Физико-механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок. В общем случае поведение грунта под нагрузкой складывается из трех последовательно идущих и часто взаимно накладывающихся процессов: а) обратимого или упругого деформирования, состоящего из условно-мгновенной части и упругого последействия — У; б) пластического деформирования — П; в) разрушения — Р.
- Основные понятия
- Деформационные свойства скальных грунтов
- Деформационные свойства дисперсных грунтов
- Сжимаемость крупнообломочных и песчаных грунтов
- Сжимаемость глинистых грунтов
- Просадочность лёссовых пород
- Понятие о консолидации дисперсных грунтов
- Сопротивление грунтов одноосному сжатию и разрыву
- Сопротивление скальных грунтов одноосному сжатию
- Сопротивление глинистых грунтов одноосному сжатию
- Сопротивление грунтов разрыву
- Сопротивление грунтов сдвигу
- Сопротивление сдвигу скальных грунтов
- Сопротивление сдвигу несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов
- Угол естественного откоса
- Сопротивление сдвигу связных глинистых и лессовых грунтов
- Реологические свойства грунтов
Основные понятия
Физико-механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок. В общем случае поведение грунта под нагрузкой складывается из трех последовательно идущих и часто взаимно накладывающихся процессов: а) обратимого или упругого деформирования, состоящего из условно-мгновенной части и упругого последействия — У; б) пластического деформирования — П; в) разрушения — Р.
Состояние грунта при переходах У>Р (хрупкое разрушение), У>П (наступление пластической деформации) и П>Р (пластическое разрушение) называется критическим или предельным. Знание поведения грунта на каждой стадии деформации, а также условий перехода от одной стадии деформации к другой имеет большое практическое значение, так как позволяет предсказывать поведение грунта при действии давления от сооружения.
Физико-механические свойства грунтов подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.
Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические и, следовательно, не приводящими к разрушению. Эти свойства можно выразить двумя парами показателей: либо модулем деформации и коэффициентом Пуассона, либо модулями сдвига и объемного сжатия.
Деформационные свойства грунтов определяются в условиях, моделирующих работу грунта в сооружении. Наиболее часто деформационные свойства грунтов определяются при статическом нагружении. Однако для дорожного и антисейсмического строительства изучение деформационных свойств грунтов производится также при действии вибрации, переменных нагрузок и т. д.
Грунт под нагрузкой может деформироваться при свободном расширении, ограниченном боковом или без бокового расширения. Первое условие реализуется при одноосном сжатии образцов, второе — при испытании в приборах трехосного сжатия и методом пробных нагрузок, третье — при компрессии.
Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Сдвиг и разрыв — два основных механизма потери прочности телом. Сдвиг происходит под действием касательных сил; при сдвиге одна часть тела перемещается относительно другой. Разрыв тела происходит под действием нормальных растягивающих, сил и морфологически выражается в виде трещин и отделении одной части тела от другой.
Основным показателем прочности грунтов является их сопротивление сдвигу; сопротивление разрыву определяется значительно реже. В практике инженерно-геологических изысканий часто определяют сопротивление грунтов одноосному сжатию.
Потеря прочности массива грунта может произойти в результате пластических деформаций, напоминающих течение вязких жидкостей. Поэтому грунты характеризуются также вязкостью, позволяющей оценивать величину пластических деформаций при данном силовом воздействии на протяжении длительного времени. Примером таких медленных деформаций являются вековые осадки и наклон сооружений, перемещение подпорных сооружений, оползни, развитие оседания земной поверхности при строительстве тоннелей, появление горного давления в подземных сооружениях и др. Образование складчатости и изгиб пластов горных пород также результат их течения при длительном действии сил.
Протекание деформаций различных тел во времени под действием приложенных к ним сил изучает реология (от греческого слова рео — течь). Отсюда реологическими свойствами являются свойства грунтов, характеризующие их поведение под давлением во времени.
Реологические свойства проявляются в виде релаксации напряжений (падение напряжения при неизменной деформации) и деформации ползучести (рост деформации при постоянном напряжении), в результате которой прочность грунта изменяется во времени (длительная прочность) и происходит его разрушение.
Деформационные свойства скальных грунтов
Для характеристики деформационных свойств грунтов используются: модуль деформации E (модуль упругости Еу и модуль общей деформации Еобщ), коэффициент поперечного расширения р., модуль сдвига G и модуль объемного сжатия К.
Показатели деформационных свойств в пределах справедливости закона Гука связаны определенными зависимостями, которые позволяют по двум любым показателям определять остальные.
Модуль упругости Eу равен отношению напряжения при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации.
Модуль общей деформации Еобщ равен отношению напряжения при одноосном сжатии к общей относительной деформации.
Очевидно, что Еобщ < Eу. Для линейно-деформируемых материалов модуль упругости равен модулю деформации и не зависит от напряжения, т. е. является величиной постоянной. Но для большинства горных пород модуль упругости и модуль общей деформации являются переменными показателями, зависящими от величины и продолжительности действия давления.
В зависимости от продолжительности давления на грунт различают: модуль динамической упругости Ел, модуль статической упругости Eд и модуль общей деформации Еобщ. Между этими модулями существует такое соотношение:
Eд > Eу > Еобщ
Разница между статическим модулем упругости и модулем общей деформации зависит от вида породы и ее структуры: для скальных пород отношение Eу к Еобщ равно примерно 2, а для рыхлых глинистых пород может достигать нескольких порядков, так как их деформация происходит в результате существенного уплотнения грунта.
Для расчета осадки сооружений при действии статических нагрузок используется величина равновесного модуля общей деформации Еобщ, а при расчете деформаций от. кратковременных динамических нагрузок — величина Eу. Модуль динамической упругости Eд применяется в основном для установления определенных корреляционных соотношений.
Влияние минералогического состава на упругие свойства скальных грунтов. К настоящему времени накоплено значительное количество данных по упругим константам основных породообразующих минералов. Значение модуля упругости различных минералов изменяется в широком пределе. Такие минералы, как корунд, пирит, гранаты, магнетит, гематит, жадеит, оливин, циркон, обладают высокими значениями модуля упругости, равными или превышающими упругость стали (2•105 кГ/см2). Затем идут минералы с высокой упругостью: диопсид, эпидот, авгит, роговая обманка, флюорит, апатит. Такие широко распространенные в осадочных дисперсных грунтах минералы; как кварц, полевые шпаты, слюды, кальцит, обладают средней упругостью. И наконец, есть минералы (серпентин, гипс и др.), обладающие низкой упругостью.
Влияние минералогического состава слагающих породу частиц на упругость можно установить лишь для образцов пород, обладающих незначительной пористостью (п<1%). При больших значениях пористости упругость пород определяется их структурно-текстурными особенностями (в основном пористостью, трещиноватостью и размером частиц).
У малопористых пород упругие параметры непосредственно зависят от упругих констант слагающих их минералов. Так, слюды дают понижение упругих констант пород, а темноцветные минералы и гранат —
повышение. Поэтому особенно высокой упругостью обладают ультраосновные породы и эклогиты. Упругость плагиоклазов зависит от их состава: с повышением основности упругие константы плагиоклазов растут. В связи с этим лабродориты по своей упругости занимают среднее место между кислыми и основными породами. Особо высокой упругостью обладает жадеит — минерал, типичный для особо плотных пород больших глубин. Этот и другие факты показывают, что упругость минералов и пород оказывается тем выше, чем при больших давлениях они образовались.
Высокими значениями модуля деформации, близкими по величине к модулю упругости основных минералов, обладают эклогиты, перидотиты, амфиболиты, пироксениты, габбро и диабазы, т. е. породы, принадлежащие к ультраосновным и основным интрузивам.
Влияние пористости и трещиноватости на модуль упругости и модуль общей деформации скальных пород. При рассмотрении изменения модуля упругости близких по минералогическому составу пород, но имеющих различную пористость, видно, что для каждой петрографической группы пород значения модуля упругости уменьшаются с ростом пористости. Для пород с высокой пористостью (n>10%) величина модуля упругости будет полностью определяться влиянием пористости.
Трещиноватость скальных пород является основным фактором, определяющим их деформируемость и прочность. Поверхность трещин в результате наличия макро- и микроскопических выступов и впадин обычно бугристая. Поэтому реальная площадь контакта двух блоков породы может быть в 100—100 000 раз меньше геометрической площади касания. Ввиду этого при возникновении сжимающих напряжений, нормальных к плоскости трещины, на выступах и прилегающих к ним зонах происходит концентрация напряжений, превышающих прочность материала выступа. В результате пластического деформирования или хрупкого разрушения выступов происходит сближение двух поверхностей. При этом увеличивается площадь реального контакта поверхностей и сопротивление деформированию.
С увеличением трещиноватости кварцевых порфиров деформационные показатели резко уменьшаются, при этом модуль упругости значительно превышает модуль общей деформации. Это объясняется тем, что при действии давления породы испытывают большие остаточные деформации. Причем по мере роста трещиноватости (увеличение Т или Ктр) эта разница становится больше. Закрытие и смыкание трещин под давлением, определяющее появление остаточных деформаций, приводит также к тому, что модуль общей деформации для второго цикла нагружения в 1,5—2 раза выше модуля общей деформации для первого цикла нагружения.
Выветривание скальных горных пород приводит к появлению и расширению микротрещин, ослаблению связей между зернами, а также к изменению химического состава пород. Поэтому деформационные и прочностные свойства пород зависят от степени их выветрелости. Из таблицы видно, что с глубиной пористость гранита уменьшается, а деформационные и прочностные показатели возрастают. На глубине 49 м гранит уже настолько прочен, что для него модуль упругости равен модулю общей деформации.
Неблагоприятное влияние трещиноватости на деформационные и прочностные свойства скальных пород уменьшается при цементации. При этом трещины заполняются цементным раствором, который после схватывания увеличивает сопротивление породы деформациям. В среднем модуль деформации скальных пород после цементации возрастает в 1,5 раза.
Влияние слоистости скальной породы на модуль деформации. При сжатии образцов слоистых осадочных скальных пород модуль деформации в направлении параллельно слоям обычно выше, чем перпендикулярно слоям. Это можно объяснить тем, что в первом случае сопротивляются более жесткие слои породы, тогда как во втором сжимаемость определяется в основном деформацией наиболее податливых слоев, зажатых между жесткими как между плитами. Очевидно, что фактор времени будет играть более заметную роль во втором случае, так как деформация жестких элементов породы будет протекать быстрее.
Коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона является показателем способности породы к изменению объема в процессе деформации под действием напряжений. Обычно употребляемый в расчетах коэффициент Пуассона относится к упругой деформации.
Коэффициент Пуассона главных породообразующих минералов изменяется в небольших пределах: от 0,08 до 0,34. Можно выделить группу минералов с низким значением: от 0,08 до 0,16, в которую войдут в порядке возрастания кварц, гематит, пирит; затем группу минералов, для которых коэффициент изменяется от 0,21 до 0,29. Эта группа наиболее многочисленна и объединяет такие минералы, как полевые шпаты, слюды и другие силикаты. И, наконец, небольшая группа минералов имеет повышенное значение коэффициента: от 0,31 до 0,34 — серпентин, гипс, циркон.
Коэффициент Пуассона кристаллов зависит от типа кристаллической решетки и направления действия напряжения относительно кристаллографических осей. Для пород зависит от минералогического состава, трещиноватости и пористости.
Следует подчеркнуть исключительно низкое значение коэффициента Пуассона для кварца (0,08), что обусловлено каркасным строением его кристаллической решетки. Поэтому значительное содержание кварца в породе приводит к уменьшению значения коэффициента. В скальных грунтах коэффициент Пуассона изменяется также в узких пределах — 0,1—0,3. В зависимости от увеличения пористости он снижается: в известняках-ракушечниках от 0,23 до 0,17, в органогенных известняках от 0,27 до 0,23, в мраморизованных органогенных известняках от 0,32 до 0,30. Но по мере перехода от плотных кварцитов к более пористым песчаникам увеличивается от 0,10—0,14 до 0,18—0,29.
Для дисперсных грунтов величина коэффициента Пуассона изменяется от 0,1 до 0,5. Большое значение имеет влажность: для сухого песка ц. равен 0,1—0,25, для водонасыщенного — 0,44—0,49.
В скальных грунтах решающее влияние на величину коэффициента Пуассона оказывает трещиноватость. В трещиноватой породе на деформацию сплошной ее части будет тратиться только часть общего усилия, другая часть будет тратиться на смыкание трещин и разрушение выступов; возникающее при этом расширение не будет вызывать расширение всего образца.
Деформационные свойства дисперсных грунтов
Наиболее важным деформационным свойством дисперсных грунтов является их сжимаемость под нагрузкой, обусловленная уменьшением объема пор вследствие смещения частиц относительно друг друга, деформацией самих частиц, а также веды и газов, заполняющих поры.
Уплотнение водонасыщенного грунта происходит вследствие удаления воды из пор, при этом влажность грунта уменьшается. Уплотнение не полностью водонасыщенных грунтов до определенных давлений может происходить без изменения их влажности.
Сжимаемость грунтов под нагрузкой происходит во времени. Поэтому при определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной (равновесной) деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе показателей относятся: коэффициент уплотнения а, коэффициент компрессии ak, модуль осадки ер; ко второй группе — коэффициент консолидации cv и др.
Показатели сжимаемости дисперсных грунтов определяются в лаборатории при уплотнении грунтов под нагрузкой в условиях одномерной задачи, (т. е. деформация грунта происходит только в одном направлении). Такой вид испытания грунта без возможности бокового расширения называется компрессией.
При сжатии грунта в компрессионном приборе диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема.
Так как уплотнение грунта происходит главным образом вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через изменение величины коэффициента пористости, а в случае полного водонасыщения и через изменение влажности.
Зная коэффициенты пористости (или относительные деформации) грунта при соответствующих ступенях нагрузки, можно построить компрессионную кривую. Результаты компрессионных испытаний принято изображать:
зависимостью коэффициента пористости от давления Р, построенной либо на равномерной, либо на полулогарифмической координатной сетках;
зависимостью относительной вертикальной деформации е от давления Р, построенной на равномерной, или на логарифмической и полулогарифмической координатных сетках. В литологии часто принято изображать сжимаемость глинистых пород в координатах влажность W — давление P (или глубина залегания H). Способ изображения компрессионной кривой определяется целью изучения, видом грунта и диапазоном давлений. Так, компрессионную кривую сильно сжимаемого глинистого грунта удобно изображать на полулогарифмической координатной сетке, а песчаного — на логарифмической и т. д.
омпрессионную сжимаемость грунта можно характеризовать различными показателями.
При большом уплотнении грунта под нагрузкой применение коэффициента уплотнения для характеристики сжимаемости становится неудобным, так как величина а значительно изменяется с ростом давления.
Этот недостаток до известной степени устраняется при изображении результатов компрессионных испытаний на полулогарифмической координатной сетке, которая позволяет спрямить компрессионную кривую в значительном диапазоне давлений и аппроксимировать ее.
Изображение компрессионной кривой позволяет также определять величину структурной прочности грунта Рстр по перелому кривой.
Величина структурной прочности грунта Рстр позволяет выделить при уплотнении глинистых грунтов два диапазона давлений:
когда внешнее давление меньше прочности структурных связей и
когда внешнее давление преодолело сопротивление структурных связей. В первом случае происходит незначительное уплотнение грунта, главным образом обратимого характера, а во втором — значительное уплотнение грунта, обусловливающее основные деформации оснований сооружений.
Величина ер называется модулем осадки и представляет величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки Р.
Сжимаемость несвязных (крупнообломочных и песчаных) грунтов отлична от сжимаемости связных (глинистых и лёссовых) грунтов в связи с тем, что возникающие в них деформации при одних и тех же напряжениях имеют различный характер.
Сжимаемость крупнообломочных и песчаных грунтов
Для крупнозернистых и песчаных грунтов характерна каркасная структура, в которой частицы находятся в непосредственном твердом контакте друг с другом. Величина площади контакта может быть очень небольшой. При сравнительно небольших нагрузках на грунт, измеряемых десятками кГ/см2, в точках контактов может возникнуть высокое давление, превышающее прочность материала частиц. В результате этого частицы будут раскалываться, образуя более дисперсную систему, чем первоначальная.
При сжатии грунта происходит более плотная упаковка частиц, а также их деформация. При снятии нагрузки с грунта происходит его расширение, что приводит к увеличению объема пор, которое, однако, оказывается меньшим, чем изменение объема при уплотнении грунта, вследствие наличия значительной остаточной деформации грунта.
Расширение в скелетных грунтах при снятии нагрузки определяется исключительно силами упругости кристаллических решеток минералов. Осадка сооружений, воздвигнутых на песках и из песков различной дисперсности, плотности и минералогического состава, может достигать заметной величины и не заканчивается в строительный период.
Сжимаемость крупнообломочных и песчаных грунтов зависит от значительного количества факторов, из которых наиболее существенными являются: 1) минералогический состав; 2) структурно-текстурные особенности грунта (размер частиц, форма, характер их поверхности, взаимоотношение частиц и их упаковка); 3) степень влажности; 4) величина давления; 5) условия деформирования (статическая, динамическая нагрузка).
Влияние минералогического состава несвязного грунта на сжимаемость. Минералогический состав песков и крупнообломочных грунтов влияет на их сжимаемость через форму частиц, характер шероховатости на их поверхности и прочность частиц. Наиболее сильное влияние на сжимаемость песков оказывает наличие в них частиц слюды, которые в силу пластинчатой формы и гибкости значительно увеличивают сжимаемость песков и величину обратимой деформации.
Значительная часть деформации сжатия носит обратимый, упругий характер. Но для песчаных фракций кварца, полевого шпата и других минералов большую часть составляют необратимые деформации.
Наличие в несвязном грунте глинистых минералов, органических веществ и гидратов окислов железа, покрывающих оболочкой крупные частицы, увеличивает не только сжимаемость грунтов, но также продолжительность их деформации под нагрузкой. Присутствие глауконита в песке также увеличивает его сжимаемость благодаря малой прочности частиц глауконита и увеличению пористости грунта.
Влияние размера частиц на сжимаемость. Под нагрузкой крупные фракции деформируются в большей степени, чем мелкие. Это объясняется тем, что в грунте, состоящем из крупных частиц, количество контактов в единице объема меньше, чем в грунте из мелких частиц. Следовательно, величина давления, приходящаяся на каждый контакт, будет выше для крупных частиц и может быть достаточной для их раскалывания, поэтому деформация будет протекать главным образом в результате раздробления частиц и обламывания острых углов. Количество контактов между частицами (помимо их размера) зависит также от степени неоднородности частиц по размеру, форме и характеру поверхности.
Раздробление частиц несвязных грунтов при компрессии. Перемещение песчаных частиц под нагрузкой сопровождается их дроблением. М. М. Филатов (1936) писал, что в результате давления в 530 кГ/см2 большинство песчаных зерен получило трещины и многие из них превратились в пыль. Некоторые более крупные зерна оказались сколотыми по граням и углам.
Е. М. Сергеев (1946) исследовал изменение дисперсности песков различного минералогического и гранулометрического состава при сжатий их различным по величине давлением.
При всех нагрузках происходило значительное дробление песчаных частиц. Интенсивность этого дробления зависит от минералогического и гранулометрического состава песков и их влажности. Дробление частиц сопровождалось характерным потрескиванием.
В чистых кварцевых песках дробление зерен шло менее интенсивно, чем в полиминеральных песках. Чем больше в песках содержится физически прочных минералов, тем меньше изменяется их дисперсность под нагрузками.
В однородных по минералогическому составу песках степень дробления частиц под нагрузками обусловливается величиной частиц: чем крупнее песчаные частицы, тем больше степень их разрушения под одним и тем же давлением. С ростом давления разница в дроблении песков различного гранулометрического состава уменьшается.
При этом для песков различного минералогического состава и степени дисперсности наблюдается закономерность: под воздействием нагрузок в большинстве случаев уменьшается содержание частиц >0,1 мм и возрастает количество частиц <0,1 мм. Исключение составляют лишь некоторые, главным образом кварцевые, пески, у которых благодаря большой прочности частиц происходит увеличение их содержания уже во фракции 0,25—0,1 мм. Во всех более крупных фракциях содержание частиц уменьшается.
В результате разрушения частиц >0,1 мм в основном образуются частицы тонкозернистого песка (0,1—0,05 мм) и пылеватые частицы (0,05—0,01 мм); содержание в песке глинистых частиц увеличивается нeзнaчитeльно. В песках, исследованных Е. М. Сергеевым, первоначальное содержание частиц во фракции 0,1—0,05 мм не превышало 13%, пылеватых частиц — 5% и глинистых — 2,15%. После давления в 3000 кГ/см2 максимальное содержание частиц увеличилось: во фракции 0,1—0,05 мм до 51%, пылеватых до 23% и глинистых до 5,42%. Проведенные исследования также показывают, что образование глинистых частиц в природных условиях в результате механического разрушения более крупных гранулометрических элементов, по-видимому, протекает в весьма ограниченных размерах.
Влажность песков может оказывать влияние на дробление песчаных частиц лишь при воздействии на них определенных нагрузок. Но при больших нагрузках (3000 кГ/см2) влажность практически не влияет на изменение дисперсности песков, а при воздействии на влажные пески нагрузкой в 200 кГ/см2 это влияние имеет место и зависит от их минералогического состава.
Если пески состоят преимущественно из минералов, обладающих большой прочностью (например, кварц), то увеличение влажности уменьшает дробление частиц. В этих песках наибольшее изменение дисперсности наблюдалось в сухом их состоянии. Объяснить это можно тем, что вода, не уменьшая прочности самих кварцевых частиц, выполняет роль «смазки», помогающей частицам легче перемещаться под влиянием нагрузки, что ведет к значительному уменьшению пористости и более плотной упаковке частиц, при которой разрушение их происходит не так сильно.
Присутствие в песках глауконита, кальцита, слюд, полевых шпатов и некоторых других минералов приводит к тому, что дисперсность их при давлении в 200 кГ/см2 в наибольшей мере возрастает при максимальной молекулярной влагоемкости. Это объясняется тем, что с увеличением влажности прочность глауконитовых и кальцитовых частиц уменьшается.
Дробление частиц способствует их дальнейшему перемещению и более плотной упаковке, в результате чего уменьшается пористость песков. При давлении в 3000 кГ/см2 пористость песков, имевшая до уплотнения разное значение (36—48%), становится более однородной (21-28%).
В крупнообломочных грунтах (гравийных и галечниковых) деформации при высоких давлениях происходят вследствие разрушения частиц, главным образом в виде скола.
Влияние плотности упаковки несвязных грунтов на их сжимаемость.
Плотность упаковки частиц песка оказывает сильное влияние на его сжимаемость: чем выше плотность, тем меньше он сжимается. С увеличением плотности характер сжимаемости изменяется, компрессионная кривая становится более пологой. Поэтому при создании насыпей и плотин из песков и других несвязных грунтов их следует уплотнять с целью уменьшения деформации и повышения устойчивости.
Влияние давления на сжимаемость. Относительная деформация в несвязных грунтах связана с давлением степенной зависимостью вида e = KPN где К, N — параметры зависимости. Величина коэффициента пропорциональности К для крупнообломочных и песчаных грунтов изменяется от 3•10-3 до 25•10-3 см/кГ и зависит в основном от плотности упаковки частиц и влажности: чем выше плотность упаковки частиц, тем К ниже,и для влажных грунтов больше, чем для сухих. Показатель степени изменяется в сравнительно узких пределах, примерно от 0,2 до 1, и зависит главным образом от размера частиц.
Влияние вибрации. Рыхлые пески уплотняются при вибрации, сотрясениях, взрывах. Это используется для придания пескам высокой плотности и прочности.
Несвязные грунты, особенно рыхлые, не пригруженные пески, при вибрации приобретают подвижность, так как смещение частиц относительно друг друга облегчается в силу уменьшения трения между ними.
Вибрация, облегчая смещение частиц относительно друг друга, способствует уплотнению несвязных грунтов. Уплотнение песка при увеличении ускорения колебаний не зависит от способа увеличения ускорения — возрастания амплитуды или уменьшения периода колебаний. В обоих случаях вибрация оказывает на грунт действие, аналогичное возрастанию нагрузки, вследствие чего процесс уплотнения называется вибрационной компрессией, а изменение пористости песка при вибрации выражается виброкомпрессионной кривой. Виброуплотняемость несвязных грунтов зависит от дисперсности, формы зерен И их окатанности. Наибольшей виброуплотняемостью обладают мелкозернистые пески. Пески, состоящие из окатанных частиц, в большей степени способны к виброуплотнению, чем угловатые.
Кроме перечисленных факторов виброуплотнение зависит от пригрузки и ускорения. Наличие пригрузки на грунт уменьшает их уплотняемость при вибрации. Увеличение ускорения колебаний способствует более интенсивному уплотнению песков.СЖИМАЕМОСТЬ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ И ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ
Для крупнозернистых и песчаных грунтов характерна каркасная структура, в которой частицы находятся в непосредственном твердом контакте друг с другом. Величина площади контакта может быть очень небольшой. При сравнительно небольших нагрузках на грунт, измеряемых десятками кГ/см2, в точках контактов может возникнуть высокое давление, превышающее прочность материала частиц. В результате этого частицы будут раскалываться, образуя более дисперсную систему, чем первоначальная.
При сжатии грунта происходит более плотная упаковка частиц, а также их деформация. При снятии нагрузки с грунта происходит его расширение, что приводит к увеличению объема пор, которое, однако, оказывается меньшим, чем изменение объема при уплотнении грунта, вследствие наличия значительной остаточной деформации грунта.
Расширение в скелетных грунтах при снятии нагрузки определяется исключительно силами упругости кристаллических решеток минералов. Осадка сооружений, воздвигнутых на песках и из песков различной дисперсности, плотности и минералогического состава, может достигать заметной величины и не заканчивается в строительный период.
Сжимаемость крупнообломочных и песчаных грунтов зависит от значительного количества факторов, из которых наиболее существенными являются:
минералогический состав;
структурно-текстурные особенности грунта (размер частиц, форма, характер их поверхности, взаимоотношение частиц и их упаковка);
степень влажности;
величина давления;
условия деформирования (статическая, динамическая нагрузка).
Влияние минералогического состава несвязного грунта на сжимаемость. Минералогический состав песков и крупнообломочных грунтов влияет на их сжимаемость через форму частиц, характер шероховатости на их поверхности и прочность частиц. Наиболее сильное влияние на сжимаемость песков оказывает наличие в них частиц слюды, которые в силу пластинчатой формы и гибкости значительно увеличивают сжимаемость песков и величину обратимой деформации.
Значительная часть деформации сжатия носит обратимый, упругий характер. Но для песчаных фракций кварца, полевого шпата и других минералов большую часть составляют необратимые деформации.
Наличие в несвязном грунте глинистых минералов, органических веществ и гидратов окислов железа, покрывающих оболочкой крупные частицы, увеличивает не только сжимаемость грунтов, но также продолжительность их деформации под нагрузкой. Присутствие глауконита в песке также увеличивает его сжимаемость благодаря малой прочности частиц глауконита и увеличению пористости грунта.
Влияние размера частиц на сжимаемость. Под нагрузкой крупные фракции деформируются в большей степени, чем мелкие. Это объясняется тем, что в грунте, состоящем из крупных частиц, количество контактов в единице объема меньше, чем в грунте из мелких частиц. Следовательно, величина давления, приходящаяся на каждый контакт, будет выше для крупных частиц и может быть достаточной для их раскалывания, поэтому деформация будет протекать главным образом в результате раздробления частиц и обламывания острых углов. Количество контактов между частицами (помимо их размера) зависит также от степени неоднородности частиц по размеру, форме и характеру поверхности.
Раздробление частиц несвязных грунтов при компрессии. Перемещение песчаных частиц под нагрузкой сопровождается их дроблением. М. М. Филатов (1936) писал, что в результате давления в 530 кГ/см2 большинство песчаных зерен получило трещины и многие из них превратились в пыль. Некоторые более крупные зерна оказались сколотыми по граням и углам.
Е. М. Сергеев (1946) исследовал изменение дисперсности песков различного минералогического и гранулометрического состава при сжатий их различным по величине давлением.
При всех нагрузках происходило значительное дробление песчаных частиц. Интенсивность этого дробления зависит от минералогического и гранулометрического состава песков и их влажности. Дробление частиц сопровождалось характерным потрескиванием.
В чистых кварцевых песках дробление зерен шло менее интенсивно, чем в полиминеральных песках. Чем больше в песках содержится физически прочных минералов, тем меньше изменяется их дисперсность под нагрузками.
В однородных по минералогическому составу песках степень дробления частиц под нагрузками обусловливается величиной частиц: чем крупнее песчаные частицы, тем больше степень их разрушения под одним и тем же давлением. С ростом давления разница в дроблении песков различного гранулометрического состава уменьшается.
При этом для песков различного минералогического состава и степени дисперсности наблюдается закономерность: под воздействием нагрузок в большинстве случаев уменьшается содержание частиц >0,1 мм и возрастает количество частиц <0,1 мм. Исключение составляют лишь некоторые, главным образом кварцевые, пески, у которых благодаря большой прочности частиц происходит увеличение их содержания уже во фракции 0,25—0,1 мм. Во всех более крупных фракциях содержание частиц уменьшается.
В результате разрушения частиц >0,1 мм в основном образуются частицы тонкозернистого песка (0,1—0,05 мм) и пылеватые частицы (0,05—0,01 мм); содержание в песке глинистых частиц увеличивается нeзнaчитeльно. В песках, исследованных Е. М. Сергеевым, первоначальное содержание частиц во фракции 0,1—0,05 мм не превышало 13%, пылеватых частиц — 5% и глинистых — 2,15%. После давления в 3000 кГ/см2 максимальное содержание частиц увеличилось: во фракции 0,1—0,05 мм до 51%, пылеватых до 23% и глинистых до 5,42%. Проведенные исследования также показывают, что образование глинистых частиц в природных условиях в результате механического разрушения более крупных гранулометрических элементов, по-видимому, протекает в весьма ограниченных размерах.
Влажность песков может оказывать влияние на дробление песчаных частиц лишь при воздействии на них определенных нагрузок. Но при больших нагрузках (3000 кГ/см2) влажность практически не влияет на изменение дисперсности песков, а при воздействии на влажные пески нагрузкой в 200 кГ/см2 это влияние имеет место и зависит от их минералогического состава.
Если пески состоят преимущественно из минералов, обладающих большой прочностью (например, кварц), то увеличение влажности уменьшает дробление частиц. В этих песках наибольшее изменение дисперсности наблюдалось в сухом их состоянии. Объяснить это можно тем, что вода, не уменьшая прочности самих кварцевых частиц, выполняет роль «смазки», помогающей частицам легче перемещаться под влиянием нагрузки, что ведет к значительному уменьшению пористости и более плотной упаковке частиц, при которой разрушение их происходит не так сильно.
Присутствие в песках глауконита, кальцита, слюд, полевых шпатов и некоторых других минералов приводит к тому, что дисперсность их при давлении в 200 кГ/см2 в наибольшей мере возрастает при максимальной молекулярной влагоемкости. Это объясняется тем, что с увеличением влажности прочность глауконитовых и кальцитовых частиц уменьшается.
Дробление частиц способствует их дальнейшему перемещению и более плотной упаковке, в результате чего уменьшается пористость песков. При давлении в 3000 кГ/см2 пористость песков, имевшая до уплотнения разное значение (36—48%), становится более однородной (21-28%).
В крупнообломочных грунтах (гравийных и галечниковых) деформации при высоких давлениях происходят вследствие разрушения частиц, главным образом в виде скола.
Влияние плотности упаковки несвязных грунтов на их сжимаемость.
Плотность упаковки частиц песка оказывает сильное влияние на его сжимаемость: чем выше плотность, тем меньше он сжимается. С увеличением плотности характер сжимаемости изменяется, компрессионная кривая становится более пологой. Поэтому при создании насыпей и плотин из песков и других несвязных грунтов их следует уплотнять с целью уменьшения деформации и повышения устойчивости.
Влияние давления на сжимаемость. Относительная деформация в несвязных грунтах связана с давлением степенной зависимостью вида e = KPN где К, N — параметры зависимости. Величина коэффициента пропорциональности К для крупнообломочных и песчаных грунтов изменяется от 3•10-3 до 25•10-3 см/кГ и зависит в основном от плотности упаковки частиц и влажности: чем выше плотность упаковки частиц, тем К ниже,и для влажных грунтов больше, чем для сухих. Показатель степени изменяется в сравнительно узких пределах, примерно от 0,2 до 1, и зависит главным образом от размера частиц.
Влияние вибрации. Рыхлые пески уплотняются при вибрации, сотрясениях, взрывах. Это используется для придания пескам высокой плотности и прочности.
Несвязные грунты, особенно рыхлые, не пригруженные пески, при вибрации приобретают подвижность, так как смещение частиц относительно друг друга облегчается в силу уменьшения трения между ними.
Сжимаемость глинистых грунтов
Вибрация, облегчая смещение частиц относительно друг друга, способствует уплотнению несвязных грунтов. Уплотнение песка при увеличении ускорения колебаний не зависит от способа увеличения ускорения — возрастания амплитуды или уменьшения периода колебаний. В обоих случаях вибрация оказывает на грунт действие, аналогичное возрастанию нагрузки, вследствие чего процесс уплотнения называется вибрационной компрессией, а изменение пористости песка при вибрации выражается виброкомпрессионной кривой. Виброуплотняемость несвязных грунтов зависит от дисперсности, формы зерен И их окатанности. Наибольшей виброуплотняемостью обладают мелкозернистые пески. Пески, состоящие из окатанных частиц, в большей степени способны к виброуплотнению, чем угловатые.
Кроме перечисленных факторов виброуплотнение зависит от пригрузки и ускорения. Наличие пригрузки на грунт уменьшает их уплотняемость при вибрации. Увеличение ускорения колебаний способствует более интенсивному уплотнению песков.
Просадочность лёссовых пород
Сжимаемость глинистых грунтов зависит от большого числа факторов, главнейшими из которых являются:
химико-минералогический состав скелета и порового раствора;
структура грунта — дисперсность, форма частиц и характер их поверхности, пористость и микротрещиноватость, прочность структурных связей;
текстурные особенности — ориентация частиц, слоистость, включения и т. п. При сжатии глинистых грунтов происходит изменение их структуры и текстуры.
Изменение структуры и текстуры глинистых грунтов при компрессии складывается из:
уменьшения общей пористости;
уменьшения размера пор и изменения их формы;
изменения размеров микроагрегатов и частичного их разлома;
переориентация глинистых частиц.
Основные структурные деформации не связаны с изменением гранулометрического состава глинистой породы. Опытами М. М. Филатова и Е. М. Сергеева установлено, что даже при очень больших давлениях дисперсность глинистых пород практически остается неизменной. Е. М. Сергеев (1947) показал, что в результате воздействия больших давлений покровный суглинок нарушенной структуры, представлявший рыхлый пылеватый порошок, превратился в монолитное тело с ярко выраженной сланцеватостью, возникшей перпендикулярно направлению действовавшей силы. При высоких давлениях отмечается некоторое снижение гигроскопичности и теплоты смачивания, что можно объяснить плотным примыканием частиц друг к другу и уменьшением вследствие этого их общей поверхности. То обстоятельство, что величины гигроскопичности и теплоты смачивания грунта не увеличиваются даже при очень больших давлениях, говорит о незначительном изменении дисперсности связных грунтов под нагрузками.
При действии высоких давлений на глины микроагрегатный состав их претерпевает заметные изменения, так как при уплотнении происходит разрыв связей между частицами и возникновение новых связей вследствие сближения глинистых частиц. В высокодисперсных Na-монтмориллонитовых глинах при сжатии большими давлениями порядка 5000 кГ/см2 наблюдается некоторое уменьшение выхода глинистых частиц и увеличение пылеватых (процесс агрегирования), а в более грубозернистых каолинитовых и гидрослюдистых глинах наблюдается разрушение микроагрегатов и увеличение выхода глинистых частиц.
Изменение ориентации глинистых частиц под давлением. Опытами И. В. Попова (1944) и других исследователей было показано, что глинистые частицы легко приобретают совершенную ориентировку в условиях свободного бокового расширения при действии на пасты небольших давлений (до 0,1—1 кГ/см2). При компрессии также происходит изменение ориентации глинистых частиц, которые сближаются своими базальными плоскостями друг с другом и образуют псевдокристаллы (анхикристаллы по И. В. Попову). Ориентированные своими длинными осями нормально направлению давления P эти псевдокристаллы или микроагрегаты глинистых частиц обладают сплошным угасанием и просветлением в поляризованном свете. Чем выше разница в световых потоках, проходящих через псевдокристалл в положении просветления и угасания, тем совершеннее ориентация частиц по отношению друг к другу.
Степень ориентированности частиц с ростом давления увеличивается различно для разных минералов. Наиболее совершенную ориентацию уже при малых давлениях приобретают частицы каолинита. Частицы монтмориллонитовой глины ориентируются сравнительно слабо вплоть до давлений в 1000 кГ/см2, а частицы палыгорскита (имеющие игольчатый габитус) закономерно увеличивают свою ориентированность с ростом давления. Степень совершенства ориентированности частиц под давлением зависит от их размера и формы и величины трения по поверхности. Более крупные и анизодиаметрические частицы ориентируются в большей степени (каолинит), чем изодиаметрические и мелкие (монтмориллонит). В глинистых грунтах с ненарушенными структурными связями ориентация частиц при действии давлений, обычных в строительной практике, изменяется незначительно, Влияние минералогического состава на сжимаемость глинистых грунтов и в особенности глин проявляется через размер и форму частиц и способность их связывать воду, т. е. гидрофильность. Наименьшим размером частиц и наиболее высокой гидрофильностью обладает монтмориллонит, а также органические коллоиды. Поэтому их присутствие в породе обусловливает и высокую пористость и возможность значительно уплотняться при действии внешней нагрузки.
С ростом давления влияние минералогического состава глин уменьшается, но не исчезает даже при давлениях, превышающих 1000 кГ/см2.
Влияние дисперсности на сжимаемость глинистых грунтов может быть оценено путем изучения глин одинакового химико-минералогического состава, но содержащих различное количество глинистых частиц. По мере увеличения количества глинистых частиц увеличивается гидрофильность грунта и его начальная пористость. Высокая начальная пористость обусловливает большую амплитуду изменения объема глинистого грунта при действии внешней нагрузки, а также и большие значения коэффициента компрессии.
Влияние начальной плотности на сжимаемость глин. Величина начального коэффициента пористости глины определяет диапазон возможного изменения ее объема при сжатии. По мере увеличения плотности сжимаемость глины закономерно уменьшается.
Уменьшение сжимаемости глин происходит лишь до некоторой плотности, начиная с которой она становится примерно постоянной. Изменение закономерности сжатия мономинеральных водонасыщенных глин происходит при влажности, близкой максимальной гигроскопичности для монтмориллонитовых глин, а для каолинитовых и гидрослюдистых при W, примерно равном (1,5—3) Wмr.
Изменение закономерности сжимаемости высокодисперсных глин можно объяснить тем, что в результате уплотнения частицы сблизились настолько, что между ними образовался «твердый контакт» достаточно большой площади. Причем прочносвязанная вода в грунте по своим свойствам приближается к минеральному скелету.
Присутствие рыхлосвязанной воды в глинистом грунте обусловливает влияние физико-химических факторов (обменные катионы, состав и концентрация электролитов порового раствора) на сжимаемость глин.
Влияние обменных катионов на сжимаемость глин. Наличие в поглощающем комплексе глин обменных катионов обусловливает их гидрофильность, силы взаимодействия между частицами, агрегированность и плотность упаковки частиц, а следовательно, и поведение глин под нагрузкой. Так, присутствие в монтмориллонитовых глинах обменных натрия или лития существенно увеличивает их гидрофильность и пористость при данном давлении. Вхождение в обменный комплекс монтмориллонита таких катионов, как кальций, калий, алюминий, торий, будет снижать гидрофильность и уменьшать начальную пористость глин. По увеличению коэффициента пористости монтмориллонита при данном давлении обменные катионы располагаются в. следующий ряд:
Na+> Th4+> Al3+> Ca2+
т. е. Na-монтмориллонит при данном давлении имеет больший коэффициент пористости, чем Са-монтмориллонит.
Уинтеркорн и Мурмен для глины, содержащей в глинистой фракции монтмориллонит и гидрослюду, нашли, что по увеличению коэффициента пористости обменные катионы располагаются в ряд:
Na+> Ca2+> Mg2+ > K+> H+.
Сжимаемость каолинитовых глин в очень слабой степени зависит от состава обменных катионов; влияние обменных катионов на сжимаемость каолинита можно обнаружить лишь на плохо окристаллизованных высокодисперсных разностях. Влияние обменных катионов на сжимаемость монтмориллонитовых глин прослеживается лишь для значений плотности соответствующих давлению порядка 50—100 кГ/см2. При больших значениях давления роль обменных катионов на сжимаемость глин становится несущественной.
Влияние структурных связей на сжимаемость глинистых грунтов.
Породы с нарушенными структурными связями в определенном диапазоне давлений сжимаются в большей степени, чем с ненарушенными, а начиная с определенного давления разница в сжимаемости пород с различной степенью нарушения связей между частицами становится незначительной.
Кривая сжатия грунта с ненарушенными структурными связями имеет более сложную форму, чем с нарушенными связями. Для этой кривой характерен горизонтальный участок. Лишь после того как внешняя нагрузка превысит структурную прочность грунта (Рстр), начнется его сжатие. Глинистый грунт, уплотненный нагрузкой, превысившей Рстр, теряет значительную часть своих природных структурных связей и приобретает значительную способность набухать при разгрузке.
Глинистые грунты в зависимости от геологической истории их формирования могут находиться в нормально уплотненном или переуплотненном состоянии по отношению к величине действующего природного давления. Установление состояния уплотненности глинистого грунта представляется важным, так как определяет возможный характер деформации грунта под нагрузкой от сооружения.
Обратимые и необратимые деформации глинистых грунтов при их компрессии. При увеличении внешнего давления на грунт он уплотняется, при удалении сжимающей нагрузки происходит некоторое расширение грунта. Однако преобладает остаточная деформация. Остаточная, или необратимая деформация глинистых грунтов обусловлена смещением частиц относительно друг друга, в результате чего структурные связи между ними нарушаются и частицы располагаются более плотно. Обратимая деформация глинистого грунта в основном вызывается его набуханием, а также упругими деформациями частиц грунта и порового раствора вместе с пузырьками газа. В результате набухания переуплотненные глины могут приобрести коэффициент пористости, значительно больший первоначального.
При цикличном нагружении и разгружении образца глинистого грунта образуются петли гистерезиса, оси которых наклонены под углом к оси абсцисс. Котангенс этого угла называют модулем гистерезиса. При многократном повторении нагрузок и разгрузок до одного и того же давления P происходит постепенное уплотнение образца. При этом остаточные деформации уменьшаются настолько, что петли гистерезиса сливаются и образец начинает претерпевать только упругие деформации.
Влияние температуры на сжимаемость глин. Компрессионные испытания грунтов обычно проводят при комнатной температуре. Но температурные условия работы грунта в основании сооружения отличаются от лабораторных. Так, на глубине нескольких метров температура грунта в европейской части Союза равна примерно 7—9°С. С другой стороны, в основании сооружений с постоянным источником тепла (котлы, домны и др.) температура грунта может быть и выше температуры испытания грунта в лаборатории. Поэтому для правильного прогноза деформации основания сооружения необходимо знать сжимаемость грунта при разных температурах.
Исследованиями, выполненными Н. Симонсом (1965) в Норвежском геотехническом институте, показано, что для молодых гидрослюдисто-хлоритовых глин естественной структуры коэффициент относительной сжимаемости а0 уменьшился в среднем на 11 % при понижении температуры от +21 до +6,5°С. Повышенное уплотнение глин при повышении температуры будет происходить в основном благодаря утоньшению оболочек связанной воды я облегчению перемещения частиц.
Исследования по установлению влияния температуры на величину конечной деформации глин производились на пастах Na-монтмориллонита и каолинита при температурах +20 и +55°C.
Понятие о консолидации дисперсных грунтов
При действии нагрузки на грунт возникают деформации, которые протекают во времени. Даже для песчаных и неполностью водонасыщенных глинистых грунтов сжатие под нагрузкой не протекает мгновенно, хотя в ряде случаев может протекать с такой же скоростью, с какой прикладывается к ним нагрузка. Деформация сжатия таких грунтов обусловлена при обычных в строительстве нагрузках упругим сжатием частиц и газа. Но для полностью водонасыщенных глинистых грунтов, особенно глин, с нарушенными структурными связями, сжатие обусловлено в основном оттоком воды из пор, скорость которого зависит от водопроницаемости грунта.
Уплотнение глинистого водонасыщенного грунта во времени под постоянной нагрузкой называется консолидацией. Знание процесса консолидации глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружений.
В общем случае при приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает мгновенное сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта, затем начинается процесс фильтрационной консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта, по завершении которого идет процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друг друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта.
В течение фильтрационного этапа консолидации давление в поровой воде непрерывно уменьшается от наибольшей величины P примерно до нуля, когда вся внешняя нагрузка воспринимается структурным каркасом грунта. Для любого момента времени в полностью водонасыщенном грунте справедливо соотношение
P = P' + UW,
где Р — полное давление на грунт; P' — эффективное давление (давление в скелете грунта); UW — давление в поровой воде.
Время, необходимое для достижения той или иной степени консолидации, зависит от ряда факторов, влияние которых учитывает величина коэффициента консолидации cv.
При уплотнении глинистого грунта как Кф, так и а быстро уменьшаются, но отношение Кф/а остается примерно постоянным в диапазоне давлений до 20—30 кГ/см2.
Деформация плотных глинистых грунтов во времени определяется вязкими свойствами скелета грунта (ползучестью).
Сопротивление грунтов одноосному сжатию и разрыву
Прочность грунтов, часто определяют путем их раздавливания в условиях свободного бокового расширения. Разрушающая сила при этом действует только в одном направлении, поэтому такое испытание называют одноосным сжатием.
Сопротивление одноосному сжатию соответствует резкому увеличению относительной деформации или видимому разрушению образца грунта.
Однако в действительности напряженное состояние образца при одноосном сжатии является существенно неоднородным.
В технической мелиорации грунтов величина одноосного сжатия является основным критерием эффективности применения того или иного способа повышения прочности дисперсных грунтов.
Характер разрушения образцов грунта при одноосном сжатии зависит (при одинаковых условиях испытания) от вида породы и может быть хрупким, полухрупким и пластичным. Хрупким является такое разрушение, которое происходит при малых деформациях и напряжениях, примерно равных пределу пропорциональности, выражается в разрыве сплошности образца грунта и сопровождается выделением звуковой энергии. Хрупкое разрушение проявляется в породах с прочными кристаллизационными связями. Пластичное разрушение грунта характеризуется изменением формы ее образца («бочка») при сохранении постоянного объема. Пластичность наиболее часто проявляется в слабопрочных породах и в естественных условиях выражается в виде загиба пластов, выдавливания пород в подземных выработках и других формах.
Прочность пород на сжатие зависит от многих факторов, которые можно объединить в три основные группы:
химико-минералогический состав пород,
структура и текстура пород,
условия проведения испытания.
Сопротивление скальных грунтов одноосному сжатию
Прочность скальных грунтов на сжатие колеблется в широких пределах. Наивысшие значения прочности наблюдаются у таких пород, как нефриты (до 5500 кГ/см2), базальты (до 4500 кГ/см2), мелкозернистые аплитовидные граниты и железистые кварциты (до 3800 кГ/см2), далее идут габбро и диабазы (до 3200 кГ/см2) и граниты (среднее значение 2640 кГ/см2). Осадочные и эффузивные породы имеют прочность меньше 2000 кГ/см2.
Влияние структуры (размер частиц, плотность, характер связей между частицами). Структурные факторы оказывают большое влияние на прочность породы. Например, установлено, что при увеличении пористости и трещиноватости микроклинового гранита от 0,63 до 1,07% прочность его на сжатие уменьшается от 2400 кГ/см2 до 1800 кГ/см2, а при их увеличении до 3,07%) прочность падает до 1130 кГ/см2. Значительное влияние пористости и трещиноватости на прочность породы прослеживается и для других пород.
У скальных пород прослеживается определенная тенденция в изменении прочности в зависимости от размера частиц. Известно, что породы мелко- и равномернозернистые имеют гораздо большую прочность, чем породы крупнозернистые, имеющие порфировидное строение.
Физико-химическое влияние среды на прочность горных пород. Окружающая физико-химическая среда (растворы электролитов и других веществ) влияет на механические свойства твердых тел, их деформируемость и прочность. Изменение свойств твердых тел, по П. А. Ребиндеру, обусловлено физико-химическими явлениями, протекающими на поверхности твердое тело — раствор, а именно: явлениями смачивания и адсорбции. Особенностью этих изменений свойств пород является их быстрота, что качественно отличает этот эффект от длительных изменений в результате таких явлений, как выветривание.
При смачивании и адсорбции поверхность твердого тела покрывается молекулами воды и растворенных в ней веществ, которые проникают в многочисленные микротрещины и места контактов между частицами, ослабляя связи между отдельными зернами, результатом чего является уменьшение прочности скальной породы. Снижение прочности скальных пород в результате насыщения их водой является временным, до известной степени обратимым процессом, так как после высыхания порода восстанавливает свою прочность.
В инженерно-геологической практике оценка прочности скальных пород на одноосное сжатие производится для воздушно-сухих и для полностью водонасыщенных образцов породы. Способность скальных пород уменьшать свою прочность при водонасыщении оценивается показателем размягчаемости.
Показатель размягчаемости породы — важный классификационный признак. По величине Kр различают следующие категории скальных пород:
1—0,9 — неразмягчающиеся,
0,9—0,75 — средней размягчаемости,
менее 0,75 — сильно размягчающиеся.
Особенно заметным снижением прочности при увлажнении обладают мергели, глинистые сланцы, песчаники и конгломераты с глинистым, известковистым и гипсовым цементом.
Прочность монолитных, малопористых скальных пород при их насыщении водой понижается незначительно. Однако при наличии развитой сети микротрещин прочность даже в массивных мелкозернистых скальных породах при насыщении их водой может снижаться на 15—20%. В таких пористых породах, как песчаники и известняки, прочность на сжатие при насыщении водой уменьшается до 25—45%.
Сопротивление глинистых грунтов одноосному сжатию
Морфология разрушения образцов при сжатии как скальных, так и глинистых пород характеризуется большим сходством. Различие заключается лишь в большей или меньшей величине пластической деформации, происходящей до и после появления разрывов. Если деформация разрушения прочных скальных пород не превосходит десятых долей процента, то для глинистых пород она может достигать десятков процентов.
Влияние минералогического состава глинистых грунтов на коэффициент одноосного сжатия. Минералогический состав связных грунтов влияет на величину их прочности. Наибольшей прочностью обладает монтмориллонитовая глина, а наименьшей гидрослюдистая и каолинитовая (при одинаковых значениях плотности — влажности). Интересно отметить, что гидрослюдистая глина, уплотнявшаяся в природных условиях (дно Каспийского моря), имела несколько большую прочность, чем аналогичная глина, но уплотнявшаяся искусственно.
Состав обменных катионов глин влияет через изменение расстояния между частицами (изменение плотности). Для Са-монтмориллонита плотность при данном давлении оказывается больше, чем для Na-глин, поэтому у них и прочность несколько выше. Влияние обменных катионов в гидрослюдистых и каолинитовых глинах на их прочность проявляется в незначительной степени.
Влияние высушивания на прочность глинистых грунтов. В результате высушивания связных грунтов прочность их возрастает. Увеличение прочности обусловлено сближением частиц при усадке в результате удаления прослоев воды из контактов между, частицами. Вследствие этого интенсивность электростатического и молекулярного взаимодействия между частицами резко возрастает и обусловливает большую прочность, чем для влажных образцов.
Прочность высушенных глинистых паст может достигать высоких значений, измеряемых десятками и сотнями кГ/см2: для монтмориллонитовых глин — до 260—290 кГ/см2;для гидрослюдистых — до 120—130 кГ/см2; для каолинитовых — до 30— 75 кГ/см2.
Влияние цементации и связности на прочность глинистых грунтов.
Для глинистых грунтов с естественной структурой прочность, обусловленная наличием цементационных (кристаллизационных) связей между частицами, проявляется особенно отчетливо. Так, для нормально уплотненных гидрослюдистых глин дна Каспийского моря прочность на сжатие увеличивалась с ростом содержания в них CaCO3.
Различная связующая роль глинистых частиц разного химико-минералогического состава отчетливо выявляется при добавках к песку монтмориллонитовой и каолиновой глин. После высушивания прочность этих образцов получается неодинаковой. При всех соотношениях песка и глины наибольшая прочность получается при смешивании песка с монтмориллонитовой глиной.
Прочность образцов, изготовленных из, смесей кварцевый песок + монтмориллонит, в 3—5 раз больше прочности образцов, в состав которых входит кварцевый песок и каолин. Дисперсность и кристаллохимическая активность монтмориллонитовой глины выше, чем у каолиновой, в результате чего взаимодействие глинистых добавок с песчаными частицами происходит более интенсивно, что и приводит к повышению прочности.
Влияние дисперсности глин на их прочность. С ростом дисперсности глинистых грунтов прочность их будет возрастать. Однако строгая зависимость между содержанием глинистых частиц и величиной прочности отсутствует. Большое содержание коллоидов среди глинистых частиц может вести не к увеличению, а к уменьшению прочности грунта. Это явление можно объяснить тем, что чем однороднее гранулометрический состав грунта, тем больше величина его пористости и тем больше в нем содержится одноименно заряженных частиц, в силу чего уменьшается действие молекулярных и электростатических сил притяжения.
Влияние обменных катионов на прочность глинистых грунтов. Прочность глинистых грунтов изменяется в зависимости от того, в скоагулированном или диспергированном состоянии находятся частицы в процессе высыхания грунта. При диспергации частиц величина прочности сухих грунтов повышается. Этим объясняется изменение величины прочности глинистых грунтов в зависимости от состава обменных катионов. В опытах П. И. Шаврыгина (1936) предел прочности на сжатие изменялся в зависимости от состава обменных катионов по следующему ряду:
Na+ > NH+4> Mn2+ > Mg2+ > Ca2+ >К+ > H+ > Al3+
183 161 148 138 128 112 34 30 кГ/см2.
Как видно, Na+ и NH+, обусловливающие диспергацию каштановой почвы, придают наибольшую прочность образцам. Al3+, вызывая коагуляцию, уменьшает величину прочности по сравнению с Na+ в 6 раз.
Несколько меньшее изменение прочности наблюдается при насыщении Na+ суглинистых грунтов. Однако и в этом случае прочность образцов, насыщенных Na+, в 1,5—2 раза больше прочности образцов, насыщенных Ca2+ и H+.
Оптимальная нагрузка уплотнения глинистых грунтов. Прочность связных и особенно глинистых грунтов сильно увеличивается с ростом их плотности.
Наибольшее уплотнение глинистых грунтов при минимуме затраченной работы достигается при определенной их влажности. А. Ф. Лeбедев установил, что каждой величине влажности образца грунта соответствует определенная величина работы, посредством которой может быть достигнут максимальный объемный вес уплотненного образца. При одной и той же величине работы наибольшая уплотняемость грунта достигается при оптимальной влажности уплотнения. Величина оптимальной влажности уплотнения несколько больше нижнего предела пластичности.
Однако если, уплотнять образцы глинистых грунтов разными нагрузками и определять их прочность после высушивания до воздушно-сухого состояния, то прочность их возрастает с увеличением нагрузки лишь до определенного предела, после которого остается или постоянной, или незначительно изменяется при дальнейшем увеличении нагрузки (Охотин, 1935).
Такие же данные получены Е. М. Сергеевым (1949) для глин и суглинков различного минералогического состава и дисперсности. Образцы уплотнялись при влажности, соответствующей нижнему пределу пластичности, и доводились до воздушно-сухого состояния, после чего определялась их прочность на сжатие. С ростом уплотняющей нагрузки прочность образцов резко увеличивается до определенного значения, после которого для большинства грунтов остается более или менее постоянной и лишь для моренных суглинков продолжает несколько возрастать.
Нагрузка, при которой достигается прочность грунтов, практически близкая к ее максимальной величине, была названа Е. М. Сергеевым оптимальной нагрузкой уплотнения.
Для того чтобы судить о достижении оптимальной нагрузки уплотнения, необходимо определить степень изменения прочности образцов с ростом уплотняющей нагрузки. Отношение приращения прочности образцов в Г/см2 при увеличении уплотняющей нагрузки на 1 кГ/см2 было названо Е. М. Сергеевым показателем повышения прочности Пп.п..
В большинстве случаев показатель повышения прочности до достижения оптимальной нагрузки уплотнения превышал 500, а после оптимальной нагрузки уплотнения был меньше 10.
Оптимальная нагрузка уплотнения является для определенного грунта величиной устойчивой. Образцы во влажном состоянии после уплотнения имеют меньшую прочность, чем в воздушно-сухом состоянии, но максимальное ее значение достигается при той же оптимальной нагрузке уплотнения. При прогреве и обжиге глинистых грунтов величина прочности их сильно повышается. Однако и в этом случае наибольшую прочность приобретают образцы, подвергнутые до термической обработки уплотнению оптимальной нагрузкой.
В результате действия оптимальной нагрузки уплотнения и последующего высыхания глинистый грунт достигает такого состояния, при котором силы сцепления между частицами проявляются в наибольшей степени. При уплотнении образцов происходит не только сближение ча стиц, но и переориентация их относительно друг друга. Форма и размеры пор становятся более однородными, вследствие чего усадка грунта происходит равномерно, без возникновения перенапряжения, а поэтому повышается и прочность спрессованных образцов.
При оптимальной нагрузке уплотнения (Ропт) создаются такие структура и текстура, которые лишь незначительно могут быть изменены в процессе усадки сформованных образцов и при которых грунт приобретает плотность, достаточную для полного проявления молекулярных и электростатических сил притяжения между частицами. Так, Е. М. Сергеев показал, что при уплотнении образцов до достижения оптимальной нагрузки уплотнения объемный вес их возрос в среднем на 0,42, после же достижения оптимальной нагрузки уплотнения дальнейшее увеличение нагрузки вызвало рост объемного веса в среднем только на 0,05.
При нагрузке, меньшей оптимальной нагрузки уплотнения, не успевает сформироваться микроструктура и текстура, обладающая достаточной плотностью для того, чтобы полностью проявить силы молекулярного и электростатического притяжения, вследствие чего прочность образцов грунта сравнительно невелика. Нагрузка, большая оптимальной нагрузки уплотнения, существенно не изменяет образовавшуюся структуру образцов, в результате чего прочность их возрастает в меньшей степени, чем при Р<Ропт.
Величина оптимальной нагрузки уплотнения зависит от дисперсности глинистого грунта. Чем больше в грунте содержится глинистых частиц и коллоидов, тем меньше величина оптимальной нагрузки уплотнения.
Сопротивление грунтов разрыву
Связность (сцепление) грунтов проявляется как при их разрыве, так и при сдвиге. Разрыв грунта происходит под действием растягивающих нормальных давлений, возникающих в массиве грунта в результате действия гравитационных сил (на бровке откоса), горизонтального давления воды (в основании верхней грани плотины), неравномерного термического расширения и сжатия, а также усадки различных участков породы и т. д. Под действием растягивающих давлений происходит разрыв грунта, что морфологически выражается в появлении трещин отрыва, отделении одной части грунта от другой. Поверхность трещин отрыва имеет характерный рисунок, по которому их отличают от трещин сдвига.
Прочность на отрыв определяют в основном для скальных грунтов в условиях одноосного растяжения. Величина прочности породы на отрыв необходима при установлении допустимой крутизны откосов, при расчете радиальных деформаций и допустимых напряжений в напорных тоннелях, при проектировании бетонных плотин и др.
Несмотря на практическую важность значения прочности, на разрыв, достоверных данных о сопротивлении различных пород разрыву очень мало. Такое положение объясняется существенным влиянием трещин, трудно поддающихся учету, а также сложностью получения равномерного распределения напряжений в образце в процессе его испытания.
Определение прочности на разрыв производится путем приложения к образцу равномерных растягивающих давлений. Это осуществляется при одноосном растяжении, при изгибе, при раскалывании, при разрыве полых образцов давлением изнутри. В последние годы широкое распространение получил метод испытания на разрыв в результате раскалывания образцов, чему способствовали простота расчетной схемы, подготовка образцов и проведение испытания.
Сопротивление разрыву скальных пород. Прочность монолитных скальных пород на разрыв обычно не превышает 100—150 кГ/см2 и зависит от петрографического состава, крупности зерен, прочности связей между ними и микротрещиноватости.
Наивысшей прочностью на разрыв обладают малопористые перекристаллизованные мраморы и кварциты, характеризующиеся зазубренной линией сцепления между зернами; неперекристаллизованные мелкозернистые известняки, а также граниты, диабазы; другие породы имеют значительно меньшую прочность на разрыв.
Деформация разрыва скальных пород в несколько раз меньше деформации, необходимой для разрушения пород при одноосном сжатии.
Скальные грунты оказывают наименьшее сопротивление при растяжении. При этом необходимо отметить, что приведенные значения характерны для монолитных малопористых пород, так как для образцов трещиноватых пород прочность на растяжение может быть равна нулю. Прочность скальных пород на изгиб также характеризуется невысокими значениями.
Сопротивление разрыву дисперсных грунтов изучено слабо. Прочность на разрыв глинистых грунтов зависит от прочности структурных связей между частицами, определяемой химико-минералогическим составом, плотностью, степенью водонасыщения, формой частиц. Надежные результаты для образцов связных грунтов получить трудно в силу присущей большинству глинистых грунтов с естественной структурой микротрещиноватости.
Наиболее высоким сопротивлением разрыву при нарушенной структуре и полном водонасыщении обладают высокодисперсные глины; наиболее высокие значения получены для монтмориллонита и гидрослюды, наименьшие — для каолинита.
В глинах нарушенной структуры сопротивление разрыву обусловливается прочностью оболочек слабосвязанной воды и пленок геля кремневой кислоты, склеивающих частицы, а также сопротивлением разрыва воды в тонких капиллярах, которое может достигать значительных величин.
Прочность на разрыв глин с естественной структурой не превышает 1,3—1,5 кГ/см2 и обычно меньше 1 кГ/см2, составляя десятые его доли.
Интересно отметить, что деформация разрыва самая большая у монтмориллонитовой глины (3%), тогда как у других глинистых образцов она не превышала 0,2—0,8%. Самая малая деформация разрыва наблюдалась у влажных песков — 0,03—0,07%. Для сравнения отметим, что деформация разрыва стального стержня достигает 17%.
Сопротивление грунтов сдвигу
Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством, знание которого необходимо для решения разнообразных инженерно-геологических задач.
Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других — грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение массива грунта происходит в виде перемещения одной части массива относительно другой (оползание откоса, выпор грунта из-под сооружения и т. п.).
Определение сопротивления грунта сдвигу, производимое в лаборатории или полевых условиях, моделирует разрушение грунта в сооружении и заключается в измерении усилия, необходимого для сдвига образца или некоторого объема грунта, находящегося под действием известного нормального давления.
Насколько важна правильная оценка сопротивления грунта сдвигу, показывает следующий пример.
Объемы современных насыпных плотин измеряются десятками миллионов кубометров, поэтому небольшие изменения в угле внутреннего трения грунта плотины вызывают большие изменения объема и стоимостей сооружения. Так, для Нурекской плотины (р. Вахш), имеющей объем около 60 млн. м3, изменение угла внутреннего трения галечника, слагающего упорные призмы, с 35 до 38°, т. е. всего на 8,5%, вызывает уменьшение объема плотины примерно на 4 млн. м3 грунта (Ничипорович, 1968).
С другой стороны, введение в расчет завышенных значений угла внутреннего трения и сцепления грунта может привести к значительным деформациям сооружения или полному его разрушению.
Сопротивление сдвигу скальных грунтов
Прочность массива скальной породы, служащего основанием гидротехнического сооружения или слагающего склон долины (откос выемки), определяется его минералогическим составом, структурно-текстурными особенностями и напряженным состоянием. Большую роль в прочности массива породы играют такие структурно-текстурные особенности, как трещиноватость, наличие зон тектонического дробления и подвижек, прослои менее прочных пород и др. Поэтому для того, чтобы правильно оценить поведение массива скальной породы под нагрузкой от сооружения, необходимо знать его прочность вдоль потенциальных плоскостей разрушения. Эта оценка производится на основе соответствующих лабораторных и полевых опытов, а также путем моделирования.
Прочность массива скальной породы определяется не только его составом, строением и напряженным состоянием, но и направлением действующей силы. Так, для трещиноватого скального массива прочность неодинакова в различных направлениях и определяется углом между направлением преобладающей системы трещин, ослабляющих массив, и направлением результирующего давления. Если действующая сила перпендикулярна направлению системы трещин, то прочность массива будет определяться в основном прочностью породы на сжатие и срез в условиях сложного напряженного состояния. Но если действующая сила параллельна направлению системы трещин, то значение прочности будет определяться сопротивлением сдвигу слоев по трещинам. В действительности приходится иметь дело с некоторым промежуточным случаем, когда прочность массива зависит как от сопротивления породы сдвигу, так и от прочности на сжатие (в меньшей степени).
Влияние степени выветрелости пород на сопротивление сдвигу.
Поскольку прочность скальных грунтов зависит в основном от их трещиноватости, то прослеживается отчетливая связь между параметрами сопротивления пород сдвигу и показателями, характеризующими степень выветрелости пород, т. е. степень нарушения связей между частицами и изменение самих частиц.
Сопротивление сдвигу несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов
Сопротивление срезу материала частиц зависит от прочности кристаллической решетки минералов и напряженного состояния. Для установления влияния, каждого из трех слагаемых на общее сопротивление несвязного грунта сдвигу рассмотрим их в отдельности.
Сопротивление трения минералов. Трение частиц грунта представляет собой сопротивление относительному смещению двух тел, находящихся в контакте. В случае отсутствия относительного движения контактирующих тел наблюдается статическое трение, или трение покоя. Кинетическое трение, или трение скольжения, наблюдается после начала движения тел.
Трение различных минералов изучено сравнительно слабо, несмотря на большую роль трения в сопротивлении сдвигу грунтов. Можно отметить исследования Г. Горна и Д. Дира (1962) и Л. И. Барона (1966). Было установлено, что для большинства минералов коэффициент трения покоя примерно равен коэффициенту трения при движении; лишь для смоченной водой поверхности кварца последний в 1,5—2 раза меньше.
По величине коэффициента трения все минералы, поверхность которых покрыта водой, можно разделить на две группы: 1) с высоким (f = 0,4—0,8) коэффициентом трения — кварц, микроклин, кальцит; 2) с низким (f = 0,1—0,3) коэффициентом трения — мусковит, биотит, флогопит, хлорит, серпентин, стеатит, тальк. При трении двух разноименных минералов коэффициент трения пары минералов оказывается ближе к наименьшему коэффициенту трения.
Влияние минералогического состава песчаных фракций на сопротивление сдвигу.
Сопротивление кварцевых фракций сдвигу характеризуется следующими особенностями. Для крупных песчаных фракций кварца роль сопротивления частиц выходу из положения равновесия необычайно велика и приводит к тому, что углы внутреннего трения превышают 60°, но для мелких фракций, выход частиц из положения равновесия которых облегчен, угол внутреннего трения уменьшается и постепенно приближается к величине, характерной для скольжения гладких пластинок кварца.
Сопротивление сдвигу смеси кварц — слюда зависит от компоненты с меньшим трением. Опыты В.В. Охотина показывают, что при наличии в песке 10% слюды сопротивление сдвигу практически целиком определяется слюдой. Подобное понижение сопротивления сдвигу в песках оказывает глауконит, а также органические вещества и коллоиды, часто покрывающие пленкой частицы песков.
Влияние формы частиц на величину угла внутреннего трения довольно значительно. Для окатанных частиц угол внутреннего трения на 10—18% ниже, чем для остроугольных. Влияние вытянутости частиц гальки и гравия на величину угла зависит от ориентации частиц относительно направления сдвигающего усилия. Если направление ориентации удлиненных частиц совпадает с направлением сдвигающего усилия, то угол трения ниже, чем в случае ориентации частиц нормально действию сдвигающего усилия.
Влияние структуры несвязного грунта на сопротивление сдвигу.
Размер частиц несвязных грунтов определяет величину их подъема при сдвиге, равную примерно половине их размера. Для песчаных и пылеватых грунтов эта высота будет составлять десятые и сотые доли миллиметра, а для гравийных и галечниковых грунтов — до нескольких сантиметров. С уменьшением размера частиц величина угла трения закономерно уменьшается, и сопротивление сдвигу несвязных грунтов стремится к сопротивлению трения, оказываемого одноименными парами гладких поверхностей минералов.
Зацепление частиц в наибольшей степени определяет сопротивление сдвигу фракций гальки, гравия и крупного песка. Для пластинчатых частиц мусковита сопротивление сдвигу целиком определяется трением частиц. Для мелкопесчаных и пылеватых частиц сопротивление сдвигу определяется как зацеплением, так и трением частиц.
Влияние плотности упаковки частиц оказывает существенное влияние на сопротивление грунта сдвигу сопротивления сдвигу песка для рыхлой и плотной упаковки частиц. Сопротивление сдвигу мобилизуется по мере развития деформации, но если для плотного песка, достигнув максимума, оно при некоторой деформации сдвига уменьшается до минимального значения, то для рыхлого, наоборот, постепенно возрастает и остается постоянным. При этом пористость плотного песка уменьшается, а рыхлого, наоборот, увеличивается. Изменение плотности грунта при сдвиге носит название дилатансии.
Скорость сдвига сухого несвязного грунта не оказывает существенного влияния на сопротивление сдвигу. Однако для водонасыщенного песка сопротивление сдвигу может зависеть от скорости сдвига. Известно, что фактическое давление в плоскости разрушения состоит частично из давления в скелете грунта (эффективное давление) и из давления в воде (поровое давление ).
При сдвиге рыхлого песка происходит его уплотнение. Если при этом вода выдавливается из пор легко, то поровое давление практически не изменяется, но если дренаж затруднен, то давление в поровой воде возрастает.
Для плотного песка сопротивление сдвигу при отсутствии дренажа выше, чем соответствующие значения для дренируемого песка (за исключением случаев действия больших давлений). Для рыхлого песка; наоборот, сопротивление сдвигу при отсутствии дренажа, меньше, чем соответствующее значение для дренируемого (за исключением случаев действия очень низких давлений). В связи с тем что при медленном приложении сдвигающей нагрузки она воспринимается скелетом грунта, а при быстром приложении на скелет передается только часть общей нагрузки, испытание с. дренированием и без него называется соответственно медленным и быстрым.
В полевых условиях отсутствие дренажа может определять устойчивость мелко- и тонкозернистых песков и особенно пылеватых. В крупных песках в связи с их хорошей водопроницаемостью изменение порового давления при сдвиге будет ничтожным и практически не будет оказывать влияния на их устойчивость.
Угол естественного откоса
Углом естественного откоса называется угол наклона поверхности свободного насыпанного несвязного грунта к горизонтальной плоскости.
Угол естественного откоса а несвязных грунтов обычно отождествляют с углом внутреннего трения. Такое отождествление основано на анализе условия равновесия твердого тела на поверхности, наклоненной под углом к горизонту.
Для реальных несвязных грунтов сопротивление сдвигу определяется, как было показано выше, в основном зацеплением частиц. Кроме того, напряженные состояния для частиц при сдвиге и скатывании по поверхности откоса оказываются различными. В первом случае на частицы действует давление в нескольких точках, равномерно распределенных по его поверхности, а во втором частицы касаются других только внешней частью своей поверхности, и величина этого давления очень мала, определяясь исключительно весом самих частиц. Учитывая сказанное, угол естественного откоса не может быть равен углу внутреннего трения, что подтверждается экспериментально.
Таким образом, угол естественного откоса в лучшем случае является грубым приближением к углу внутреннего трения, и величина угла естественного откоса представляет характеристику частного случая сдвига несвязного грунта, когда давление на частицы очень мало и определяется только весом частиц.
Факторы, определяющие угол естественного откоса. На угол естественного откоса частиц пород и минералов решающее влияние оказывает дисперсность (размер частиц, неоднородность), форма частиц, характер их поверхности и влажность, а также условия работы откоса (статические, динамические нагрузки, наличие фильтрации). Рассмотрим влияние этих факторов на конкретных примерах. Л. И. Барон (1950) показал, что с увеличением размера частиц или кусков породы угол естественного откоса должен уменьшаться, так как устойчивость откоса, определяясь устойчивостью частиц на его поверхности, зависит от их зацепления и веса. С ростом размера частиц вес их растет быстрее, чем силы, обусловленные зацеплением и трением. Поэтому величина сил сопротивления оказывается меньше силы, необходимой для удержания частиц на поверхности откоса в состоянии равновесия, что приводит к их скатыванию и уменьшению угла естественного откоса. В общем можно отметить, что величина угла естественного откоса воздушно-сухих несвязных грунтов находится в пределах от 30 до 40°. Грунты, сложенные окатанными частицами, обладают сравнительно низкими значениями углов откоса, так как у минералов с массивно-кристаллической структурой зацепление уменьшается и составляющая трения оказывается низкой. Для листоватых частиц мусковита угол оказывается наиболее высоким в связи с высоким значением коэффициента трения, характерного для этого минерала в воздушно-сухом состоянии.
Влияние влажности на величину угла естественного откоса. При расчете устойчивости реальных откосов из несвязных грунтов следует ориентироваться на наименьшее значение угла откоса, которое получится в результате увлажнения и различного рода воздействий (сотрясения от проходящего транспорта, землетрясения и др.).
Влияние влажности грунта на величину устойчивости откоса хорошо известно инженерам-строителям. Так, для несвязных грунтов при некоторой влажности, примерно равной капиллярной влагоемкости (5—15% в зависимости от дисперсности), угол откоса увеличивается на 10—15%. Основной причиной в этом случае является действие капиллярных сил, обусловливающих кажущуюся связность грунта. При полном затоплении откоса из несвязного грунта или при влажности, равной примерно полной влагоемкости, угол откоса а уменьшается.
Уменьшение угла естественного откоса несвязного грунта под водой можно объяснить действием двух основных факторов: 1) уменьшением веса частиц в воде в результате взвешивания, что облегчает их выход из зацепления и скатывание и 2) смазочным действием воды. Последний фактор особенно ощутим для грунтов, обогащенных мусковитом, и грунтов, частицы которых покрыты пленками органических коллоидов.
Угол песчаного откоса в значительной степени зависит от направления движения фильтрационного потока.
Влияние динамического воздействия на устойчивость затопленных песчаных откосов. Сотрясения, которым подвергается водонасыщенный песчаный откос, приводят к разжижению и перемещению подчас огромных масс грунта, в результате чего откос становится положе (угол откоса в тонких песках часто не превышает 5°).
Причиной разжижения и оплывания откоса при динамическом воздействии на него является уплотнение песка и, как результат, увеличение гидродинамического давления воды, взвешивающей песчинки и увлекающей их в сторону понижений.
Общими чертами всех аварий, связанных с нарушением устойчивости затопленных откосов, являются: 1) малая плотность песка, 2) подводное его залегание, 3) динамические воздействия. Дренажная пригрузка откоса значительно повышает его динамическую устойчивость. Понижению динамической устойчивости песков способствуют следующие факторы: мелкозернистость и тонкозернистость, пылеватость и однородность, окатанность частиц, наличие слюдистых частиц и органических коллоидов.
Сопротивление сдвигу связных глинистых и лессовых грунтов
Прочность связей между частицами глинистых и лёссовых грунтов может быть различной: для молодых неуплотненных отложений она значительно меньше прочности основных минеральных частиц, но для уплотненных и окремнелых пород прочность связей будет приближаться к прочности частиц.
Прочность глинистых и лёссовых грунтов с нарушенными и ненарушенными структурными связями при одинаковой исходной плотности — влажности оказывается различной: в первом случае значительно меньшей, чем во втором. Глинистые и лёссовые грунты с нарушенными естественными структурными связями имеют все же определенную связность.
Наряду с силами сцепления прочность глинистых грунтов определяется и силами внутреннего трения между частицами. Однако точное выделение составляющей трения и сцепления представляет большие трудности, так как само трение между поверхностями твердых тел имеет сложную, двойственную адгезионно-деформационную (молекулярно-механическую) природу.
Компоненты сопротивления сдвигу проявляются в различной степени по мере развития деформации сдвига. Сцепление в силу его жесткости мобилизуется при незначительных деформациях сдвига, тогда как для мобилизации сопротивления сдвигу в результате поворота частиц и выхода их из положения равновесия, а также для полного развития трения требуются значительно большие деформации.
Методика определения сопротивления сдвигу глинистых грунтов зависит от условий работы грунта в сооружении. Схемы испытаний грунтов на сдвиг различаются условиями предварительной подготовки грунта и скоростью сдвига.
По характеру предварительной подготовки глинистого грунта к испытанию различаются три основных метода испытаний:
сдвиг образцов грунта в естественном состоянии без предварительного уплотнения;
сдвиг образцов грунта, предварительно (до окончания процесса консолидации) уплотненных разными нагрузками и срезанных при нагрузках уплотнения (сдвиг нормально уплотненных образцов грунта или сдвиг по прямой ветви компрессии);
сдвиг образцов грунта, предварительно (до окончания процесса консолидации) уплотненных одной и той же нагрузкой, но срезанных при меньших нагрузках (сдвиг переуплотненных образцов грунта или сдвиг по обратной ветви компрессии).
В зависимости от скорости проведения испытания различают быстрый и медленный сдвиг. Быстрый сдвиг проводится с такой скоростью, чтобы плотность — влажность грунта в процессе сдвига не изменялась (недренированный сдвиг). Медленный же сдвиг проводится с такой скоростью, что плотность — влажность глинистого грунта успевает прийти в равновесие с действующей нагрузкой (дренированный сдвиг).
Характер предварительной подготовки и режим проведения испытания определяют величину параметров сопротивления сдвигу: наибольшим сопротивлением сдвигу обладают грунты, подвергнутые консолидированно-дренированному сдвигу; при неконсолидированно-недренированном испытании прочность глинистого грунта будет определяться только сцеплением, а силы внутреннего трения будут очень малы, и.. el. в зависимости от методики испытания угол внутреннего трения (для одного и того же грунта может изменяться от 0 до 20—30°, сцепление — от нуля до нескольких кГ/см2. Результаты неконсолидированно-недренированного сдвига обычно используются для расчета устойчивости массива грунта на стадии строительства. Результаты консолидированно-дренированного сдвига используются для расчета устойчивости массива глинистого грунта на стадии длительной эксплуатации.
Природа сопротивления сдвигу глинистых грунтов очень сложна. Поэтому в основном ограничимся рассмотрением сопротивления сдвигу полностью водонасыщенных глин как с нарушенными, так и с естественными структурными связями в условиях полного водонасыщения и медленного, дренированного сдвига.
Сопротивление сдвигу глинистых грунтов с нарушенными структурными связями. Исследования сопротивления сдвигу глинистых грунтов с нарушенными структурными связями между частицами помогают правильно оценить роль различных факторов в формировании прочности грунта.
Определим основные параметры, характеризующие прочность глинистых грунтов. Сопротивление сдвигу нормально уплотненной глины прямо пропорционально эффективному давлению и изображается прямой линией, выходящей из начала координат.
Остаточная прочность глин определяется исключительно трением между частицами. При переходе от максимальной прочности к остаточной сцепление падает до нуля, а угол внутреннего трения также уменьшается: в некоторых глинах на 1—2°, в других до 10°. Остаточная прочность определяет поведение глинистых грунтов при длительном действии сдвигающей нагрузки и может определяться на грунтах с нарушенной структурой.
Сопротивление сдвигу неполностью водонасыщенных глинистых грунтов нарушенной структуры (материал дамб, плотин, насыпей и т. п.) будет зависеть от степени водонасыщения: чем выше степень водонасыщения, тем ниже сопротивление сдвигу.
Сопротивление сдвигу глинистых грунтов с природными структурными связями. Максимальная прочность глинистых грунтов природного сложения определяется прочностью кристаллизационных структурных связей и трением частиц. После разрушения структурных связей прочность грунтов уменьшается и определяется главным образом сопротивлением трения и механическим взаимодействием частиц.
Величина Рстр изменяется в широких пределах от десятых и сотых долей кГ/см2 для илов и других молодых отложений до 10 и больше кГ/см2 для плотных глинистых пород, подвергавшихся большим давлениям в течение геологической истории.
Для сравнительной оценки прочности структуры молодых водонасыщенных глинистых грунтов применяется показатель структурной прочности Кс.п.
Высокие значения Кс.п обычны для высоковлажных глинистых отложений — илов, молодых глин, сапропелей, отвалов золы и других образований, для которых характерно небольшое количество точечных контактов между частицами.
Сопротивление сдвигу молодых высоковлажных глинистых отложений без уплотнения обусловливается исключительно прочностью структурных связей, которая в свою очередь зависит от плотности, дисперсности, химико-минералогического состава. Величина прочности таких отложений небольшая — сотые и десятые доли кГ/см2, а после разрушения структурных связей прочность их падает до весьма малых значений и грунт становится подобным вязкой жидкости.
Выщелачивание солей из порового раствора высоковлажных молодых глин способствует увеличению их чувствительности и переходу в подвижное, плывунное состояние при небольших усилиях и слабых динамических воздействиях.
Для сильно переуплотненных и сцементированных глинистых пород благодаря крепким структурным связям между частицами характерна высокая максимальная прочность.
Длительная прочность глин. Если определять прочность глин путем постоянного увеличения продолжительности действия сдвигающего усилия, то обнаружится заметное уменьшение прочности во времени.
Уменьшение параметра прочности Cц переуплотненных глин во времени особенно интенсивно происходит в условиях выемок в результате выветривания и разуплотнения. Как показал А. Скемптон (1964), в лондонских глинах за 70 лет сцепление упало с 0,12 кГ/см2 до 0,03 кГ/см2, что привело к разрушению ряда подпорных сооружений.
Таким образом, в зависимости от продолжительности действия сдвигающей нагрузки следует различать: «мгновенную» прочность при кратковременном, быстром сдвиге, и длительную прочность при медленном сдвиге. Величина длительной прочности зависит от природы грунта и может быть равна 0,3—0,8 мгновенной прочности.
К факторам, определяющим величину сопротивления сдвигу глинистых грунтов, следует отнести химико-минералогический состав грунта, структуру и текстуру грунта.
Влияние минералогического состава глин на их сопротивление сдвигу осуществляется при прочих равных условиях через гидрофильность, размер и форму частиц. Для первичных тонкоразмолотых минералов (микроклин, кварц, кальцит) характерны высокие значения угла внутреннего трения, равные 30—40°.
Низкие значения угла внутреннего трения для монтмориллонитовых глин объясняются отсутствием непосредственного взаимодействия между твердыми частицами, разделенными пленками связанной воды. По мере утоньшения пленок воды между частицами составляющая трения возрастает.
Высокое трение палыгорскита обусловлено спутанноволокнистой текстурой, характерной для системы, состоящей из игольчатых частиц.
Влияние физико-химических факторов на сопротивление глин сдвигу. Физико-химические факторы (концентрация электролитов в поровом растворе и состав обменных катионов) определяют кристаллохимические свойства поверхности глинистых частиц и, следовательно, их свойства. Увеличение концентрации электролитов в поровом растворе, а также наличие в обменном комплексе двух- и трехвалентных катионов и калия способствует сжатию диффузного (уменьшению толщины слоя рыхлосвязанной воды), в силу чего дисперсная система оказывается более плотной при данном давлении; между частицами в наибольшей степени проявляются силы взаимодействия, что выражается в увеличении прочности.
В наибольшей степени влияние физико-химических факторов сказывается на водонасыщенных рыхлых монтмориллонитовых и тонкодисперсных гидрослюдисто-монтмориллонитовых глинах. По мере увеличения плотности глин и изменения их минералогического состава роль физико-химических факторов уменьшается.
Сопротивление сдвигу монтмориллонитовой глины существенно возрастает при замене обменного Na+ на Ca2+ и Al3+, тогда как природа обменных катионов каолинита практически не изменяет его сопротивления сдвигу. В работах И. Розенквиста, Л. Бьеррума и других было показано, что вхождение в поглощающий комплекс монтмориллонитовых и гидрослюдистых глин иона калия приводит к существенному увеличению сопротивления сдвигу.
Обменный калий в силу своих химических особенностей (малый размер, отрицательная гидратированность) обладает способностью «встраиваться» в кристаллическую решетку монтмориллонитов и гидрослюд и тем самым скреплять отдельные пластинки этих минералов прочной структурной связью, что приводит к увеличению плотности глин и их сопротивления сдвигу. Связь пакетов глинистых минералов посредством иона K+ оказывается очень прочной, о чем говорит необратимость вхождения калия в кристаллическую решетку, а также значительное уменьшение межпакетного расстояния монтмориллонита, которое эквивалентно действию давления в несколько сотен кГ/см2.
При концентрации электролитов норового раствора ~ 1 н. диффузные слои частиц оказываются практически полностью подавлены и между частицами формируются непосредственные, точечные контакты, что выражается в увеличении составляющей трения.
Влияние плотности на сопротивление глин сдвигу. Плотность глинистого грунта наряду с его дисперсностью и прочностью структурных связей является основным структурным фактором, определяющим его прочность.
Величина угла внутреннего трения зависит от прочности структурных связей между частицами и агрегатами грунта: для глинистых грунтов с естественными структурными связями величина угла примерно на 10—30% выше, чем для перемятых глин. Для глин с прочными структурными связями эта разница будет значительно выше.
Величина другого параметра прочности — сцепления. значительно зависит от плотности — влажности грунта.
Величина коэффициента сцепления К для одного и того же глинистого грунта изменяется в сравнительно узких пределах. Наименьшим коэффициентом сцепления обладают минералы с мало активной кристаллической решеткой (каолинит), тогда как у монтмориллонита величина К значительно выше. Наиболее высоким К обладает вулканическая глина нарушенной структуры, что объясняется сильными клеющими свойствами слагающих ее частиц аморфного кремнезема, монтмориллонита и органического вещества. Полидисперсность грунта также способствует росту К (моренный суглинок).
Наличие естественных структурных связей оказывает существенное влияние на увеличение сцепления с ростом плотности: чем выше прочность связей, тем в меньшей степени изменяется К, так как связи до известной степени препятствуют уплотнению грунта. И при действии давлений, меньших структурной прочности грунта, сцепление будет мало зависеть от нормального давления. С уменьшением влажности (увеличением плотности) сцепление резко увеличивается.
Наиболее высоким сцеплением при данной плотности — влажности обладает монтмориллонит, палыгорскит, органическое вещество, далее в порядке уменьшения идут галлуазит, иллит и каолинит.
Следует подчеркнуть, что игольчатая форма частиц при сравнительно низкой гидрофильности поверхности минералов способствует проявлению значительных сил сцепления (палыгорскит и галлуазит). Зависимость сцепления от влажности полностью водонасыщенного глинистого грунта может быть выражена формулой
Се = Ке где К — коэффициент сцепления; % — коэффициент компрессии; AW — изменение влажности; е — основание натуральных логарифмов.
Из формулы видно, что связь между C8 и W носит экспоненциальный характер. В диапазоне давлений до 10 кГ/см2 формула удовлетворительно описывает экспериментальные данные для глин нарушенной структуры.
Остаточное сопротивление глинистых грунтов сдвигу. Для прогноза устойчивости сооружений необходимо знать длительную прочность, т. е. сопротивление сдвигу грунта после длительного воздействия на неге сдвигающей нагрузки. Работами Н. Н. Маслова, А. Скемптона и и др. установлено, что в плотных глинах уменьшение сопротивления сдвигу во времени происходит в основном благодаря уменьшению параметра Сц. Поэтому важно знать ту предельную прочность грунта, которая обусловлена в основном силами трения между частицами грунта.
Изменение структуры и текстуры глин при сдвиге было подробно изучено Н. Р. Моргенштерн и И. С. Чаленко (1967) на пасте каолинита. При возрастании касательного напряжения до значения, равного максимальной прочности, не наблюдалось появления разрывов. На этой стадии происходит поворот частиц в направлении сдвига, величина которого зависит от их первоначальной ориентированности по отношению к направлению сдвига.
Дальнейшее изменение текстуры особенно отчетливо проявляется при сдвиге ориентированных образцов перпендикулярно первоначальной структуре. После поворота частиц у краев образца возникают трещины, распространяющиеся к центру образца. По мере увеличения деформации сдвига трещины продолжают расти вплоть до образования плоскости сдвига, разделяющей образец на две части.
Угол между направлением сдвигающего напряжения и ориентацией частиц может оказывать заметное влияние на сопротивление сдвигу. И. С. Чаленко и Н. Р. Моргенштерн показали, что для каолинита сдвигающее напряжение, действующее перпендикулярно направлению ориентации частиц, примерно на 20% выше, чем в случае параллельной ориентации частиц.
Сопротивление сдвигу лёссовых пород. До последнего времени изучению прочности лёссовых пород в различных состояниях влажности уделялось меньше внимания, чем исследованию сжимаемости, хотя разрушение грунта происходит в результате его деформации.
Прочность лёссовых пород зависит от прочности структурных связей кристаллизационного характера, которая в свою очередь зависит от степени водонасыщения породы. Уменьшение прочности лёссового грунта происходит в основном в результате уменьшения параметра Сц,. Прочность полностью водонасыщенного лёссового грунта оказывается близкой прочности грунта в состоянии пасты, так как в обоих случаях определяется в основном трением и зацеплением между частицами и агрегатами.
Реологические свойства грунтов
Характер сопротивления грунтов внешним силам зависит от скорости приложения к ним этих сил. При быстром возрастании нагрузки сопротивление грунта будет наибольшим и в нем будут преобладать упругие деформации, при медленном возрастании внешних сил — сопротивление грунта будет меньшим, и он будет проявлять свойства ползучести и текучести.
Степень проявления упругости или ползучести в грунте зависит от отношения времени действия силы к так называемому времени релаксации, под которым понимается такой промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается на определенную величину, например, в е раз (е = 2,71).
Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов оно измеряется сотнями и тысячами лет, для стекла около ста лет, а для воды — 10-11 сек. Если продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации, то будут развиваться в основном упругие деформации. Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя или как твердое, или как жидкое. Период релаксации является основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел.
В современной физико-химической механике деление на жидко-образные и твердообразные тела производится на основе картины развития скорости деформации сдвига от величины действующего сдвигающего давления.
Для жидкости при действии сколько угодно малых напряжений за время, большее периода релаксации, устанавливается стационарное течение с постоянной вязкостью, не изменяющейся при возрастании напряжений. Для структурированных жидкостей (суспензий, высокодисперсных и высоковлажных илов, сапропелей) вязкость уже зависит от действующего касательного напряжения и поэтому называется эффективной.
Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига, называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.
Для твердообразных тел говорят о пластической вязкости.
Н. Ф. Шведов (1889), а затем Бингам (1916) показали, что пластические тела характеризуются двумя параметрами: пределом текучести тел и пластической вязкостью.
Физический механизм ползучести очень сложен и зависит от большого числа факторов. В кристаллах ползучесть обусловлена движением дефектов структуры, двойникованием, трансляцией, диффузией; в поликристаллических телах и дисперсных глинистых грунтах, которые ползут при меньших давлениях, чем кристаллы, — квазивязким скольжением частиц относительно друг друга, переориентацией частиц в направлении, нормальном результирующему напряжению, и развитием микротрещин. Кинетика ползучести зависит от давления и температуры и осложняется различными структурными превращениями — уплотнением и упрочнением грунта на стадии затухающей ползучести и дилатансным разупрочнением на стадии течения.
Для составления прогноза ползучести сооружений необходимо знание двух величин — порога ползучести и эффективного коэффициента вязкости грунта и его изменения во времени. Порог ползучести (по Н. Н. Маслову) представляет собой такое касательное напряжение, при котором и выше которого деформация ползучести, имевшая до этого по своей величине и скорости практически пренебрегаемый характер, резко интенсифицируется.
Порог ползучести грунтов зависит от структуры и состава грунта, от температуры и давления и скорости действия давления. Для плотных пород порог ползучести выше, чем для малоуплотненных.
«Порог ползучести» определяется по данным длительных опытов на ползучесть идентичных образцов грунта, испытываемого при различных значениях касательного напряжения.
Ж. С. Ержанов (1964) отмечает, что скальные грунты (алевролиты, аргиллиты, песчаники, известняки) в условиях изгиба при нагрузках, не превышающих ~70% от разрушающих, четко обнаруживают свойство ползучести. Следовательно, порог ползучести у этих пород может достигать нескольких десятков кГ/см2. Из рассмотренных им пород специфическим поведением при ползучести обладали известняки, ползучесть которых затухала в 10—20 раз быстрее, чем у других пород. Такое поведение известняка, по-видимому, можно объяснить высоким углом внутреннего трения и высокой вязкостью, присущих кальциту, основному минералу, слагающему известняки.
Эффективная вязкость грунтов характеризует сопротивление их течению под действием внешних сил. Количественно вязкость определяется величиной касательной силы, которая должна быть приложена в единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддержать в нем ламинарное течение с постоянной скоростью относительного сдвига, равной единице.
Факторы, определяющие вязкость грунтов. Вязкость грунтов зависит от их структуры и текстуры, химико-минералогического состава, от температуры и величины касательных напряжений. Коэффициент вязкости для разных грунтов изменяется в очень широких пределах: от 102—104 пз для илов с нарушенной структурой до 1022 пз для известняка. С увеличением плотности грунтов их вязкость, а также порог ползучести возрастают.
Нарушение структурных связей в глине путем ее перемятая приводит к существенному уменьшению вязкости. Отношение наибольшей вязкости к наименьшей возрастает от менее дисперсных грунтов (суглинок лёссовидный, глина кембрийская) к более дисперсным (хвалынская глина).
С увеличением интенсивности касательных напряжений вязкость грунтов уменьшается, изменяясь от наибольшей вязкости по, характерной для практически неразрушенной структуры, до наименьшей вязкости, отвечающей структуре в состоянии максимального нарушения связей между частицами.
Зависимость вязкости скальных грунтов от касательного напряжения М. В. Гзовский аппроксимирует логарифмической зависимостью.
М. В. Гзовский (1963) по величине вязкости горных пород в природных условиях выделяет:
наименее вязкие породы (тощие глины, соли, гипсы, тонкослоистые алевролито-глинистые толщи);
слабовязкие породы (тонкослоистые известняково-мергелистые, песчано-глинистые, флишевые толщи);
сильно вязкие породы (слабо слоистые песчаниковые, конгломератовые, карбонатные, вулканогенные, в прошлом сильно дислоцированные и слабо метаморфизованные песчано-глинистые толщи);
наиболее вязкие породы (граниты, гнейсы, кристаллические сланцы);
Таким образом, петрографический состав является основным фактором, который определяет вязкость монолитных пород.
Глины, соли и мергели обусловливают относительно низкую вязкость грунтов, так как, присутствуя в виде прослоев, они снижают вязкость песчаных и известняковых толщ и способствуют их оползанию на склонах. Примером такого смещения являются деформации Дзора ГЭС (Армения), описанного Г. М. Ломизе (1945). Сооружение стало с некоторого момента времени обнаруживать осевое сжатие в результате давления толщи андезито-дацитов, сползавшей по слою глинистых туфов, кровля которых была наклонена к горизонту под углом порядка 8—9°. Геодезические наблюдения установили, что скорость смещения толщи в направлении ГЭС измерялась величиной 2—3 см/год.
Вязкость грунтов, так же как и жидкостей, зависит от температуры. Однако исследования вязкости грунтов в диапазоне температур, представляющих интерес для инженерной геологии (примерно от —40 до +80° С), не проводились и данных об изменении вязкости грунтов от температуры практически нет. Расчеты, выполненные по данным изучения ползучести глин в недренированных условиях при разных температурах, показали, что для иллита увеличение температуры от 20 до 26°С привело к уменьшению вязкости от 20•1012 до 0,7•1012 пз, т. е. почти в 30 раз.