книги / Механика грунтов

Для возникновения процесса коагуляции необходима неко­ торая минимальная концентрация электролита (для различных условий разная), называемая порогом коагуляции.

Механизм коагуляции (свертывания) грунтовых коллоидов и природа возникающих при этом внутренних связей весьма сложны и более подробно будут рассмотрены ниже.

Здесь мы отметим лишь, что существенную роль в формиро­ вании связности глинистых пород могут играть и коллоидные пленки кремнекислоты, образующиеся на поверхности силикат­ ных минералов (кварца, полевых шпатов, стекол и пр.), особен­ но находящихся в высокодисперсном состоянии1.

Экспериментальные исследования по физико-химии грунтов П. А. Ребиндера, Н. Я. Денисова, Б. Ф. Рельтова2 и др. под­ тверждают наличие цементационного сцепления между коллоид­ ными частицами, обусловленного пленками геля кремневой кис­ лоты, образовавшегося в результате гидролиза поверхностного слоя грунтовых частиц. Эти пленки имеют важное значение, обусловливая начальную прочность скоагулированных частиц, нарушение которой (возникновение трещин в пленках геля кремневой кислоты) делает возможным вторичное проявление адсорбционного эффекта Ребиндера, сопровождающегося рас­ клинивающим действием тонких пленок воды.

Рассмотренные явления играют весьма существенную роль в формировании структуры и текстуры природных грунтов.

§ 4. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИРОДНЫХ ГРУНТОВ

Основные понятия

Под с труктурой грунтов подразумевают обусловленное характером внутренних связей закономерное расположение раз­ личных по крупности и форме минеральных частиц или отдель­ ных агрегатов частиц, на которые грунты могут распадаться. Структура природных грунтов является важнейшим фактором, определяющим свойства грунтов, как оснований и среды для возведения сооружений, так как она в основном определяет сопротивляемость и деформируемость грунтов под действием внешних сил. При формировании структуры природных грунтов важное значение имеют электромолекулярные силы взаимодей-

ствия между минеральными частицами (что зависит от хими­ ческого состава частиц, их удельной поверхности и т. п.) и силы взаимодействия между частицами и водой, а также соотношение их с весом частиц. Свойства среды, в которой осаждаются ча­ стицы (пусть это воздух или вода, ее засоленность), существен­ но влияют на структуру образующихся минеральных осадков. При осаждении минеральных частиц в воде к ним присоеди­ няется значительное количество молекул воды, и для минераль­ ных частиц коллоидных размеров с большой активностью часто объем адсорбированной воды будет во много раз больше объ­ ема минеральной частицы, что обусловливает чрезвычайную рыхлость некоторых глинистых осадков, когда из всего объема грунта до 90% составляют поры, заполненные водой, и лишь около 10% — минеральные частицы.

Существенное значение при этом имеют как размеры, так форма и состав минеральных осадков коллоидных размеров (см. рис. 2, 3 и 8).

В формировании микроструктуры глинистых осадков боль­ шое значение имеет о с м о т и ч е с к и й э ффе к т , который обу­ словливает рыхлость осадков, так как при сближении гидратных оболочек на расстояние, меньшее, чем двойная толщина диффузного слоя, возникают силы отталкивания, уравновеши­ вающие внешнее давление, причем, чем большее будет сближе­ ние, тем силы отталкивания будут больше. Когда же сближение достигнет нескольких молекулярных слоев, начинают преобла­ дать силы непосредственного молекулярного взаимодействия между частицами, что способствует возникновению новых, более значительных связей. Кроме того, частицы, осевшие под углом

мятся быть параллельными между собой, для чего при вязком сопротивлении требуется известный промежуток времени.

В формировании структуры глинистых коллоидов существен­ ное значение имеет и э ф ф е к т с е д и м е н т а ц и и , т. е. выпа­ дения частиц в виде агрегатов со скоростью, зависящей от кон­ центрации в воде электролитов.

Виды структуры и текстуры грунтов

При свободном падении частиц, имеющих размеры песчаного зерна (более 0,05 мм), образуется простая з е р н и с т а я струк­ тура (рис. 6, а), в которой преобладают силы тяжести по срав­ нению с коллоидными (осмотическими) силами, в результате чего наблюдается наибольшее число контактов твердых частиц

с твердыми. Размер контактных площадок зависит от формы минеральных частиц, а возникающие в контактах электромолекулярные силы зависят от состояния поверхности частиц и ми­ нералогического их состава. Так как силы взаимодействия меж­ ду минеральными частицами намного меньше по сравнению с их весом, то частица падает свободно, скатываясь в углубле­ ния, и образует рыхлую з е р н и с т у ю структуру. Если грунт подвергнуть встряхиванию, то произойдет перемещение частиц,

При свободном падении частиц в воде в точках соприкасания они будут соединены адсорбированными пленками воды (на рис. 6 они не показаны). Если силы сцепления в точках сопри­ касания падающей частицы с ранее осевшими настолько значи­ тельны, что превзойдут силу веса частицы (при очень малых частицах), то оседающие частицы остаются там, где они вначале коснулись осадка, в результате чего структура становится с о т о ­ о б р а з н о й , или г у б ч а т о й (рис. 6, б). Если размер мине­ ральных частиц менее 1 мк (0,001 мм), то они уже будут обла­ дать свойствами коллоидных частиц и при погружении в воду долгое время будут находиться во взвешенном состоянии. Если в суспензию прибавить несколько капель электролита (СаСЬ или др.), то силы отталкивания между частицами уменьшают­ ся и частицы получают возможность сближаться. При столкно­ вении частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой. Подобным путем образуются сложные х л о п ь е в и д н ы е с т р у к т у р ы (рис. 6, в).

При полном диспергировании глинистого осадка, когда ми­ неральные частицы не слипаются в агрегаты, в зависимости от

На рис. 9, а изображен тип ленточной (слоистой) тек­ стуры глинистых ледниковых отложений, а на рис. 9, б показана

п о р ф и р о в а я (по Приклонскому — псевдопорфировая) тек­ стура обломочных отложений. В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный — глинистый) участвуют в общем сопротивлении грунта действию ■внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопрони­ цаемость, сопротивление сдвигу и упругость грунтов, будут за­ висеть главным образом от свойств мелкодисперсного мате­ риала, в который включены крупные обломки горных пород.

Ячеистая текстура (рис. 9, в) характерна для некоторых

видов засоленных, а также для дисперсных мерзлых грунтов, -промерзание которых происходило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направле­ ниях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд от­ дельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компонентов, составляющих грунт, например прослойками солей, льда и т. п., образуя подобие ячеек.

Наконец, слитной текстурой (рис. 9, г) обладают некото­

рые древние глины и илы, подвергавшиеся в геологическом про­ шлом значительным давлениям, а также некоторые разновидно­ сти лессов и лессовидных суглинков, недоуплотненных, но сце­ ментированных солями.

Структурные связи в грунтах

Внутренние связи в грунтах, обусловливающие в процессе формирования и последующего существования их структуру, носят название с труктурных связей. Прочность структуры природных грунтов, т. е. сопротивление перемещению частип при сдвиге и разрушению сформировавшейся структуры, зави­ сит от прочности структурных связей. Наличие структурных связей в грунтах, их жесткость, упругость, прочность и харак­ тер являются важными факторами, определяющими поведение грунтов под сооружениями и в грунтовых массивах.

Структурные связи или возникают при осаждении грунто­ вых частиц в воде, или образуются в последующем процессе диагенеза.

По времени возникновения структурные связи разделяются на первичные и в т о р и чн ые 1.

1 Н. Я. Д е н и с о в . О природе деформаций глинистых пород. Изд-во Министерства речного флота, 1951. Е г о ж е. Строительные свойства глини­ стых пород и их использование в гидротехническом строительстве. Госэнергиздат, 1956.

П е р в и ч н ы е связи обусловливаются молекулярными сила­ ми взаимодействия между минеральными частицами, а также между минеральными частицами и водой.

В т о р и ч н ы е связи возникают в результате старения кол­ лоидов, их перекристаллизации и процессов кристаллизации растворенных в грунтовой воде солей. Вторичные связи иногда называют (Н. Я. Денисов) с в я з я м и у п р о ч н е н и я . К этим связям принадлежат и все виды цементационных связей грун­ тов.

По своей п р и р о д е структурные связи разделяются на в о д н о-к о л л о и д н ы е и к р и с т а л л и з а ц и о н н ы е .

В о д н о-к о л л о и д н ы е с в я з и в грунтах являются эластич­ ными и вязко-пластичными. Величина этих связей может менять­ ся в довольно широких пределах: от весьма незначительных сил первичного сцепления, возникающего при осаждении минераль­ ных частиц в чистой воде, где только и возможно полное дис­ пергирование грунта, до значительных сил молекулярного сцеп­ ления при сжатии рыхлых осадков уплотняющим давлением значительной величины.

В последнем случае гидратные оболочки минеральных ча­ стиц становятся тоньше, в результате чего увеличивается эф­ фективность действия молекулярных сил. При уменьшении дав­ ления вследствие сил отталкивания происходит набухание грунтов с соответствующим уменьшением водно-коллоидных связей.

К р и с т а л л и з а ц и о н н ы е связи возникают в процессе по­ следующего диагенеза глинистых грунтов и обусловлены появ­ лением в местах контактов минеральных частиц цементирующих веществ, например п л е н о к г е л я к р е м н е в о й к и с л о т ы 1, а также выпадением из поровой воды солей железа, карбона­ тов кальция и магния и т. п. Оригинально поставленными опы­ тами2 было показано, что пленки геля кремневой кислоты образуются и на зернах чистого кварцевого песка, причем их наличие существенно влияет и на сопротивление сдвигу песка.

Цементация грунтовых частиц различными веществами, в том числе и малыми дозами геля кремневой кислоты, создает кристаллизационные связи, являющиеся ж е с т к и м и связями грунтов, которые могут быть нарушены лишь при определен­ ной величине перемещений твердых частиц. При появлении в

большем прочности кристаллизационных связей и т. п.) возникает вторичная адсорбция водных молекул, сопровождающаяся расклинивающим действием диффузного слоя.

Важно отметить, что цементационные связи, будучи нару­ шенными, не восстанавливаются, тогда как водно-коллоидные, хотя и меняются под влиянием внешних условий, но по природе своей не подвержены резким нарушениям.

Таким образом, грунты по характеру их связей могут быть с водно-коллоидными вязко-пластичными связями, с жесткими цементационными связями и несвязные грунты (без структур ных связей).

Длянекоторых видов грунтов структурные связи и их устой чивость под влияниехМ внешних воздействий приобретают перво­ степенное значение, что и будет показано ниже.

§ 5. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГРУНТОВ

Некоторые общие определения

Составные элементы грунтов при их взаимодействии, как по казано ранее, в условиях природного залегания образуют весь­ ма сложную структуру, что вызывает необходимость в боль­ шинстве случаев изучать свойства грунтов или в полевых усло­ виях, или на образцах с ненарушенной (естественной) струк­ турой. Только при исследовании грунтов как материала для насыпных земляных сооружений необходимы также испытания образцов грунта с нарушенной структурой.

Образцы грунтов ненарушенной структуры берут в шурфах с помощью стального тонкостенного режущего кольца, а в сква­ жинах с помощью специального прибора, носящего название грунтоноса. Грунтоносы особенно успешно применяются в глинистых грунтах, не содержащих включений крупного гравия, гальки или валунов.

Наиболее совершенными на основании многолетней практи­ ки применения в различных странах являются весьма тонко­ стенные грунтоносы из высококачественных стальных цельно тянутых труб с внутренним диаметром 50—76 мм (2—3"), а

иногда и большим, задавливаемых (но не забиваемых) в грунт на требуемую глубину. Длина отбираемых монолитов обычно бывает от 30 до 60 см и даже до 120 см. На рис. 10 изображен

в деталях грунтонос с гидравлическим залавливающим устрой ством, разработанный по предложению инженеров Е. Г. Куна кова и В. А. Федорычева в институте Фундаментпроект и при меняемый для отбора проб грунта с ненарушенной структурой

следовании грунтов, базируясь на научно обоснованных спосо­ бах испытания.

При изучении физических свойств грунтов следует различать характеристики, позволяющие охарактеризовать физическое со­ стояние грунтов и их классифицировать и дающие оценку пове­ дения грунта под действием внешних сил. К первым относятся: коэффициент пористости, коэффициент влагонасыщенности, от­ носительная плотность и пределы консистенции (густоты); ко вторым — коэффициент сжимаемости, коэффициент водопрони­ цаемости, коэффициент внутреннего трения и модули деформи­ руемости.

Как указывалось выше, основным отличием грунтов как рыхлых горных пород от тел сплошных является то, что твер­ дые частицы в них не образуют сплошной массы, а занимают лишь часть объема грунта, т. е. грунты обладают той или иной пористостью, причем прочность связей между отдельными части­ цами значительно меньше прочности материала самих частиц. Поэтому важнейшей физической характеристикой грунтов как дисперсных тел является их пористость.

В природных грунтах всегда содержится то или иное коли­ чество воды, которое оказывает огромное влияние на взаимо­ связь минеральных частиц. Поэтому второй важнейшей харак­ теристикой физических свойств грунтов будет их влажность.

Как пористость, так и влажность грунтов зачастую необхо­ димо определять не в абсолютных величинах, так как для раз­ личных грунтов они будут меняться в широких пределах, не характеризуя степени раздробленности и увлажненности грун­ тов, а в относительных, например по отношению к объему твердых частиц или как долю заполнения объема пор водой. Для вычисления этих характеристик и производных от них вели­ чин предварительно опытным путем для образцов грунта есте­ ственной ненарушенной структуры должны быть найдены три основных фи з иче с ких показ ате ля:

у— объемный вес грунта естественной ненарушенной структуры;

уу— удельный вес твердых частиц грунта;

хю— весовая влажность грунта естественной структуры1.

Для определения объемного веса у грунта, как указывалось

ранее, берутся пробы при помощи специальных грунтоносов. Влажность грунта определяется взвешиванием образца в есте­ ственном состоянии и после высушивания при 105°С до постоян-

1 Для облегчения пользования иностранной литературой по механике грунтов нами в настоящем издании книги почти полностью приняты обо­ значения, рекомендованные Международным обществом механики грунтов

ифундаментостроения.