их податливость — вязкое понижение жесткости; и во-вторых, связанностью колебательной системы.

а

Рис. 80. Изменение осевой деформации (а) и порового давления (б) в функции числа циклов нагружения при дренированных испытаниях водонасыщенного среднего суглинка (Кс = 1,00; г* = 50 кПа; / = 0,46 Гц)

грунтов выражается в двух обычно взаимосвязанных явлениях. Во-первых, при дина­ мических (особенно сейсмических) воздействиях на увлажненные лессовые грунты в них может произойти дополнительное уплотнение, в том числе и после завершения просадочного процесса в статических условиях, которое обычно именуется сейсмо­ просадкой. По аналогии можно говорить и о вибропросадках. Вторым аспектом поведения увлажненных лессовых грунтов при динамическом воздействии является разупрочнение, которое, как и для других типов связных грунтов, в значительной мере связывается с их тиксотропными свойствами.

а

25

20 -

Рис. 81. Изменение осевой деформации (а) и порового давления (б) в функции числа циклов нагружения при дренированных испытаниях водонасыщенного среднего суглинка (Кс = 1,00; (Tic —50 кПа; / = 0,05 Гц)

Явление сейсмопросадки изучено слабо. А. А. Мусаэлян с соавторами (1964) на водонасыщенных лессовых грунтах Южно-Таджикской депрессии при колеба­ ниях с частотами 0,5-5 Гц в интервале нагрузок до 6 МПа (расчет действующих динамических напряжений, которые должны быть весьма велики, не приведен) получили дополнительную деформацию всего 1- 2%, но при этом имеет место также примерно двукратное снижение прочности грунта. В полевых испытаниях предварительно замоченные лессовые грунты проявляли доуплотнение на 20-80 мм при динамическом воздействии интенсивностью около 8 баллов (по 12-балльной шкале) после завершения осадок в статических условиях (50-350 мм). А С. Сайфиддинов (1987) для увлажненных лессовидных грунтов Ташкента и Ташкентской

области получил величины сейсмопросадки, в 2-3 раза превышающие просадку в статических условиях.

Наши исследования поведения лессовых грунтов района г. Оби-Гарм (вбли­ зи Рогунского гидроузла в Таджикистане) показали, что при любой влажности в отсутствии дополнительной пригрузки уплотнения образца в процессе вибрации не происходит. Но уже при нагрузках не более 0,05 МПа возможна вибропросадка слабопросадочного лессовидного суглинка, в 2- 3,5 раза превышающая просадку в статических условиях — при повышении влажности грунта до предела текуче­ сти. Получено также, что способность исследованных грунтов к разупрочнению при вибрации резко снижается после завершения просадочных деформаций уже при природном давлении и практически исчезает при нагрузках до 0,3 МПа.

Таким образом, проявление вибропросадок под дополнительной нагрузкой может быть объяснено только тесной связью с эффектом динамического разупроч­ нения — появлением возможности более плотной упаковки частиц на фоне некото­ рого разрушения структурных связей грунта динамической нагрузкой. Совместное

ивзаимосвязанное проявление вибропросадок и разупрочнения существенно за­ трудняет анализ реакции лессовых грунтов на динамическое воздействие, поскольку увеличение кулоновского трения при доуплотнении породы скрадывает эффект собственно ее разупрочнения относительно исходной более рыхлой структуры. Тем не менее проведенные рядом авторов исследования позволяют выделить еще не­ которые особенности динамической реакции лессовых грунтов, свидетельствующие об их дилатантно-тиксотропной природе.

1.Наиболее яркой особенностью увлажненных лессовых грунтов является чрезвычайно резкое (в 2-3 раза) скачкообразное падение прочности при увеличе­ нии их влажности всего на 1-3% вблизи некоторого критического ее значения, обычно близкого к пределу текучести. Феноменологически это выражается как ди­ намическое разжижение при длительно сохраняющемся 100%-м поровом давлении

иприводит, в частности, к катастрофическим сейсмогенным оползням течения. Такое поведение связывается нами, во-первых, с определяющей ролью свободной

воды в возникновении лавинообразного разрушения структурных связей грунта; во-вторых, с низкой суммарной площадью его межчастичных контактов смешанно­ го типа при высокой начальной пористости, и в-третьих, с относительно низкой водопроницаемостью, замедляющей диссипацию порового давления.

2. При докритических значениях влажности разупрочнение, как правило, не­ велико — потери прочности обычно не превышают 15-20%, а часто и того меньше. В целом зависимость коэффициента разупрочнения Кр = so/sc (см. рис. 72) от влаж­ ности имеет, как правило, экстремальный характер, т. е. относительное снижение прочности максимально при некоторой определенной влажности и уменьшается при изменении последней в ту или другую сторону. Обобщая наш эксперименталь­ ный материал, можно привести три различных типа этой зависимости.

В первом случае (рис. 82, кривая I, и рис. 83) указанный максимум на кри­ вой Kp(W) выражен очень слабо вблизи влажности верхнего предела пластичности, и можно выделить три интервала влажности лессового грунта, в которых его реак­ ция на динамическую нагрузку заметным образом различается (сравните с рис. 76). При влажности, меньшей нижнего предела пластичности, отмечается не разупроч­ нение, а даже некоторое повышение прочности в процессе динамического воздей­ ствия. Это вызвано, с одной стороны, некоторым динамическим уплотнением грун­ та, которое облегчается с увеличением количества влаги, а особенно с появлением слабосвязанной воды. Но, с другой стороны, влажность на этой стадии еще недо­ статочно велика для обеспечения лавинообразного разрушения структурных связей, поэтому разупрочнение выражено слабо, и его эффект затушевывается уплотнением.

По мере повышения влажности упрочнение за счет уплотнения перестает проявлять­ ся, и при влажности примерно на 1—2% меньшей предела раскатывания лессовый грунт проявляет отчетливое разупрочнение при динамическом нагружении, дости­ гающее максимальных значений (50—60%) вблизи предела текучести. Это связано с ослаблением контактных взаимодействий при максимальной толщине гидратных пленок осмотической воды, а также с появлением свободной влаги, включая и ту часть слабосвязанной и иммобилизованной воды, которая переходит в свободное со­ стояние под действием вибрации, облегчая разрушение структурных связей грунта. Наконец, при дальнейшем увеличении влажности в область текучей консистенции,

В результате наблюдается заметное снижение относительного разупрочнения грунта за счет уменьшения его исходной прочности с ростом влажности.

Второй тип динамической реакции лессового грунта на динамическую нагрузку в целом чрезвычайно схож с первым, однако отличается (рис. 82, кривая II) (а) бо­ лее отчетливым максимумом разупрочнения при влажности, несколько большей предела текучести — коэффициент разупрочнения достигает 5 (что означает потерю прочности порядка 80%), и (б) менее резко выраженным снижением разупрочнения (до 2,2-2,3) при дальнейшем росте влажности грунта.

Третий тип реакции представлен на рис. 82 (кривая III). Для таких лессовых грунтов также характерно начало проявления разупрочнения вблизи предела раска­ тывания, однако динамическое уплотнение при еще меньших влажностях не реги­ стрируется. Оно начинает проявляться (в форме слабых вибропросадок) в области мягкопластичной консистенции, что приводит к некоторому повышению прочности грунта при вибрации. Этот эффект выражен наиболее отчетливо при влажности около 0,8WL, однако упрочнение невелико, как правило, не превышает 5-10% на­ чальной прочности образца. Но уже при влажности, равной или несколько большей предела текучести, уплотнение сменяется резким разупрочнением, приводящим обычно к разжижению грунта.

Очевидно, что лессовые грунты, демонстрирующие такое поведение, обладают, во-первых, более прочными структурными связями, и во-вторых, меньшей вибропросадочностью. Сколько-нибудь выраженное динамическое уплотнение начинает проявляться только при влажностях, больших первой критической, находящейся уже в области пластичной консистенции. Разжижение же грунта при W « указывает на то, что даже небольшое (первые проценты) уплотнение приводит к его полному водонасыщению (G = 1) и скачкообразному достижению 100%-го

порового давления.

Таким образом, лессовые грунты с первым и вторым типами зависимости дина­ мической реакции от влажности более чувствительны как к изменению количества влаги, так и к самой динамической нагрузке. Они, как правило, имеют практи­ чески вдвое меньшую естественную влажность (6—10 против 11—20% для грунтов третьего типа), существенно более низкие показатели пластичности (нижний пре­ дел 18-21, верхний 24-27% против соответственно 21-26 и 33-43% для лессовых грунтов 3-го типа), а также несколько большую относительную просадочность как под природной (0,04-0,07 против 0,02-0,06 для лессовых грунтов 3-го типа), так и под дополнительной нагрузкой (от 0,08 до 0,13 против соответственно 0,03—0,12).

Все это, безусловно, связано с минеральным составом и дисперсностью и, следовательно, определяется генезисом разных лессовых грунтов. Однако среди опи­ санных трех типов трудно выделить даже преобладающие генетические типы отло­ жений, а также контрастные различия химико-минерального и гранулометрического составов. Но в грунтах 1-го и 2-го типов выше степень агрегированности глинистых

В большей степени уплотнение выражено для наименее дисперсных разностей;

Рис. 85. Тиксотропное упрочнение слабосвязных грунтов в функции их удельной поверх­

в соотношении соответственно 98 : 2% (Cts = 10,1 м2/г), 96,5 : 3,5% (Г25 = 15,6 м2/г), 95 : 5% (П3 = 27,9 м2/г) и 92 : 8% ( а = 37,9 м2/г)

демонстрирующих дилатантно-тиксотропное поведение, целесообразно определить через характерные величины П3. В этом случае мы получаем единую «шкалу» для сравнения реакции разных по составу и генезису грунтов.

На рис. 85 представлен тиксотропный потенциал нескольких грунтов как функция их удельной поверхности. В чистом песке (П5 = 0,2 м2/г) никакого тиксотропного упрочнения, как и следовало ожидать, не наблюдалось (A:r = 1). Но уже при 2%-й добавке монтмориллонитовых частиц мельче 5 мкм (П5 = 10,1 м2/г) прочность образца в ходе упрочнения повышается в среднем на 17% (кГ = 1,17). При увеличении глинистой компоненты до 5% (П* = 27,9 м2/г) наблюдается даль­ нейший рост тиксотропного потенциала (кг= 1,40-1,65), а затем его неожиданное снижение (А;г = 1,20) для 8%-й примеси глины (Па = 37,9 м2/г). Однако при внима­ тельном анализе этот эффект становится лишь кажущимся, поскольку существенно разная гидрофильность рассматриваемых грунтов, определяемая исключительно содержанием глинистой компоненты, подразумевает разное соотношение между различными видами связанной воды при одинаковой влажности: при одной и той же степени увлажнения толщина гидратной пленки уменьшается с увеличением количества глинистых частиц. Это изменяет межчастичное взаимодействие и созда­ ет неодинаковые условия для тиксотропных превращений, в частности, приводит к кажущемуся снижению тиксотропного потенциала грунта.

Поэтому для получения сравнимых данных было проведено нормирование экс­ периментальных величин кг по показателю гидрофильности грунтов bw = Wi/W2%, где Wi — содержание прочносвязанной воды в данном образце при p/ps = 0,629 в условиях t = 18° С и атмосферном давлении, а И^% — содержание прочносвя­

в котором можно выделить члены, характеризующие процессы как в тиксотроп­ ных (1), так и в дилатантных (2) системах.

Пониженная энергоемкость разрушения структуры слабосвязных грунтов (Еа) обусловлена, с одной стороны, существенно меньшим количеством межчастичных контактов (прежде всего, коагуляционных) в единице их объема по сравнению со связными грунтами, а с другой — с меньшей инерционностью частиц и микро­ агрегатов по сравнению с зернами чистых песков — т. е. эти системы изначально более «подвижны». С этим связана и возможность супергармонического резонанса в слабосвязных грунтах. Следует также заметить, что при относительно небольшой влажности таких грунтов, когда теоретически и возможно их динамическое ра­ зуплотнение, оно, как правило, не проявляется из-за связности системы. Поэтому положительную дилатансию для слабосвязных грунтов можно считать маловероят­ ной, а разжижение на фоне некоторого уплотнения при высокой степени увлаж­ нения — типичным проявлением их динамической неустойчивости. Уравнение энергетического баланса для последнего случая имеет вид:

то после прекращения воздействия (Ed = 0) в процессе восстановления прочность новой структуры может возрасти на величину A K pj — за счет увеличения общей площади межчастичных контактов при уплотнении:

(56а)

т. е. выделяющаяся при разрушении потенциальная энергия переходит в итоге в поверхностную и расходуется на образование новых связей.

Итак, энергетический критерий динамической неустойчивости одинаков для всех групп дисперсных грунтов, и накопление избыточной внутренней энергии во всех случаях идет в форме кинетической энергии их частиц. Различия меж­ ду дилатантными, квазитиксотропными и дилатантно-тиксотропными процессами выражаются в последующих превращениях разных форм энергии. Другими слова­ ми, феноменология динамической неустойчивости дисперсных грунтов отчетливо связана с энергетикой процесса.