Автор: Горькова И.М.
Теги: подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей строительство геология механика грунтов
Год: 1975
Текст
И. М. Горькова ФИЗИКО"
ХИМИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ДИСПЕРСНЫХ
ОСАДОЧНЫХ ПОРОД
В СТРОИТЕЛЬНЫХ !
ЦЕЛЯХ
Б120 ЬьХ
И. М. Горькова
ФИЗИКО-
ХИМИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ДИСПЕРСНЫХ
ОСАДОЧНЫХ
ПОРОД
В СТРОИТЕЛЬНЫХ
ЦЕЛЯХ
МОСКВА
СТРОЙИЗДА1
1975
УДК 624.131.41 : 624.131.22/23
Печатается по решению секции литературы по строител
ной физике и конструкциям редакционного совета СтроитЬ
от 26 мая 1972 г. даТа
Горькова И. М. Физико-химические исследования дисперс
ных осадочных пород в строительных целях. М., Стройиздат'
1975. 151 с. ’
В книге рассмотрена роль состава и дисперсности грунтов
характера их структурных связей в процессах формирования
прочностных, деформационных и реологических свойств да,
анализ природы основных реологических явлений в грунтах"
Предложена классификация глинистых и лёссовых грунтов
как основа прогноза их поведения при инженерном воздействии
Книга предназначена для научных работников научно-ис-
следовательских институтов и инженерно-технических работни-
ков проектных и изыскательских организаций.
Табл. 22, рис. 20, список лит.: 151 назв.
г 30206— 613
047(01)—75
146-75
© Стройиздат, 1975
ВВЕДЕНИЕ
Инженерная геология возникла на стыке инженерного и
строительного дела и геологических наук. Основной задачей
этой науки являются изучение взаимодействия грунтов и соо-
ружении и прогноз их поведения при различных инженерных
воздействиях.
На ранних стадиях своего развития, в особенности за рубе-
жом, специалисты уделяли большее внимание инженерной сто-
роне этой пограничной области знания — геотехнике, без долж-
ного учета особенностей всей совокупности свойств грунтов.
Советскими учеными — инженерами-геологами постоянно
подчеркивалось, что знание только одних механических свойств
горных пород недостаточно для обоснованной инженерно-геоло-
гической их оценки и указывалось на необходимость наряду с
этими свойствами обязательно учитывать — генезис, петрогра-
фический состав и текстуру пород, условия их осадконакопле-
ния, последующего развития, современного залегания в опреде-
ленных физико-географических условиях и закономерности из-
менения физико-механических свойств в процессе литогенеза п
гипергенеза. Развитие этого направления сыграло весьма поло-
жительную роль в создании теоретических основ грунтоведения
и теории литогенеза.
Грунты представляют собой сложную многофазную полиди-
сперсную систему, существование которой в различных геологи-
ческих, геохимических и физико-географических условиях опре-
деляется комплексом свойств этих пород. Многофазность и
сложность этих свойств отличает грунты от однородных тел и
создает большую трудность в количественном описании прочно-
стных и деформационных свойств, которые так важны для
строительной практики.
Опыт исследования грунтов лабораторными методами, преи-
мущественно используемых при оценке пород, показывает, что
изучение грунтов необходимо проводить с учетом индивидуаль-
ных особенностей, присущих отдельным генетическим типам по-
род, образовавшихся в определенных условиях и обладающих
поэтому вполне определенными качествами. Игнорирование это-
го принципа и стандартный подход в исследовании ко всем
грунтам неизбежно ведут к неправильным или недостаточно до-
стоверным прогнозам.
Следует рекомендовать применять методы оценки и режимы
деформирования, которые наилучшим образом соответствуют
как особенностям пород, так и ожидаемому поведению их при
взаимодействии с сооружением.
1 * 1
Процессы формирования инженерно-геологически
грунтов по существу своему являются коллоидНо.Хи *
процессами, протекающими в определенных геологичес
виях: диспергирование, перенос коллоидных взвесей КИх У%
тация, структурообразование, набухание, синерезис стСедиМе(1
пр. Эти процессы ведут к осадконакоплению, а затект еНйе и
нению, обезвоживанию, упрочнению и твердению (\ К Уплот
ции) осадков во времени. 1ИтиФика-
В. А. Приклонский, обращая внимание на тесную св
верной геологии и грунтоведения с коллоидной химией^ Ин*е-
вал, что только при помощи современных представлений' ^КазЬ|-
дной химии можно получить правильное представление^1^11'
мировании инженерно-геологических свойств грунтов свя°
сих высокой дисперсностью и активной поверхности Занных
дела твердой и жидкой фаз, и обоснованный прогноз пов° раз‘
грунтов при взаимодействии с сооружением и пзмененииДеНИЯ
родной обстановки. пРи-
На протяжении последних 30—40 лет чрезвычайно возоо
терес к физико-химическим особенностям дисперсных гпун ИН'
к выявлению природы их прочности и получению возмо>кно°В’
достоверного прогнозирования поведения грунтов при нижене?
ном воздействии. ‘ Р'
Поскольку осадочные породы являются природными диспер-
сными системами, естественно, что для выявления закономерно-
стей формирования их прочности и деформируемости необходи-
мо привлечение современной коллоидной химии структуриро-
ванных дисперсных систем, существенно отличающейся от
коллоидной химии тридцатых годов, рассматривавшей в основ-
ном отдельные коллоидные мицеллы и свойства разбавленных
суспензий.
В пятидесятых годах оформилась новая самостоятельная об-
ласть коллоидно-химической науки — физико-химическая меха-
ника, возникшая на стыке коллоидной химии, молекулярной
физики, механики материалов и технологии их производства.
Эта пограничная область науки впервые была сформулирована
и определена ее основоположником академиком П. А. Ребин-
дером.
В настоящее время физико-химическая механика получила
широкое развитие. Основываясь на представлениях и методах
новейших разделов коллоидной химии и реологии, физико-хими-
ческая механика фактически является теоретической основой
многих естественных и технических наук и позволяет создавать
материалы с заданными свойствами и прогнозировать деформа
пионное поведение любых природных и искусственных диспер
сных систем в заданных условиях.
С 1950 г. в ПНИИИС Госстроя СССР ведутся физико-химиче
ские исследования осадочных горных пород. Прогнозы деф°Р5'
ционного поведения грунтов, полученные при помощи стандар
4
ной инженерно-геологической методики, не всегда оправдыва-
лись в сложных условиях строительства, а природа
возникающих инженерно-геологических явлений не была доста-
точно ясна. Эти обстоятельства обусловили необходимость по
становки систематических коллоидно-химических и реологичес-
ких исследований основных геолого-генетических типов осадоч
пых пород из районов ответственного строительства. При иссле-
довании осадочных горных пород изучались свойства природных
дисперсных систем в широком диапазоне концентраций, с раз-
личным характером структурных связей, различными диспер-
сностью, химическим и минералогическим составом и, как след-
ствие, с различными прочностными и деформационными особен-
ностями. Впервые в данной области науки проведено такое де-
тальное и целенаправленное исследование дисперсных систем.
Нами исследовались песчаные, песчано-коллоидные, лёссо-
вые, глинистые породы, илы, мел, мергели, органические отло-
жения различного возраста и в широких диапазонах концен-
траций.
Гранулометрический состав этих пород колеблется от хоро-
шо отсортированных глин, пыли и песка, в которых основная
фракция частиц содержится от 50 до 98%, до смешанных, неот-
сортированных отложений, содержащих приблизительно равное
количество всех указанных трех фракций частиц.
В результате сложных и длительных процессов диагенеза,
эпигенеза и гипергенеза, выражающихся в синерезисе, старе-
нии, перекристаллизации и преобразовании минеральных форм
вещества твердой и жидкой фаз, происходит постепенное изме-
нение состава и состояния пород. Формируются структурные
связи между частицами той или иной природы и прочности в за-
висимости от дисперсности, состава пород и геохимических усло-
вий среды. В соответствии с изменением состава и состояния по-
род меняется и их деформационное поведение.
Научные результаты проведенных исследований можно крат-
ко сформулировать следующим образом.
Подтвердилась отчетливая связь между геологическими ус-
ловиями образования пород, их дальнейшим формированием,
условиями залегания, гидрогеологическими и геохимическими
условиями окружающей среды и инженерно-геологическ ми
особенностями пород.
Геолого-генетические факторы формирования пород опреде-
ляют их дисперсность, химический, минеральный и петрографи-
ческий состав, физическое состояние, характер преобладаю-
щих структурных связей и прочность пород.
Физико-химическая механика осадочных пород позволила:
установить связь между их составом и состоянием (т. е. гео-
лого-генетическими особенностями) и их механическими и рео-
логическими свойствами и, следовательно, дает возможность
5
„„гчения обоснованного прогноза поведения пород пр„
с сооружением; ри взач
выявить природу прочности отдельных наиболее рас '
„енных генетических типов осадочных пород „ пр„р^"₽»стр,.
„ых инженерно-геологических явлении, присущих -,ТНД*4.
в определенных условиях деформирования, таких как пРу>
* разжижение при динамическом воздействии, тиксо" „>-
проса’дочность, пластическое течение, ползучесть, дила^’»».
“ Создать новую, научно обоснованную классификацию оса,
ных пород, В которой по совокупности прямых количестве’°Л
классификационных показателей - дисперсности, ха
структурных связей, плотности, влажности и прочности пор0.₽а
можно определить их реологическое и деформационное поД?
ние механизм присущих им инженерно-геологических ЯВлеДе,
при заданном режиме деформирования. Эта классификация Яй
ляется основой инженерно-геологического прогноза и комплекс,
ной оценки пород, а также рациональной методики их исследо-
вания.
Знание совокупности факторов, определяющих состав и со-
стояние грунтов, однако, еще недостаточно для обоснованной
оценки их. Деформационное поведение дшперсных систем в
большей мере зависит от режима их деформирования, скорости,
времени действия и величины напряжения, ступени нагружения
и т. п., определяющих степень разрушения структурного карка-
са освобождения иммобилизованной воды в порах и изменение
вязкости пород, а следовательно, и их прочностные и реологиче-
ские свойства. Режим деформирования опредг ьи i соотношение
процессов разрушения и восстановления структуры грунта, уп-
рочнения при течении и ослаблении в покос, нарастания или ре-J
.таксации напряжений, а следовательно, характер изменения ре-
ологических свойств грунта и инженерно-геологических явлении,
развивающихся в нем при инженерном воздействий. 1
При различном режиме деформирования и вменяется соотно
шение между упругими, пластическими и вязкими деформани
ми. В зависимости от метода исследования существенно из
ются получаемые показатели прочностных свойств 1 PH1™1’’
Задача инженерной геологии на современном этапе et и
тия — установить закономерные связи между этими (\ак иог(>
и показателями механических свойств для^ грунтов Раза иС.
генетического типа, состава и состояния. Это позволит и| ^1та.
следовании грунтов максимально приблизить Услов1,я^.1?стве и
ния к ожидаемым условиям работы грунта при стРоите‘ДтоВер-
эксплуатации сооружения и таким образом повысить Д
ность строительной оценки грунта. механи-
Таким образом, настало время развития конкретной 1
ки грунтов — для грунтов определенного генезиса. сос в
стояния, с определенными деформационными особенно
6
определенных условиях строительства. Физико-химическая ме-
ханика выявила зависимость прочностных, деформационных и
реологических свойств грунтов от их состава, состояния, типа
структурных связей, величины действующего напряжения и ре-
жима деформирования. Эта зависимость является основным за-
коном грунтоведения.
В целях углубленного понимания специфических строитель-
ных свойств грунтов необходимо познакомить специалистов в
области инженерной геологии и грунтоведения, изыскателей,
строителей и проектировщиков с некоторыми, наиболее для них
важными теоретическими положениями современной коллоид-
ной химии, с основными закономерностями и характером проте-
кающих в грунтах коллоидно-химических процессов, начиная от
условий их формирования и кончая деформационным поведени-
ем при инженерном воздействии.
В данной работе были использованы современные теоретиче-
ские положения советского генетического грунтоведения
(И. В. Попов, Е. М. Сергеев, В. А. Приклонский, В. Д. Ломтадзе
и др.), современные теоретические представления в области кол-
лоидной химии и физико-химической механики (П. А. Ребиндер,
Б. В. Дерягин, Н. В. Михайлов, С. Н. Липатов, Н. П. Песков
и Е. М. Александрова-Прейс, Н. Н. Серб-Сербина. А. П. Писа-
ренко, К. А. Поспелова, А. Г. Яковлев, А. К. Адам и др.) и ре-
зультаты многолетних экспериментальных физико-химических
исследований дисперсных грунтов, проведенных отделом Грун-
товедения ПНИИИС Госстроя СССР.
Глава 1
ГРУНТЫ
КАК ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
объему частиц дисперсной фазы, достигая максимума в колло-
идно-дисперсных системах. Чем выше дисперсность частиц, тем
больше общая поверхность раздела фаз, по которой происходит
их взаимодействие. На контакте обеих фаз образуются так на-
Дисперсными системами называют мип ж зываемые поверхностные или граничные слои, по своим свойст-
двухфазные системы. Одна из фаз в них пп°Фазн«е Иъ Т сУщ£.ственно отличающиеся от свойств каждой из фаз в
> т _____ F них предстлп^ И‘Й1 ь, объеме. Когда размеры частиц уже настолько малы, что приб-
мелкими частицам , . еющими вполне оиреде-,р Ле,’а “^лижаются к размерам отдельных молекул, поверхность раздела
ность раздела с окружающей Дисперсионной спргт между фазами исчезает и коллоидные системы превращаются в
распределены эти частицы. Таким образом, диспе °И’ в К0Торг истинные растворы.
являются микрогетерогенными, в отличие от г Ср>СНь,е сцс°Ро^ Молекулярно-кинетическая теория рассматривает коллоид-
истинных растворов, не имеющих внутренних ?^°Геннь,Х cJn^Hbie системы как частный случай истинных растворов и описы-
дела между компонентами.
По общепринятой классификации диеперсн
подразделяются по степени дисперсности ' ЫХ
частиц, следующим образом:
грубодисперсные системы с размерами частиц бо;
(>1СН см);
системы промежуточной дисперсности с размерами
1 до 0,1 мкм (от 10-4 до 10-5 см);
коллоидно-дисперсные системы с размерами частиц
мкм до 1 им (от 10 5 до 10-7 см).
При большей дисперсности поверхность разде;
чезает.
Очевидно, что чем выше дисперсность частиц, - _
ше площадь их общей поверхности В табл. 1 приведены
данные, показывающие рост обшей нов рхности кубика какого-
либо вещества по мере его дробления [Ьч|
ТАБЛИЦА I
ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОБЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КУБИКА ВЕЩЕСТВА
ПО МЕРЕ ЕГО ДРОБЛЕНИЯ
Общая поаерхность
Длина ребра кубика, см Число кубикоп в I см
1 10—» 10—» 1 1 1 I03 i 10* 6 60 600 см2 » >
10—» 10—» 1 10® 6000 >
10—в 10»» 10»* 6 60 м* >
10~в 10»9
10—7 600 >
1 V 10»» 6000 >
10—9
хность раздела исчезает
С увеличением общей
п°верхноСТей"Ст^вает броуновское движение, диффузию, осмотическое давление,
и Раз. седиментационную и кинетическую устойчивость частиц ди-
еноте <перепой фазы, условно рассматриваемых как растворимое ве-
Т с> по pg М 04ii щество в растворителе — дисперсионной среде. Указанные свой-
с п,еРая ства в большой мере зависят от размеров частиц.
Коллоидно-дисперсные частицы являются седиментационно
' МКм и кинетически устойчивыми, не подвергаясь осаждению под дей-
ствием силы тяжести и длительно оставаясь распределенными и
ldCTtm от взвешенными в дисперсионной среде под влиянием хаотическо-
ю теплового движения молекул растворителя. Грубодисперсные
от 0,! у спензии и эмульсии оседают под действием силы тяжести, что
' ведет к расслоению дисперсной системы и отделению осадка от
' 1 Фаз уже ис чистой дисперсионной среды. Броуновское движение частиц под
влиянием теплового движения молекул дисперсионной среды,
тем боль- диффузия, осмотическое давление отчетливо выражены только
в коллоидно-дисперсных системах. Осмотическое давление в
коллоидных растворах очень мало по сравнению с молекуляр-
ными растворами. Скорость диффузии тем меньше, чем больше
размеры диффундирующих частиц и в сотнии тысячи раз мень-
ше. чем скорость диффузии истинных растворов.
Большое принципиальное и практическое значение имеют
специфические свойства дисперсных систем, связанные непо-
vродственно с наличием в них развитой внутренней поверхности
раздела фаз. Молекулы, слагающие частицы дисперсной фазы и
расположенные на их поверхности, обладают избыточным запа-
сом свободной энергии вследствие некомпенсированных молеку-
; ирных сил. Эта избыточная энергия молекул поверхностного
слоя частиц называется свободной поверхностной энергией и из-
меряется в эргах на квадратный сантиметр поверхности. В свя-
>и с наибольшей суммарной поверхностью у коллоидных частиц,
максимальной свободной поверхностной энергией обладают кол-
лоидно-дисперсные системы, тогда как у истинных растворов
свободная поверхностная энергия отсутствует вовсе, а у грубо-
дисперсных систем она мала.
Из термодинамики известно, что всякая система стремится
уменьшить свою свободную энергию. В коллоидных системах
с- увеличением общей поверхности частиц по мере увели
ния их дисперсности возрастает и удельная площадь пов^\м;
сти системы — отношение общей поверхности частиц к обте
9
уменьшение свободной энергии происходит либо Чя
щения суммарной поверхности системы (слипа,,,,’
частиц в более крупные агрегаты), либо в результат^ 1CtleDci9
коллоидными частицами веществ, понижающих Их , аДс<фб?
ное натяжение. ‘ °верхЛ
Следовательно, такие важные свойства коллоиш
как их высокая адсорбционная способность, сольват^ Сисж
гирование частиц, сильно выраженное каталитическое'1,1^ агц.
обусловливаются большим запасом свободной ново
энергии. Коллоидные системы являются агрегативно !РХН°СЧ
выми (термодинамически неустойчивыми) системами Т°Ч
вие их резко выраженного стремления к агрегации. В nBcjle^r
те агрегации коллоидно-дисперсная система превпя! 3^Льта'
грубодисперсную с иными свойствами. 1 1Цаетсяь
Защитные вещества и сольватные слои, адсорбируясь
верхности и препятствуя слипанию частиц, способствуют На П°
нению их кинетической устойчивости. С0хРа-
Итак, дисперсные системы представляют собой тесную
тойчивую смесь частиц дисперсной фазы и дисперсионной соУС'
с выраженной поверхностью раздела между ними. Частицы л
персной фазы обладают большой удельной площадью поверх
сти. Наиболее характерными особенностями дисперсных систе°
следует считать проявление свободной поверхностной энергии
образование поверхностных, граничных междуфазных слоев при
взаимодействии фаз, обладающих особыми свойствами по срав-
нению со свойствами каждой из фаз в объеме.
В коллоидно-дисперсных системах эти свойства особенно вы-
ражены; в грубодисперсных системах они проявляются в значи-
тельно более слабой степени. В истинных растворах эти свой-
ства отсутствуют. В суспензиях с размерами частиц выше 5 мкм
действие силы тяжести уже превалирует над действием поверх-
ностных сил этих частиц, и кинетические и седиментационно-ус-
тойчивые дисперсные системы не образуются. Еще в меньшей
степени проявляется действие поверхностных явлений у более
крупных частиц (к гальке, щебню и т. п. нельзя применять тер-
мин «грубодисперсные системы», как это делают некоторые ав-
торы, ибо они не обладают специфическими свойствами диспер-
сных систем).
Современная коллоидная химия изучает м икрогетерогенные
дисперсные системы и поверхностные явления, протекающие по
их высокоразвитой поверхности раздела фаз, которые в значи
тельной мере определяют структурные, механические и реолог
ческие свойства подобных систем. Я
К дисперсным системам, широко распространенным в прир
де, и искусственным относятся, например, следующие:
система с твердой дисперсной фазой: с газовой дисперс
нои средой дымы; с жидкой дисперсионной средой — '
идные растворы гидратов окислов металлов, синтетически
10
тексы; с твердой дисперсионной средой — сталь, чугун. многие
сплавы, некоторые искусственные драгоценные камни, цветные
стекла;
система с жидкой дисперсной фазой: с газовой дисперсион-
ной средой—аэрозоли, облака, туманы; с жидкой дисперсион-
ной средой — молоко, эмульсии масла в воде, воды в нефти, ма-
зи, кремы; с твердой дисперсионной средой — некоторые искус-
ственные смеси, природные материалы с жидкими включениями
система с газовой дисперсной фазой: с газовой дисперсион-
ной средой — образование дисперсной системы невозможно из-
за отсутствия поверхности раздела между двумя фазами; с жид-
кой дисперсионной средой — пены (концентрированные связан-
ные ячеисто-пленчатые системы); с твердой дисперсионной
средой — пемзы, туфы, микропористые резины, пенопласты.
Дисперсные системы могут быть мало- или высококонцентри-
рованными. Они могут находиться в свободно дисперсном состо-
янии, при котором частицы дисперсной фазы свободно распреде-
лены в дисперсионной среде и взаимно не связаны в единую
структурную сетку; силы взаимодействия между частицами ма-
лы или отсутствуют. Такие системы (золи) практически не обла-
дают сопротивлением сдвигу и являются жидкообразными.
Напротив, системы связнодисперсные имеют выраженную доста-
точно жесткую пространственную структурную сетку. Все части-
цы этой системы (гель) связаны молекулярными межчастичны-
ми силами в единый каркас. Подобные гели отличаются свой-
ствами, присущими твердообразным системам. В порах таких
систем дисперсионная среда удерживается в иммобилизован-
ном состоянии.
Грунты являются естественными или искусственно созданны-
ми образованиями, сложенными аморфными или мелкокристал-
лическими дисперсными минеральными и органическими части-
цами, и относятся к коллоидно- и грубодисперсным системам,
в которых минеральная или органическая составляющая играет
роль твердой дисперсной фазы, а водные растворы — дисперси-
онной среды. Системы эти встречаются в свободнодисперсном
состоянии, но чаще являются связнодисперсными, или, как их
именуют, структурированными.
Глины, мел, мергели, илы и коллоидные осадки различной
концентрации являются природными дисперсными системами.
Как правило, глинистые и коллоидные составляющие присутст-
вуют в различных количествах и среди обломочных пород (в
пылеватых, песчаных, грубообломочных, а также в смешанных
грунтах — суглинках, супесях и т. д.). Их присутствие в большой
степени влияет на свойства таких пород, которые сами по себе
не могут быть отнесены к коллоидным или грубодисперсным
грунтам.
Грунтоведов и строителей должны интересовать, таким обра-
зом, свойства собственно дисперсных грунтов (коллоидных, про-
<1
гпубодисперсных по классификации
межуточных и ГЬ о6ломочных, пластических гру.^Х,..
химии) " '«Si дисперсных составляющих. Естес '’«Л
иным содер»а" собенностей грунтов не может бытЛЧ
оценка сво“™идно-химических исследовании. ’X.
НОИ б -
Глава 2
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФИЗИКО-
ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Как уже было сказано ранее, начиная с 50-х годов
ндной химии получило развитие новое самостоятельной Ко,1,‘'
ление —физико-химическая механика, рассматриваю?3^
формационное поведение и прочностные свойства естест? *
и искусственных дисперсных систем в зависимости от их
турных особенностей и характера поверхностных между^
слоев, определяющих условия сцепления частиц диСпер3сНЫ:.
фазы. °*
Каждой дисперсной системе присущи свои особые структх
ные и механические свойства. Они зависят от концентрации
размеров частиц дисперсной фазы и ее сродства с дисперсно!
ной средой; кристаллического строения и формы частиц диспер.
сной фазы и степени их анизодиаметричности; химического со-
става частиц дисперсной фазы и состава дисперсионной среды
присутствия примесей электролитов и поверхностно-активных
(защитных) веществ; степени насыщенности и толщины адсорб-
ционно-сольватных слоев на границе междуфазного раздела
плотности структуры и прочности сцепления частиц в местах
контактов; степени развития процессов структурообразования
агрегирования, упрочнения, синерезиса, старения и разрушения
дисперсных систем. Согласно физико-химической механике, ме-
ханические свойства являются наиболее практически важными,
чувствительными и интегральными показателями структурных
и поверхностных свойств дисперсных систем, их состава и физи-
ческого состояния. Любые изменения отдельных свойств или со-
стояния дисперсной системы отражаются на ее структурно-ме
ханических свойствах. В противоположность классической меха
нике, описывающей деформационные свойства тел безотнос
тельно их состава и состояния, физико-химическая механ1'
доказывает, что механические свойства дисперсных систем о Р
деляются совокупностью всех перечисленных выше осо е
стей. В связи с этим открывается широкая возможность, с
тельно изменяя те или иные свойства дисперсных систем,
щать им заданные механические свойства. ^меННилГо и
обстоятельство и послужило причиной столь интенсивно
плодотворного развития данной области знания за пос.
оды. Вновь накопленный фактический материал в самь
12
личных областях применения принципов физико-химической ме-
ханики позволил установить общие закономерности и положить
начало конкретной механике и реологии дисперсных и поликр”-
сталлических тел заданного состава и состояния.
Акад. П. А. Ребиндер сформулировал задачи и методы этого
направления и постоянно пропагандировал и подчеркивал его
значение [109, 110, 112]. Его ученики и последователи развива
юг это направление в исследованиях разнообразных дисперсных
систем.
За последние годы были широко изучены и специально соз
даны с заданными свойствами некоторые сплавы металлов, ис
кусственные кристаллы, бетоны и цементы, различные стро"
тельные материалы, лаки, краски, пены, эмульсии, консистен’
ные смазки, различные пасты, моющие средства, глинисты-
растворы, битумы, смолы, резины, каучуки, всевозможные пласт-
массы и многие другие материалы; изучены горные породы и
дисперсные грунты.
Применение принципов и теоретических положений физико-
химической механики к природным, весьма широко распростра-
ненным и применяемым в народном хозяйстве дисперсным грун-
там различного генетического типа, оказалось весьма плодот-
ворным для установления закономерностей их деформирования
и развития в них нежелательных инженерно-геологических явле-
ний, правильного прогнозирования их поведения при инженер-
ном воздействии, а также для искусственного улучшения их
строительных свойств.
В отделе изучения инженерно-геологических свойств грунтов
ПНИИИС Госстроя СССР в течение последних десятилетий про-
водятся систематические исследования дисперсных осадочных
пород различных генетических типов. За период с 1950 по 1967 г.
в различных районах крупного гидротехнического и промышлен-
ного строительства были проведены физико-химические иссле-
дования пород с последовательно возрастающей прочность?
структурных связей: истинных плывунов различного возраста из
районов г. Москвы, КМА, г. Салехарда (песчано-коллоидные
породы); плывунных послеледниковых морских глин Карелии;
морских современных осадков (илы Черного и Азовского мо
рей); глин различной степени литификации; просадочных лёссо-
вых пород различных районов Советского Союза; чистого мела
и мелоподобных мергелей районов КМА, г. Воронежа, Белорус-
сии. Изучение илов проводилось в содружестве с отделом лито
логии Геологического института АН СССР.
С 1967 г. эти исследования были продолжены в области ли-
ториновых отложений Прибалтики, озерных сапропелевых отло
жений различных районов СССР, моренных отложений Рязан
ской области, выветрелых глин и оползневых накоплений По-
волжья и Черноморского побережья Кавказа [5, 31], лёссовых
отложений Я вана, Нижне-Днестровского и Дунай-Днестровски
п
„„рпия каменных лёссов г. Ташкецта
>о масСИ’люХльных пылеватых грунтов Западн^Ч
“^“^ аллювиальных, флювиогляциаль....... и эоло в<4<
морских, <!•“ л Пес,;1
Прибалтики. указанных исследований стро ’<
.Следующее условие: пробы грунта для изучения°хи^бл%
Л0СЬ Мафического и минерального состава, ДисперСИоМ?чЧ
го, петрограф I прочностных и деформациощ Ых Ст%
Птов^с д отбирались из одних и тех же нл„ па'р^Л
£ горизонтальному простиранию слоев грунта) мон±>
Естественной структурой и влажностью. Детальные и
ные исследования состава, состояния и свойств пород
пись всегда по специально разработанной программе, „У?"
которой были положены теоретические представления гео??5
генетического грунтоведения и физико-химической меха^'
В связи с тем, что условия формирования и залегания""’
ных пород определяют их состав, физическое состояние и Д
преобладающих структурных связен, углубленное исследован»"
должно начинаться с установления геолого-генетических особе»,
ностей, возраста, стратиграфии, глубин и условий залегания
геологической, геоморфологической и гидрогеологической харак-
теристики исследуемого района, формационной и фациальной
принадлежности пород. В соответствии с принципами физико-
химической механики следует подробно и всесторонне изучить
состав, физическое состояние пород, определяющие их способ-
ность сопротивления внешним статическим и динамическим воз-
действиям (т. е. их прочность, деформируемость и реологичес-
кие особенности), а также химическим и физико-химическим
воздействиям (водостойкость и растворимость, способность к
понижению твердости, к дезагрегации и пептизации, выщелачи-
ванию, цементации и т. д,).
Эти исследования проводятся в несколько этапов.
Первый этап — исследование твердой дисперсной фазы по-
род с определением плотности, петрографического, минерально-
го и химического состава обломочных и дисперсных составляю-
щих грунтов, их дисперсности (гранулометрического состава),
величины^ удельной площади поверхности.
Второй этап — исследование поверхностных слоев и типа
структурных связей с определением гидрофильности, емкости
поглощения и состава обменных катионов; содержания группо-
Z°TnC0CTaBa °Рганического вещества, форм железа, состава не-
лостпЙ1глЛаРаКТеРа цементаиии, степени агрегированности и во-
Тпртн&ТИ агРегатов (микроагрегатный состав).
среды — плпУ,аГ1 ~ нсследованне состава жидкой дисперсионно
состава элр^тпЫХ РаствоРов фунтов, определение содержания
pH и Е, ня иг)олитов’ Растворимых органических соединен »
телей твердости^ П0ВеРХН0СТН0*активных соединений и пониз
14
На четвертом этапе исследовалось физическое состояние по-
род, определялись: соотношение твердой и жидкой фа^ (в юж
ность, водонасыщенность); плотность (плотность грунта, плот-
ность скелета грунта, пористость, коэффициент пористости), со-
отношение между открытой и закрытой пористостью: прочность
структуры (сопротивление вдавливанию конуса, одноосному
сжатию или зондированию).
Завершающим, синтетическим этапом комплексного исследо-
вания является изучение интегральных — прочностных, дефор
мациониых и реологических — свойств пород естественной
влажности и структуры, а также свойств их после увлажнения
и после нарушения структуры. Для этого применяются методы
определения сопротивления сдвигу, одноосному сжатию, ком-
прессии по различным схемам в зависимости от особенностей
грунтов и ожидаемых условий их работы под сооружением. Ис-
следуется «чувствительность» пород к увлажнению, к наруше-
нию структуры, к вибрации, способность пород к набуханию,
усадке, просадке, их пластичность и дилатансия.
Поскольку все грунты являются упругопластично-дилатант-
но-вязкими телами, деформации в них развиваются во времени
Поэтому необходимо изучать кинетику развития в породах де-
формаций пластического и вязкого течения, набухания, просад-
ки, консолидации, а также кинетику развития деформаций при
изменении состояния пород в результате природных или искус-
ственных воздействий. Только подобные исследования могут
объяснить свойственные породам инженерно-геологические про-
цессы и явления.
Исследования пород по указанной программе позволили ус-
тановить, что грунты, как дисперсные системы, обладают рядом
особенностей: необычайной сложностью вследствие различных
условий формирования, многокомпонентностью, полидисперсно-
стью, неоднородностью своего состава и состояния в горизон-
тальном и вертикальном простираниях, широким спектром
структурных связей и типов цементов. В зависимости от геоло-
гических условий формирования и времени существования грун-
тов концентрация, состав, степень агрегированности, плотность
и прочность их, так же как и состав жидкой дисперсионной сре-
ды, закономерно изменяются в процессе литогенеза и гнперге
неза.
В последующих главах приведены основные результаты фи-
зико-химических исследований дисперсности, поверхностных яв-
лений, структурообразовапня, деформационных и реологических
свойств грунтов, а также исследований природы наиболее важ-
ных инженерно-геологических явлений [47, 74, 75, 141].
Глава 3
ir«> ——
И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ
- Е1Рчческий состав
граНУЛОМм- остав является
прямым классиф
..ртоическии со п косвенным — генезЛпЧ
онным осадочных пород и иеку»^
^м'правильной «°^ваШИ частищ’гранулометри"^
Прд дезагрегации ,Д дисперсность. отсортированное 'КЧ
П0'Г характеризУ^’Довпя формирования пород, nO3B0",
Тподность отражает у" й тип отложении и являете,’?
Н°Род"„,ть геолого-теяет прогноза.
^Гинженерно геолоРИЯ вания гранулометРического
н чДономериости Ф°Р“’£ морских и озерных осадков xotJ’
„онбрежных.1. глубоководном вРым [)2д] Им дапы
сформулированы И Ми Морских „ озерных водоемах и распре.
яической седиментации водоемах.
деления типов о«дк<>В осадков различного состава в конти.
Однако формирование ходит многократное переотложе.
„ентальных условиях где р сдабо отсортированного матер,,,
яяе и смешение Дисперсн ветра и льда „ дальнейшее ето
в"а в результате де,’с™’ем процессов континентального литр,
преобразование "од ВЛ“ЯНчен0 недостаточно. Выявление закон»,
генеза и гипергенеза изу личной крупности в породах
мерностей сочетания частиц и иях значительно_ затруднено,
различного генезиса » эт. J шь в самой общей форме, и „о
ЭТ1, закономерности извести тинентальных пород не всегда
гранулометрическому составу ис в „нженерно-геологи-
бывает возможно установить пр„сущИе континентальным
ческих целях осооевв° выветривающимся морским отложениям
образованиям, а также выветр ддд обоснованного
особенности гранулометри е“° . иен инженерных сооруже-
прогноза их поведения под воздеис
НИЙ.
Результаты изучения осадочных пород континентального
происхождения [22, 23] свидетельствуют о специфических осо-
бенностях континентального седиментогенеза. Осадкоооразова-
ние в континентальных и переходных условиях происходит глав-
ным образом в результате отложения дисперсного и обломочно-
го материала речными водами и периодическими потоками, на-
сыщенными взвесями твердых частиц и обломков пород в значи
тельно большей степени, чем обычные морские и озерные воды-
Суспензии дисперсного материала, образующиеся в этих пот
ках, часто настолько концентрированы, что, как указывается
работах И. В. Попова [94], Н. М. Страхова [127] и др-, они при-
16
обретают консистенцию вязкой грязи. Таковы делювиальные,
селевые, пролювиальные, моренные и солифлюкцяонные пото-
ки, образующиеся при дождях, ливнях, таянии сн га и льда, ай
сбергов и ледников В селях, пролювиальных и моренных пото-
ках характерно включение большого количества грубооблпм
пого материала — гальки, щебня, валунов. Гранулометрический
состав их разнороден.
Значительная часть поверхностных континентальных отло
жений при периодическом избыточном увлажнении приобретает
подвижность и может перемещаться при благоприятных услови-
ях, образуя новые отложения, например разжиженные верхние
юризопты почв и грунтов при снеготаянии, оплывающие водо-
насыщенные пески и глины, оползневые массы и пр. Паводки и
наводнения способствуют смыванию, взвешиванию, перемеще-
нию и отложению большого количества дисперсного и грубооб-
ломочного материала.
Эоловые осадки пыли и песка, имеющие самостоятельное
значение в засушливых и аридных условиях, а также в север
ных районах страны, постоянно примешиваются к отложениям
водных потоков и переотлагаются вместе с ними.
Большая скорость и турбулентность водных потоков, повы-
шенная вязкость образующихся в них концентрированных сус-
пензий способствует переносу и отложению весьма разнородно-
го и неотсортированного материала—от тонких органо-мине-
ральных взвесей до гальки, щебня и валунов. Поэтому большая
часть осадков, образующихся в континентальных условиях, от-
личается высокой концентрацией частиц твердой фазы, частой
примесью грубообломочного материала, отсутствием выражен-
ной слоистости, вертикальной дифференциации по крупности
слагающих их частиц, существенного преобладания какой-либо
одной гранулометрической фракции частиц над остальными Кон-
тинентальные и переходные водные отложения образуются с го-
раздо большей скоростью, чем хорошо отсортированные высоко-
дисперсные осадки в больших водоемах. В процессе литогенеза
эти отложения быстрее уплотняются. Они более концентрирова-
ны и достаточно легко отдают воду благодаря хорошей водопро-
ницаемости.
Эти своеобразные условия седиментогенеза обусловливают
формирование специфического гранулометрического состава
континентальных отложений и, как следствие, их инженерно-
геологических особенностей.
3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ
ПО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОМУ СОСТАВУ
В инженерной геологии принята классификация частиц по
размерам, утвержденная СЭВ [18].
В табл. 2 приведена предлагаемая нами общая классифика-
ция частиц грунтов по размерам. В ней к частицам песка отнесе-
2 — 427
к л ACC и Ф ИКЛЦИЯ^АСТИЦ ГРУНТОВ ПО РАЗМЕР д м
Частицы грунта
Валуны, камни
Гальки, щебень
Гравий, дресва
Песчаные:
крупные
средние
мелкие
тонкие
Пылеватые:
крупные
мелкие
Диаметр частиц, мм
Свыше 200
200—20
20—1
1—0,5
0.5—0.25
0.25—0.1
0,1—0,05
0,05—0,01
0,01—0,005
Название фракций
— ~ - _ I
\ Крупнообломочные
Среднеобломочные
} Мелкообломочные
Глинистые:
крупные
мелкие
0,005—0,001
0,001—0,0001
Г рубодисперсные
Среднедисперсные
Коллоидные
^0001—0,000001 | Коллоидно-дисперсные
ны частицы размером от 1 до 0,05 мм исходя из того, что в обыч-
ных осадочных породах, содержащих примеси песчаных частиц,
практически отсутствуют частицы песка крупнее 1 мм.
Наиболее распространенная гранулометрическая классифи-
кация в инженерной геологии — это классификация В. В. Охо-
тина [81], составленная на основании изучения свойств искус-
ственных смесей глинистых, пылеватых и песчаных частиц раз-
личного минерального состава. Гранулометрический состав
грунтов определяется количественным содержанием глинистых
частиц, а также устанавливается (качественно) преобладание
фракций пыли или песка. Эта гранулометрическая классифика-
ция, имеющая непосредственное прикладное значение, стремит-
ся отразить совокупность свойств грунтов по содержанию в них
глинистых частиц (пластичность, связность). Она не дает точ-
ную характеристику соотношения в них фракций частиц опреде-
ленного размера.
Классификации осадочных пород, составленные литологами,
построены по иному принципу. Литологи поставили задачу от
разить дисперсность объективно существующих в природе раз
ноо разных пород, установить связь ее с условиями осадкооора
°вания> последующих литогенеза и гипергенеза и с размещение*
си(Ьш^1Х ископаемых- Поэтому все гранулометрические кла
ф ции осадочных пород очень детальны и количестве!
18
характеризуют содержание всех трех фракций частип пород
глины, песка и пыли. . . __
В 1938 г. В. П. Флоренский впервые пи-ыян ’ тр*-х нн
I ранулометрическую классификацию <> > точных пород в виде
равностороннего треугольника. Метод, положенный в
этой классификации, был заимствован ряде ров АЛИ ЖИЛ*
роения своих классификационных схем [102. 119 131)
В треугольных литологических классификационно- схемах
выделяются хорошо отсортированные породы с преобладанием
одной из трех фракции частиц глины, алевриты, пески, менее
отсортированные смешанные породы — гипалевриты (пылсва
тые суглинки), суглинки, супеси; плохо отсортированные породы,
миктиты («смешанные породы» по Г. И. Теодоровичу) или хли-
долиты («мусорные породы» по Л. В. Пустовал фибЛЖЖ
тельно с одинаковым содержанием всех трех фракции
Существенным недостатком рассмотренных схем -фиж»-
ций являются слишком громоздкие трехчленные названия пород
отдельных классификационных групп и излишняя их детали
ция. Гранулометрические классификации осадочных пород, сое
давленные для инженерно-геологических целей, должны отра
жать реальную дисперсность и закономерность сочетания частиц
различной крупности.
В основу классификации песков, разработанной Е М. Сер-
геевым [125], положен гранулометрический состав реа
песчаных пород различного происхождения и в этом отношег
она является первой грунтоведческой классификацией, состав-
ленной в соответствии с литологическими принципами
Многолетние экспериментальные исследования осадочных
пород различных генетических типов, проведенные в ПНИИИСе.
дали возможность предложить новую классификацию их по гра-
нулометрическому составу [22, 24]. Гранулометрический состав
изученных отложений во всех случаях определяется при тща-
тельном растирании навески образца в состоянии густого теста
с добавлением 4%-ного раствора пирофосфата натрия (как пра-
вило, к глинам добавлялось 10—15. к лёссовым породам
25—50, к плывунам— 1, к илам — 25 мл). Результаты опреде-
ления гранулометрического состава осадочных пород представ-
лены на рис. 1.
Эти данные показывают, что по гранулометрическом) сое та
ву в природе нет резких скачкообразных переходов межд) от
дельными генетическими типами пород.
Исследованные породы по гранулометрическому составу
можно разделить на четыре основные группы (рис 21 Три из
них отличаются абсолютным преобладанием одной из грех
фракций частиц (глины, пыли или песка), четвертая группа
группа смешанных пород, образующихся преимущественно в
континентальных и переходных условиях, и отличается от пер
вых трех групп приблизительно одинаковым содержанием зтич
00*1,0
90
90
О -----,----—,—100%
100% 90 10 50 30 Ю О
Оесок
РИС. 1 гранулометрический состав ис-
следованных ДИСПЕРСНЫХ И ДИСПЕРС-
НООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
100% о
<<'50
25
75
25
П6
те
16
1а
П6
ZFo
Па
IV б
Пг
JVa
77 г
0
т% 7S 50
то
шг
Ша
25
РИС
20
0ЮО%
фракций. ПрИВед
классификационная
ма отражает условия^
разования и состав пея°6'
но существующих поп?'
в табл. 3 указаний
блюдающиеся колебав
в содержании отделы^!
фракции частиц в поп*
дах выделенных четып?
групп, на основании кот*
рых оказалось возмож'
ным составить более под.
робную количественную
классификацию дисперс-
ных осадочных пород по
гранулометрическому со-
ставу (табл. 4, рис. 3),
выделяя в каждой из ос-
новных групп по четыре
подгруппы, отличающие-
ся по отсортированности
и сочетанию сопутствую-
щих фракций частиц.
Дисперсные породы
(группа I) представлены
морскими шельфовыми и
батиальными отложения-
ми различного возраста,
а также четвертичными
озерными отложениями.
Наибольшей дисперс-
ностью (более 75% час-
тиц размером до 0,005 мм)
отличаются илы, четвер-
тичные глины и глинистые
породы со стабилизаци-
онными структурными
связями — породы группы
1а. Породы, в которых
частиц размером менее
0,005 мм от 50 до 75%
(породы групп 16 и 1в),
представлены глинами,
содержащими повышен-
ное количество элемен-
тарных пылеватых частно,
сцементированных амор-|
ТАБЛИЦА 3
ДИАПАЗОНЫ СОДЕРЖАНИЯ ГЛИНИСТЫХ, ПЫЛЕВАТЫХ И ПЕСЧАНЫХ ЧАСТИЦ
В СОСТАВЕ ИЗУЧЕННЫХ ГРУНТОВ
Группа пород Содержание частиц. %
песка пыли глины
I. Дисперсные 0,05—29 3—49 50—98
II. Смешанные 3—46 18—50 11—49
III. Пылеватые 0,4—33 50—79 2—47
IV. Песчаные 50—99 I—39 1— .33
ТАБЛИЦА 4
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ
И ДИСПЕРСНО-ОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
Группа и подгруппа Содержание частиц. %, размером, мм
1—0,05 0,05—0.005 <0.005
I. Дисперсные 0—50 0—50 50—100
а) глины 0—25 0—25 75—100
б) глинистые 0—25 0—25 50—75
в) пылевато-глини- стые 0—25 25—50 50—75
г) песчано-глини- стые 25—50 0—25 э0— 7 с>
II. Смешанные 0—50 0—50 0—50
а) смешанные 25—50 25—50 25—50
б) пылевато-сугли- нистые 0—25 25—50 25—50
в) песчано-суглини- стые 25—50 0—25 25—50
г) пылевато-супе- счаные 25—50 25—50 0—25
III. Пылеватые 0—50 50—100 0—50
а) пыль 0—25 75—100 0—25
б) пылеватые 0—25 50—75 0—25
в) глинисто-пылева- тые 0—25 50—75 25—50
г) песчано - пылева- тые 25—50 50—75 0—25
IV. Песчаные 50—100 0-50 0-50
а) пески 75—100 0—25 0—25
б) песчаные 50—75 0—25 0—25
в) глинисто-песча- ные 50—75 0—25 25—50
г) пылевато - песча- ные 50—75 25—50 0-25
Примечание. В специальных целях можно выделять чистые глины, чжп <»
пыль и чистые пески с содержанием основной фракции частиц от 95 и сопутствую
щих — до 5%.
11
’ а в
> По
, органическим веществом, карбоцат
кремяе3е“ Гализу имеющиеся конденсационные ”>•
^ подготовке " очевидно, разрушаются непоЛ
ерные евязи этих п Р тся повышеНное содержание аг>
„ в породах “«^цементированных мельчавших глин-
тов, с°Тппятно в момент своего образования эти породы
частиц. ВеР,“™°,:й% составу пород первой подгруппы (1а) *
ли состав, близк11 ал11СЬ старению и цементации и,
дальнейшем они Д р упнению частиц. Действительно
следствт"е' и уплотнения пород в процессе литогенеза про“
ме₽е «четен уменьшение содержания высокодисперсных части»
ПпТобное уменьшение может происходить в результате луЧЩ(,Цй
более полной ориентации частиц, срастания пакетов глин»
1 6 тяЛпДов со слоистыми решетками, образования «анх„
кристаллических» [921 или «блочных» структур [105, 106] Или
В результате перекристаллизации и прочной цементации.
PR rovnnax 16 и 1в встречаются и четвертичные отложения
континентального и переходного генетического ним озерного,
лагунного, лиманного, делювиального, оползневого и аллюви-
ального.
Комплекс континентальных четвертичных образовании по гра-
нулометрическому составу приурочен к группам 16, 1в и Ir; II, III
и IV Среди них моренные ледниковые отложения обычно при-
урочены к группам 1г, Пв и IVb. Лёссы, а также озерные и озер-
но-аллювиальные отложения севера Сибири приурочены к груп-
пам Шв, Шб. Лёссовидные породы относятся к группам 16, Па,
Пв и Пг. В группу IV наряду с континентальными образования-
ми попадают и прибрежные морские осадки.
Предлагаемая классификация имеет ряд преимуществ. Она
является трехчленной и количественно характеризует состав по-
род различного седиментогенеза по содержанию фракций частиц
глины, пыли и песка. Классификация более проста по сравнению
с литологическими, легко запоминается и удобна, дает строго
обоснованное количественное определение ранее весьма неопре-
деленным понятиям — «суглинок» и «супесь», характеризуя их
как смешанные породы с преобладанием в каждой группе двух
составляющих — глины и пыли (пылевато-суглинистые породы —
Пб), глины и песка (песчано-суглинистые породы — Пв), пыли
и песка (пылевато-супесчаные породы — Пг).
Приведенной классификационной треугольной схемой удобно
пользоваться для обработки массовых аналитических материа-
лов при изысканиях. Классификация может быть применена к
искусственным грунтам и к дисперсным материалам.
и Раиулометрический состав является важнейшим классифи*
kvcctrpmuut аоказателем при оценке грунтов (в том числе и ис-
гообвазир лиги диспеРсных минеральных материалов. Все мно-
ческих (ЬваюшРСНЫХ пород по сочетаниям в них гранулометрй-
фракции частиц не может быть охарактеризовано
В том числе и ис-
классификацией грунтов по числу пластичности. Предлагаема*
трехчленная классификация дает значительно более полную (
точную характеристику пород.
В заключение нужно подчеркнуть, что гранулометрически!*
состав пород дает представление только об их дисперсности
Свойства же пород при одинаковой дисперсности могут сущест
венио отличаться в зависимости от других факторов.
Глава 4 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В ГРУНТАХ
В грунтах, как и в других дисперсных системах, в связи с не
полной компенсированностью молекулярных сил на границе раз-
дела фаз, создаются поля избыточной свободной энергии, кото-
рые ведут к адсорбции на поверхности раздела молекул воды,
катионов, поверхностно-активных веществ, в особенности орга-
нических соединений, резко меняющих природу поверхности
частиц. В результате на частицах дисперсной фазы самопроиз-
вольно формируются гидратно-ионные или гидратно-молекуляр-
ные поверхностные слои, понижающие поверхностное натяжение,
уменьшающие их твердость и обеспечивающие взаимное диф-
фузное проникновение твердой и жидкой фаз, чаще при посред-
стве третьего компонента [86]—гидрофильных ионов или по-
верхностно-активных веществ, адсорбирующихся на твердой по-
верхности и обеспечивающих ее устойчивую связь с дисперсион-
ной средой. Такие слои при определенном их составе, степени
насыщенности и вязкости обеспечивают возможность существо-
вания агрегативно устойчивых коллоидных систем, препятствуя
непосредственно сцеплению частиц в местах контактов и их
агрегации.
4.1. ГИДРАТНО-ИОННЫЕ СЛОИ
Обменоспособные ионы, слабо удерживаемые силами крис-
таллической решетки, при соприкосновении с водой или с пара-
ми воды воздуха адсорбируют молекулы воды, т. е. гидратиру-
ются. При этом происходит сжатие объема суммы фаз и выде-
ление теплоты смачивания [4]. Гидратация обменных ионов
ослабляет связь их с поверхностью частиц и вызывает образова
ние двойного электрического слоя Гельмгольца, тесно связанно
го с твердой фазой. Возникновение подобного слоя, обязанное
ослаблению связи ионов с поверхностью частиц вследствие гид-
ратации, подтверждает таким образом общий принцип адсорб-
ционного понижения твердости [108]. При соприкоснове-
нии гидратированных глинистых частиц с водой молекулы ее
проникают в адсорбционный слой, стремясь выровнять ионную
п
. пограничном слое н в окружающей срСДе
кониснграипю » ""г7 ослаблсние связи попов с noeepxXS
вызывает диффузное распределение ионов
частно и о«>с й фазы. I И-
легаюшем слое ыд „1с> степень дисперсности и еМк„
Кристалличсско Рчаетиц разл11ч„ого минерального т?ь
поглощения глн"11льность Коллоидно днсперсные минер, "’
определяет их П1Д| V< нх мал0„ емк0Стью поглощения И п?
каолинптовогот крнсталлическнх пакетов связывают „„
ггтствием вмв жностиы|рс водь| в гидрослюд* "Р"
паратаиии W • величина гидратации благодА
S’X"фоникновению воды в межплоскостные слои. В^’
нах монтмориллонитового типа процессы гидратации сильно
Уважены При смачивании водой происходит проникновение
ее в м ““плоскостные пространства с образованием развить,
™Аезных гидратно-ионных слоев, вызывающих раздвигание
пакетов и набсхание монтмориллонита с увеличением объема в
8-12 раз (В зависимости от рода обменных катионов) без раз-
рушения его кристаллической решетки. Количественное содер.
жание ионного стабилизатора (емкость обмена) дает представ-
ление о способности глинистых частиц связывать воду в резуль-
тате гидратации адсорбционного и диффузного слоев ионов.
На величину емкости обмена глинистых минералов оказывают
влияние состав и концентрация электролитов, присутствие
органических соединений и значение pH окружающей водной
среды.
Емкость поглощения грунтов изменяется пропорционально
степени их дисперсности и уменьшается с глубиной, как и дис-
персность изученных нами глин. Очевидно оба эти фактора обя-
заны прочной, практически необратимой агрегации глин, вслед-
ствие закономерной тенденции к уменьшению свободной поверх-
ностной энергии дисперсных частиц. Так, девонские, карбоновые
и многие другие древние глины содержат большое количество
глинистых агрегатов размером частиц пыли и песка, что делает
их слабогидрофильными и малопластичными.
Емкость поглощения изученных пород колеблется в широком
диапазоне: от 2 до 20 мг-экв для илов, мела, плывунных песков
и до 30—52 мг-экв для монтмориллонитовых озерных, нижнеме-
ловых и майкопских глин. Емкость поглощения гидрослюдистых
глин имеет промежуточные значения.
В послеледниковых морских глинах, в озерных, в каспий-
ских отложениях, в хвалынских глинах, а также в майкопских
и нижнемеловых глинах содержится значительное количество
поглощенного натрия (от 2 до 40% емкости поглощения). В ря-
яяо/ЮрОД очень высоко содержание поглощенного магния: до
550/ п *УНГУРСКИХ мергелях, до 72% в майкопских глинах, до
0Т10женичуекеД"ИК.0ВЬ'Х ГЛИНах и до 30—50% в четвертичных
ложениях Каспийского моря. В нижнемеловых глинах по-
24
глощенного магния содержится до 25%. в черноморских я» к .»
н хвалынских глинах его мало.
Двойной электрический слой ионов при мал< й концентрации
электролита в дисперсионной среде всегда является рвэммтч >
и образует вокруг коллоидных частиц гидратную обол- ..
чительной толщин!.!. Такая оболочка проявляет расклиниваю-
щее давление, обусловленное электростатическими силами
[38]-
Б. В. Дерягин экспериментально установил р.рк.тлнпчзкице^
действие термодинамически устойчивых гидратных оболочек на
смежные поверхности твердой фазы при толщинах порядка
10~5—10~7 см. Это положительное расклинивающее давление
гидратного слоя в основном обусловлено двойным диффу »ныч
слоем ионов.
Гидратация обменных ионов возрастает с увеличением их
валентности [85]. Это хорошо подтверждается опытами
Л. А. Зуева и Е. Н. Гапона [48] по адсорбции паров воды беи-
тонитами, насыщенными различными катионами Однако уже
при влажности, при которой происходит капиллярная конденса-
ция, указанные исследователи констатировали обратную зако-
номерность, а именно повышение влажности у бентонитов, со-
держащих одновалентные ионы. Для компенсации отрицатель
пых зарядов дисперсной фазы требуются меньшее число ионов
двух- и трехвалентных и большее число ионов одновалентных,
что отвечает правилу Шульце, сформулированному при изучеянт
коагуляции дисперсных систем разновалентными электролит
ми. В связи с этим при прочих равных условиях одновалентных
ионов в поверхностном гидрофильном слое всегда будет больше
по сравнению с ионами двух- и трехвалентным!! Несмотря нл
малую адсорбционную гидратацию одновалентных ионов, при
сутствие их в поверхностном слое обусловливает при соприкос-
новении с водой значительно большую диффузность и размят*
чение всего слоя, ибо осмотическое давление непосредственно за-
висит от числа ионов. Поэтому гидратация диффузного слоя
ионов всегда наибольшая у дисперсных систем, содерж нцнх сд
новалентные ионы. Исключение составляет ион водорода
Таким образом, степень понижения твердости поверхности
слоев глинистых частиц при увлажнении обусловливается приро-
дой обменных ионов и степенью гидратации: чем меньше валент-
ность ионов, тем сильнее выражены диффузность и размягчение
поверхности твердой фазы при увлажнении, тем выше электро-
кинетический потенциал и тем сильнее эффект понижения твер-
дости самой глины. При одной и той же степени дисперсности»
в зависимости от природы ионов-стабилизаторов, глины облада-
ют различной степенью размягчения поверхностных слоев.
Повышение концентрации любых электролитов в гнеперсион-
ной среде ведет к уменьшению диффузности гидра гно-ионного
слоя частиц и к снижению электрокннетнчес тежцна
1$
о пячеНТНость противоположно заряженного
Чсм ’ротю к глинистой частице), тем резче происходи”"
отношению к еского потенциала. Шульце и Гаь г
ние ЭЛ„ппеделенное соотношение концентрации электро), «»
вилл опрел т валентными ионами, необходимой^"’»»
шествчения коагуляции, а именно 500:10:1. При коа "
“исходит эквивалентный обмен ионов-стабилизаторов
тех частиц на ионы-коагуляторы. Кроме того, ь«олЮда -•
мамилярная адсорбция коагулирующего электролита Д’
„„ янсообвин вызывает перераспределение ионов в ЛИ1?Ч| ные диффузные молекул
Йом слое и соответствующее уменьшение его диффуз*^- Б. В. Дерягин » ДР. ,[41].
А Д Малкина и Б. В. Дерягин [69] экспериментально VP“.C’1
вили большую скорость прилипания в присутствии трехвазд.'1
ных электролитов. т'
Когда электролиты присутствуют в смеси, их действие Мо*
быть либо аддитивным, например в случае КС1 и NaCl,
антагонистическим, например в случае СаС1г и NaCl (при код
гуляции отрицательных золей) или FeCl3 и NaCl (при коагуЛя
ции положительных золей). Электрокинетические явления Morvi
наблюдаться только в достаточно разбавленных р------- у
электролитов.
Теория коагуляции Б. В. Дерягина применима к
системам в водной дисперсионной среде. Коагуляция
дит при повышении концентрации электролитов, когда молеку.
лярные силы сцепления между смежными частицами превышают
расклинивающее давление дисперсионной среды между ними.
При толщинах сольватно-молекулярных или сольватно-ион-
ных слоев порядка 10~7—10-8 см положительное расклиниваю-
щее действие становится отрицательным за счет роста сил сцеп-
ления и диффузные сольватные слои скачкообразно утоньчают-
ся до молекулярных размеров, не препятствующих коагуляции
частиц.
Всякое взаимодействие глинистых частиц, так же как капелек
или пузырьков жидкой или газообразной дисперсной фазы в
жидкой дисперсной среде, — их сцепление при агрегации (коа-
гуляции), прилипании и образовании концентрированных струк-
тур— неизбежно совершается через поверхностные слои. Харак-
тер адсорбционных слоев таким образом должен предопределять
прочность сцепления частиц дисперсной фазы и условия агрега-
тивной устойчивости дисперсных систем [108].
Все адсорбционные (сольватные) слои ведут к экранированию
молекулярных сил сцепления между частицами и, следовательно,
^бТзГзЭ 108^Т13]ТИ ИХ СВЯЗП’ Что Д°казано в РяДе работ
иып^аИ^°Лее Развитые Диффузные слои ведут к полному экра-
а™ИЮ молекУляРного сцепления и к нарушению всех связей
и оачжижАиЦаМИ диспеРснои фазы, т. е. к полной стабилизации
и разжижению дисперсных систем.
26
'a ,
'лг‘* Ch Щ
РАИ yc '% 4.2. ГИДРАТНО-МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СЛОИ
Ч.
- Для ^'с В результате адсорбции и сгущения на границе раздела твер
«оагуЛдой 11 жидкой фаз молекул поверхностно-активных веществ
-ров % (ПАВ) возникают диффузионные гидратно-молекулярные слои.
,,а^лЮдает’Ч способствующие стабилизации и уменьшению сцепления частиц
Та. QgC^ х и, следовательно, прочности дисперсной системы в целом. П
ные диффузные молекулярные адсорбционные слои наблюдя i
•4, Термодинамический фактор устойчивости (расклиниваюни-
^таНо. давление), как правило, достаточен для стабилизации лишь pat-
бавленных дисперсных систем. Концентрированные дисперсны»
системы можно стабилизировать лишь путем образования на их
частицах гелеобразных структурированных адсорбционных сло-
ев из коллоидных и высокомолекулярных соединений.
Стабилизующее действие обычно проявляется сильнее при
неполном насыщении адсорбционного слоя и падает при полном
насыщении, видимо, за счет повышения хрупкости и снижения
раствор^ легкоподвижности слоя. Такими защитными коллоидами, сам >-
произвольно адсорбирующимися на поверхности раздела фаз.
к коллоидным являются поверхностно-активные вещества — лиофильные кол-
"т происхо. лоиды, образующие слои повышенной вязкости. Эти вещества
являются понизителями твердости.
Малые количества поверхностно-активных гидрофильных до-
бавок (пластификаторов), адсорбируясь на минеральных части-
цах, повышают их сродство к воде и способствуют образованию
развитого гидратного слоя на поверхности. Возникающие адсорб-
ционные слои способствуют скольжению частиц относительно
друг друга, являясь как бы смазкой, и обусловливают разжиже-
ние и плотную упаковку частиц грунта или цементного теста
[111]. Одним из наиболее активных пластификаторов является,
лигносульфонат кальция, содержащийся в сульфитно-спиртовой
барде. Поверхностно-активные органические вещества (соли гу-
миновых и лигниносульфоновых кислот) применяются также для
повышения устойчивости глинистых растворов против коагули-
рующего действия электролитов. Они способствуют пептизации
и стабилизации частиц, создавая на их поверхности защитные
пленки, и резко уменьшают водоотдачу растворов.
Обработка лёссовидных грунтов щелочными суспензиями
торфа или бурого угля резко уменьшает их фильтрационную
способность. Воздействие гуматов в этом отношении оказывается
более эффективным, чем применение механического уплотнения,
осолонцевания, заиления, гидрофобизации и т. п.
Все эти исследования указывают на большое значение вве-
дения поверхностно-активных органических веществ, обусловли-
вающих в определенных (невысоких) дозах малую водопрони-
цаемость, слабую водоотдачу, высокую плотность и большую
подвижность дисперсных систем.
27
гпунгоГпол влиянием бактериальной деятельност.
гуминовые кислоты и их растворимые гумиты, который г москвы
адсорбируются на поверхности глинистых и коллоидн’> ' до 20%.
™ а также, вероятно, и на поверхности обломочных Ч При «
Интенсивной адсорбции органического вещества способ^
присутствие железа, активирующего поверхность ,
'™ Адсорбция органического вещества происходит главным
и'старенм Н »ь.сокомолекулярнЫх соединений и
минеральных соединений [3]. Молекулярные слои орган„Р?"1 Уча£теУет в структурообразовании. _____________________
веществ гидрофильны и создают устойчивую стабилизацию ? от„ожеКн7Гсо^^ карбонатных, глинистых
стиц, препятствуя их непосредственному сцеплению. Стаби 3 отложении’СОС1ОНЩ 1 7
ции способствует малое содержание электролитов. Отсутст33
заметного сцепления между частицами обусловливает их ск
ность к образованию компактных, плотных структур. Этом°3
большей мере способствует присутствие мелкопесчаных и щ/
ватых частиц. Подобные компактные стабилизационные сто?
туры высокогидратированных частиц обладают малой влагое
костью и высокой легкоподвижностью.
В настоящее время устойчивые защитные слои органическо
вещества специально создаются при искусственном оглеени
грунтов для сооружения противофильтрационных экранов
стенках и днищах каналов, водохранилищ и пр. Установлен
что анаэробное бактериальное разложение органического вещ;
ства в водонасыщенных грунтах приводит к быстрому развит^
восстановительных процессов, снижению £/,, к пептизации ч<
стиц и к увеличению степени их дисперсности, к резкому увел!
чению содержания коллоидов, что в свою очередь ведет к созда
нию бесструктурного слоя с резко уменьшенной фильтрационно
способностью. По данным Б. Н. Самкова и С. Г. Хлебников.
[121], содержание частиц <10 мкм в грунте за 17,5 месяц'
искусственного оглеения увеличилось в 6—9 раз, части
<1 мкм — в 5—6 раз. По данным А. С. Вознесенского и О. X. Ас
таховой [14], после оглеения содержание фракции <5 мкм
глинистом грунте возрастает с 37,6 до 61,9%; в курском чернозе
ме — с 2 до 20,3 /0; в карбонатном суглинке — с 3 до 18%. Однс
временно резко увеличивается содержание двухвалентного же
леза и водорастворимого органического вещества.
попот>яхР>клкИпп(^РГаН11ЧССКОГО УглеР°Да в изученных осадочны.
встречаются в Mefp00’ ..невелико- Наименьшие количества Сор
иырсчаются в меле и лессе — от n 1 пл лоо/
глинах оно достигает 1 % Няибп ’ °’2 /о’ в ™дрослюдисты)
го вещества содепжите/п\^ б°ЛЬШее КОЛ11Чество органическо
В майкопских глинах оно кл°Р-КИХ монтмоРилл°нитовых глинах
ловых — от 1 до ЦО/ ОНО колеблется от 0,6 до 2.4%; в нижнеме
ДО 14 /о, достигая наибольшего значения в сланце
28
Обр?Чватых разностях; в сланцеватых разностях оксфордских глин
- г Москвы Сорг — от 1 до 11%, в древнечерноморских илах — от
При содержании органического вещества в породах в коли
.^честве до 1% оно, как правило, равномерно рассеяно по всей
м.ТйУеих толще, будучи преимущественно прочно связанным с гли
нистыми минералами. В породах, которые содержат от 1 до 20%
органического вещества, оно встречается не только в виде
0( прочносвязанных и адсорбированных форм, но и в виде скопле-
& ний свободных высокомолекулярных соединений и активно
В древнечерноморских илах отчетливо видна микрослоистость
и сапропелевых прослоев, иногда достигающих 100 на 1 см ко-
лонки грунта. Органическое вещество в илах распределено
в толще глинистых прослоев, а также и в виде отдельных бурых
волнистых прожилок. Вероятно, впоследствии такая микросло-
истость богатых органическим веществом пород, обусловленная
сезонной периодичностью отложений основных компонентов при
осадконакоплении, дает начало сланцеватости глин, которая так
хорошо выражена у нижнемеловых, юрских (г. Москва) и май
конских глин.
Органическое вещество в глинистых породах встречается в
нескольких формах: в виде прочных органо-минеральных соеди-
нений (от 40 до 83%); в виде свободных и адсорбированных
гуминовых и фульвокислот (от 2,7 до 35,5%); в виде битумов
(до 40%).
И. С. Бочаровой [12] было прослежено изменение качествен-
ного состава органического вещества в процессе литогенеза по-
род. Установлено, что групповой состав органических веществ
илов Черного, Азовского и Белого морей (послеледниковые мор-
ские глины Карелии формировались в Белом море) очень близок
между собой.
В процессе синерезиса, старения и уплотнения пород в них
происходит закономерное увеличение содержания прочносвязан-
ных гуминов, а также гуминовых кислот, содержание же фуль-
вокпслот и особенно битумов существенно уменьшается. Веро-
ятнее всего, что битумы, будучи не связанными с минеральной
частью пород, постепенно отжимаются из них и концентрируются
в естественных коллекторах, давая начало нефтяным месторож-
дениям. Образующиеся в морской среде органо-минеральные
соединения в процессе диагенеза и эпигенеза закрепляются все
более прочно на поверхности глинистых минералов. Свободные
же высокомолекулярные соединения гуминовых кислот, способ-
ствующие при переплетении длинноцепочечных молекул обра-
зованию рыхлой, влагоемкой структуры, конденсируются и по-
лимеризуются, приближаясь по своим свойствам к свойствам
гуминовых кислот углей.
29
ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРДЗОВДНИЯ
5.1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СТРУКТУР
Дисперсные системы могут существовать в виде свобод
дисперсных, бесструктурных систем, в которых практически ,
сцепления между отдельными сольватированными частица^
дисперсной фазы. Дисперсная фаза в таких системах может бь,
представлена либо элементарными частицами, либо агре{?
тами их.
Такие бесструктурные системы ведут себя как истинн0.Вя
кие жидкости, обладая, однако, повышенной вязкостью. Ц
повышение вязкости прямо пропорционально отношению объем
частиц дисперсной фазы (включая и сольватные оболочки)
общему объему системы.
При высокой концентрации твердой фазы всегда будут обра
зовываться компактные структуры. При полной стабилизации
частиц дисперсной фазы эта концентрация достигает наибольше
возможной величины, соответствующей предельному заполнен^
объема системы сольватированными частицами. Примерам,
подобных бесструктурных дисперсных грунтов со стабилизацией
ными структурными связями могут служить осадки плывунны
глин с нарушенной структурой, юрские глины района Обояни
КМА. Истинные плывуны (песчано-коллоидные породы) в есте
ственном состоянии часто представляют собой описанные пре
дельно компактные структуры, имеющие высокую плотност
2 г/см3), несмотря на жидкообразное состояние и высокую
подвижность и часто залегающие под более прочными породам
с меньшей плотностью.
В природе широко распространены связные, структурирован
ные системы, в которых все частицы дисперсной фазы связань
в единый структурный каркас, в сплошную структурную сетку
обладающую известной прочностью, упругостью и пластично
стью. Такая структурная сетка представляет как бы едины!
агрегат и является продуктом лиофильной или структурной коа
гуляцип (ранее известной как застудневание), протекающей в(
всем объеме системы в результате сцепления частиц по отдель
ным местам их поверхности с наименьшей толщиной сольватньг
слоев. Обычно структурная коагуляция наиболее часто встреча
ется в системах с резко выраженной анизодиаметричностью ча-
стиц твердой фазы, длина которых больше ширины и толщины
(палочки, нити, ленты). В этом случае сцепление частиц обычае
осуществляется в местах их контактов — по углам и ребрам,
щихПэлектпопитпРСИМУЩеСТВеННаЯ адсоРбция ионов коагулирую-
шях оболоч» XеГЧе ВСеГ0осУи1ествляется прорыв сольват-
является полная 'н\пи У’"011 особенностью подобных структур
вляется полная иммобилизация дисперсионной среды в порах
30
к
структурного каркаса. Концентрация частиц дисперсной фа<ы
при такой коагуляции может быть очень мала —от 0.01 до 1%,
ибо в связи с их анизодиаметричностью число частиц в единице
объема системы может быть достаточным для формирования
рыхлой пространственной структуры. Структурная коагуляция
весьма распространена среди осадочных пород. Глины, осажда
ясь в морской среде, часто образуют сплошные структурные
осадки. К подобным осадкам относят глубоководные морские
илы, однородные толщи хвалынских глин, некоторых юрских
глин, а также глинистые растворы, применяемые в качестве про-
мывочных жидкостей при бурении.
При лиофобной коагуляции дисперсные системы расслаива-
ются на осадок, состоящий из массы слабо связанных между со-
бой агрегатов скоагулированных частиц дисперсной фазы, и на
чистую дисперсионную среду. Подобная коагуляция протекает
при большей концентрации электролитов, чем коагуляция лио-
фильная. Лиофобная коагуляция характерна для засоленных,
сильно агрегированных глин.
Таким образом, в результате коагуляции происходит осажде-
ние хлопьевидного осадка или образование сплошной структур-
ной сетки. Оба явления вызываются одними и теми же коагуля-
торами, но в различных концентрациях. Для образования струк-
турной сетки требуется меньшее количество электролита,
достаточное лишь для частичной десольватации анизодиаметрич-
ных частиц. Поэтому системам с анизодиаметричными частица-
ми присуща структурная коагуляция при весьма малых концент-
рациях электролитов [87]. Необходимая для коагуляции систе-
мы концентрация электролита определяется концентрацией
дисперсной фазы и составом адсорбированных ионов. Чем боль-
ше содержание одновалентных ионов, тем больше воды требуется
для набухания поверхностных слоев, тем более плотной струк-
турой обладают глины и тем медленнее они упрочняются. Насы-
щение глин такими одновалентными ионами, как литий, натрий,
ведет к наибольшей диффузности поверхностных слоев и, следо-
вательно, к резкому снижению прочности связи между частица-
ми. Происходит нарушение связи между структурными элемен-
тами и освобождение свободной воды пор, т. е. полная дезагре-
гация и разжижение всей системы с образованием стабильной
суспензии [124]. Образование структуры в такой системе может
происходить в случае уменьшения гидратации диффузного слоя,
либо замены одновалентных ионов поливалентными, т. е. при за-
мене пептизаторов коагуляторами или создании обратного ос-
мотического тока (высаливанием), либо, наконец, при высуши-
вании.
Глины, содержащие двух- и трехвалентные ионы, при увлаж-
нении отличаются малой гидратацией диффузного слоя, вслед-
ствие малого числа ионов на единицу поверхности, хрупкостью
и наиболее прочной связью между частицами в местах контакта.
31
В подобных системах возникают рыхлые, хрупкие [1241
туры, мало способныек ' ;|1Л() 1 пению 7^ мкм, наиболее устойчиво прилипают ча< гины диаметром 2
дальнейшему разрыхлению г| N с°ДеРЖания J*1 мкм. С повышением концентрации солей и увеличением на
П. А. Ребиндер обнаружил понижение гвердости прц с 'Чентности катионов адгезия возрастает. В изоэлектричрекои
тации металлов, кристаллов и горных пород при их Дефо|);'Чочкс адгезионное число достигает максимума (136).
в присутствии ионных и молекулярных понизителей тверг^ Проведенные опыты свидетельствуют о том, что в очень гон
вследствие расклинивающего давления сольватных оболен |ом кварцевом песке и в пылеватых породах мы вправе ожидав
повышения электрокинетического потенциала на вновь об/'^роявления, хотя и очень слабых, сил сцепления между части
щихся поверхностях. При этом П. А. Ребиндер показал, ч.,.(аз^ами, зависящих в значительной мере от состояния их поверх
ствие понизителей твердости аналогично пептизации агпр ^остных слоев- По мере увеличения степени дисперсности квар
и стабилизации частиц. Адсорбция ПАВ вызывает пони>кЛевых час™ц мы наолюдаем усиление влияния поверхностных
поверхностного натяжения на поверхности дисперсных еЧил на свойства этих систем.
Двухмерная миграция адсорбцнонв’ь.х слоев в м^ро^Х^^^
узкие зазоры между частицами в агрегатах могут вызвать прессов кристаллизации из пересыщенных растворов, процессов
тизацию и разъединение частиц силон двухмерного Давлещконденсации и полимеризации при химическом взаимодействии
действующей на периметр площадки их коп г актов. Эти сжастиц дисперсной фазы друг с другом или при участии цемен-
способствуют диспергированию и пластифицируют грунт. ирующих соединений. В этих случаях контакты между части
ками весьма прочны и жестки.
5.2. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУР
В МЕЛКО- И СРЕДНЕОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТАХ .3. ФОРМИРОВАНИЕ КАМНЕВИДНЫХ
СТРУКТУР ПРОРАСТАНИЯ
Электролиты оказывают существенное влияние на поверхвг
стные свойства мелко- и среднеобломочных грунтов. Кварцевы Особым случаем образования кристаллизационных структур
порошок обладает наименьшим объемом осадка в воде при ^вляется формирование камневидных структур прорастания,
мой малой концентрации катионов. С повышением концентрат А. Ребиндер и И. Н. Влодавец [113, 114] описывают ме-
катионов в известных пределах и с увеличением их валентцо<анизм образования кристаллизационных структур при кристал-
объем осадка растет, при этом он обнаруживает легкую тика1 иза 0,1111 пересыщенных растворов, например при твердении
тропик» [136]. Опыты В. Романовского [148] показали, чт0'1ементов. Кристаллики новообразования сращивают^ в камне-
«Д L J . L J шдцую кристаллизационную весьма прочную структуру, вме-
бидистилляте сила вызывающая деформацию осадка квароцадЮ1Уцую £ерна песка и др*гих заполнитРелей. Возможны сраста-
с размером частиц 5 7 мкм, равна 0,00643 Па. В 0,001 и. раств(1Ие сближающихся кристалликов, образование отростков,
п лпио°г1ИСТ0л0л1НаТ^11Я ?1е< )0^М1^лЧлллог г/ илие снижае1ся ^ендритообразных сростков и нитевидных анизометричных кри-
0,0043 Па, в 0,01 н растворе до 0,00286 Па. рталликов, их переплетение и взаимное прорастание. При доста-
Это явление, несомненно, ооусловлено адсорбционным пон-очно^ плотности конечной структуры это приводит к ее высокой
жением прочности дисперсных систем вследствие образова|и1рОЧНОСТИ и необратимости при разрушении.
развитых диффузных слоев при внесении малых количеств ионе Подобные структуры образуются, например, при кристалли-
сгабилизаторов. В. Романовский наблюдал набухание кварцеЛации аутигенного палыгорскита в лёссовых породах, что ведет
го порошка даже при ничтожных добавках ионов. С увеличение^ формированию так называемых каменных лёссов.
концентрации электролитов (в опытах А. 1\. Адама [2]) ирош Каменные лёссы района Ташкента отличаются от типичных
ходит, напротив, сжатие диффузного слоя и увеличение прочёссовых пород, залегающих над ними, высокой карбонатностью
ности сцепления частиц. Одновременно с адгезией частиц порош преобладанием палыгорскита среди глинистых минералов, что
ка изменяется их прилипание к твердой поверхности. Бузаобусловливает их высокую прочность и водостойкость в резуль-
определял характер прилипания кварцевых частиц различнопаге развития в них сетчатых структур прорастания.
крупности в водной среде к кварцевой пластинке при седимен Исследования Н. Н. Круглицкого В. Ю. Трединника и
тации [136]. Он пришел к выводу, что более крупные частник. Д. Овчаренко [59], изучавших структурообразование в водных
(> 10 мкм) быстро отлипают от пластинки при перевопачиванисуспензиях глин, показали, что палыгорскит и его смесь с монт-
ее под действием собственной массы, тогда как очень тонкимориллонитом образуют структуры, отличающиеся наиболее
частицы (<1 мкм) отлипают быстро под действием бооуновск0пРочными связями. Объясняется это тем, что палыгорскитовые
ГО движения. Прилипание проявляется у частиц диаметром 1
32
33
3 — 427
„,,ы имеют оптимальную удлиненную ф,,.,
го"" |-я чему лаже при .......... концентр.-^„’'«СТ|)
Хма находится достаточно большое число чает, ” " 4J
MW Л.1Я образования пространственной сетки со сНЛ ИсЛш г "и у К < пн. р<- ш< ч ни<» ск.юниы джпгрсяые гжт*-
и njvcHce । илрофильным участкам (\гол yio.j v h,||ihi.i .• i • i »»<»ni и. пш •,<> ш >м> три частицями *
В этих участках дисперсионная среда легче всего выт " сольватацией Г Р Кройт (58] отмечает чт<- ям :• — ’
зазора между сближающимися частицами и силы м eCfI*eAi из коллоидной системы происходит в процессе
го взаимодействия оказываются максимальными n1eKYWледствие сцепления его частиц по гидр Ф^иым ч »♦ ’
этих исследователей, природная смесь кристаллов J ° дДинсрезис он рассматривает как явление : . . < • -•
нип п палыгорскита отличается более высокой пИР Нтм°Ри! в зависимости от прироты <n.i. н- н - - между *»
Ч^моношшеральные глины. °" ДИсперСнР02ами стареющей системы, в лея структурная errw.
В смеси указанных глинистых минералов набЮдается в . звание структурирош^.
ципиально инон ход процесса структурообразования. В НейЦерсной'системы протекает в результате пр< - 11 •
зуется упорядоченная структурная сетка с весьма прочны! Чю-Ваальса (коагуляционное структурообрэзование). свойства
зя.ми, в которой частицы монтмориллонита и палыгорсю Чстемы в процессе старения не меняются. В таких случаях ста
положены в определенной пространственной координапи? Яенне является обратимым [45. 87). При очень высоких конце*
пензии палыгорскита в смеси с монтмориллонитом особ ’Л)^ииях дисперсной фазы синерезис м. <е нвбможжг
тойчнвы по отношению к солевым растворам. еНн°Э. С. Зуев [49, 501 указывает, что обратимое упрочнение сис
ы в основном’обязано увеличению плошали контактов частиц.
5.4. СИНЕРЕТИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТРУКТУР При структурообразовании вследств.
]ер-Ваальса и создания прочных связей (электровалентные,
Все структурированные дисперсные системы в том алентные и водородные связи) системы при старении т
грунты, подвержены процессам старения — самопроизв ЧИсл,вою обратимость и не разжижаются даже при
свеличению пассивности систем во времени по птнп„°ЛЬНо"1!НЬ1Х воздействиях. «ыМ -
внешним возтррствиям Г45 Я71 • vmphi шяртло ° 0ТН0Шенй1с Несомненно, что явление синерезиса пр тяет собой су
внешним воздействиям [45, 87], уменьшается активность пожарный эффект изменения площади и условий сцепления частиц
ности частиц дисперсной фазы, увеличивается ориентация, [исперсной фазы в местах их контакта в присутствии дисперся-
вышается прочность сцепления частиц, постепенно утрачиваемой среды
их связь с дисперсионной средой. Увеличение прочности сед Б. В. Дерягин и Н. А. Кротова [42] указывают, что приди
ния частиц дисперсной фазы стареющей системы сопровождено, или сцепление двух поверхностей, обратимо во всех тех «.лу-
ся сжатием структурной сетки и вытеснением части связанная*, когда отсутствует рекристаллизация.
дисперсионной среды. Этот процесс в коллоидной химии ими Б- в- Дерягин и М. М. Кусаков [39] установили, что тоикие
ется синерезисом. Он является конечной стадией изменения 1Л0И жидкости в зазоре между двумя поверхностями хт<\т ’
стояния дисперсных систем. ельное время сохранять определенную толщину, прит* м тем
Синерезис изучался С. М. Липатовым [621, который д’ольшую, чем меньше оказываемое на эти слои давление. С"
первую теоретическую схему этого процесса. Синерезис обнагобность тонких пленок жидких слоев пр ю малой
живается у студней крахмала, желатина агар-агара клея к 0ЛЩине развивать определенное противодавление, уравновеия-
сок, вискозы, мыла и т.п. Всем хорошо знаком синерезис пип?ающсе действие внешних сил, стремящихся утончить г
вых продуктов при их хранении —простокваши сына хдрба „1ОЛУЧИЛО название расклинивающего давления (по b В. Деря-
черствении, а также синерезис стареющего живого ’опГЯнЛину)' Эт0 явление осложняет прилипание друг к труту тверл
[45, 62]. На явление синерезиса в глинистых пастах мыРвсто7аСТ,щ ® жидких сРедах' Величина расклинивающего
см указания Г. В. Скотт-Блэра [1501 Х ПаСТЗХ МЫ встРеЬвиспт от Рода жидкости, от содержания в ней растворен»*
Синерезис обусловливяртгп Ьеществ и от природы поверхностей.
притяжения между частиплми п . ЗИеМ модекУляРных с Работами Мак-Бэна было показано, что прочность склеива-
к ориентации и сближению uoP^IIC,iepCH0H Фазы’ которые ве!ия в большой мере зависит от толщины промежуточного слов,
толщины сольватных обозочг 'Щ одновРеменно с уменьшение уТОнчением пленки прочность соединения растет [421 Особен
среды за пределы лиепппЛ^ К И ВЬ1Жгиманием дисперсионно сильно возрастает прочность при достижении -с щ О гскт ци
Прибавление ХХРЯТ°"СИСТемы ф, 2.5- 1(Н> см.
ствие небольшого датепш Рующих веЩсств, так же как возде Исследования А. II. Фрумкина [13/. 138] пока»алн. что прп
и А’ встРяхивания и т. п., способствУфпближснии под водой или в растворе Xa^SO.. их 'Ы? -кл к о-
I
птчти прослойка жидкости между нпмц ут
верхности рту* г н стойчивых толщин, после
''^""Амопроизвольно разрывается с образование,. , 'М,'
'’“А'Анх та, з жидкости, оставляя в месте контакта п>
"Src" ртути лишь слои молекулярных размеров
-'’'Т&ТнилАсГТ^
а затем А. Н. Фрумкин [13/] на металлической поверх,,'Ч
;.,новил„ наличие латентного периода „ли «пределе,,,
меня индукции, после которого наступает разрыв „Лен°* »
и пузырьком и поверхностью, причем далее прочность ,
ния не меняется. Этот интервал времени зависит от xaS"
адсорбционных слоев, поверхности и раствор/, „ от величий
зырька. Наблюдаемое И. Свен-Нильсоном время „ндук,^
лсблется от 0,1 с до 1 суток.
При изучении процессов прилипания скрещенных квапп»
нитей в воде или в растворах электролитов Л. Д. МалкиноД
было установлено, что в течение 2 3 с при прижимании ul,
никакого прилипания не обнаруживается. При контакте Ни!
в течение некоторого времени сила, требуемая для разъедини
нитей, с увеличением продолжительное in кон 1 акта возраста
Рост сил прилипания обусловливается постепенным утоне]
ем гидратной прослойки между нитями вплоть до образовав
граничной фазы. Это вызывает увеличение действия молекул,
ных сил притяжения между нитями. Процесс утонения ц
ратной прослойки и сближения кварцевых нитей при 30° С п
должается в течение нескольких суток, при 33 С—17 ч, ц
43°С — 1 ч.
Увеличение концентрации электролитов от весьма малой
нормальной способствует увеличению начальной скорости в
растания удельной энергии прилипания. При этом наименьц
начальная скорость прилипания наблюдается в растворе хло;
сюго калия, средняя — в растворе сернокислого магния и н;
большая — в растворе хлористого алюминия. С увеличением в
мени контакта все кривые кинетики нарастания приляпан
стремятся слиться. Эти явления Б. В. Дерягин объясняет ежа1
ем диффузного слоя при увеличении концентрации электролит
Таким образом, процессы старения, выражающиеся в уве.
чении прочности сцепления частиц дисперсной фазы в резуль
те утончения прослоев дисперсионной среды в местах их конт,
тов и в ее отделении с уменьшением общего объема системы,1
ляются самопроизвольными. Они присущи всем дисперсш
системам. Скорость этого процесса определяется: свойствами1
прикасающихся через сольватные слои поверхностей — их
составеличин°й заряда, наличием двойного слоя ионе
сионист то Х 11ОНОВ’ наличием загрязнений; свойствами диспе
верхностнл-яДит концеитРайией электролитов, присутствием г
явных веществ; давлением прилипания, форМ1
36
и размером частиц; толщиной жидкостной прослойки и ее рас-
клинивающим действием. Все эти факторы определяют скорость
скачкообразного утончения пленок дисперсионной среды между
частицами.
Процессы старения могут быть обратимыми, способствуя уп-
рочнению коагуляционных структур. В этом случае тиксотроп-
ные свойства систем могут восстанавливаться после механичес-
кого нарушения сцепления в местах контактов и увеличения тол-
щины пленок дисперсионной среды между частицами. Вполне
очевидно, что необратимые процессы старения ведут к обра-
зованию кристаллизационно-конденсационных и смешанных
структур.
5.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЕСТЕСТВЕННЫХ
СТРУКТУР
РИС. 4 ЗАВИСИМОСТЬ Pf;l=f(W) ДЛЯ ХВА-
лынскои глины
1 — с естественной структурой; 2 — паста из
этой же глины
Исследование хвалынских глин при помощи конического пла-
стометра показало, что естественные структуры отлича-
ются значительно большей прочностью, чем пласты при
той же влажности, и большей влажностью (до 15%), чем
пасты при одинаковой
прочности (рис. 4). Эго
указывает на то, что в
них содержится свобод-
ная вода при наличии
лишь остаточных гидрат-
ных слоев в контактах
частиц, обусловливаю-
щих повышенную проч-
ность глины. Подобная
самопроизвольная дегид-
ратация глинистых ча-
стиц во времени является
следствием процессов
старения и синерезиса.
При механическом
нарушении естественного структурного каркаса глин и освобож-
дении замкнутой в порах воды толщина гидратных слоев на по-
верхности частиц увеличивается, а содержание свободной воды
уменьшается, поэтому пасты, содержащие меньше свободной во-
ды, но более гидратированные, менее прочны и более пластичны,
что и обусловливает различный характер сопротивления пород
и паст деформациям и увлажнению. Чем сильнее синеретическн
дегидратированы естественные структуры и чем выше гидро-
фильность слагающих их минералов, тем резче и в большей сте-
пени снижается их прочность при взаимодействии с водой. Проч-
ность паст снижается в меньшей степени, но ее абсолютные зна-
чения в 2—5 раз ниже прочности естественных структур
(табл. 5).
37
ПРОЧНОСТЬ
ПРИ Е--
,лй ГЛИНЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ и
Образец
W, %
36
35
665
130
В естественном
состоянии
Лп> кПа
После набухания
Ю, % Рпг кПа
54 100
45 55
60
54
—2^'"
П°СЛе
---. 1 'м кпа
57,7
27,7
1%
тическая прочность и влажность. Была получена
вая изменения пластической прочности и влажности
Необходимо отметить, что характер погружения конуса я
искусственные и естественные структуры одинаков В них вокруг
конуса образуется характерная коронка из пластичной стружки
Жесткая структура образца разрушается только в слое, непог
редственно прилегающем к конусу. При испытании перемеши-
ваемых паст, напротив, происходит выпирание подвижной па< ты
в виде валика, либо эластическое выпучивание всей пасты на
значительном расстоянии от конуса.
Эти опыты наглядно показывают, что в упрочнении глин с
естественной структурой играет роль не только их уплотнение,
но в большей мере и синеретическое упрочнение сцепления их
частиц в контактах.
При проведении указанных опытов было установлено, что в
процессе подсыхания паст хвалынской глины в интервале влаж-
ности от 35 до 42% и при Рт 0,2—0,4 МПа образовывались круп-
ные вертикальные трещины отрыва, расчленяющие образец
пасты. Чем выше была исходная влажность затворения и чем
меньше плотность полученной структуры, тем при большей
влажности это происходило. Подобные трещины возникали
только в коагуляционных структурах при общем незначитель-
ном уменьшении объема пасты, так как упрочнение контактов
частиц препятствовало дальнейшей усадке образцов. При пред-
варительной стабилизации частиц хвалынской глины возникали
очень плотные стабилизационные структуры, которые высыхали
и синерировали очень медленно и постепенно, сильно умень-
шаясь в объеме без образования трещин. Хвалынские глины,
подвергнутые быстрому подсыханию после регрессии хвалын-
ского моря, сохранили высокопористые коагуляционные струк-
туры благодаря преобладанию второго этапа синеретнческого
упрочнения. Поэтому в них процессы усадки выражаются глав-
ным образом в образовании крупных вертикальных трещин
отрыва, широко развитых в этих глинах и часто пронизывающих
всю толщу пород. Образуются эти трещины, как эксперимен-
тально доказано в наших работах [99] и как наблюдается в при-
роде, сначала изнутри толщи, в местах возникновения наиболь-
ших неравномерных напряжений при дегидратации, и всегда в
наиболее гидрофильных и высокопористых разностях глин.
При различной скорости сушки глин изменяется и харак-
тер зависимости их прочности от влажности. При быстрой сушке
пасты быстро упрочняются, сохраняя при этом более высокую
влажность и больший объем вследствие уже ранее указанных
причин. При медленной сушке наблюдается постепенная потеря
влаги, большая усадка и, как следствие, менее выраженное об-
разование трещин. При очень медленной сушке образования
трещин можно избежать.
Аналогичные опыты по изучению характера естественных
структур мергелей и мела также проведены при помощи кони-
ческого пластометра. Было установлено, что мелопо юбные сан-
С естественной
структурой
Паста
При набухании с увеличением влажности на 1% проЧНо
пасты снижается на 7,3 кПа, а образца с естественной струкК
турой — на 31 кПа.
Поскольку образцы пород с естественной структурой и СВе.
жеприготовленные из них пасты имеют различную прочность и
толщину гидратных слоев, иное соотношение связанной и СВо.
бодной'воды и иное поведение при деформировании и увла^.
нении, очевидна несостоятельность способа инженерно-геологи-
ческой оценки пород по сопоставлению их естественной
влажности с пределами пластичности. Тем более это недопусти.
мо по отношению к породам с конденсационными структурами.
При помощи конического пластометра была проверена пра-
вильность нашего предположения о синеретической природе
упрочнения естественных коагуляционных структур глин. При-
готавливались пасты хвалынских глин при влажности от 130
до 30%. Они после перемешивания хранились в кристаллиза-
торах в полном покое. Периодически опробовалась их плас-
и кри-
ДЛЯ
пасты той же глины по мере постепенного добавления к ней су-
хого порошка и тщательного перемешивания. Увеличение проч-
ности пасты с добавкой сухого порошка было обусловлено по-
степенным увеличением плотности, уменьшением влажности и
гидратированности частиц. Прочность также нарастала посте-
пенно в широком интервале влажности.
В пастах глин, находящихся в покое, происходило тем более
быстрое и значительное твердение, чем выше была исходная
влажность затворения. Наблюдаемое твердение обусловливается
скачкообразным синеретическим утончением гидратных слоев
в местах контактов частиц с сохранением в то же время значи-
тельного количества свободной воды в порах коагуляционной
РУ р ы.
mv п°лУченные в наших опытах, тем больше по свое-
ских глинСРцрмРд лижаются к естественным структурам хвалын-
в™ые ctdvktvoh1^ ВЛажиость затворения. Очевидно, естест-
малых концентрациях “ой фазы. ” °бРазовались прК
38
39
гпгти В ОТЛИЧНО ОТ ХВаЛЫНСКИХ ГЛИН, МОпп
тонкие мере- r Iipouecce литогенеза. Этому ?1,1,0 И t
тсп^^астифицируюшее действие глинистых частиц
вал” "чеекого вещества. Образование более про,.,‘хи
ор к,Y структур В них, очевидно, происходило уже °Хо
^НсНтадниРупло?нения. Мел же, напротив, сохр^?,^
структурную сетку в результате цементации на paHHeft
литогенеза.
Исследование истинных плывунов со стабилизацИпи
структурами при помощи конуса в процессе их постепенной
сыхания показало, что при изменении Б/, и при влажности 0;
нее 20% в них образуются прочные конденсационные Стп’?
ры вследствие окисления железоорганических соединений •
Следует различать два вида синеретических явлений
ловливающих упрочнение дисперсных структур во времени-
нерезис структурный и синерезис десорбционный. Всякая ко?
идная система стремится максимально сократить поверх??
раздела фаз. До тех пор, пока контакты частиц еще сохраняй
известную подвижность относительно друг друга структура Гт
самопроизвольно уплотняется во времени благодаря сколь»!
нию частиц с выделением воды за пределы системы. При это
прочность системы возрастает в результате увеличения числ
и площади контактов частиц.
Одновременно с самопроизвольным уплотнением глин пр.
текает и дегидратация частиц в местах их контактов. При до(
тижении адсорбционными слоями определенной, весьма мало
толщины происходит прилипание частиц друг к другу, выраж;
ющееся в упрочнении межчастичного сцепления. Чем меньц
площадь соприкосновения частиц, тем легче может отжиматы
излишек воды при самопроизвольном утончении адсорбцио,
ных слоев в местах контакта частиц. Отвердение контакте
частиц наступает быстрее в случае более пористых структу.
При медленной сушке глин происходит постепенное уплотнени
их структуры и лишь после достижения наибольшей плотност
наступает десорбционный синерезис, протекающий при неизмев
ном числе контактов частиц. Если сушка, напротив, протекае
быстро, то увеличение концентрации электролитов и твердени
контактов jipu дегидратации частиц опережает и исключай
дальнейший структурный синерезис, и тогда конечная структу
ра глин отличается более высокими пористостью и влажностьк
вследствие сохранения иммобилизованной в порах воды.
5.6. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ДИСПЕРГДЦИОННЫЕ
СТРУКТУРЫ ГРУНТОВ
Е. Е. Сегалова и П. А. Ребиндер [123] установили существо-
вание двух видов структур: первичных, возникающих при пер-
воначальном структурообразовании системы, и структур вто-
40
lfi4 ричных, диспсрг анионных, возникающих при разрушении струк-
тур первичных.
Структуры первичные отличаются наибольшей прочностью
и обладают упругохрупкими свойствами с ярко выраженные
упругим последействием. Структуры вторичные отличаются во
много раз меньшей прочностью и упругопластическими свойст-
вами с ярко выраженной релаксацией. Независимо от того, на
какой стадии образования первичных структур происходит их
разрушение, прочность вторичных структур всегда одинакова и
остается постоянной независимо от числа последовательных раз-
рушений. Таким образом, эти структуры являются идеально
тиксотропными.
Под влиянием поверхностно-активных веществ при малой
их концентрации наблюдается увеличение прочности образую-
щихся структур вследствие пептизации частиц и увеличения
числа контактов. При больших концентрациях поверхностно-
активных веществ прочность структур снижается в результате
блокировки контактов сцепления частиц. С введением поверх-
ностно-активных веществ сглаживается различие между пер-
вичными и вторичными структурами из-за ослабления молеку-
лярного сцепления частиц. Эти явления совершенно аналогичны
адсорбционному понижению твердости. В процессе дальней-
ших исследований структурообразования в минеральных вяжу-
щих веществах [111], бентонитовых суспензиях [1] и других
дисперсных системах были выделены по характеру связей меж-
ду элементами структуры кристаллизационно-конденсационные
и коагуляционные типы структур [76].
Коагуляционные структуры отличаются способностью к мед-
ленному развитию значительных остаточных деформаций прак-
тически без заметного разрушения пространственной сетки,
т. е. характеризуются ярко выраженной ползучестью. Они обла-
дают низкой прочностью и обратимостью и являются условно
пластичными твердообразными системами. Равновесная сте-
пень разрушения таких структур характеризуется величиной
градиента скорости в установившемся потоке. Чем толще жид-
кие прослон дисперсионной среды между частицами, тем слабее
образующиеся структуры. Такие системы не имеют выраженно-
го предела текучести и являются жидкообразными.
Бентонитовые суспензии образуют типичные тиксотропные
структуры, обладающие условно-упругими свойствами. Под
действием малых напряжений сдвига они приобретают ползу-
честь с весьма высокой вязкостью — порядка сотен миллионов
Па-с. В процессе разрушения структуры вязкость таких струк-
турных суспензий падает на 8—9 порядков, с 107—108 до еди-
ниц Па-с.
При деформировании смешанных коагуляционно-кристалли-
зационных структур кристаллизационный каркас разрывается и
освобожденная коагуляционная структура течет с заданной
41
„„ш. под действием соответстпи.
скоростью ДеФ°Р“яженИя сдвига. Такие смешанные УЛМ
равновесного яапР сохраняются даже в затвердевши/^
„ некоторой степ ельных растворах и определяй,т
ных бетонах иве ьшим остаточным дефорМа.><
рактерную способность длитсльном нагружении аиияМ(
разрыва “ п“7ционно-конденсационные структуры, о6ра
К₽а счет химических связей (главные валентности), o6S
ные 3 <•Моего- или эластично-хрупкими свойствам,//
ОТЛ”Ч1Т к остаточным деформациям, не обладают
способны к ос и не ксируют „ необратимо разруб
честью, практИ1 структур характеризуете
ся. Разрушение таких стру^ум
не обладают Лн
•''а<фу[пй
ся. Разрушение таких структур характеризуется предельной^
формацией.
Естественные структуры глинистых пород, сложивши
в процессе первичного структурообразования и последующ*
диагенеза (синеретического упрочнения и процессов цеменц
ции), отличаются во много раз большей прочностью, чем дй.
пергационные структуры паст этих пород. Н. Я. Денисов [3j(
объясняет упрочнение сцепления пород в течение геологически
го времени процессами тиксотропного упрочнения и процессам)
цементации и указывает, что нарушение естественных связей
в породах приводит их в состояние паст.
В зависимости от состава и состояния глинистых пород, oi
степени развития в них и характера структурных связей, опреде
ляемых процессами диагенеза, от степени их уплотненности,
пористости и влажности породы могут находиться в текучем
скрытотекучем, пластичном, скрытопластичном, полутвердом
и твердом состояниях. Малопрочные, легко разжижающиеся пр?
механическом воздействии, и мягкопластичные разности встре-
чаются среди молодых морских лиманных и речных глинисты]
отложений. Большинство дочетвертичных глин, залегающих н<
платформах, находится в состоянии от скрытопластичного дс
твердопластичного. Указания на относительно высокую проч-
ность естественных структур юрских, акчагыльских, хвалынс-
ких, ленточных глин и многих других пород, несмотря на их вы-
сокую влажность, часто превышающую влажность на границе
текучести, мы встречаем в ряде работ [21, 32, 64, 65, 97, 116
и др.].
Указанные породы отличаются высокой пористостью, неред-
ко превышающей 50% и в отдельных случаях не изменяющуюся
с глубиной. Это свидетельствует о коагуляционном структуре-
образовании и о значительном упрочнении связей во времени,
препятствующих гравитационному уплотнению пород.
птяп-г аРУшсние естественных структур таких затвердевших, ПО’
впяжилгИт^аЖНЫХ глинистых пород с высокой естественной
Наняли г пРиводит их в пластичное или текучее состояние-
прочными ретпрИСТЬ1МИ П0Р°Дами, отличающимися достаточно
венными структурами и пластичными и тиксо-
42
тронными диспергационными структурами, в сильно дислоцнро-
ванных и геосинклинальных областях встречаются глинистые !
породы в полутвердом и твердом состоянии (аргиллиты, алевро- (
литы, сухарные глины). Эти породы обладают жесткой структу- i
рой, они необратимо разрушаются и не могут быть превращены
в пластичное состояние. Наличие свободного кремнезема и окис- I
лов железа часто превращает глинистые породы в полускальныс 1
К ним относятся также мергелистые глины и мергели [97].
Таким образом, естественные структуры горных пород отли-
чаются целым рядом переходов от кристаллизационно-конденса-
ционных до смешанных, коагуляционных и стабилизационных
структур.
I
5.7. «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ» ПОРОД
Отношение прочности породы с естественной структурой
к прочности нарушенной называется в международной ин-
женерно-геологической литературе «чувствительностью» пород
(коэффициент структурной прочности по В. А. Приклонскому)
Наибольшая «чувствительность» может быть у пород, обладаю-
щих либо очень высокой прочностью естественных структур, ли-
бо очень малой прочностью нарушенных структур. Среди изучен
ных нами пород наибольшей «чувствительностью» (400—7001
обладает белый писчий мел, отличающийся ярко выраженной
конденсационной структурой и, следовательно, высокой проч-
ностью в естественном состоянии, несмотря на значительную
пористость. Нарушенные структуры мела, состоящие из микро-
агрегатов, при относительно высокой влажности обладают очень
малой прочностью — менее 0,98 кПа, что обусловливает высо-
кую «чувствительность» водонасыщенного мела. Высокой «чув-
ствительностью» (до 600) обладают послеледниковые морские
глины с признаками конденсационных структур, что объясняет-
ся в основном очень малой прочностью нарушенных структур,
слагаемых устойчиво стабилизованными, высокодисперсными
частицами при высокой влажности пород. Таким образом, наи-
более высокой «чувствительностью» обладают породы с необра-
тимо-разрушающими структурами; наименьшая (1—3.5) наблю-
дается у малолитифицированных илов. «Чувствительность»
коагуляционных структур глин средней степени уплотнения и ли-
тификации не превышает 10.
Для каждой породы наиболее высокая «чувствительность»
наблюдается в определенном интервале влажности. По мере
старения пород этот интервал сдвигается в сторону меньшей
влажности.
На рис. 5 показана зависимость пластической прочности
паст изученных пород от их влажности.
Малой прочностью (не выше 0,01 МПа) обладают дилатант
ные пасты истинных плывунов, мела; большей (до 0,1 МПа—
для плстВИСИМ0СТЬ Р^т>
скои Свиты г. Москва НиЖневОЛЖ-
сУглиноК, Заволжье 4 JK™aAbLHCKilii
вецкии: 5_va„., ’ 4 каолин глихо-
волжье; 6 ~ бенТонитКгЯ глина- У3а-
ггель„ г. Кричева; 8~ «U/nba6u; 7~^р-
скии Воронежской меРгель сантон-
'°™*
44
пасты мергелей'
прочностью (до 1’мп^боЧц,
ются пасты пластичных ^ем более обратимы структурные свям, тем меньше резки
товых, гидрослюдистых KaOjII4 не в прочности между первичными (естественными) и лиспе?
мориллонптовых глин U И Мо?'анионными (нарушенными) структурами. Чем более порис ы t
части рисунка круцНь “ верхЛодонасыщенны грунты, тем сильнее снижается их прочнеть
ми показаны значений’" тО'ц5ри нарушении структуры и разжижении.
для порот в их ес ' Пр0чНос’ При большей плотности и гидрофильности глинистых грхнтод
теганип Криви Л ИстпснНо^ Прочность их при смачивании и набухании (набухание про-
щие наиболее ДИсперТиы^УЛ16'0’ обратный с™^Р'зисУ) снижается сильнее.
рофильпым глинам, идут характер структурных связей
полого, менее гидрофиль
более круто. Наиболее Состав минеральных и органических компонентов гр г
узком диапазоне влажно ^СЗК0 рполие закономеРно определяет характер развивающихся в них
дает прочность паст е СТИ Структурных связей. Решающую роль при этом имеет состав пог-
ционными структурами-<0НДеНса-ющенных катионов (влияющих на поведение глинистой, органи-
тверждает что они / ’ ЭТ° п°Д-*еской и карбонатной части и определяющих реакцию среды),
полутвердого гост реходят наличие электролитов (для образования обратимых, водонестой
чсе минуя m-ю ЯНИЯ В ТекУхих структурных связей в результате действия молекулярные
’ 1 у пластичное. Напрц.зил Ван-дер-Ваальса), а также содержание аморфного кремнезе
р, мел мгновенно теряет своюма и высокомолекулярного органического вещества (для образо
прочность при нарушении струк,в ания необратимых, водостойких структурных связей за счет сил
туры и переходит в вязкотекучееглавных химических валентностей).
состояние. Таким образом уста. Содержание электролитов в послеледниковых и майкопских
новлено, что прочность всех' Пе,глинах, покровном суглинке и в лёссах района с. Бобриц состав-
речисленных видов структур За.ляет до 0,05%; в хвалынских и сланцеватых нижнемеловых гли-
висит: ’ нах, некоторых лёссах и кунгурских мергелях — до 0,8—1.5%;
от концентрации частиц твеп в плах до ^,5%.
дой фазы в единице объема Р Карбонатов кальция содержится больше всего в меле <до
площади их контактов- ‘ ' И98>9%)> в глинистом меле (до 89%), в мергелях (до 73%)
л-г пгтпаул,, ’ В мергелистых спондиловых глинах, в илах Черного моря, в чет-
от влажности и степени ппгпп r v »
патятгин m спсни дегид-вертичных отложениях Каспийского моря, в озерных глинах,
тов__чем 1СТПЦ В местах контзк-в аргиллитоподобных юрских глинах КМА., в юрских глинах
пленки - тоньше гидратные г. Москвы и в лёссах карбонатов кальция (и магния) содержнт-
ия/-<гпгг в,°ЛЬ].В местах контактов ся от 10 до 38, иногда до 50%. Мало их в майкопских, нижнеме-
ловых, послеледниковых и в кембрийских глинах, а также в плы-
вунных песках. Гипс содержится в наибольших количествах
в кунгурских мергелях (4—13%), затем в лёссах (2—6%1,
в нижнемеловых (2—3,3%) и в хвалынских глинах (около 1%>
В остальных исследованных породах его немного.
Следует указать, что в наиболее легкоподвижных породах
илах, в плывунных разностях послеледниковых морских глин
в плывунных песчано-коллоидных породах — велико относн- 45
частиц, тем выше прочность грун-
та (водонасыщение грунтов всех
видов структур, в том числе да-
же необратимых цементацион-
ных структур, неизбежно ведет к
снижению их прочности за счет
ВОДЫИм₽»еН"Я Т°НКИХ ПЛеноК
ста я тит Г частицами или кри-
с галлитами); “ |
УипочнрпиеМеНН синеРетического
го тветр Я ПЛИ ЦементаУионно-
го твердения структуры;
турьт СТепени наРУшения струк-
В
и
тельное содержание растворимого в 2%-ной НО двухвалентного
железа. В этих породах содержание растворимого закисного же-
леза колеблется от 36 до 58% валового и от 64 до 68% суммы
растворимого железа. В майкопских и нижнемеловых глинах
растворимые закисные формы железа составляют 3—62% суммы
растворимого. Такое большое количество закисного подвижного
45
опмп С восстановительной средой и npHcv
железа всегда связано Прн окислении пород „ 3 Ьь
ем opi*1”11 *^т.,0|Цение форм железа мспяс ня и они \ пр0Ч||,?Чрсдкавказья (глуб. 4.8- 660 .м), неоком. кие нкж •>.
тРнванИ рнтацин окислами железа. о1Ы (ГЛуб 68— j 56 м) Поволжья, четвертичные отложения К а
благода) 1 мнезеМ содержится в количестве 0,36-^.п тйского моря (глуб. 0—139 м), гуронский мергель, юрские г'ины
Амор4 4 послеледниковых! липах, 0,4} ~’Г)бояпи, КМА (глуб. 454 м), кембрийские глины г. Лешш г ю.а
(при РН = 0’9г;„„7х 0 32-0.41% (прирН = 7,4) в чистом Дглуб. 6 м) ~ “
в спондиловых глинах. 0,^ меле; 0 б80/о ( Мм.
0,52% (при РН=М) в_(U()|о/о (1|р„ р1[=₽Н
-л8) в па«?Н)пои рН = 6,8) в покровном суглинке.
В Лг„Сп™ошение между стабилизующими, коагулирующим, значительно замедляет процессы старения и структурообщ.,она-
монтирующими факторами определяет характер преобладав
в них структурных связей.
Стабилизационные структурные связи (тип Л) возникают
наличии на поверхности минеральных высокодисперсных
активных гидрофильных стабилизаторов, 1тспосрсдст венно свя»
Г -HQ1 иившшснтм uncsnucin пирид.
в поверхностном слое. В осадочных породах подобными стабц, Органическое вещество в процессе старения вступает во вс
1КГЧТТТТТ ТГЧ ТГ/ЧТТТТ ЛЛ О ГТ Q Т/Л Т Т Г ТЛ О политтг Тех _
д
, т. е. породы различного возраста, залегающие на ряз-
м(^гых глубинах. Присутствие органического вещества в этих юро-
7,2^пах (одновременно с закисными формами подвижного железа»
"Л количествах, достаточных для стабилизации частиц (I 2%),
нЧия [77, 108].
% Гидратно-ионные слои в результате длительного синере гига
I старения пород самопроизвольно утончаются до молекулярных
Размеров (1 О*7—10-8 см) и не являются более стабилизующим
Часфактором, оказывая отрицательное расклинивающее давление
. __ „ "\л способствуя тем самым значительному увеличению прочности
вающих значительное количество водной дисперсионной Cpft[ повышению вязкости пород.
в поверхностном слое^ В осадочных породах подобными стабц Органическое вещество в процессе старения вступает во все
заторами являются обменные ионы, создающие двойные сло^более тесную и необратимую связь с поверхностью минеральных
поверхности раздела фаз, достаточно диффузные при маломрастиц. В исследованных породах содержание нерастворимых rv-
держании электролитов, и поверхностно-активные органичес|минов возрастает от 44 до 83% от Сорг [12]. Однако, несмотря
вещества, создающие ориентированные адсорбционные слои,на процессы старения, породы со стабилизационными структура-
ладающие также известной диффузностыо. ми при воздействии воды вновь гидратируются, прочность их
Адсорбционные слои, обеспечивающие высокую агрегативцМежчастичного сцепления самопроизвольно снижается. Следова-
устойчивость частиц осадка или пород и раздельпо-частич|тельио’ эти структурные связи имеют обратимый характер
и компактное их сложение, ослабляют молекулярные ван--' Коагуляционные структурные связи (тип. Б) обнаружены в по-
ваальсовы силы сцепления между частицами породы и вызываРодах в пРисутствии относительно небольшого содержания э.тек-
образование стабилизационных, наиболее слабых структ ГРОЛИТОВ (от °’3 до К5%)• в этих условиях возникает так назы-
(термин «структура» мы употребляем в коллоидно-химичеаваемая стРУктУРная коагуляция, в отличие от компактной коагу-
понимании, подразумевая пространственное взаимораспо тожалящш’ вызывающей выпадение хлопьев
частиц осадка и характер структурных связей между ними) [^коагулированного осадка при высокой концентрации электро-
толще гидратные прослои между частицами тем меньше та тов (как’ напРимеР> в засоленных глинах). Происходит
ность их сцепления ’ г'сцепление частиц по отдельным наименее гидратированным
участкам их поверхности (чаще всего по углам и ребрам) с обра-
частиц осадка и характер структурных связей между ними) искоагУлиРованного осадка при высокой концентрации электро-
толще гидратные прослои между частицами том мршл./p пп1лнтов <как> например, в засоленных глинах). Происходит
nnn,(2^!t?a3B,,T“e ™дРатные слои- например образующи|зованием сплошного рыхлого пространственного структурного
ГЛНН ионами натРия или лития, ведут к полно!каркаса в0 всем объеме осадка породы. В порах структурного
Раш1Р°ванию молекулярных сил сцепления и к иарушен|каркаса удерживается значительное количество иммобилизован-
пСвязеи между частицами пород [124]. ного раствора. Межчастичные силы сцепления в этих структурах
____слученные данные показывают, что стабплпзационн!значительно выше, чем у стабилизационных структур.
Среди изученных пород выраженными коагуляционными
ами обладают морские высокодисперсные гидрослюди-
-------, v i имплпОсщниши
стристуры характерны для пород, содержащих от 5 до 40% ш Среди
лощенного натрия и от 25 до 88% поглощенного магния (от ^структур
косги поглощения), 1—2% органического вещества при мал( стые хвалынские глины Заволжья и юрские гидрослюдисто-монт-
содержании электролитов (от 0,02 до 0,7%) в щелочной cpd мориллонитовые кимериджские и оксфордские глины ил}0
и в восстановила — т. е в ’пр^тс®“ 357 м, КМА). В обеих глинах очень мало органического
(0,3—0,6%). Кроме того, коагуляционные структуры^наолюда^
/v U IVld
кости поглощения), 1—2% органического вещества
содержании ------------- z ~
и в восстановительных условиях, ' ж ---------------------- 7_______________________________________ • %v6 52 м) п
закисных форм железа, активирующих поверхность минеральв- “некоторыйразностей кунгурских меРгел^и, 5и юрских
частиц (по отношению к органическому веществу). К этим пор - х юрских глии района г. •
дам относятся плывунные послеледниковые глины Карелии, и т,nnnnaft0Ha Михайловки (глуб. 71 м) КД
тинные плывуны (четвертичные, юрские и другие песчано-кол4[ *
идные породы Салехарда, КМА, г. Москвы), мяйкппгкир глин
Пластифицированно-коагуляционные структурные связи (тип
м
г- Москвы), майкопские глин
В) образуются также в результате коагуляционного ст
образования, но в присутствии пластифицирующих OpraJ4
соединений (более 0.7%). поглощенного кальции „ ?
патов кальция (до 50%) в восстановительных и переход,,^»
сгановительно-окислительных условиях. Концентрация^!
литов колеблется от 0,3 до Ю/о-
К таким породам относятся: туронскии нтиниегын мел г. v
чева, черноморские илы (глуб.1.5—3.4 м)^ некоторые горй?
отложений Каспийского моря (глуб. 200 1043 м), спондИл
глины г. Киева, озерные глины, некоторые горизонты нижнем
вых (глуб 106 м) и майкопских (глуб. 20 и 984 м) глин. вЬ!Вр.
лыс разности юрских глин КМА, г. Кромы 0 луб. 3 м), некот,
корки послеледниковых морских глин (глуб. 0,9 м) и др.
Широко распространены также смешанные коагуляции
цементационные (коагуляционно-конденсационные или коац
цнонно-кристаллизационные) и цементационные сгРУктурц
связи типа Г{ и Г2. Цементационные структурные связи обр£
ваны главными химическими валентностями и поэтому отлича)
ся значительно большей прочностью и хрупкостью, чем рассм
ренные связи. Примером цементирующих соединений могут с
жить гидрогели кремнекислоты, полимеризующи!
высокомолекулярные органические соединения.
При кристаллизации в породах гипса, карбонатов и друг
соединений отдельные кристаллические зерна их, срастаясь д[
с другом, повышают прочность пород. Силы взаимодействия)
жду соприкасающимися кристаллитами по своей природе не»
личаются от сил, действующих внутри кристаллов. Для ионн
кристаллов силы, возникающие в местах контактов, частич
также являются электростатическими, но часто превалирую!
значение имеют силы поляризационные.
Среднее расстояние между кристаллами может изменят,
по площади контактов от равного межатомному расстояш
внутри кристалла до расстояний, при которых силы взаимодеш
вия практически отсутствуют. Места контактов можно расам
ривать как не вполне развившиеся поверхности раздела, котор!
обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с (
стоянием внутри объема, так как атомы и ионы на поверхнос
каждого из соприкасающихся кристаллов не полностью компе
сированы. Поэтому прочность кристаллов всегда выше чем пол
КРИ£=^^ Же
ментированы СаСО3 MgCCh и CaSO )Р 1СРны для лессов (CJ
юнских (сиементиромиы SiO?c?coMecX“ ДНГУРСКИХ'РЛ
юрских аргиллитоподобных глин КМА PaS0<>’ чистого
СаСОз). сланцевых юрских и ни»,, (сцементиРОваны SiO
рованы Сорт, СаСО, и CaSOj. ^“?.0ВЫХ гл“"
отложении, некоторых оазногтр * Р суглинков, мореннЫ
(сцементированы Fe2O,) Сг.пЛ КОрКИ послеледниковых гЖ
48 3)' С°Лержап^ электролитов колеблЛ
4 — 427
х этого типа Породы, бедные элек-
нные суглинки, мергели, мерены,
щелоченные породы <* це*!7Г^пнон
при нарушении структуры (иапри-
годержашие эиачит^лыюе
;3’ CaSO4), чистого мел
В широких пределах в порола
тролптами, например покро!
имеют плотное сложение Вы»
ними связями уплотняются I
мер. мел. лёссы с. Бобрины). Л ,___________________________
количество электролитов, например лёссы. образуют ко
очные межагрегатные связи.
Полученные данные покатывают, что породы, в которых пре-
обладает поглощенный кальций и содержится много кар б, - < -
ПЬ!вб) кальция (3—50%). имеют преимущественно пластифмцн ’ .
' 'л коагуляционно-конденсационные и смешанные коагулишюиио*
конденсационные (или кристаллизационные) структуры — «и,
мергели, мергелистые глины, лёссы. илы, сланцеватые тлимы.
Очевидно, присутствие ионов кальция на поверхности »и < - <
и карбонатных частиц способствует в определенных условиям
разованпю силиката кальция при взаимодействии с аморфный
кремнеземом, являющимся склеивающим веществом м'жд ча-
стицами породы.
По данным II. В. Гребенщикова [28. 29], ыщигная коллоид-
ная пленка кремнезема, всегда присутствующая на ’< зер <ног:.»
стекол и силикатных горных пород, действительно способствует
цементации их частиц. Н. Я. Денисов и П. А. Реб) ядер [3-1] так-
же обращают внимание на клеящее действие коллоидных пленом
кремнезема. Потерю пластичности и отвердение пород <ЯВ объ-
ясняют денатурацией подобных пленок. Как извести -, тля -кле
нвання, прилипания, схватывания и твердения дисперсных сис-
тем [42, 111] необходимо химическое сродство между ЯПММНЬ
ным веществом цементирующего прослоя и поверх:' ~ .
дисперсной фазы. Лучшим клеем являются коллоидные или вы-
сокомолекулярные соединения, способные к образованию прост
ранственпых цепочечных или сетчатых структур и обладаюшжж
выраженным молекулярным сродством с поверхностью склеивае-
мых частиц. Очевидно, что для осадочных пород лучшими клея
щими веществами в присутствии соединений кальция ц' г.мны
являться полимеризующиеся гели кремнекислоты и органическо-
го вещества. Действительно, в мелах, в мергелях и м - • < —^х
[линах есть примесь аморфного кремнезема, активно взаимодей
ствующего с карбонатами кальция и глинистыми частицами, ил
сыщенными ионами кальция. Сланцеватые глины сцеменгмровд
ны органическим веществом тоже в присутствии поглосдеММГО
кальция, карбонатов и гипса.
Э. Арипов, 3. Я. Берестиева и В А Каргин [6. 7| нрм науче-
нии структурообразования в лёссовых породах чегэмомдж, что
при наличии одновременно органического вещества карбонатов,
гипса и глинистого вещества в лёсса\ наблюдается интенсивное
агрегатообразование.
В тех отложениях, в которых много органического вещества,
но в поглощенном состоянии ирнсх с *\ю • ) • '’ о
и
п майкопских или нижнемеловых рп
„„Я, "а"Р"‘'еаР щелочная, структуры стабилизационные «а\,
там. где среда х М||ОГО карбонатов, по в поглощен»; В’е» '
П0Р,°в длинах преобладают натрий п магний (до 52-80%М
Н1"'"нен я). цементации пет, так как щелочная среда*
окремнению карбонатных осадков. 'Per,,,
’ В породах отдельные участки цементации часто расп
неравномерно. Карбонатные гнезда и прослои в глинах₽
тированы гораздо в большей степени. Это характерно, ,la'JЧ
мя спондиловых глин. Следует отметить, что сущес"рЧ
микроаналитические методы определения состава „ород >4
позволяют удовлетворительно расчленить и изучать со %
части пород. Поэтому до настоящего времени трудно пол,,’*
установить закономерности образования структурных связей?
как в отдельных микрослоях образцов состав может очень су/
ственно отличаться, а применяемые методы дают суммарный /
став образца в целом, что, конечно, искажает истинное ri0J'
жение.
Очевидно, в большом числе случаев цементация пород, с
держащих карбонаты и насыщенных ионами кальция, обусловь
на образованием химического соединения между поверхность'
частиц и коллоидными и высокомолекулярными веществами, ра
деляющими эти частицы и присутствующими часто в количеств?
не выше 1%. Чем тоньше клеящие прослои, тем прочнее склев
ванне.
В лёссовых породах карбонаты приобретают высокую п0;
вижность в присутствии других солей и, выкристаллизовывало
в сухое время года среди глинистых и пылеватых частиц, могу
оказывать цементирующее действие. Но одновременно с карбо
натами в этих породах присутствует аморфный кремнезем, вид;
лившийся при интенсивном выветривании обломочных минера
лов лёссов. Таким образом, и в этом случае при соответствуют!):
значениях pH среды возможно образование химических цемента
рующих соединений кремнезема.
Вопрос о роли карбонатных составляющих в формиро
вании структурных связей глинистых и смешанных пород 1
различных условиях требует самостоятельного исследова
ния.
Важно отметить, что в породах одного стратиграфического
горизонта нередко встречаются прослои, значительно отличаю
щиеся по составу и характеру структурных связей. Выделение
ет птпХтп'1аИЛГ1ее слабыми структурными связями представая
пород НУЮ задачУ ПРИ инженерно-геологической оценке
конденсационн^хаЛс7пмктип°браТИМЬ1Х кРпсталлизационных нЛЙ
сцементированы в агпргпт\РНЫХ связеи элементарные частички
мировании такой пополи ' НЛИ В СПЛ0ШН01“1 монолит. При дефор-
50 П°РОДЫ в пеРвУю очередь нарушаются ме*-
ar pei атпые связи, а внутриагрегатные, будучи очень устойчивы-
ми, сохраняются вплоть до приложения высоких напряжений
По мерс разрушений агрегатов все большее влияние нэ де-
формационное поведение пород приобретает их исходная диспер-
сность. Поэтому для получения правильного представления > де-
формационном поведении пород на разных стадиях разрушения
их структуры в области широкого диапазона напряжений необхо-
димо иметь представление об их микроагрегатном и грануломет-
рическом составе, что заставляет настоятельно рекомендовать
изучение дисперсионного и агрегатного состава пород при опен-
ке их в инженерно-геологических целях.
Гранулометрический состав определяется в условиях паи
большей возможной пептизации частиц породы путем физико-хи-
мического воздействия и механического длительного и тщатель-
ного растирания образца в растворе пирофосфата натрия
Микроагрегатный состав определяется после суточного зама-
чивания и двухчасового взбалтывания образца в дистиллирован-
ной воде. Пробы отбираются пипеткой. Расчет скорости осажд- -
иий частиц производится по Стоксу.
По отношению процентного содержания частиц менее 5
и 1 мкм, по данным гранулометрического и микроагрегатного со-
става, определяется коэффициент агрегированности
Тип структурных связей несцементированных, смешанных
и сцементированных дисперсных пород приближенно определяет-
ся по коэффициенту агрегированности для частиц менее 5
(табл. 6).
ТАБЛИЦА 6
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ И ДИСПЕРСНО-ОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
ПО ТИПУ СТРУКТУРНЫХ СВЯЗЕЙ
Тип структурных связей
Коэффициент агрегированности
для частиц <0.005 мм
Стабилизационный — А 1 1 — 1,2
Коагуляционный —• Б 1—1,2
Пластифицированно-коагуляцион- ный — В 1,2—2
Смешанный коагуляционно(или ста- билизационно) -цементационный — Г; 2—20
Цементационный (конденсационный или кристаллизационный) — Г2 >20
Примечание. Структурные связи типа А и Б различаются между собой по ве-
личине К а' для частиц менее 0,001 мм у типа А К а„-1—1,2; у типа Б К а >1.2
Следует подчеркнуть, что при наличии в породах стрх к’.урных
связей типа П сцементированы преимущественно агрегаты, то-
гда как межагрегатные связи имеют коагуляционный нли стает
цементаци-
авнло, сце
лизационный характер. При преобладании в породах
онных структурных связей типа Г2 они. как пр
пав свя »аи кая
феобла даюшн х
РИС. 6. МИКРОАГРЕГАТНЫЙ СОСТАВ ИЗУ-
ЧЕННЫХ ГРУНТОВ
квитированы во всем объеме, например чистый ~~—____________________________________________________
ЙЖИСТЫе мергели, глины, содержащие большое ГоМсл’ *Ре
ганического вещества, аргиллитоподобные глин,i
лессы. < Ч|И карбонатов кальция, железа и небольшого коти > стел О’> •
Осадочные породы, образующиеся в Континентал, Чческих соединений.
виях, всегда агрегированы и отличаются наличием с ус Если гранулометрический состав пород тесно связан с у ло-
связей смешанного типа — межагрегатных и внутг 1 ^У^тур^шми осадконакопления, то микроагрегатный о--------------
Последние ₽,urperaT1( ** исходной дисперсностью, так и с характером i
прочнее, чем ^ачИтеЛруктурнь,х связей в породах.
ные. К (>('। , < >КагРега, Результаты исследований микроагрегатного состава изучен
С() ' Д(>ч,1Ым по^ых нами пород (рис. 6, табл. 7 и 8) показывают, что он изменя
' СМеШанП1 Р4тся в более широких пределах, чем исходная дисперсность ю
I . ' Урными связйЛод, определяемая в основном условиями отложения и составом
о I Ши. я гея лёссы н л^сходного материала. Под влиянием дальнейших длительных
видные породы, Мор разнообразных процессов литогенеза происходит постепенная
ные отложения, Г/С|! закономерная микроагрегация элементарных частик осадочных
стые отложения опод3ь*°Род-
вых склонов, корки ? Высокодисперсные породы (глины, мергели, мел и т пл в за
слеледниковых ГлП(!исимости от характера развития превращаются в «смешанны->
Межагрегатные связи^пыдевать1е>> и даже «песчаные» породы по крупности микроаг-
этих пород носят ко ^егатов или же остаются малоагрегированными или не агрегиро-
ляционный или стаб! :анными- Смешанные по своей исходной дисперсности породы
зационный характег 1Л1|1РевРаш.аются в «песчано-пылеватые» породы и в «песок». Пыле-
внутриагрегатные -С’ (атые породы в процессе агрегации в течение литогенеза так
Денсационный и i К°к’ остаются пылеватыми, но вместо глинисто-пылеватых они прев-
лизационный УРИСТа‘Ьащаются в «пылеватые» и «песчано-пылеватые».
Указанна г В результате проявления действия структурных связей про-
по степе Я ото^нност11сходит постепенная агрегация пород и превращение их из дис-
спи Цс'нентацщгерСНЬ1Х в «пылеватые» и даже «мелкопесчаные» по микрозгре
р номерно сцементироштному составу. Очевидно, энергетически более выгодно пре-
; пылеватых фракций в поверхностном слое
позволяет выделить промежуточную
группу пород между полускальными,
кХухтадомымиХ^ стабилизаЦи°ннХТ|^ объясняет'тенденцию к «об-
зями. В цементации > группу пород со смешанными святёссованию» выходящих на поверхность дисперсных пород, отме
зом полутооные оки 'агре;ат2в 110Р°Д участвуют главным обращенную многими исследователями, и выраженное агрегирование
соединения^ СЛЫ’ каР00натьг’ гипс и органо-минеральны^новь образующихся тонких частиц при выветривании истннно-
пылеватых пород (лёссов).
। В. В. Добровольский [43] также отмечает, что четвертичные
[ преобладанием тонкопесчаного
Ж"----г -
(Засти. Лишь в процессе континентального литогенеза породы мо-
гут постепенно видоизменять свой облик, частично пептизировать-
ся, обогащаться коллоидными и глинистыми частицами, уплел
пяться и терять четко выраженную «пылеватость».
белый пТсвдй Породь|’ напРимй В. В. Добровольский [43] также отмечает, что четвертичные
НЫ, мергели как поавито Г(П^ ИНЫ’°Рган°генные гли-)тложения характеризуются 1,
аморфным кремнеземом и равномеРно сцементированы! алевритового материала и агрегированностью тонкодисперснон
СВ^ этих Рпород как внуХХгатХаНИ,вСКИМ Вещ“тв»“ " -------------------------------------
ные являются обычно конденсационными ДЭК И межаг’Регат"
ними. шыми или кристаллизацион-
По свойствам морские и озерные ni
ГИХ случаях можно отнести к noavc^™Д?С"Ые noP°™ ВО МНО- ИрОВеДеННЫИ анализ оалипимс^пи». 1ч «I ---------
тированным. ‘ у кальным, равномерно сцемен-1ЮР°Д показал следующее.
Связи пластифицированно-коагст Дисперсные и смешанные породы агрегируются в значигель-
ются промежуточными между пгтя яционного характера явля- ю большей степени, чем пылеватые и тонкопесчаные, что свя ган >
и встречаются главным образом Rвь|деленными типами .............
морских, озерных или континента и ии°ДаХ’ Ф0Рмирующихся
52 Ных Условиях в присутст
Проведенный анализ закономерностей агрегации осадочных
Дисперсные и смешанные породы агрегируются в значатель-
|<О иильшеп LIClICnn, 11LU.1VUU . ---•-«ААмг.чма u-rrt .
наличием у дисперсных составляющих избытка свободной по
шрхностной энергии.
При преобладании в породах стабилизационных структурных
S3
песка
Содержание частиц, <>/0
Группа пород
по грануло-
метрическому
составу
Тип
структур-
ных
связей
глины
пыли
50,6—95,9
28,5—70
0,8—38,3
0,3-21,4
2—49,9
1,2—53,1
I
А, Б
В
Г
6,2—47,4
8,7—63,3
31,6—86,9
А 40,9—48,5 33,1—52
II В 9,9—35,9 20,6—61,8
Г 1,2—22,4 40,2—85,2
III А, В 5,5—24,8 20,9—90,3
Г 0,4—13,9 50,5—92,7
А 1,5—18,2 1,2—16 1
IV В 1,2—20,8 1,2—33’7
Г 0,6—2,9 1,9—20,8
0,2—54,3
5—48,8
68,4—96,1
59,2—96,1
76,3—97,5
2—26
10,4—62,6
7,2—55,7
ДИАПАЗОНЫ СОДЕРЖАНИЯ ГЛИНИСТЫХ, ПЫЛЕВАТЫХ
В МИКРОАГРЕГАТНОМ СОСТАВЕ ИЗУЧЕНО, J’ ПЕс,'Ан. АЦи
----------------------------- ’ ' 1 РуЧтс)., >1)( (].'
Твязси arpri апия практически отсутствует Породы легко центе*
Жируются при увлажнении и растирании
аг1’егир%, Если преобладают коагуляционные структурны^ । д
Ра^я ^фодах, т0 агрегирована в основном лишь фракция менее
5Ром^1 мкм. Коагуляционные связи легко нарушаются при ,зл зжне-
снижении концентрации электролитов и растирая ’ »
I ' В случае преобладания пластифицирование коагуляционных
1,2^'структурных связей агрегируются все частицы менее 5 ” - м Дне
2^персные породы при этом превращаются в «пылеватые глины*.
—~^з «смешанные» и «пылеватые» по микроагрегатному составу по-
1 Ьоды. По существу, этот вид связей является промежуточным
1>К]',между стабилизационными и конденсационными связями
2>1~^! При преобладании конденсационных или кристалла чайной
.'ных структурных связей наблюдается наиболее сильная агрегз-
1>2-2шпя всех дисперсных частиц, причем по размеру микроагрегатов
2 ’ 1"-82породы относятся к группам «пыли» или «тонкого песка» Эти
-----^агрегаты водостойки и наиболее прочны. Агрегация необратима
•"Шля разрушения структурных связей наряду с интенсивным ме
2’романическим воздействием (растиранием) необходимо разруше-
’2"44ше химических связей путем физико-химических и химических
в ЗАВИСИМОСТИ
И ХАРАКТЕРА
МИКРОАГРЕГАТН ЫЙ СОСТАВ ГРУНТОВ
ОТ ИХ ИСХОДНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ
СТРУКТУРНЫХ СВЯЗЕЙ
Группа пород по грануло- метрическому составу Гранулометрический состав, % Тип структур ных связей Микроагрегатный состав
1 глина пыль песок глина пыль 1 Пр
I 50—ЮС 0—50 0—50 А В Г 50—100 25—75 0—25 0—50 0—75 25—100 0- 0- 0-
II 0—50 0—50 0—50 1 А в 1 г 0—50 0—50 0-25 0—50 0—75 25—ЮО о-, 0- 0-1
III 0—50 50—100 0-50 А В Г 0—50 0—50 0-25 50—100 50—100 50—100 oJ 0-8 0-5
IV I—IV 54 0—50 0-50 50-100^
А | В Г 0—50 0—25 0-5 0—50 0—50 0—25 50-1 50-1 75-1
А В Г 0—100 | 0-75 0—25 о—юо о—юо о-юо 0-1' 0-11 0-11
воздействий. Сцементированные осадочные породы наиболее
ТАБЛИЦпрОчНЫ.
В случае наличия смешанных коагуляционно-(или ставили з • -
ционно)-конденсационных (или кристаллизационных) структур-
ных связей, что характерно для промежуточной группы пород
между рыхлыми и полускальными, межагрегатные связи могут
быть слабо и неравномерно выражены по сравнению с внутриаг-
регатными. Очевидно, такие породы представляют собой либо
первую стадию цементации (например, лёссы, покровные суглин-
ки, корки плывунных глин, оползневые и выветрелые массы
глии), либо уже продукт частичного разрушения ранее сущест-
вовавшей в породе сплошной цементации (например, выветри-
вающийся мел). Смешанный характер структур характерен для
смешанных и пылеватых континентальных и переходных отложе-
ний, гипергенных образований.
У четвертичных осадочных пород, находящихся в зоне гипер-
генеза и одинаковых по микроагрегатному составу, может быть
различный генезис, который достоверно устанавливается только
при исследовании исходной дисперсности. Например, лёссы
и лёссовидные породы по микроагрегатному составу, как прави-
ло, «пылеватые» породы, по дисперсности же лёссы всегда пыле-
ватые, а лёссовидные породы — смешанные.
Лёссы образовались в основном эоловым путем, эолово делю
виалытым и пролювиальным. Смешанные лёссовидные породы
образуются только при переотложении водным путем, т. е явля-
ются породами аллювиального, делювиального, озерного или
флювиогляциального генезиса. Покровные делювиальные су-
глинки также являются смешанными породами.
Глава 6
ПРОЧНОСТНЫЕ, ДЕФОРМАЦИОННЫЕ
И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
ная просадочность при различных норм «г..
и т. д.;
третья — характеристики прочностных, деформлчяоммых <
реологических свойств пород, получаемые полешыми я м4о(М-
торными специальными методами сопротивление поре
тию п сдвигу во времени под влиянием постоянных я возра-
стающих напряжений при различной влажности н различно*
степени разрушения структуры, воздействии различных сред.
При помощи третьей группы методов можно пч.ици-ч г..,-
6.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМ
Дисперсные системы, обладая способностью к образов
сплошной структуры, занимают по физическим свойствам набАхании’
межуточное положение между жидкими и твердыми тедЗ ТСНцпальныс деформационные осо€ ти пород, спотцо—и
приближаясь к тем или другим, в зависимости от степени рйуцругих, эластических, пластических и вязких дефор wan
свойственные им в различном состоянии и при различном режи-
ме деформирования. Эти поисковые методы, специально разра-
батываемые применительно к поставленным задачам исследо-
вания грунтов, дают возможность исследовать природу прочно-
сти пород и свойственных им инженерно-геологических явлений,
прогнозировать поведение грунтов при инженерном возденет
вин, рекомендовать методику полевых и лабораторных исследо-
ваний, обоснованные методы строительства и укрепления грун-
тов.
В сведениях о показателях прочностных и деформационных
свойств пород обязательно должна указываться характерней!
ка режима испытаний.
Следует подчеркнуть, что прочность горных пород сильно
изменяется в зависимости от вида деформирования (1281. Со-
противление всестороннему сжатию всегда больше ci•" r a-
ния изгибу, а сопротивление растяжению меньше сопротивления
изгибу. Если принять сопротивление сжатию за 100%. то
тивление пород сдвигу равно 9—15%, растяжению 2 — 10% Со
противление грунтов компрессии всегда значительно выше их
сопротивления сдвигу.
Существенное влияние на прочностные показатели казызл
। ет скорость деформирования. В связи с этим в между iap« дн м
: стандарте испытаний сопротивления пород одноосн му сжатию
[101] принята постоянная скорость сжатия. Влияние скорости
испытания на свойства пород исследовано в работе Н Н Пав
левой и Л. А. Шрейнера [83]. Они рассматривают имененнс
характеристик свойств пород в зависимости от соотношения од*
новременио протекающих при деформировании, но противопо-
ложных, по существу, процессов упрочнения г. отдыха 1 1
которые при напряжении выше предела упругости < чести)
ведут к ускорению или замедлению развития деформаций. Мед-
ленное или быстрое деформирование существенно меняет пове-
дение дисперсных осадочных пород [98], ибо при ном меняет-
ся соотношение процессов разрушения и восстановления естест-
венной структуры грунтов и освобождения пли отжатия поро-
вых вод.
тия и прочности структурной сетки. Д'
Наличие структуры придает дисперсной системе свобод
ные механические свойства, которые обусловливаются сида i
сцепления между отдельными элементами, взаимодействие^
с дисперсионной средой и степенью развития структуры во В(
объеме системы.
Характеристики структурированных систем определяю]
их деформационными свойствами: прочностью (предельным
пряжением сдвига, модулем упругости, релаксацией), послед
ствием и ползучестью.
Во многих случаях можно ограничиться определением ме
нической прочности структуры—Рт, предельного напряжед
сдвига при малых скоростях деформации. Кроме этих свойс
большое, главным образом прикладное, значение имеют свой
ва, измеряемые в потоке данной системы, в простейшем с
чае — в стационарном потоке. Основным таким свойством яв.
ется эффективная вязкость.
При полном разрушении структуры эффективная вязко
становится постоянной и не зависит от скорости течения.
Используемые в инженерной геологии, грунтоведении и с
зико-химической механике грунтов показатели прочностных,;
формационных и реологических свойств грунтов, можно уел;
но разбить на три группы в зависимости от применяемых ме
дов исследования:
первая— характеристики агрегатной твердости и прочное
пород, необходимые для предварительной их оценки, опрсдел!
мые простыми, иногда приближенными методами- сопротив
ние вдавливанию инденторов различной формы (сфера 1
линдр, конус, пирамида и др.), сопротивление одноосному с»
кршьчТтки“;МУ " СТаТИ,еСК0МУ 3“«ироваки<о, повор.
де(ьХРяапИ™,пак,7еТ"Ь'е стапдаРтные показатели прочности!
"°РОД’ опРеДеляемые, согласно СН»
сопроХенне сХ7 c“eUHH°eB,iHX СТаНдаР™ыми
-дуль деформаци,/коэффициент сжСемос/Г/о^^^
56
51
г
представление о прочности испы-
I тел (местная пр^.-ое-егь
„р меньшее влияние на свойства пород окаЗЫв
К „и динамическое приложение лефорМИрующ О т
^изменяются упругие свойства и свойства Пород'“Ч]ер [ 143], дают лишь общее пр;;
этом измен Эт0 хорошо показано в ряде работ Л Ч Зуемых тел. Показатель прочности ,„к,..
дела Уп{^ НЬ1Х пород [8, 133, 144] и четвертичных ГлИсе^срл()Сть) обычно определяется по отношению нагрузки к пл
ваншо CKt _ нтов ио, 11, 139]. ’“Чшди поверхности отпечатка. Твердость, измеренная указанным
и лессовых мное влияние на результаты ИСс„ (етодом, не является физически определенной величиной Отш
Наконец, Р 1 f факторы — размеры образпоп ЧаТКИ обРазУются за счет пластического вытеснения материала,
оказывают масш1 габариты приборов W следовательно, действующие напряжения в этом случае пре-
тение высоты и Диал ,якои’еЧнпков а также длитрп УХИсходят предел упругости материала. Кроме того, большое
лец, формы штамп °® " ” я стабилизации '’^'лияние °казывает " масштабный фактор - сопротивление вдав
пытаний, ступени нагрубил, ыи, Крае ИВанию сильно возрастает с уменьшением площади контакта
пристенные эффекты. т увеличением глубины вдавливания твердость падает до пеко-
Таким образом, объективная оценка прочности и дСф орого постоянного предела.
руемости пород по численным значениям отдельных пок? Метод вдавливания конуса в пластично-вязкие структуриро
лей без указания условий испытания практически нево3Данные дисперсные системы, разработанный на кафедре кол
В инженерной геологии на это обстоятельство до насто^оидной химии МГУ’ н метод Расчета пластической прочности
впемени обращалось явно недостаточное внимание. В реЛких систем, предложенный акад. П. А. Ребиндером, получи-
те весьма сложно проводить систематизацию и сравнит??1’ широкое применение в самых различных областях науки и
изучение сВойств пород различных генетических типов n>aKTHKH для характеристики механических свойств дисперсных
НЬП!многочисленных фондовых материалов различных изь истсм в ШИр°К0М диапазоне
ным мнишчныегкшл м г Хетол вдавливания конуса стал внедряться с 1950 г. в лаборато-
тельских, проектных и научно-исследовательсорга11Иза^°^ид^огеологнческипроблем ДНР ссср (автором с сотруд.
Совершенно очевидна необходимость стандар зации и Унмиками) а заТем и в других организациях [9, 13, 52, 55, 57, 78.
кации методов исследования пород. Важно при этом под^д 1451
нуть, что методы не должны быть одинаковыми для всех not Дальнейшее развитие этот метод получил в трудах В. Ф. Pa-
li для всех видов строительства, а должны быть специфическцоренова, его учеников и последователей [103, 104, 105].
для пород отдельных инженерно-геологических видов и ддЯ| Полученные результаты показали, что метод пенетрации яв-
ределенных видов строительства. Например, испытание гру^яется весьма точным и чувствительным, удобным в пользова-
на сжатие и на сдвиг должно производиться с различной сии, быстрым и заслуживающим быть внедренным для определе-
ростью и при различных нагрузках в зависимости от состаря прочностных свойств грунтов в широком диапазоне консис-
состояния и прочности грунта и ожидаемого характера ищенЦии> как с естественной, так и с нарушенной структурой
нерного воздействия. Тогда прогноз поведения грунта при стр]аиболее чувствительным является конусный наконечник с
тельстве будет наиболее достоверным. глом раскрытия 30°. Метод испытания грунтов конусом позво-
ил установить степень снижения прочности грунтов при увлаж
4.2. МЕТОД определения МЕСТНОЙ ПРОЧНОСТИ (ТВЕРДОСТИ! трунтоР™”’ »ь1сь,хании' мщении различными растворами, набг-.а-
ПРИ вдавливании конуса с углом РАСКРЫТИЯ за РУНТ0|ии, размокании; при нарушении структуры различными спосо-
ами (определение чувствительности пород); после компресси-
иных и сдвиговых испытаний, после вибрации, химического,
изико-химического и механического воздействия.
Метод испытания грунтов при помощи конуса дает возмож-
установить закономерность изменения механических свойств
мы шир!рунтов и их чувствительности к нарушению структуры в зави-
стекол и друПцмости от влажности и состава; выделять разновидности грун-
Среди методов первой группы своей простотой быстрот
теоретической обоснованностью и необычайно высокой чувсп
тельностыо выделяется метод определения сопротивления го 1 Ь?
та вдавливанию конуса (метод пенетрации). Р,ость:
пп™»ТОД вдавл,,вання индентеров различной фор
ма₽тДХ1СЯ тР" “зучении твердости металлов, . '
него другого ЛДОСТЬ ~ сопРотивление тела проникновению|ов;
существу этот м'ртп '111 местная прочность на вдавливание. Г установить природу и отличие естественных структур дне*
тод механичен их Может„ Рассматриваться как экспресс-Мерсных осадочных пород от паст, диапазоны влажности, проч-
ен очень быетпп С11>Пании материалов, так как произвольности и плотности, в которых происходит образование трещин,
применяемые ^Хые3влавюШвеН',Я °браЗЦа В целом- Однако * ГЛИНаХ;
методы вдавливания, как указывает Л. А. Шр«
58
59
11 — Ну тиксотропного и С1
кинетику и ве^‘ срочность лёссовых ПоЛ
опр^вевия гРУ"то°оГо процесса, характер пр Р»1
ческого У"?04 |(ИНетику этог 0ДРах, кинетику набухан,
и^екии прочности грунта . «
теЛлм“тель"Ой фияьтра“инп енвл испытание конусом д.
ссС В Карташов [52 Ш изучен„„ снежного, ф,,^
„учения расчетных Дв"ннтьарктРды (Институт мерзло^
АН СССР). 14 д, Зоиенко, Д. В. Шитов и др. п
' в. ф. Разоренов IT определения пластичности „и ?
ют метод neH®TPa? испытания конусом, совмещенные с '
стенции ГРУН1ОВ’а„„ с одноосным сжатием, дают возч.Д
тельным срезом или ‘ 0 трсн„я и сцепление грунтов
определять угол вну р грунтов, определенные при „„„
Показатели про нахоДЯТ все более широкое применен
вдавливания конус , п'важнь1Х классификационных пока,
качестве обязатель грунтов.
ЛеЙТак”мТобрГзом, метод пенетрации перестает быть вся»,
Т и ппиобоетает вполне самостоятельное, чрезвьц
Тлжн«“значение Можно утверждать, что метод пе„етра1
™оч остиыс показатели грунта, получаемые с его помощь,
Хестау являются необходимым звеном, связывающими
тевистпки состава и состояния грунтов с их важнейшими о
«льиыми свойствами. Работы В. Ф. Разоренова отчетлив,
что для грунтов, обладающих вполне определенны,
ставом'и состоянием (т. е. генетически однородных), по >,«
телю пенетрации возможно достаточно точно рассчитаг
набухание, просадку, сжимаемость и другие деформаций
характеристики.
Метод определения сопротивления вдавливанию конуса
ма точен и удобен для получения классификационного па
теля степени литификации осадочных пород. Он обеспеч
необходимую комплексность оценки грунтов и дает вол
ность установить взаимосвязь между указанными выше сн
вами грунтов.
Очень важно помнить^ что показатели прочностных си
пород, каким бы методом они нс определялись, являются
мирными, интегральными показателями состава, состояния
рактера структурных связей и степени литификации пород,
ио литературным данным, прочностные показатели, уст
ливаемые при одноосном сжатии, внедрении конуса, пе
ции и динамическом зондировании, находятся в прямолин
зависимости от деформационных характеристик пород, о
ляемых при сдвиге, компрессионном сжатии и при др}гИ^ (
дах определения прочности и твердости пород (толченй
ранне, испытание крыльчаткой, погружение штампа, скорД
60
рения, определение работы разрушения, сопротивление резанию
и т. д.), хотя в ряде случаев и наблюдается некоторый разброс
точек. Таким образом, вполне возможно пользоваться просты
ми методами определения прочности пород.
Но данным ПНИИИС, установлена на примере майкопских,
нижнемеловых и юрских глин, мела и мергелей, илов и глинис-
тых отложений Каспийского моря определенная зависимость
между сопротивлением пород одноосному сжатию Рл и вдавли-
ванию конуса Рт.
У некоторых пород в области значений прочности ниже
ЗМПа наблюдается прямая пропорциональная зависимость
между значениями сопротивления одноосному сжатию и внедре
нпю конуса. Эти породы относятся в основном к породам со ста-
билизационным характером структур средней степени литифи-
кации. У пород, имеющих признаки пластифицированно-каогуля-
ционных и тем более конденсационных структур, а также у более
плотных и прочных разностей эта зависимость уже не явля-
ется прямо пропорциональной — значения Рт в 1,5—4 раза пре-
вышают значения Ра. По мере увеличения упругих свойств
пород и их прочности сопротивление вдавливанию конуса возра-
стает значительно быстрее, чем сопротивление одноосному сжа-
тию. Это свидетельствует о том, что конус с трудом вдавлива-
ется в твердые непластичные системы с любым характером
структурных связей и дает завышение значений прочности
(в 2,5—3 раза) по сравнению с показателями сопротивления
одноосному сжатию. В полускальных породах с выраженными
конденсационными структурами отношение Pm/Pd достигает 5.
Для исследования прочностных свойств пород слабой и сред-
ней степени литификации коническим пластометром пользовать-
ся удобнее и быстрее.
6.3. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ от их плотности,
ВЛАЖНОСТИ И ХАРАКТЕРА СТРУКТУРНЫХ СВЯЗЕЙ
На рис. 7 представлена зависимость плотности (плотность
скелета) от влажности изученных пород. Для всех пород, водо-
насыщенных в естественных условиях залегания (коэффициент
водонасыщенности 6 = 0,8. ..1), эта зависимость очень тесная.
С уменьшением естественной влажности пород плотность их
возрастает. Лёссовые породы, континентальные и водонасыщен-
ные (G = 0,21 ... 0,4), также подчиняются этой зависимости, но
в области меньшей влажности.
Приведенная кривая справедлива для всех водонасыщенных
обломочных осадочных пород независимо от состава и типа их
структурных связей — для истинных плывунов, илов, мела, глин
и т. п. При полном обезвоживании плотность скелета пород при-
ближается к плотности частиц.
61
но, no
at/C*}
'c* |
4
I'
1fi
0.
02)
— пЯ г/смз ,,.i каждый 1 % n
ютности (4 J. В интервале ',2—1,6 г/См^
n пнтервп-11' ”‘1иЯстся на 0,0 р’—на 0,033 г/см . псдОв
, плотность изме»« 1Л~2 г/см утвердое, уплотнен^
СТ 0 02 и в ,,l,TCf хота породы в м влажности Пло Ч
"а °' мере переход . изменен^ объясняет
,п шастает более гИХ высоковлажных Л
Ф° ^ ” "X влажности па несколько"J
дах У«ень“титескн в» оказывает влияния Л
центов практи ические свойства, тогда ,
физические и глинах подобное измен?
в более пло1» ачнтельно сказывается На
влажности У»6
прочности. на рис< 7 кривую можно tv
Приведенi } вь1ражеНие общего закона^
сматривать безвоживания осадочных пород
лотнения и‘ иса. В области высокой вЛа)
пр0ЦеСТ малой плотности (Рск = 0,2... 1,2 г/с^
НОСТИ гяются современные морские илы и П(
раС^Хковые плывунные морские глины. В 0,
слеледник „ влаЖН0СТИ и высокой плотное,
ласти^мал г/смз) располагаются силь(
(рсЛ7Нрнные" майкопские и неогеновые отло%
УП« е глубин более 1000 м. По значениям пло-,
Н пёсс и мел попадают в группу средне^
ности лесс и ivi _______ г/см3)
плтненных пород (Рск—М ••• по» г/см ).
По совокупности показателей прочноси
плотности н влажности, составу и характер
плотное! СТруКТурных связей выделяются а
сколько групп пород.
Среди изученных дисперсных и
род со стабилизационными и коап
ляционными структурами выдел-
ются породы слабой, средней и к
сокой степени уплотнения и лип
2
"^00 Too too к %
РИС. 7. ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНО-
СТИ СКЕЛЕТА ОТ ВЛАЖНОСТИ
ДЛЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ДИС
ПЕРСНЫХ И ДИСПЕРСНО ОБЛО
МОЧНЫХ ГРУНТОВ (/) И ЛЁССО-
ВЫХ ГРУНТОВ (2)
фикации. К первым с влажность
от 90 до 48% п плотностью скелет
породы от 0,3 до 1,2 г/см3 относят;
илы Черного, Азовского и Kacnni
ского морей, послеледниковые т.п
втопой mvnnn ны Карелии и озерные глины. К
скелета от 1 9 с, в'\ажностью от 48 до 22% и плотность!
глины Tvnnn^-r ^’65г/СМ относятоя хвалынские и спондиловы
осадков Каспий/” меРгель’ средние горизонты четвертичнь
выветпелые пЛ ° МОря: а также некоторые, в том числе
глин И копка Рс ЗИОСТИ майкопских, нижнемеловых и горски
влажностью 292С1лео‘?еДНИКОВЬ1х глин- Третью группу пород
ю ~~Ю % и плотностью скелета от 1,6^
62
составляю! неогеновые глины Каспийского моря, нижи ме
wail конские, юрские и кембрийские глины, кунгурские мерг* та
Наибольшие влажность и пористость характерны для илов
Черного моря, наименьшие — для нижних горизонтов глин Кис
пинского моря, майкопских, неогеновых и кембрийских глин и
кунгурских мергелей.
Прочность дисперсных пород (сопротивление вдавливанию
конуса) возрастает с увеличением степени их уплотненности в
литификации от 4 кПа до 4,5 МПа.
Среди пород со смешанными коагуляционно-конденсацион-
ными или кристаллизационными структурами (пылеватых по
микроагрегатному составу) выделяются следующие группы
Мел и лёссы (не всегда водонасышенные) относятся к группе
среднеуплотненных пород с плотностью скелета от 1,2 до
1,6 г/см1, В эту же группу входят юрские глины г. Москвы,
нижнемеловые сланцеватые глины. К группе весьма плотных
пород относятся покровный суглинок и мергели, сантонские и
кунгурские (рск>1,66 г/см3).
Сапропеля относятся к породам со смешанными коагуляци-
онно-конденсационными структурными связями малой сте-
пени уплотнения. Они образуют весьма высокопо-
ристую структуру. Влажность их может достигать свыше
1000%.
Наиболее прочными породами с цементационными связями
являются кунгурские мергели (8—23,С МПа). Прочность сан-
тонского мергеля колеблется от 2,3 до 3,2; сланцеватых глин —
около 2,3; мела чистого от 0,7 до 2,4; лёссовых пород от 0,1 до
1,3 МПа.
В отличие от дисперсных пород со стабилизационными и
коагуляционными структурами, прочность пород с цементаци-
онными связями далеко не всегда пропорциональна плотности,
а в большой мере зависит от характера и степени цементации.
Таким образом, для подобных пород нужно различать степень
уплотненности и степень литификации (т. е. буквально окамене-
ния). Например, прочность покровного суглинка — представите-
ля весьма плотных пород — мала в связи с незначительным со-
держанием электролитов и преобладанием стабилизационных
структурных связей. Точно так же мала прочность туронского
мергеля со стабилизационными структурами.
Прочность пород с коагуляционными и стабилизационными
структурными связями закономерно возрастает по мере их уп-
лотнения в процессе литогенеза. Прочность же пород со сме-
шанными коагуляционно-конденсационными и кристаллизаци-
онными структурами, формирующимися на ранней стадии, не
всегда зависит от их плотности и определяется в первую оче-
редь дисперсностью породы и прочностью цемента. Так, плот-
ность лёссов, мела и сланцеватых нижнемеловых тип мала,
а прочность их колеблется от 0,08 до 2,3 МПа, будучи наиболь-
63
н11. |еКОи°Рюрская глина КМд/’^Ч
янСпсрснь>\^йИНмергелИ’ *1 У же па стадии уп?^'
•яс» м;н b'y»7apuCH0IIHbie Ценных' современных KacJ.
са,,тоипыс конДе,^а сильноуплотн)го арх11Г1елага н майкой
вТ2РФормиРо®аНрайона БаХ1Сх<^"ло в Условиях быстра
иИ*’птложений РЗ я npoj с стах проявления *OtJ
К,,Х пайона СтавРпения осадков отложений До^
^ёисРпвного HaJeCC0B. Мошно ’пог]ада1ОТ истинные пЛЬ1?
тонических нР° осОбую грУ стабилизационными ctPv
1000— 1500 полные ’пор‘)Дпп11 ^плотность их достигает Рй
(песчано-к^ ном “и от содержания глинистых „ри
Р»«^В "в зависимости °* част||ц „ плывуне, тем меД
1.21 г/см тонкодисперсных ||ЫХ плывуиов очень мала?.
Чем больше1 п чнОсть иС чность v сапропелей.
сг0 пЛ98-490Па- Така" «риалы исследований прочност,,
р"Т|?,>ке "Р«в<;де1"'1„..ых пород различного генетического т,
евойст» осадочных ^""ластометра. Для исследований бц
^ томоши конического" состава, с различным характер,
Хь” образцы Разли™ал„чной влажности, плотности и про,’,
структурны" связей, и
ети испытывались но двум схемам. По первой,,
Вес образны исты™ (ступенчатос) нагружение ко,.,
ме применялось "осте ами. с одновременной регистра^
возрастающими насру це ме1|Се чем в 5_6 точках обр.
глубины now** отделялась глубина погружения кон,
да. По второй схеме и п ложеннОи постоянной нагрп
„од воздействием МГ« возраста1О1цей от опыта к опыту,
(мгновенное погруже, ,, так11м образом, для каж»
не менее чем при 5—о нач > f/p\
образца пол>'чен“пД°еок взяты одинаковыми для обеих схем.
Интервалы нагрузо _ уктурой испытаны в интервале.
Породы с естес всhhoi от 4 до 57% н плотное
№ й^побраз^1|вагом н от ода
,,т 0.3 до 2Я
* 0КЖбЛДОЯ О^'МПП %н- мгновенном натру»
К°ННаарис. 8 приведены типичные КРП1!ЬИ'рсеТдТ проиех^1
шанных пород. При мгновенном нагр\/' * значения пр^
более резкое разрушение структуры 00Pa3l*‘ ’ руженпи ь
ности ниже, чем при постепенном (ступенчатом) нагру |
этих случаях к
ей
Породы с преобладанием прочных ЦСЛ1е1,гац11ОН”^зУ1отсяя
высоким коэффициентом агрегированности харак ц
64
большим различием в значениях Рт (например, мел, сцементи-
рованная озерная глина). Отношение Ап муп/Лп илю» при
танин конусом с углом 30° для этих пород равно около 2.
В дисперсных и смешанных породах слабо-, средне- и снль-
ноуплотнеиных, с малыми значениями коэффициента агрегиро-
ванное™ наблюдается большее различие в значениях прочности
полученных по двум схемам в связи со способностью к резко вы
раженному разрушению их структуры при быстрых деформаци-
ях. Отношение Рт ступ/Лп мгнов Для таких пород доходит до 4 6
В первом рассмотренном
случае породы деформируют-
ся как условно упруговязкое
тело с высокой вязкостью, а
во втором как упругопластич-
ное тело.
Наконец, в малопрочных
дилатантно-вязких песчаных
породах с нарушенной струк-
турой Рт стун/Рт мгнов блИЗКО
к 1, что обусловлено их весь-
ма малой вязкостью и высо-
кой плывунностью (теку-
честью) .
Полученные данные пока-
зывают, что отношение
Рт ступ/Рт мгнов КОЛвблвТСЯ ДЛЯ
пород различных классифика-
ционных групп и паст от 0,5
до 6; для глин от 1,5 до 3, но,
как показано выше, встреча-
ются породы с более высокими
значениями данного отноше-
ние. 8 ЗАВИСИМОСТЬ ГЛУБИНЫ ПО
ГРУЖЕНИЯ КОНУСА ОТ ДЕЙСТВУЮ-
ЩЕГО УСИЛИЯ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ О)
И МГНОВЕННОМ (2) ПОГРУЖЕНИИ
КОНУСА В ОБРАЗЦЫ
а — слабоуплотненная озерная глина со
стабилизационными структурными связя-
ми; б — среднеуплотненная юрская глина
с коагуляционно-конденсационными струк-
турными связями; в — среднеуплотненный
белый писчий мел с конденсационными
структурными связями
ния-—до 4—5 и даже 6. Для
лёссов (в том числе и водонасыщенных), суглинков и супесей
с естественной структурой оно колеблется от 1 до 2; для паст
суглинков — от 0,5 до 1,5; для паст песков (плывунов)—около
I. Таким образом, чем выше дисперсность пород, тем больше
величина указанного отношения. Следует отметить, что отноше-
ние Рт ступ/Рт мпюв наиболее высокое в области малых нагрузок,
а с ростом действующей силы оно несколько уменьшается.
Сравнивая значения прочности пород в области малых и вы-
соких напряжений, видим, что в условиях мгновенного погруже-
ния конуса происходит относительно меньшее падение прочно-
сти с ростом действующей силы; в этом случае уже при
малых нагрузках возникает более выраженное разрушение
структуры. Чем выше дисперсность и вязкость пород, тем боль-
ше отношение значений прочности их в области начальных на-
пряжений к прочности вблизи разрушающих напряжений —
6S
5—427
„„мяаных разностей оно близко k ,
„ , Если для с>пес’ ода достигает 5-6. R I,
^"'^олее дисперсных №Р д /р и
' „ае«я закономерность- че гея структура с ростом
д Л тем сильнее Ра3РУ сти деформации. нац.
жеинй я с У»еличХедоваиия некоторых образцов 0Сад
* Приведенные "^„фнкацпонних групп при помощи к0
X^^Se^pa позволяю1 отметить некоторые зако„1
ности. UMP породы СО стабилизационными структур^
Д"СПп\₽„™ости имеют прочность значительно меньщую
равной плотное™ пластифицированно-коагуляцпонным
дисперсные ционными структурами. Наличие кон».
0С° 7 связей всегда обусловливает более высокую литнф
ЦНЮ пород Это справедливо и в отношении смешанных, nJ
™^'о"дноЧраоТыхОнеДструктурированны.х породах, напри,,
маловязких плывунных песках, в которых преобладают стаб,
миионные связи и они поэтому практически лишены сцепад
структурных изменений и уплотнения при внедрении конуса
происходит. Значения Рт для таких жидкообразных пород, Ос
деленные через 30 с непрерывного (замедляющегося) погру
ния конуса, близко соответствуют их условному пределы*
напряжению сдвига и пределу прочности. В этих случаях
имеет лишь весьма условное значение, являясь, однако, удоб.
сравнительной характеристикой, позволяющей легко выдел
наиболее плывунные и легкоподвижные разности.
В высоковлажных глинистых пастах, в которых преобладг
стабилизационные или коагуляционные структуры, структур!
изменения при внедрении конуса также достаточно малы, но
роль возрастает по мере увеличения концентрации глинис
частиц и тиксотропного и синеретического упрочнения. Пльв
ные пески и пасты дисперсных, смешанных, пылеватых пора
влажностью выше 20—30% имеют прочность меньше 0,1 АН
Отношение Рт ступ/Рт мгнов для них мало.
Породы упругопластично-вязкие, имеющие прочность как
ступенчатом, так и при мгновенном погружении конуса от
2 МПа, относятся к группе пород средней степени литифиЯ
Это в основном дисперсные и смешанные породы средней
ни уплотнения со стабилизационными и пластифицирован
агуляцнонными структурами, а также пылеватые и смс
породы высокой степени уплотнения. мйк
Значения Рт для таких пород, не обладающих жс(;гкпоТц9
Денсационными связями, близки к значениям Pd (соП2 1
ние одноосному сжатию). .оВяз
Породы упругопластично (дилатантно)-вязкие и
ри ступенчатом нагружении конуса имеют прочность
при мгновенном — меньше 2 МПа. К этой группе относятся по-
роды дисперсные и смешанные высокой степени уплотнения,
имеющие стабилизационные и пластифицированно-коагуляцион-
ные структуры, либо средней степени уплотнения, имеющие кон-
денсационные структуры.
Наконец, породы упруго(дилатантно)-вязкие, имеющие проч-
ность при быстром и медленном испытании больше 2 МПа, яв-
ляются дисперсными, высокой степени уплотнения со стабилиза-
ционными структурами, и дисперсными и пылеватыми средней
степени уплотнения с цементационными структурными связями.
Величина Рт для таких пород обычно в 2—5 раз превышает
Ра [23].
Очевидно, во всех рассмотренных случаях величина Рт ха-
рактеризует лишь агрегатную твердость пород, не являясь ка-
кой-либо определенной физической константой, так как при
внедрении конуса характер деформирования в породах отдель-
ных классификационных групп различен в зависимости от осо-
бенностей их состава и состояния.
Агрегатная твердость пород или сопротивление вдавливанию
конуса с углом раскрытия 30°, определяемое под действием как
минимум пяти-шести ступеней нагрузок, рассчитывается по сле-
дующей формуле П. А. Ребиндера:
F
Рт — , 2 >
№
где Рт — условная прочность пород, Па; F — нагрузка на конус,
Н; h — глубина погружения конуса, см.
Сопротивление вдавливанию конуса Рт служит приближен-
ной сравнительной характеристикой прочностных свойств пород,
которая наиболее удобна для определения: классификационного
показателя прочности осадочных пород в полевых и лаборатор-
ных условиях; дополнительных показателей для выявления осо-
бенностей пород в пределах отдельных классификационных
групп; «чувствительности» пород при нарушении структуры, про-
садочности, тиксотропии, изменения прочности пород при увлаж-
нении, набухании, размокании, высыхании, при структурообра-
зовапии, деформации и уплотнении (в частности, до и после
сдвига, компрессии), после воздействия агрессивных сред, после
вибрации и т. п., а также для приближенной оценки деформаци-
онного поведения пород и влияния скорости деформирования на
их прочностные свойства.
6.4. ПОНИЖЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ
ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВОДОЙ
При смачивании и насыщении горных пород водой происхо-
дит понижение их прочности. Чем выше их пористость, тем силь-
нее выражен этот эффект. Например, у пористых известняков и
песчаников при насыщении водой прочность снижается на 25
67
66
-козернистых горных пород
г массивных ^^рнстостью, прочность при увл4д
45% ^а*дГочноРа^'111гтодОбное понижение г'рочностц пьяной влажности уменьшение прочности при погружении пород в
к>шиХ лает на вполне обратимь . . * ле высь^.Ъоду не столь выражено. Поэтому все прочностные и деформа-
н"" ‘ родой являеТ пОд восстанавливав . -лсд0Ват .^Цнонные особенности пород должны определяться с учетом их
сь,1Ппшя прочность 1 ‘ род в них не проис. одиг необрат Естественной влажности и ожидаемого ее изменения при инже-
|,сл,°?мэчивании горнь. Рческнм растворением и друГИм ’верном воздействии.
прН „ий связанных с химн породу> смачивает кажду,0
действиями. Вода "РОой поверхности. При бо‘^ ^^.стандартные характеристики прочностных
сгину по всей ДОСТ) ицаМи и кристаллическими Зе % деформационных свойств грунтов
между отдельными ча^ достаточнои ДЛя ТОГо, ц Рна1
-нергия смачивания шКНуть по границам контактов От * Вторая группа методов определения прочностных и деформа-
7екулы воды могли ПР о(?костям спайности отдельных ^ионных свойств грунтов — это стандартные инженерно-геоло-
ных зерен и даже по ьооСТранства глинистых минераИсТу ические методы, применяемые для получения расчетных показа-
7ов и в межпакетные Р>нпсксвязи между глинистыми Л ^гелей Для исследуемых грунтов. Общим недостатком данных
этом происходят осла . е прочНостп и хрупкости и ,‘111НеР1ет(,Д°в является их малая чувствительность, кроме того, зада-
нии, значительное ею тическим деформациям п и Маемые условия нагружения грунтов не учитывают специфичес-
кие способности пород * ползущих особенностей и природы прочности их. Легко представить се-
стн [143]. v „ ги.„0фильных глинистых породах „он,,» что применяемые при стандартной методике ко всем грунтам
В дисперсных и гидр^и п 1 А л "онижецодинаковые напряжения сдвига или сжатия могут в случае од-
прочности при увлажнении ярко в j . \ . ю сопровождаемого грунта соответствовать его упругой области, для другого —
увеличением объема пород вследствие утолщения гидратНЬцобласти пластических деформаций, а для третьего грунта эти
межпакетных слоев у монтмориллонитовых глин. Даже иезна,на,1Ряжен||я могут значительно превышать предел его прочности,
тельное увеличение влажности по сравнению с естественной ^Естественно, что и интерпретация полученных данных должна
зы'вает набухание и уменьшение прочности этих пород. Напрцшбыть различной в каждом рассмотренном случае. Целесообраз-
послеледниковые глины малой степени уплотнения и Дно для более правильной оценки природы прочности грунта па-
фикации при капиллярном смачивании не набухают, но вЛраллельно с испытаниями грунтов по заданной изыскателями
ность их увеличивается на 1—2%, а прочность Р,„ уменьша!программе Г1РОВОДИТЬ и определения прочностных, деформацион-
в 1 6 раза Менее влажная и более плотная корка этих глин» х “ Реологических свойств грунтов более чувствительными ме-
бухает увеличиваясь в объеме на 3—1 1 %, влажность ее увв Г0ДаМИ в шир?кой области напряжений с выявлением их потен-
чивается на 4—5%, прочность снижается в 2 4 раза При наг циаль„ных свойств, которые могут проявиться при инженерном
чивапии /и, н u । н<1!воздействий и должны учитываться при составлении проектов
хании хвалынских глин средней степени •>,., ............ , СвоПства осадоч1|ых >,ород в естественном залегани^опреде
10% влажность их )вели ывастся на 6 < /0, а прочность умиляются их плотностью, влажностью, характером и прочностью
шаегся в 2 5 раз. И структурных связей. Поэтому, оценивая поведение пород при ин-
Глинистыи мел г. Кричева набухает на 1—1%, влажностье женерном воздействии, необходимо учитывать все эти факторы
увеличивается на 4—9%, а прочность снижается в 3—26 pi в совокупности.
Мел средней степени уплотнения набухает на 0.2%; влажное Для дисперсных пород с обратимыми стабилизационными
его увеличивается на 1,8%, а прочность надает в 2 раза. или коагуляционными структурами решающее значение имеют
Лёссовые породы при. капиллярном насыщении водой на! плотность и степень синеретического упрочнения, определяю-
хают на 0,3—10%; влажность их увеличивается на 16—23% !llile ' 4 прочность, способность к упругим и остаточным деформа-
прочность снижается в 30—100 раз. Прочность воздушно-сух ЦИ51М’ к снижению прочности и набуханию (или к развитию дав-
образцоп лёссоп при капиллярном водонасыщении снижаете’ |ип'я шнах.шия) при увлажнении.
__000 р,] , Г -а А Для обломочных плпоп го
Исходное состояние пород оказывает существенное влия
на их поведение не только при капиллярном смачивании, н
prnrr ____ 1 I _ —-
впях, тем быстрее и интенсивнее она распадается на отдел»
ти при смачивании и набухании, тем выше становится ее вл*
ть и тем ниже прочность. Напротив, при некоторой оптим
68
Для обломочных пород со смешанными связями помимо
плотности и влажности следует учитывать степень их цемента-
ции и возможность нарушения жестких структурных связей
, , . механическим, химическим или физико-химическим путем (в ре-
при погружении в воду. Чем суше порода в естественных зультате выщелачивания или понижения твердости), вызываю-
nuav ____ J 1 —-лпм , * ,
щего просадку, набухание и резкое увеличение деформируе-
мости.
69
6)
6)
уплотнения и
Г, сутки
близкой к естественной;
6.5.1. Набухание
Породы, набухающие с увеличением объема св.
определении в приборе I относят к 2Пп, I
щнм, от 20 до 10% \ ((
бонабухающим. Зависимость стене,__
лизационными и коагуляционными структур ,
и литификации показана на пне о °т ,
'см боЛьЛ-
a ’ f д
— с увеличеаи'"1”Носят к с"иль"п ('7111,1,1(1 <)Г0 Мела’ так же как " лёсса’ пР0ИСХ°лиг дилатант
Васильева). '. ’ 1()ЧабЛплотнспие после полного набухания и ос ля коагулянион-
10ГсАдн^аХ;Уш"бухашш ГЛ,°%СУ4,ЫХ МСЖаГР™х
|BUCHMO^..L.«U структурам,, от Усадка
Такая же закономерность, что и при набухании, наблюдается
и в отношении способности пород к усадке при уменьшении
влажности. Породы с цементационными связями подвержены
усадке в малой степени, тогда как породы со стабилизационны-
ми, особенно с коагуляционными, структурными связями обла-
дают выраженной способностью к усадке при уменьшении влаж-
ности.
6-5.3. Сжимаемость
Опытами, проведенными на образцах с естественной структу-
рой и влажностью без насыщения их водой, установлено, что
пасты сильнее сжимаются по сравнению с образцами с естест-
венной структурой той же плотности. Чем меньше влажность по-
УплЬтнфод и паст и чем выше их плотность, тем меньше различие в их
и литифилпм—------- ,, , поведении. В. Ф. Чепик [991 предложено проводить испытание
И " 6/ со стабилизационными и коагуляционньсми стру^^ L J Е Е
анГния слабая; 2-г. суедняя; 3-,
структурами
со смешанными i - .
1 - лёсс; 2 — глинистыи мел
ность глин, тем выше их набухание (до 25—50%) и при/
влажности (рис. 9, а). У глин с естественной конденсации
---------- л Q0/ т_ __ _
влажнисш VFx^.
структурой набухание составляет всего 4—8%, но оно сил
возрастает при разрушении этой структуры —до 25-!
*' " "-----— пппттлпт /Л-Г нолшгиа»
. UAKVYAHHH пород в ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОПР Ъ ’
рис 9/ЛИНоЕтТИх1рАктеРА СТРУКТУРНЫХ СВЯЗЕЙ, степени УП%Ц
СИЛИТИФИКАЦИИ ПОРОД
С2-“Лоижеиосрнеьдняя;“з«^^юбразцов пород с естественной структурой при уплотнении их по
схемам: первая-без насыщения образцов водой, т. е. при
структура ^чв^у°яци’онно-цементационными структурами пр естественной влад,естественноп ВЛЭЖНОСТИ, И ВТОраЯ — НЭСЫЩвНИе ВОДОЙ ПОД ар-
ретиром. Здесь отчетливо выступает роль исходного состояния
дисперсных пород с коагуляционными и стабилизационными
структурными связями и роль прочности цементационных связей
и плотности пылеватых пород.
Мел, как наиболее прочный, практически не уплотняется ни
'под водой, ни без воды. Лёсс под водой уплотняется сильнее, так
___г__ д . _ и JKaK ег0 Д°статочн° слабые межагрегатные связи легко наруше-
ние. 9,6). Набухание лёссовых пород зависит от наличия в ются при увлажнении и воздействии давления, набухание" же
глинистых и песчаных частиц и кристаллизационных связ(выражено слабо и не препятствует сжатию. Наиболее сильно уп-
достигает 0,5—10%. Как только при увлажнении происходит ютняются дисперсные послеледниковые глины, причем благода-
лабление коагуляционных межагрегатных связей, в образря их высокой влажности они ведут себя при испытании по двум
начинается усадка и дилатантное уплотнение под действием «схемам практически одинаково. Лишь при разгрузке они боль-
СЫ грубодисперсных частиц И 1 ” набухают поп попой ито гпвпртр.пкгтпурт о ИЯЛИшш upvn-rn-
сов с нарушенной структурой, всегда
ственные, отчетливо выражено набухание.
Глинистый мел с естественной структурой набухает с ув
чением объема на 4—5%, мало набухают чистый мели сан
ский мергель (0,5—1%). При нарушении структуры и прит
влажности большее набухание (до 6%) обнаруживается J
геле с высоким содержанием глинистых частиц и более п
сложением. Наконец, наибольшее набухание (до
блюдается в образцах с 1
около нижнего предела пластичности. В образцах -
70
мпкпоагрегатов. В образцах !ше набухают под водой, что свидетельствует о наличии некото-
1 1 ‘ и точных чем йР0Г0 синеретического упрочнения в естественных структурах этих
оолсс ’ молодых глин.
|(| При исследовании по схеме I сжимаемость пород падает по
дмере уменьшения влажности и увеличения плотности. По схеме
jll с уменьшением естественной влажности и увеличением плот-
скости резко возрастает влияние повторного увлажнения пород,
^ведущее к развитию в них давления набухания, достигающего
1,2—1,5 МПа, а иногда и более, и препятствующего сжатию.
.При разгрузке это давление вызывает значительное разуплотне-
[, имеющие коэф-
71
иоольшее наоухание г?—- ------------°-------- -....—
нарушенной структурой при в-И»пне образца. В Строительной практике породы
............ п' глАпПЧТТЯХ 00Ы
2
РИС 11 ЗАВИСИМОСТЬ ВЕЛИ-
ЧИНЫ СДВИГАЮЩЕГО УСИЛИЯ
Т ОТ НОРМАЛЬНОГО ДАВЛЕ
НИЯ Р N ДЛЯ ПОРОД РАЗЛИЧ-
НОЙ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ
И ЛИТИФИКАЦИИ
1 — глины слабой степени уплотне-
ния и литификации (плывунные и
вязкие); 2 — то же, средней степе-
ни уплотнения и литификации (пла-
стично-вязкие); 3 — то же, полу-
твердые, упруговязкие, высокой сте-
пени уплотнения и литификации
м
^’0|(ругих полутвердых глин с обратимым характером деформаций
сжатия не наблюдается упрочнения после компрессии.
от в?
1О2-10'6 Па 1 (>0.1 см2/..
.иости Bbiuie 1Д^102. ю-6 до 1,02-10-6'^с),
М“ее °-1021 ° Г'Па'' '
НОСЯТ к СИ 2/ттН К сред'
0.01 Д°°-' ^боокимземым. полулогарифмическом масц,.
/кгс)-к?’;0 привеДены ° ’,схема I) в зависимости г
На Основных кр"вь';, образцов. На них выдсл “’М.5.4. Сопротивление сдвигу
„ы комвРД. ‘ ра структУРы °„стствующий упругом |(>
СТИ и тпй участок, гои образцов, или у % Поведение пород при компрессии аналогично поведению пе-
чальный УПР-Х ' ной ПрОЧцОс ^руц-род при деформациях сдвига. На рис. 11 показано изменение
________ ”• Вел,] сдвигающего усилия при медленном сдвиге для глин с различной
этого участка и,. -ч
R inntwnv ИзмЧ. плотностью при одновременном
н и} иких иредела 1 их уплотнении возрастающими
послеледниковых нормальными нагрузками.
мела и полутВрГ| У глин высокой степени уп-
плотных глин. Зате? лотнения и литификации, отли-
ше условного п? чающихся при сжатии упру-
упругости (теку? гостью, при сдвиге наблюдается
в глинах слабой и I прямолинейная зависимость ве-
ней степени литиф? личины сДвигаюш.их усилий от
с коагуляционными? Действующего нормального дав-
билизационными |ления- Для глин средней степени
турными связями Улитификации по мере Р?3РУше‘
несжимаемые) nJ*™ СТРУКТУРЫ n0« Действием
пит. оиоттт Рои нормального давления характер-
' Д ' ' ительное рана криволинейная зависимость,
шенпе природной q В этих случаях обязательно на-
турной сетки и ее по до проводить опыты и при малых
дующее уплотнение нагрузках. Вначале сдвигающие
мере отжатия избь усилия по мере уплотнения пере-
воды. Этот эффект I ды возрастают, а затем кривые
рушения и уплотш выполаживаются и идут под ма-
структуры становится Дым углом или параллельно оси
менее выраженным
увеличения их плотя; ’
высокой степени лиг
3
7F
10 6
Р,Ла
РИС 10 КОМПРЕССИОННЫЕ КРИВЫЕ ДИС-
ПЕРСНЫХ ПОРОД (СХЕМА I) РАЗЛИЧНОЙ
СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ И ЛИТИФИКАЦИИ
/ — послеледниковая морская глина слабой степе-
ни уплотнения; 2 - корка послеледниковой глины,
3 — хвалынская глина средней степени уплотне-
ния' 4 — хвалынская глина высокой степени уплот-
нения; 5-мел чистый, средней степени уплотне-
ния
s
2!
1,8
1,6
1,2
абсцисс. Глины слабой степени
литификации, у которых структу-
ра разрушается при весьма ма-
лых нагрузках, при обычной ско-
рости нагружения разжижаются и выпирают из кольца прибора.
Поэтому их приходится нагружать весьма медленно и постепен-
но для уплотнения и отжатия избытка воды. Следовательно,
в зависимости от скорости приложения нагрузки сдвигающие
усилия для этих глин будут значительно меняться. Они будут
очень малы (около 4,9 кПа) при большой скорости деформиро-
вания, вызывающей разжижение; при малой скорости деформи-
рования сдвигающие усилия возрастают по мере увеличения
плотности глин под нормальными нагрузками. Очевидно, такой
опыт в обоих случаях дает характеристику прочности нарушен-
ных структур, а не глин в их естественном состоянии. Для есте-
ственных структур опыты должны проводиться при малых на-
грузках. В разжиженном состоянии поведение глин не зависит
У от действия нормального давления. Определение для них коэф-
п
мере уменьшения влажности пород и
(среднесжимаемые). Наконец, глины
кадии характеризуются лишь прямолинейным участком, с
ветствующим упругим деформациям (слабосжимаемые). Та
картина упругого сжатия свойственна мелу. Лишь при 0,8'
в нем заметно малое увеличение деформации вследствие на
лающего нарушения структуры.
Испытание пластической прочности образцов изученных
род после компрессионного сжатия показало, что у пород с ’
денсационными структурными связями — в меле, в юрской
не г. Москвы —после уплотнения при 0,8 МПа и последуй
разгружения пластическая прочность снижается в 1,5—2 Р
дисперсных и высокопористых породах со стабилизацией®
пат°аГ^ЯЦионнымп стРУКтурами и в лёссах, в которых пР°1
обпЛип Ратимые Деформации сжатия, наблюдается УПР°\
в вследствие увеличения их плотности в 3—П раз.
72
.ла. ибо внутреннее трение ж
трения ’’“‘“бального давЛвысокой степени ЛИт
♦"“Гзависнт от пор у' для ««« структурных связей
СТ’Угол «’«•«”„*„’ ПРОЧН<^«стп. чем более слаб,,л„^
гтин). Няпрс гНПцными СТРУ „.унских глин)-
НЫМИ коа^'10ОлутверДЫ,! х°^'лотнения образцов сопротиЦ
пример. для' ригельного У"- разностеи хвалынских ,
Без пРе?’е?итифиШФ°воай „0 39.2 кПа; для сильноли™,
сдвиге ореДИ 'е6лется от 19.| д 127,4 кПа После пред’.
Job НОД водой наблюдается с„,
рованных ( тнен11Я оораздо колитпфицированных р,
геЛЬНппоотивления сдвигу дл й степени литнфикац,,,
"“а п повышение для глин Р нась1Щенне глин водой „ ,
Эд 2-58 8 кПа. Таким обра ла!КИВанпю различии в побед,
тельное уплотнение ведет
66 ДЕФОРМАЦИОННОЕ поведение грунтов
С естественной структурой
В физико-химической механике методы количественной
рактеристики деформационных и прочностных свойств стру
рированных дисперсных систем (третья группа методов) ос
ваны на измерении деформации чистого однородного сдвиг
ее развития во времени при различных заданных напряжен’
При помощи этих методов можно измерить следующие пг
метры:
1. Модули упругости (модули сдвига) Е, Па:
Р
условно-мгновенный модуль Ej = —, где Р — напряже
ео
сдвига, Па; е0 — условно-мгновенная деформация;
Р t
эластический модуль Е2=--------, где ет — наибольшая оа
ezn е0 J
тимая деформация; ет — eq — эластическая (упругая) дсфор
ция;
равновесный модуль Е= .
2. Вязкость, Па-с:
гти?° -наи^()льшая предельная вязкость (вязкость полз;
Tvnn’ С001вс7сгвУ101йая минимальной степени нарушения стр
*УРЬЦ 1 J
турьг наименьшая вязкость предельно разрушенной стр.
эффективная вязкость д, убывающая с ростом напряжения;
наибольшая пластическая вязкость, по Шведову,
. P~Pk-X
Г'° (de/dx)
наименьшая пластическая вязкость, по Бингаму,
• Р ~
Пш (de/dx) ’
3. Условная граница течения с наименьшей степенью нару-
шения структуры (условно постоянной вязкости, г|о)—Р’г, Па.
4. Пределы текучести Pk, Па:
условный статический предел текучести Ph-\\
условный динамический (бингамовский) предел текучести
Ph-2-
5. Предел прочности структуры Рт-
По получении значений этих параметров можно определить:
период релаксации 0 = д/Е; деформируемость 1/Е; текучесть
1/т|; эластичность Л = —-—; подвижность 1/ты; пластичность
Е 2
по Воларовичу: Ph-i/r]*0 или Pn-i/if^
Под эластичностью понимается способность системы к раз-
витию упругих деформаций во времени вследствие передачи на-
пряжения от элемента к элементу пространственной структур-
ной сетки (упругое последействие). В конденсационных структу-
рах эластичность наблюдается в системах, где отдельные звенья
структуры сами обладают большой гибкостью, как, например,
в каучуках, в студиях кремнекислоты. В коагуляционных струк-
турах эластичность обусловлена наличием адсорбционных прос-
лоев в местах контакта частиц дисперсной фазы. В этих случаях
малая эластичность свидетельствует о жесткости структурного
каркаса, наибольшая эластичность — о высокой подвижности
отдельных структурных звеньев благодаря наличию развитых
адсорбционных слоев.
Таким образом, А, может служить мерой подвижности коа-
гуляционной структуры, обусловленной степенью сольватации
составляющих ее частиц [63, 76, 109, НО].
Для характеристики поведения пород при малой степени на-
рушения их структуры нами был применен метод П. А. Ребнн-
дера — получение семейства кривых кинетики развития дефор-
мации чистого однородного сдвига под действием постоянных
напряжений, возрастающих от опыта к опыту (а также кинети-
ки спада деформации при мгновенном снятии напряжений)
Опыты проводились на приборе Толстого для легкоподвижных
пород и на приборе Маслова для пород средней и высокой степе-
75
nS""“0Kape».n“P
. и место отбора
Пород* и _____
ГлУбя‘
на. м
2
3
сТрУК'
ГТ
Г1. %
3
81
4
ГТ р —j _ —! -ГГТ
Па ' '
5
1,3-Ю'
1,3-Ю2
3,3- ю2
6,5-102
1,3-Ю3
Чистый
9,7-10»
5,4- ю»
7,3- Ю4
7,3-1Q4
ч
5.1
То же Сапропель водороде- СоП,РНерУ Ил древнечерноморский глубоководный 1,5 ’ 4,8— 5,1 1,5- 2 0,2 73 1192 433 250 ’ 3,3-1о2 4,6- Ю2 5,6-Ю2 9,8-Ю2 2-103 5,8-105 1,9-105 2,2-105 7,3-104 5Л 1 2,2. X 6 л. 1,6. 8. 6,2. X 5,4. 5,9. 1,3.
1,2-Ю2 1,2-102 1,9-Ю2 3,2- Ю2 4,5-Ю2 6,4- Ю2 5,2-103 2,7-103 2,6-Ю3 1,9- Ю3 1.1-103
1,3-Ю3 1 ,3- Ю3 1,4-103 1,6-103 1,9-103 1,3-104 9,2-103 8,5-Ю3 9,3-103
1,3-Ю 1,3-10 3,3-10 6,5-10 9,8-10 1,7-102 1,8-10* 7,3-Ю3 9,1-Ю3 9,9-103 9,1-Ю3 2,8. 2,2. 9,1 7,8- 4Л
Ил новоэвксинский, Чер- ного моря, глубоко- водный 2,3 80 4,6-Ю2 4,6- Ю2 5,6-Ю2 6,5-102 9,8-Ю2 2-105 8,2-Ю4 6,1-Ю4 1,1-Ю5 2. 2,5 2,6- 4 6,1' 3,6' 1,3' 7,3' 1Л 1,8'
Ил современный /Азов- ского моря 1 155 6,5-10 6,5-10 1,3-Ю2 3,3-Ю2 6,5-Ю2 9,1-Ю4 3,6-Ю1 3-104 2,2-Ю4
Глина юрская, г. Обо- янь, КМА 478 20 5,8-Ю4 9,8-Ю4 1,2-Ю5 1,8-Ю5 2-Ю5
Глина юрская, г. Москва
34
28
5,8-Ю1
5,8-Ю1
9,8-Ю4
1 ,4-Ю5
4,2-Ю5
4,7-Ю5
Корка послеледниковой
морской глины
0,7
51
1,5-103 1,5-Ю3
3 3-103
6,6-Ю3
3J-105 3’6'
1,6-Юв 2,9'
б’, 1 • Ю5
4,2-Ю5
2-1
7,6"
76
ТАБЛИЦА <»
ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВС ЕСТЕСТВЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
Е к Па / ^1 нач F 1 кои :, после ’к’Ж ' 1 Р*»>П> 1 иагр п« >
Па
8 9 to 11 12 14 16
родг ЫН сдвиг
2,9-10' 0,7 — — 9,7-I04 1 1 6 .6-10
2,9-10' 0,47 — — —•
3,1-10* 0,57 — — — 1,1-10» 1,5 J 2 .1-10*
— — 1 ,3- 103 10 1,3 — —•
2,8-105 0,52 — — — 5,8-10» 1 1-108
6,6-10* 0,66 — — —— — — ——
1,1-10® 0,5 — — — 4,4-105 2 1 < 1.8-10*
— — 2-103 6 8 — —
2,9-103 0,44 — — 7,1-10» 1,3 | 1,4-ИГ
2 3-103 0,14 — — — 6,6- Ю3 2,4 5.9-107
1,9-103 0,25 — — —— 6,8-103 2,5 5.8-107
1,4-103 0,24 — — МВ 3,7-103 1.9 8-Ю7
— — 5,8-Ю2 4,6 4,7 — — —
1-Ю4 0,19 2,3-104 1,8 3,5-10*
7,9-103 0,13 — — — 2,9-104 3,3 6,5-10й
8- 103 0,06 — — — 2,6-10' 3,2 8.1-10’
— — 1,9-103 1,5 1,4 — — —
2,4-103 0,87 — — — — - 1 —
5,4-103 0-.25 — — — — —
4,5-103 0,5 — — — — — —
4,4-103 0,56 — — ——. — — —
3- 103 0,67 1,6-ю2 1.2 2 — —
1-105 0,5 — —
6,2-10' 0,25 — — — — 2-107
1,8-10* 0,7 — — — — — 1,6- Ю7
2,9-104 0,73 9,8-102 2,1 2 — — 4-10»
3,2-104 0,6 — ——
1,8-10’ 0,5 — — — — — 8-10’
9,1-Ю3 0,7 — — — — — 7,7-10*
5,4 • Ю3 0,76 >6,5-102 >10 4.1 — 1 6-10’
1,6-105 0,11 — — —— 1,6-105 1,1 2,5-10’
1,8-105 0,1 1,9-105 3,2 0,9 0,8-10- 1.1 3-10»’
4,1-105 0,02 — _ 2-Ю4’
3,8-105 0,18 — — 4-10 5 1.2 2-Ю1’
2,9-105 0,08 1,4-Ю5 2,4 1 ‘•3 1 3- 1С 5 1 2-Ю10
1-Ю8 0,36 — | 6,5-11 )5 | 0,4 I 1,9-10*
4,7-105 0,23 — — 6,1-11 )5 1 | 2-10’
2,7-105 0,36 6,6-103 4,4 3,8 1 7,4-1 05 | 1,7 1 6.6-10®
77
Г,Л 3 30 30 ^-1 1 р 1 - 3,7.|, 2,3. ц
„ место отбора Порода и ме ская область "SS Поволжье Оползневые накопления неокомских глин, Ульяновское Поволжье Глуб* на, м 2 4 4 Па
4 2,5-10 4,9-103 1 5 2,5-10’ 4,9-104 7,4-104 9,8-Ю4 1,2-105 — 4,9.1qs 7.4-1Q4 8,5-1о« 9,8- Ю«
4,9-103 1,9-104 3,9-10’ 4,9-10’ 5,8-10’ 6- 104 9,8-105 5,6-1Q5 2,4-105 2,4-105 2,3-1Q5
46 9,8 • Ю2 9,8-102 4,9-103 9,8-103 1,1-104 1 ,2-105 4- Ю4 3,9-Ю4 3,6-10’ 4,Г|, 2.3.; Сжа 5,4.]( 3,1.|| 2,З.Ц 2,9.Ц 4,3-1
Чистый мел, Воронеж- ская обл. 30 <1,6-105 1,6-105 3,1-105 4,6-105 8,8-105 1,3-10° 1- 108 7,9-Ю7 5,9-107 2,3-108 3,8-108
Мергель сантонский, Во- ронежская обл. 10 23 <4,9-104 4,9-Ю4 1,4-105 3,2-105 5,4-105 8,8-105 1,3-10° 4,9-108 7-Ю7 3,6-107 5,3-107 6,7-Ю7 6,3-107 2,4-И 5,8-К 7,6-К 2,3-11 7,5-И
образцах^естествадн™^ сХХпо'"" 6=/ (Т> ПрИ />=со1
наиболее чувствптеч! пмл СР^К1УРОИ и влажностью являеп
текучести (упругости] Р Д1И onP^ejIeHnn условного преде'
^2 и наибольшей iiocTn'a1L»1OAyJle1”1 УПРУГОСТИ 11 эластичное
ненарушенных структу!) /г °И вязкости течения практичен
нпю сцепления частиц' \Рлагодаря мгновенному восстанови
в табл. 9, 10 И на "Р" 19 Скорост" течения), ijo-
ТеРистики струкТГ1)11п * приведены полученные хар^
пород и соответстючои НИЧескпх споГ’ств для исследовав
и кривых e=f(pj ’ Uc схемы кривых е=/ (т) при Р=со№'
78
Продолжение та'’ /
Е X Рт. Па Pm'Pk-l £ 1нач после разгрузки. Е 1 разгр £ 1 иагр П-. Па е
Па £ 1КОН
8 9 10 11 12 13 14 15
3,5-10« 0,29 — — — —
6,7-10> 0,1 — — — 7,4-105 10 4,9-10‘®
8,110* ,0,05 — — — — — 3,7-10’*
9,4-104 0,005 1,2-105 4,8 50 — — 3.2-10‘®
2,7-105 0,72 — — — 1,6-10» 1,6 -
3,9-IO5 0,3 — — — 6,4-105 1,2 ___
2,1-105 0,15 — — — 3,9-105 1,6
— — — — — 2,4-10-5 1,03
2.1-105 0,09 — — —
— — 6-Ю4 12 — — — •—
2-Ю4 0,49 — — — 1,9-105 2,8 —
1 ,4-104 0,63 — — 4,5-104 1,2 —
— — 1,1-Ю4 12 — — —
тие
8,6-107 0,16 — — — 4.1-108 — —
7,7-107 0,02 — — — 3,9-108 —
5,8-107 0,03 — -.— — 1,1-Ю8 — —
2,1-108 0,07 — — — 1,8-10® — —
3,5-108 0,08 2,2-10« 13 — 3,2-109 - —
1,6-108 0,67 — — — 1 1,6-109 — —
3,2-107 0,55 — — — 2,3-108 — —
2,4-107 0,32 — — — 1,8-10® —
4,3- Ю7 0,19 — — — 3,1-108 — —
— — — — —
5,8-107 0,08 2- 10в 40 2,3-108 — 1 '
6 6 1. Дисперсные грунты
Было исследовано деформационное поведение дисперсных
пород с коагуляционными, пластифицированно-коагуляционны-
ми, стабилизационными, смешанными и цементационными
структурами различной степени литификации. На рис. 12 и 13
приведены семейства кривых развития деформации сдвига при
постоянных напряжениях.
Приведенные графики иллюстрируют характерное деформа-
ционное поведение сапропелей, морских илов, плывунных глин,
выветрелых неокомских глин и их оползневых накоплений, а
также юрских глии. о .
Особенностями дисперсных пород малой степени лнтифика-
ции являются отсутствие выраженных пределов текучести и
T9
Чистый
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНО-об^
Порода, место отбора Глуби- на, м IV',, %
1 2 3
Моренные отложения, г. Рязань (естествен- ная структура) — 14,5 7,3-Ю2 7,3-102 1,5-103 3,7-103 7,3-103 1,5-104 5,6-105 7,3-105 1 ,ыо« 7,3-105 2,6-105
Моренные отложения, г. Канищево (естест- венная структура) — 15,6 9,8-10- 9,8-102 1,9-103 3,7-103 7,3-103 1,5-104 6,5.10s 4- 105 3,7-105 2,7-105 7,3-10’
Супесчаный лёсс, с. Степное, Ставро- полье (естественная структура) 3,7 8,3 1 5,6-102 5,6-102 2,5-103 1,2-104 1,7-10» 1,6-105 2,7-105
*4 |
4 9 J0’
1 '-'О’
Ь’6- Юз!
io»i|
з'2-^i ;
1 .1-10S
2,8.io5
4,9-105
Озерно-аллювиальные 1 32 3,9-102 3,9-102 7,8-102 8,9-103 1,3-104 4,4-104 2 7-105
пылеватые отложе- 3,9-103 5,6-10* 4,9- 1Q5
ния, север Яно—Омолойского меж- дуречия (естественная структура) — — 7,8-103 9,8-103 2,3-Ю4 4,9-10* 4-104 4,4-104 3,3-105 2-105
Песок аллювиальный, г. Сабиле ЛатвССР (нарушенная структу- ра, естественная влаж- ность) 1 5,7 1,9-103 1.9-103 4,9-103 2-104 3,9-104 4,9-104 1,1-10» 4,1 • 104 4,9-Ю4 3,4-104 1,6-104 9,8-Ю1 3,5-104 4,5-Ю1 2,6-К)1
Песок эоловый, г. Энгу- ри, ЛатвССР (нару- шенная структура, ес- тественная влажность) 1 2 9,8-1О2 9,8-102 2,9-103 9,8-103 2-10* 2,9-104 6,1-10* 5,8-10* 2,0-Ю4 2,9-Ю4 4-10‘ 4,9-Ю4 1,8-10' 1 ,9-Ю4 1,7-10'
Песок древнеаллювиаль- ный, г. Львов (нару- шенная структура, ес- тественная влажность) 6 17 4,9-102 4,9-102 2,5-103 9,8-Ю3 2,9-104 4,9.104 6,1-10» 2,1-10* 5,6-*10» 6,8-103 Ь104 2,1 -Ю3 1,3-Ю3 1-103 3,7-Ю3 з.зло3
80
ТАБЛИЦА iv
„гтВГЛ"01 4 И НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
п С ЕС р t Па Pm'Pk~l нач кои 4 12 после >азгрузки, Па 13 Р " 1разг р £ 1нагр Ч- Па е
1 г Г>И‘ $ ’ -Ю5 2’2.1°5 5>Ю 6,8-Ю® ! ’1.ю5 1,8-Ю? 7,4-103 1,2-Ю4 5-Ю4 4,5-Ю4 3,3-Ю*
.дВИГ 0,35 0,6 0,5 0,34 0,32 0,4 0,45 0,43 0,45 0,19 0,61 0,36 0,36 0,17 0,04 0,1 0,13 0,17 2\ 1HU. L_\ 2_ 5,5-10® 1,8.10е 3,5-10» 8,8-10» 0,76 1,63 0,5 3,4 15 1,4-10» 8.5- 10» 3,8-10 4,2-10»
20 2,15
з- ю* 31 8,9 2,4-105 4 • 105 6,2- 105 5,7-Ю5 5,5-10® 0,37 1,0 1,67 2,11 8,3-10» 2,8- 1О10 2,1-10*»
1,2- Ю4 21 ,4 6,2 5,6-105 5,5-10® 3,5 2
2,3-104 61,5 0,2 1 1 1 1 1 1 7,6 3,3 2,1 3,5 4,5 1,7-10» 2-Ю9 9,7-10» 3,4-109
4,9-Ю5 2,5-Ю5 4,9-10» 1,2-Ю5 0,53 0,53 0,52 0,56 4,9-Ю4 24,5 6,8 1,4-10й 8,9-10® 28 26 1 1 1 1 1
2,5-10“ 2,6-Ю4 2,5-10“ 4,2-Ю4 0,55 0,76 0,51 0,63 2,9- Ю4 30 £| 1 1 1 9,8-10® 32 1 1 1 1 1
3,2-1Q3 1,4-10* НЬЮ-4 8,2-10» 4,9.10» 0,74 0,95 0,85 0,64 0,77 4,9- Ю4 100 -° 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 —
6
427
81
Продолжение табл If)
Порода и место отбора
I
Плывунный пылева тый
песок, Салехард (нару-
шенная структура, ес-
тественная влажность)
Каменный лёсс Приташ-
кентской низменности
(естественные струк-
тура и влажность)
2
50
Глуби-
на, м
% 3 pk—1 р Е, Ч Р . Па ' tn 10 11 Е1на” Е, после 1 Р 1 разгрузки. Па С1КОН — 1 1 12 j 13 ЕЧ>»<гр 1 1 | U Па с 15
4 1 ~5 i 7^ - ? - 4?4 1,2 1 5 ’* 1 Ч ч 1 71 14 —XOOCJXVO -ч \ \ \ _\ «> \ X \ \ \ у° \ К
29 7,8-10 7,8-10 1,9-102 2,9-102 6,5-102 J 3,2- Ц)з 5,4- юз 2,7- 10з 2,2. Юз 2,8-1Q8 6- 1Q8 9,2-1Q8 7,4.1Q8 0,34 о,з 0,34 0,05 о,оз 0,07 0,04 .—- 1 6 >10* 1 »| 11 1 ,4 | — ||Н 1.140» 1.14V
3 3- 10s 3- 105 2,8-106 6,5- 10с> 9- 10,; 9-Ю6 30 IIN 1 “ 1 — 1
прочности; медленное развитие эластических деформаи .-
сутствие пластического течения с постоянной скоростью °’
рое затухание деформаций в связи с разрушением и ynn'\6blCl
ем структуры в плоскости сдвига; увеличение в 2__7 раз ^ЧНе1111-
упругости при его расчете по ветви ..,10М
мгновенной разгрузки по сравнению
ным по ветви нагружения; ----------
высокая
спада деформации поц*
со значением, определи
эластичность, возрастав
увеличения действующего напряжения. Значе-
щая 110 М6Рупругости илов под действием возрастающих на-
Н11Я моДУлЯ ааЮт в 2—3 раза, а послеледниковых глин —в
пряжений ”т30 свидетельствует о существенном разрушении их
структУРь1- б аз0М? эти породы практически не обладают ни уп-
Таким о 1 с Щ„остью к течению с постоянной вязкостью
ругостыо, ни снос
РИС. 12. СЕМЕЙСТВО КРИВЫХ КИНЕТИКИ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЧИСТОГО
ОДНОРОДНОГО СДВИГА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПОСТОЯННЫХ НАГРУЗКАХ Рб Р* Р'
,р т^л3^ВИСИМ?СТЬ УСЛ°ВНО-МГНОВЕННОЙ (Со) И НАИБОЛЬШЕЙ УПРУГОЙ
ПЕРСНЫХ грунт™ гТ ДЕЙСТВУ1°ЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА (Р) ДЛЯ ДйС'
РАХ ТОЛСТОГО И МАСЛОВА)СТВЕННОЙ СТРУКТУР0й (ОПРЕДЕЛЕНО НА ПРИБО
РИС. 13. СЕМЕЙСТВО КРИВЫХ КИНЕТИКИ Р CT04HHblX НАГРУЗКАХ Р' ’
ОДНОРОДНОГО СДВИГА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ (е ) И НАИБОЛЬШЕЙ • •
и Р4 И ЗАВИСИМОСТЬ УСЛ0ВН0'МГН°ВЛго н апряжения сдвига _< • .
ГОЙ (е ) ДЕФОРМАЦИЙ от действующего -в с естественной С
ОБЛОМОЧНЫХ И ОБЛОМОЧНО-ДИСПЕРСНЫХ приборе ЛИТВИНОВ
ТУРОЙ (ОПРЕДЕЛЕНО НА МОДИФИЦИРОВ/
ПРИБОРЕ МАСЛОВА)
а-пески; б — моренные отложения; в — чистый мел
^о«^Л<?^0упС.°^неннь1е-л u слаболитифицированные породы (плывунные глины, и'гь’пТм
ныр сРеднеуплотненные, упругоэластично-вязкие глины; в — сильноу 3(t
образца)У 0вязкие полутвердые глины (стрелками показана мгновенная Ра
83
82
6*
чем более пористы и влажны
/типа ползучестиЬ х этн свойства. Отношение р
( з а для послеледниковых глшГ/Р'< j'1'
’ °Но; и»
- пе3че выражены в
Слов не превышает .
8"ппи мгновенной разгрузке образцов малой СТс||
Прн,” „нс 12 н 13 показано стрелкам,,) о л
ка'1”“„е остаточных деформаций. ' »»Тся Ч
В естественных структурах ,орских гл„„ (,, Об К,
г Москвы) высокой степей,, литификации при разг Ч К.Ц,
Фея все упругие деформации. Значение условно м’"' <
ГоХ Живность падает до 0,2-0.05. Возра^"^
НИЯ пределов текучести и пределов прочности до 5>8. Ч
05 Па соответственно. Значения модулей Е, и у ° и,
ДЫХ глин не меняются ни при разгрузке, ни с ростом Де>^
щего напряжения, что указывает на отсутствие РазРу*СЧ
упрочнения структуры в течение опыта. Вязкость ползуч° %
них достигает 1010 Па-с и более. Породы приобретают Bb,S
ную способность к медленному течению типа ползучести 5
стоянной вязкостью вследствие мгновенного восстанови?1
структуры в процессе деформирования образца. Скорость?1
ния меньше, чем скорость развития эластических дефор i
Юрские глины с естественной структурой при данной влажно!
не пластичны и обладают высокой вязкостью, благодаря кот<2
они имеют выраженные упругие свойства и хрупко разРу1Па™ [
СЯ при Р>Рт-
Пасты юрских глин ведут себя иначе. Они отличаются боЛь
шей эластичностью, подвижностью и деформируемостью,'
меньшей прочностью вследствие равномерной и большей гидра.
тированности частиц. В некотором интервале напряжений о8) 1
проявляют способность к течению типа ползучести со значи 1
тельно меньшей вязкостью. Упругие свойства в них выражена I
меньше. В пастах при разгрузке снимается лишь некоторая до- 1
ля упругих и эластических деформаций; явно выражено упроч-
нение при течении и разрушение структуры с ростом напряже-
ний. Таким образом, эти исследования еще раз подтверждаю!
что поведение естественных структур и паст существенно различ
но и моделировать поведение -естественных грунтов па пастах,
как это часто практикуется, нельзя.
Естественные структуры дисперсных пород являются либо!
эластично-вязкими (в случае слаболитифицированпых породи
либо упругоэластично-вязкими и упруговязкими — в случае сред-
не- и высоколитифицированных пород. Наибольшая вязкость те
етсяЯпостоямПи°л-3уЧеСТ У высоколитиФиЦироваиных пород оста-1
вие одинаковой1? зиачительном интервале напряжений вследст-1
ры при течении рОрости РазРУшения и восстановления структу-
ные породы не явл^вдя^шТ’01 упрочненные 11 сцементирован-
ластичными и по своему деформацион-|
84
> гти начальных напряжений должны быть
io в облзс!»1
, ло0еДшШУ1'овЯЗКИ^исперсных породах изменяется в преде-
X > Текучести в ^^ости - от 10* до 10* Па. Значения
ГПа. '<луля изменяются от 103 до 106 Па взави
J1°^ гиовенн°гоа,1ии частиц дисперсной фазы и степени их
^О0Н°'^ конпентр вязкость наименее нарушенных структур
Й>й°ро»а”"осят: тр порядка - от 10’ до 10*° Па-С. Слепо-
тоЯ<е "L Формирования дисперсных пород в теме-
„ в лРоие“пспгеиеза показатели их структурно-механи-
ч^Йогенеза изменяться в среднем на три порядка -
«я» " Свойств могут и кончая очень плотными полутвер-
слабых ’Р’ментирОванными мело-мергельными поро-
дЫ*11’ Г деформируются, как правило, в сравни-
^дисперснь'е n°Pa30He напряжений — отношение PmIPk_x Для
теЛ?изменяетСЯХ д° также исследованы на сжатие на при-
й Мел « M,epJPщюмер) по той же методике. Из данных, приве-
6оре ТШ-1 ? видно, что закономерности деформирования
денных в табЛосн’овном остаются такими же, но значения моду-
лях п°Р0Д яов прочности возрастают на 1,5—2 порядка. При
лей и преде^ r ажен эффект дилатантного упрочнения высоко-
этом сиЛваННых пород с ростом действующего напряжения
конденсационные структуры сантонского мергеля разруша-
14 хрупко, скачкообразно, выраженной ползучестью не обла-
10ТСЯ Дилатантные свойства выражены в более слабой степе-
дй1°чем в меле, так как сказывается пластифицирующая роль
глинистых составляющих.
Туровский мергель со стабилизационными структурами от-
личается высокой подвижностью и лавинным разрушением
структуры уже в области малых напряжений.
Мел с нарушенной структурой отличается высокой эластич-
ностью, отсутствием упругости, выраженной дилатантностью за
счет высокой агрегации дисперсных частиц. Абсолютные значе-
ния Е\, Pk-\, Рт на два порядка ниже, чем для естественных
структур. Как и у паст глин, в пастах мела с влажностью выше
границы текучести преобладают остаточные деформации, от-
сутствует способность к пластическому течению, происходит
быстрое затухание деформации. Модуль упругости при разгруз-
ке увеличивается в 10—20 раз.
Мергели и глинистый мел с нарушенной структурой близки
по своим свойствам к свойствам паст глин.
ДУЛИНУ67 отметить’ что> несмотря на достаточно высокий мо-
но-коаг^Г°СТИ’ У илов с коагуляционными и пластифицнрован-
значен?ЛЯрИ°ННЬ1МИ стРУктУРами наблюдаются наиболее низкие
я ь-i и Рт. У сапропелей, несмотря на их высокую
ш влажность и малую концентрацию тверда ,
значения пределов Л-ь Лп и »)о относительна 3bt
проявления конденсационных структурных свя^?Ь'с°Ки Ч1(й
но сказать и в отношении плывунных глин ' то ** Л
показатели выше, чем у морских илов, за счет Л* пРоЧ/ V
сационных структурных связей. Еще вьнпе прОч , ,я,Г1'я
тели у оползневых накоплений. °сТНые
Наиболее высокие значения £h Ph_h pm и
и мело-мергельных пород. |о У К)рски
Сравнивая поведение мела и юрской глины * \
по ряду признаков достаточно близко. Вязкость ВИдим, чт
одного порядка. По сопротивлению компрессиоп11рИ 1,
они относятся к малосжимаемым породам и в осн °Му с*1,,|!
ют обратимыми деформациями сжатия. При йен °ВН°М or Ч
глины на сдвиг Pk-\ и Рт У них близки, однако зцЬ?аНИи Me
упругости мела, который обладает и конденсацц9461*11* мо?*
ми, на целый порядок выше. Мел, будучи'только °ННЫмИ св ’
ни уплотненности, проявляет упрочнение при -г Л°ДНей с^3’
ность к ползучести у него отсутствует. Таким обпЛЛ'Н11, сПос?
ползучестью в достаточно широком интервале напп °М’ ЙСтИНй
дают только плотные твердые породы Если с ряЖений об0}
недостаточно плотное, течение неизбежно затухает еНИе Поп„
упрочнения в плоскости сдвига под действием Л В pe3W
пряжений. 1 0СТ0янных н'
6.6 2. Дисперсно-обломочные грунты
Схемы, характеризующие деформационное гюнрпа
пых отложении [142], лёссов, озерно-аллювнаШшЛ'6 Мо№
46] плывунного песка и аллювиального, эолового м Грунт°8
аллювиального песков при естественной ппп ° и дРевне
а также каменного лёсса [271ТылГппетЛ K”°CTH № 90
Из полученных данных (см"табл 10) мож^^’ ™ РИС' Р
что наиболее слабыми породами являются (дс,1ать выводы.
наиболее прочными-каменные лёсс. ПЛЬ1вУн™е пески.
ловно-мгновенный модуль ня ° Учетом того, что ус-
чем при сдвиге). дисперсно об^^ При сжа™>
шзЯ °Т110 до 103 Па; Prn-от 1Р02 по б1П4МпНЬ1Хгт ,Юрод изменя-
ло 106 Па; т|о —от 106 до 1Oio\t А а’ изменяется от
леФ°РмиРуются эти породы п зняит 13 С’ Очень хаРактерно, что
вале напряжений: Рт/р, из а ельпо более широком интер
ло1п мп~Наибодее прочая ППП СЯ В ™X °Т 20 До 100‘ Ка“
До 0 МПа. Прочиая порода, он выдерживает нагрузи:
ио сравнению с rJ
чест1и(ЛгНЧаЮТСЯ в цел°м меньпш ПОродами Дисперсно-обломоч-
Too^r^^onee1^^1 значсниями пределов теку-
ков цеме^СЛ0ДИТ разРУшение их и,нтервал°м напряжений, в ко-
Рационных структурнХ рТРУКТ?’ры’ 11 наличием призна-
84 чрных связей, что обусловлено влм-
пльных условии формирования пород Эти же
пнт"яе пнвают свой отпечаток и на дисперсные породы
гы наклаДькоНТ11нентальных условиях, — на плывунные
ноО^ниеся v на выветрелые глины и их оползневые накопле-
аюшийся мел. Для этих пород отношение
вЫВеТР‘ м дЛя дисперсных отложений морской форма
nH%f , вьппе. 12. в них же ощутимо влияние смешанных и
/’Л" рави0 о ст ’КТурНых связей.
цй11’ 1ТаиИ°нИ „ытеватые и дисперсно-песчаные грунты со сме-
иеМдцСперсНОп сталлизационными структурными связями явля-
дыми н КР эластично) дилатантно-вязкими телами в есте-
С УпРуГР°Аоянии. Преимущественное влияние дисперсных или
^венн0^ С° чных составляющих отчетливо выражено на гра-
еткообл0^0 мости деформации от действующего напряжения
мхах завИвЖатия. В случае преобладающего влияния дисперс-
ивига или щей в структуре грунта кривые указанной зависи-
мой соСТаВ;7Ты по отношению к оси абсцисс и характеризуют
„[ОСТИ воп . рушение структурного каркаса, сложенного гли-
постепенн СЛуЧае преобладания мелкообломочных частиц
НОЙ, тогДД дется эффект дилатантного упрочнения при сдвиге
яр«° и? и кривые вогнуты по отношению к оси ординат на
и сЖаТх протяжении либо на протяжении отдельных отрезков,
Называя на увеличение внутреннего трения между обломочны-
ми зернами.
М Исследовать песчаные породы в состоянии их естественных
труктур не удалось, так как отобрать их в таком состоянии
весьма затруднительно, а в случае плывунных песков практиче-
ски невозможно. При механическом воздействии, особенно при
сотрясении и вибрации, плывунные пески немедленно разжижа-
ются и текут как маловязкие жидкости. В силу этих особен-
ностей подобные грунты в практике именуются истинными плы-
вунами. Для них характерно развитие эластических деформа-
ций и последующее скачкообразное развитие деформаций под
действием постоянных напряжений сдвига: то течение замедля-
ется и затухает, то происходит сдвиг зерен друг относительно
друга, и вновь в каком-то интервале времени возникает затухаю-
щее течение и т. д. Такие породы являются эластично-дилатант-
ными. Однако, если эти образцы подвергнуть легкой вибрации,
они становятся жидкообразными (эластично-вязкими), обретают
способность к течению с лавинно-разрушающейся структурой
при любом, сколь угодно малом напряжении сдвига, не имея
выраженных P/t-i и Рт. Для образцов истинных плывунов ха-
рактерны очень низкий условный предел текучести (менее 30-
50 Па) и отсутствие способности к течению с постоянной ско-
ростью под действием постоянных напряжений. Развитие дефор-
мации затухает уже спустя 3—10 мин после приложения усилия.
° процессе течения образцы дилатантио упрочняются. После
Рззгрузки наблюдаются весьма значительные остаточные де-
формации. При напряжениях сдвига от Юо * F
цах происходит лавинно-ускоряющееся ТсчД° 600 Па
вязкость при Рк-х для этих пород можно расеи,!П1е- Наик °V
условно. Она равна примерно 106 Па-с. Татьтодь,Ч'
Наибольшую эластичность и легкоподвнжн
ют при малых напряжениях сдвига 49—294 ПТЬ п°Роди
пряжения (1,9—5,7 кПа) вызывают большие noth'
рые обусловливают дилатантное упрочнение обп Мац,1й
их эластичности и сообщают хрупкость. Послед™?0®1 -Чу
личсннс сдвигающих напряжении на образец вед ТеЛЬн°Ч
его деформированию и, следовательно, к упрочнен! К СИ11Ч
эластичности и способности к течению. Увеличение К S
до 7.8—14,7 кПа вызывает хрупкий срыв образца Напря*«ь
Пески, имеющие незначительное содержание
частиц (1—6%), обладают невысоким значением модуля
тн, но пределы их текучести и прочности выше, чем н
у послеледниковых глин. что. <-----------
дилатантного упрочнения песков при деформировании”^-'
Агчлтпта’» rt плтн/ч.-'т! »л \Тг»л «« --
стых частиц (например, в моренных или лёссовых грунтах),
зывает повышение значения условно мгновенного модуля.
Таким образом, естественные структуры изученных осад
ных пород в области постоянной наибольшей вязкости
Рк-1) на всех стадиях литогенеза являются эластично-вязки
упругоэластнчно-вязкими, упруговязкими или упругодилатант
вязкими. По мере старения и уплотнения пород, т. е. в пром
литогенеза, возрастает интервал напряжений, в котором они
храняют указанные свойства.
глннвс^
очевидно, обусловлено
1R ППП 1РгГ|АП\шпап»....
, - • ,, • -r~r......r-“«nnn, a TJU.
их большей плотностью, увеличение содержания в песках гл»
t'Tklr ЧЛГТПИ /иапппчоп n irnnmrm i -X»------
- пднУ °чеИЬ I
cOnst- поро^'^’ стрУ1<т^рЬ1пнпя п° 0 Р /по чт0
..
Цельного п I сОСтоянии слишком 1 ,юКазыва-
М^е«е влажные "Ценные результатьг раз-
Дтнм методом • Е1 рушении струкПТ* ® характера
и »сс'1С7щ°едение порол ИР' ав11СИмости от ооо ассматриваем
йдадаг» »-»'•
6.7.1. Вязкие дисперсные грунты
На рис. 14 приведены схемы Р^ХнГлитифи^ШШ пород
ких пород. Несмотря на различу о «г®»’ > 1 них является
со стабилизационными структурам , л ВЯзкостью при
способность к течению с истинной ньюто”^°“ ^пела проч-
предельном разрушении структуры, т. е. VUU,TX попои ко-
ности. На рис. 14, а приведена кривая для плывунных ^род
торые при их естественной влажности отличаются очень малой
вязкостью предельно нарушенных структур от 0 до о 1 а-с
(плывунные разности послеледниковых морских глин Карелии).
Как только действующее напряжение превысит предел прочности
пород, происходит вытекание их в откосах, шахтах. После снятия
напряжения глины остаются в разжиженном состоянии.
Дисперсные породы со стабилизационными структурами сред-
ней и высокой степени литификации (туронские мергели, кемб-
рийские глины, каспийские отложения, юрская глина г. Обояни,
КМА и корка послеледниковой глины), синеретически упрочнен-
ные и уплотненные, текут выше предела прочности Р' с ньюто-
новской постоянной вязкостью от 30 до 300 Па-с Однако плы
вунными эти глины уже назвав однако плы-
вязкость их RMmun п аТЬ нельзя> так как наименьшая
-......- ""
89
6 7. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
С НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
В связи с нарастающим разрушением структурного каркас
по меРе Роста напряжений методика определения их-
рчмри? !0ННЫХ ос°бенностей должна отражать соответствую^
женш’.НИЯ ИХ механических свойств в широком диапазоне напJ
tvd R no? В области наименее и предельно нарушенных стр?
поведения пппП°ЛуЧеНИЯ такой напболее полной характерней
род мы в дополнение к описанному методу п0,
вались также методом определения ^-=f (Р)' и W Df
лее полного объёмноРа ВолаРовнча- Этот метод вследствие^,
с большей точност! i/° РазРУШения структур в потоке 1103
и наименьш\-ю°ПреДелять Динамнческий предел теку
(Пт). Указанная областЗК°СТЬ пРеДельно нарушенных стр.
лу, ввиду Kpaf ’ ь пРактнчески недоступна пеРв0^я те-
88 медленного достижения установившегося
1
"°ЛЗИ'^ °пблаДа,от о ПрУтоВяз,
ре сИятИя ’ пРакгичег,С,,Ос°5но<> К,,Л1" И
...
"°*' ^ое^я П.,^б»осг°бУС^^
СПОВ°<^Х
6)
Ос
аг
ЯН'Иц
a)
рИс. ,
’ J4. **
Л?и^рсн'
кЧе ЯзКие)
Л--;
Осттг
3,Ои'-|«,
~,>р> »
fOT^e „
nPu PPu
>Pm: б u
- « оРт^ЕвР1в^
оч^
НХ^>4ЯЗ,,‘
Ва Ха\РИв 14 > 4
Ческая ‘!.кТеРная “Р’Ч
т°рв,хя дрввая я ₽<;
^‘оперв^ввостей ’ "*/
1х пОро
HbI?< СТА К°НДргг С ПР- /
Н^код, РУКТУР: n Ca^J
СЛаяДе^ МоРские°СгЛе^1
вь/е РСВатые гЛИнН
гопНеМел°'
m чъ Вород cw глинр^‘«
пПре^Дове\Вв^
1 о^носТи екУчести я I
ихГ° т^енряИстин^яА
ре янная вяз-!
Р.Па
7г^еД-еРсНь,егруигЬ1
V -7 6 тское поведение дисперсных пород изучалось нати-
Рзздр ТОЙЧ? V'i Регуляционных и пластифицированно-коагуляционных
'ваа ^чнЫК коагуаЗЛИЧНой степени литификации, принадлежащих в
сТРуКТУРяк морской формации. На рис. 15, а приведены кривые
оСН°пород малой степени литификации — илов при
Тг а}
dT
естественной
6)
6)
PLP^P,
р р
Гг
Р,Па
Рт РПР
I
I
I
I
I
I
рк-гРт
РК-1
\ •
?0
Р~н-2 р:
к-1
чс-г^т
а3РУ1Пег УРпо-3я3.
П°-ЗНОг? СТА
РиУктУра Вп
s-г"
РазлииМени- РепПе,,Но Ра,Р°^е Ве^тв Их Пор ° Достаточно
*оэ£РНЫв про1Уогичес^РУшДЮтЛПь,Тд\В твк*е *’ обус„.
ВоДопоРИентУ аУУт°в«Ые "сс-’о.7'„" ВосДн Коцъ°к,'сленнш
сапГрег«РоваиТИпв< поУВВяНсав"ониые
г*иНПр°ПеД»: о"0»* <°a<Z‘°TcsI m
Довив л ТельНое вое,У' Д»спепЛаневь^ ЗКими Нвль3а Вв1Делип
ях- вРеМя ^версн ,е НаКо та11 оделап
’» Ществовав"°Родь,, Ув«ия В ввляются
е ° ,'ОНти₽‘,иРОп'<ОМСК,,Х
Инента°3авшнеся
ЛВВЬ1Х ус-
Зоне
, ЧгоВЛИв^~Ь
РИс.
15.
1руНтов
-
ие пластичные
Ческа^ вязкость
ИрирХН0СТИ и пасты Хвалынском глины. На рис. 15.6 показаны
с Ь1е ДЛя илов слабой и средней степени литификации с есте-
венной влажностью, а на рис. 15, в —для паст пород средней
фепени литификации. В последнюю группу пород входят спон
ДИловые глины г. Киева, сантонскпй мергель Воронежской обла-
сти, нижнемеловые глины Поволжья, кембрийские синие глины
Ленинградской области, юрские глины района [линки. К IV
Для илов и для паст хвалынской и неокомскон коренной глин
характерна способность к внезапному разжижению выше ди
мического предела текучести Ph 2, вследствие полною разрушу
пня рыхлого структурного каркаса и освобождения имчо
’ ‘ной ВОДЫ, ив дальнейшем к течению с постоянной нанм^н.
шей пластической вязкостью ц*, (по Бингаму).
ЗАВИСИМОСТИ _f/n>
~Г[Р) И r]=f(P) ДЛЯ ДИСПЕРСНЫХ ПЛ ИСТИННЫХ
тиксотропные* грунты; б — эластично-пластично-вязкие грунты: в — шаг-
<-Рунты; -и и Т) — соответственно наибольшая и наименьшая пласти-
V гп
91
ТАБЛИЦА И
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ С НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
Порода и место отбора Глу- бина, м Н/,»/ pk-i Рг Pk~2 Рт Р IPb т k— 1 СТ 1 о. "s а. 'т По Степень восстанов- ления структуры
Па
1 2 3 4 1 5 1 6 7 8 9 10 п 12 13
Послеледниковые гли- ны Карелии 6,6 2,6 1,5 69 89 73 Диепе] 5-10 102 1,6-102 эсные груь 1ты при ес тественног 1,9-102 3,5-Ю2 3-102 влажг 3,8 3,5 1,8 III I 2,4 2,1 2,6 — I 1 1 Большой гистере- зис То же Гистерезис
Сапропели водоросле- вые, оз. Святое (Сорг — 69%) 5 1192 4,5-102 — 6,7-102 1,5 •— 5,7 — — »
Сапропели глинистые, оз. Неру (СоГг — 12%) 1,5 433 1,2-103 1,6-103 1,6-103 1,8-103 1,5 — 10,6 — | — ! Большой гистере- 1 / зис
Ил современный Чер- ного моря, глубоко- водный Ил древнечерномор- ский, глубоковод- ный 0,07 0,29 126 277 8-102 1-103 9,5-102 1,2-103 1,2-Ю3 1,4-10» । — 1 1,26 | 1,9 1,16 7,5 — 1,75 Гистерезис i 8 16,5 1з 1 Очень большой / гистерезис
Ил Азовского моряА 0,89 \ 164 у 1 co^VeNieiAvwsXvv у \ 2-—— | 1.2-10“ 1 .5- Ю» \
“VV а, \ 'О Хг-Г’ 1 ,9- ГО” \ 4.7 \ \ \
4- Ю3
131
чй Ч«Р'
,дд «с;“лб°-
v 1Л09Я’
О,О7
4-102
\ 2 2Ь
So^
грун^°
3 \ \ 4
П“стЫ , . 6,|0>1 6,9-'° \
I к 6-'О’ ' 6’
4,8-10’ ' 6Л
ЬоЯ.ш<Л
зис.
унстерезис
Wno® Т“№а6*
7,5-103
д (. ,0И 6,2-
5.4-W3'4'6
хвалъгнекая,
Глнна
' Заволжье
_ \55.8\1.«'W3
3 5 2-^ ' 5,4Л0
^\4’6Л
зЛ \ х,°
, , , 3 > зо \-И1Л \
58.юм 7-бЛ№' 3'
5,2-
'Хо
' о \ 25 \92Л>\9'5
7Г\\ .38 ' Й '
„,1Р ГЛИН»’
Спондиловы
г. Киев
4Л03
\,7-W3 \Ъ’
__ \27,8
7------"Т„ 7 ,«> \ 9.3-1№ \
д. ,Ю \2.8-'®1 Г5 \ \
Юрская глина, V<N\i \ \ \ \ \
V линки 1 \ \ \ '
Кембрийская синяя
глина, г. Ленинград
Нижнемеловые V^Q.
Саратовского
волжъя
37 ,5V*.2\ '
\ , ,5 \ 50
3,2 \'’® \
3,2 \'-®
\ , л X »
40 \57 ’Л \
' 7.\03\9’8Л°3
•М a-'* \l>' \ J______________________
—— \ \ _ ,,
\ \дч9.\ОцеиЬ
\ . <о \ 50 V55 \ ’ \тер^лс
3,6 \ V’X \ \ \ \
Продолжение табл. 11
* Ло * П,п Степень восстановле- ния структуры
Порода и место отбор а Глу- бина, м W, % pk-i Рг Pk~2 рт а / d 1 А! а. S о. Чр/
Па
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Неокомские глины Ульяновского По- волжья 146 — 3-103 5,7-103 7-103 7,8-103 2,6 1,11 21,3 225 3,75 Очень большой ги- стерезис
То же, выветрелые 2,5 — 5,1-Ю3 6,9-103 — 1,7-Ю1 3,3 — 20 125 6 Гистерезис
То же, оползневые на- копления — — 2,2•103 4,8-103 — 7,3-103 3,3 — 17 82,5 — То же
Сланцеватые нижне- немеловые глины Саратовского По- волжья 80,5 61,4 1,2-103 — — 7,3-103 6 — 32 — — Большой гистере- зис
Ту ронский мергель, г. Кричев 24 57 103 — — 4,6-103 4,6 80 — — Пет гистерезиса
Корка послеледнико- вых глин Карелии 0,85 40 2,2-103 — — 1,1-104 5 — 300 — — То же
Чистый мел, KA'IA 39 34,5 — — 1,5-Ю3 1,7-103 — 1,1 5 — 0,65/ Большой гистере- I зис
Чистый мел, Орлов Лог 4 28,8 — 1 1,3-103 1,9-103 j 1.2-Ю’ 1 — / 1,4 1 6 / / 5 / 7<> ЖС
Вязкие
tut""0"
Тяппородаеии10
Па с
И 'V"e««“e K"°£au«°ft
ле*»1”1
<оМУ
р Пэ
г П1
9.3,5V°2
«не reKV^V1’
послеледни-
- FS;S'"
' s«S;ss -•-
струк1уV
к этой гр^нп®
КХх норол-
,альв°»
^озерные
оползневые
отноеяг
конгинен-
форманИ'
очложенин,_
накопле
о на поверх-
кие)
ир «сильно-
\ CTaSS«" стИКпое-
\ да»» CBS«e' «о^.
\ деледниьо иОслелеЛ-
\ глины, нор^ сапропе-
\ пиковых ГЛИ'> аакоп-
\ ли’ 0П°Хветре^ые глИ-
\ лепил, выве мерТелъ,
\ ны, ^povxcK^ слаиае.
\ нижнемеловые
\ \ валые глины
ж
s
Ct
С
Я Е
с
2 5
С-»
о
3 s
£ сз
Я *
S
О
оз
с
ь
р-
со
&§£§
с * ё.§.
§“§?=
X О с 1 °3
X У ° Я Ь
fcj О 2 я
О CL нГ Е
'О О £ ® 2*.
>, ». К СИ 5 -S
1 эд и ч
s 5 6
S 2
S X
S °з
>— и
г> г4
ЧП X
О я аГ у
§- о з ’§
= ° 2« ! 2 - °
а>
о X
Си х
CJ (D
О 3 S - . =1Д£ -
s а 5 <и д к 5 s о
SxSs-t-eSEf.s Ч
Е С S - Д о >,н Я я Е
s
LQ
Cl
см
со
S*5 =
ч u о
0J - Ч
S к 5 =
со
ю
о>
см
з восстанов-
д„,....
=“4"rss^
структуры м^ьш»- действующего" ^довскои в«*новИтся все
тивнои вязк VI0IIjnft постов пород оИ „црй степени
уступ, соответ т у еских св и иЛОв средучаСток,
соответствующий течение „ с наименьшеи
* (по Шведову)- г>птиетствук>ЩИИ теч ппеделом Рг,
* этот отрезок кр'-е-^рь,. ограничивает я "Р^учес™
степенью разруш изок к бингамовскому Р их течения
рОТОРёЙростСо\Гстепени литификации W°«свтаточно полное вос-
Й'шведовской в’зкопсь;ЬЮноН"тря на это, подвижность ^вос-
становление структур :велич||вается, так как й 1
становленнои струк ур
"T^Z-eHb. реолог-скпе
пВа'Тен^ыГх7рРа™испГкТи различных дисперсных грунтов, тип
их°деформационного поведения при нарушении структуры, °ДР^‘_
пеляемый их составом, характером структурных связен и состо
нием, закономерно связаны с условиями формирования и сущест-
вования пород. Приуроченность пород с вязким и пластичным
типом деформирования к породам континентальной и морской
формации проявляется еще в более четком виде по сравнению с
их естественными структурами.
6.7.3. Дисперсно-пылеватые грунты
О
к(
0J
и
а
CU
X
X
о
о
5*
S
О
G3
Присутствие обломочных частиц в породах проявляется в том,
что отрезки реологических кривых (при Pk-i) отличаются раз-
начСа°пкип0ДеК’ ИЛИ отсУтствием начального участка, или сдвигом
Нт Ш1Г щРАЗКа крнвой в СТ°Р°НУ больших напряжений,
водонасышенныу "?казана типичная реологическая кривая для
(но не истиннс)-вяз^^ к гРУппе вязки*
пределов текучести и ппоп лЭТ11х грунтах нет выраженных
Ют пролювиальные пазности Ианменьшей вязкостью облада-
глины, наибольшей Р- епР име1°Щие незначительную примесь
"Ы^ХНН-1е Лёссы ТашкентТаИ₽0ВаННЫе Э0Л0ВЫе лёссы УкРа'‘‘
нарушенных
В11скозимр' ПоР°Ды этой группы ...J.y1110 упРуголилатантно-вяз-
чести отмТра В°ларовича при moL 11ССЛСД0вании с помощью
7 л 0Тлича*>тся большой косЛюНОпбИ °К°Л° ГРани*ы т*ку-
низкостью, обладают признаками ди-
96
97
„типсти в связи с прочной микроагрегацией и высок,
латантнос в текучести и прочности. Для камей*
ЗНЛсаНусловный предел текучести равен 1.6 10» Па, преюл
лесса условп ( 1 вязкость предельно нарушенной ет№*
очГнь высока и составляетД5-10» Па^стерезис о.........
ОшбеенияеТнапряже“ий вязкость тот.ис восставав
de а) •
de
ar n)
6)
По Мере
вается
6)
и
' h
г 7т
h
Л ! Р '
7 п р.
Р.п a
7
Р„_,
p„
r
I
V
h
J
f’HC. I6
de
ЗАВИСИМОСТИ ------ -/(Р) И Ч’МР)
dx
ДЛЯ ДИСПЕРСНО ОБЛОМОЧНЫХ ДИЛАТАНТ
НО ВЯЗКИХ ГРУНТОВ
<< плывунные пески; б — просадочные лесс^>--
грунты
РИС 17 3\ВИСНМО< ТИ —
Л
И ДЛЯ ДИСПЕРСНООБ-
ЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
1 дилатантко-6инеа<юеские i як-
си, ««4 и г. п.); 6 — Ju.ioTiwr»*
шеедовские ( парена. efccoette гр»»
гм в г п )
пылева-
восстано-
ают, что лёссам не
1 приписывают при
течение), так как
Таким образом, вязкость ту,, лессовых пород после нарушения
их структуры может служить критерием наличия в них дисперс-
ных составляющих, хотя н прочно сцементированных в агрегаты
Образование горбов на реологических кривых обусловлено аф-
фектом дилатантного упрочнения при нагромождении
тых частиц и агрегатов в зазоре прибора. Гистерезис в
влепим структур в лёссовых породах мал.
Реологические кривые отчетливо показыв.
свойственна плывунность, которою им иногда
полном водонасыщенин (г. е. истинно-вязкое
частицы не стабилизованы.
6.7.4 Дисперсно-песчаные породы
При нархшеннн естественной структ
соответствующей границе текучести по Л
репных отложений деформируются
98
уры и при влажности,
гтербергу. образцы мо-
как шведовскне. шведовско-
/гПпнистые разности) и дилатантно-шведовско-
бяигам^е Дпесчанеяные разности) тела
бпягам°вск" /мнчеСкого предела текучести Pft_2= (6„.8)103 Па
Выше Разрушение структуры, тем более резкое, чем выше
пР0,1СХОДНпдержание песка. Значения наименьшей бингамовской
впор°Де с раВны в среднем 14 Па-с для глинистых раз-
вЯзкости Па с для опесчаненных. По мере снятия действую-
носте"‘'яжений сдвига наблюдается гистерезис в тиксотроп-
шИ'\осстановлении структурной сетки (табл. 13). Для исследо-
Н0Миых пород, особенно для опесчаненных разностей
Вак'1Н1ПЦева- характерно наличие бугров и пиков на отрезках
'ривых которые соответствуют течению со шведовской пластиче-
(ф,ш вязкостью (рис. 17). Это объясняется дилатантным упроч-
нением образца вследствие нагромождения песчаных зерен и
агрегатов в зазоре прибора и последующим срывом этих зерен
с ростом действующего напряжения. Для таких пород шведов-
ская вязкость может быть рассчитана лишь приближенно.
Большие количества песка обусловливают проявление эф-
фекта дилатансии, ведущего к повышению значений пределов
текучести при деформировании, к упрочнению и разрыхлению
при сдвиге и к р< ткому снижению вязкости при срыве грубодис-
персных зерен. Благодаря более выраженному эффекту дила-
тансии. оиесчаненные породы г. Канищева, имеющие значитель-
но меньшие шведовскую и бингамовскую вязкости нарушенных
оруктур, отличаются в то же время достаточно высоким преде-
•юм гекуче< ги и поэтому обладают относительно более высокими
’иа1кннчмп пластичности по Воларовичу (Pk-i/rp; Рк-яНО’
чем отложения района г. Рязани.
Lil!'-l|V । раз i\i, в широком диапазоне напряжений, в области
1 ' менее нарушенных структур и при максимальном их разру-
1111,11 1 ''< ч. ется строгая зависимость деформационного пове-
|" ’енных отложений от соотношения в них частиц песка
I:,i ' что может служить классификационным показателем
1 1 npoi позирования деформационного поведения моренных от-
рн инженерном воздействии.
- 1ч гаи гные явления особенно выражены в среднее ломоч
111,14 ’ I’V iirax и в сильно агрегированных (см. рис. )
Резинные плывуны, стабилизованные ^юсоб-
в"м обнаруживают при реологических в выше/> /см.
к истинно-вязкому течению' г себя как дилатант-
, \ При малой ^ажноСеюк ШВедовской пластической
•1(J бингамовские системы, огре_ ВЫСокой дилатантности
Г!я<косги у них целиком отсутс у я
"еска (см. рис. ,7-а);и(/ псМОгическис свойства исследованных
В табл. 13 приведен ‘ Р ов а в габл щ обобщенные
Дисперсно-обломочных РУ
Данные.
99
7*
о о С HAPJ 'ШЕННОЙ стр^ктурои^р^ гИС(вллжНно°ЕЛО,,1ОЧНих "'уитов ТАБЛИЦА 13
Порода, место отбора Глуби- на, м • о/ Р'г П Pk~2 а р т Г <е Q. о. г о? S Q, ^0 Гистерезис
Плывунные супеси, юрские, г. Моск- ва 79 33 40 — — 3,5-102 8,7 1,8 — — —
Плывунные супе- си, четвертичные р-на Салехарда 52 34 15 •—- — 103 6,6 1 — —
То же 52 27, 7 — — 2,6-102 3,9 • 102 — 1,4 / 4 — 1,85 1 Большой
Лёссовая супесь, с. Степное, Став- рополье 3,7 j 21, 6 3,8-103 — 4,6-103 7-103 1,5 23 1 8,7 / То же
Лёссы, Голодная степь 3,5 27, 4 102 — — ,2-Ю3 1 12 / — у 12 1 - - / Очень малый J
1 / / / / / /
Лёссы, с. Бобрины, УССР 2,1 2£ 1 .,7 6.102 — 1 4.Ю3 6,6 \ \ ВО - - ^1о
Лёссы, г. Кремен- чуг, УССР 1 \2 1 7 7-Ю2 — 5-Ю3 7,1 1 100 \ 1 э
Каменный лес ПриташкентскоГ низменности 1 — 1 J — ^2,6-103 9-10» — 1,1.10* 4,2 253,5 i 275 1 >
Лёссовые породы, 1 1,9 1 с. Дивное, Став- ' 1 рополье 1 1 — 103 1 1 4- Ю3 4,8-103 6,2-103 6,2 1,2 50 195.8 12,5 >
Моренные отложе- 1 — ния, p-и г Ряза- I ни ^31,6 1,5-10> 5,3.103 7,8-103 10* 7,3 1.2 60 150 15,9 »
Моренные ОТ АО Ж*- — имя, р-н г Канн- щева 2 20,5 1,4 |( " 3,6-10 4,5-10» 5,Ь 10» 3,6 1.1 10 40 1.77 •
ТЛЕЛИ
ш
С
f-
>.
й.
Ш
U
ш
3"
—
о
ч
о
ш
о.
и
а
т
и
102
...ких и пылеватых песках, содержащих вески,
0 Л дисперсных частиц (1—6%; и
,|рИ?ными или конденсационными структурными ,,;л’
реологические свойства на вискозиметре ВоЛ'ДТ'
-Й |6] даже при высокой влажности нельзя ввиду бып
1 ментааии и резко выраженной дилатантности гРоисе-
Д Определять вибровязкость таких песков следует в
вибрации, что хорошо моделирует их состояние при “ранении
Проведенные исследования показывают, что ифоомаиилГ
н0е поведение естественных и нарушенных структур супытвенип
отличается. Естественные структуры глинистых пород в области
наибольшей постоянной вязкости на разных стадиях литогенеза
являются эластично-вязкими, упругоэластично-вязкими упр
вязкими или упругодилатантно-вязкими телами. По мере старе-
ния и уплотнения пород и уменьшения их влажности возрастает
интервал напряжений, в котором они сохраняют указами
свойства. При малой степени уплотнения и литификации ча-
стичность пород велика, а скорость развития эластических де-
формаций меньше скорости последующего течения при Р=совЛ
На средней стадии уплотнения и литификации скорость разам-
тия эластических и вязких деформаций одинакова. С увелкчеиг-
ем уплотнения и прочности пород роль эластических деформаций
уменьшается в связи с уменьшением подвижности структурных
звеньев, скорость развития эластических деформаций превышает
скорость вязкого течения. Роль упругих деформаций начинает
ощутимо проявляться на стадии среднего и особенно высокого
уплотнения и упрочнения.
Нарушенные структуры в зависимости от характера струк-
турных связей и степени уплотнения и литификации пород мокут
быть условно истинно-вязкими, упруговязкими, упругопластячжь
вязкими, дилатантно-вязкими, приближаясь по своему поведе-
нию к ньютоновым, максвелловым. бннгамовым шз> .
тел .
Для оценки деформационного поведения естественных стру»
гур осадочных пород следует пользоваться м<.годом
семейства кривых кинетики развития .и<р<фма “ Р т+АгЛ ста*
Для оценки поведен я нару ' следует „•^мо1мгы;,
пени Уплотнения и литнфикц |,орч.,ц„„ от действующе»
определения завис. мости ц,мнные «фа»
напряжения сдвнгж II ^..„„риюмт» «И-
<',”<йь.отона ластичные породы с ко.иу.ч...... ИИ»
мои Ньютона, ПЛ‘1 яМ0Й БИН1 амя По» iV
рами при / > л-2 уплотнения и лнтнфнкаш' i м >жно окре-
"ор0?, Хмп мёг" ".о.—,............дел.Тмак.-вс-л.ы н Шм£
леЛ™отвстст..еии.. ДЛЯ естественных н нарушенных струм
ва Пенки поведения пород со стабилизационным'.!
Для о степени литификации юстаточн HW*
лысокои
1»1
ак о*и 1СК5Т бе3 разр5Шения
____ --Г^свелла. мп подчеркнуть, что при оценке \
„пелью Ма необход««° "м со стандартными »«№< \
« м??ЛклЮче1"’С ” х «ар»W f даМО большое внимав й \
"типа
Глава 7 ПРИРОДА ПОЛЗУЧЕСТИ,
ПЛАСТИЧНОСТИ, ТИКСОТРОПНОСТИ,
ДИЛАТАНТНОСТИ, ПЛЫВУННОСТИ
И ПРОСАДОЧНОСТИ ГРУНТОВ
Проведенные комплексные исследования диспепгик, I
гХРСН°’ОбЛОМОЧНЫХ грунтов показали, что их реологические Ж
ства всегда закономерно связаны с особенностями состав,В°И‘
стояния грунтов и с режимом их деформирования. С0‘ !
Все реологические явления — деформации течения возник™
щие в грунтах вследствие постепенного или мгновенного разру
шения их структуры, — развиваются во времени. Таким образам
для количественного и качественного исследования инженерно-
геологических явлений необходимо изучать кинетику развития
деформаций в процессе течения грунта в заданных условиях.
Различаются деформации:
1) крайне медленные, типа ползучести, проявляющиеся в об-
ласти весьма малых напряжений, иногда ниже предела текучести
грунта и протекающие при высокой постоянной эффективной вяз-
кости грунта (109 Па-с и выше); чем меньше действующее на-
пряжение в грунте, тем медленнее развиваются в них деформа-
ции, связанные с постепенным разрушением их структуры;
2) медленные, но уже более быстрые, пластического типа
(шведовские), развивающиеся только при напряжениях выше
предела текучести (Pk-\) и протекающие при значительно мень-
шей эффективной вязкости; чем меньше скорость и степень раз-
рушения структуры грунта при деформировании, тем выше эф-
фективная вязкость грунта;
3) быстрые, внезапно развивающиеся при напряжениях, пре-
вышающих динамический предел текучести при эффек-
тивной вязкости порядка сотен десятков Па-с —в тиксотропно-
ингамовски.х и дилатантно-бингамовских грунтах; чем быстрее
и полнее разрушается структура грунта, тем меньше их эффек
тивная вязкость;
4) практически мгновенные (плывунность и просадочность)»
езапно и лавинно-развивающиеся при напряжениях существен
104
ПЯ прочности Рт И при эффективной вязкости
IlUe пров Па с; чем меньше плотность и прочность груи-
дна Дес иг их водонасыщенность, тем больше вероятность
т,ор и чем выш аПного разрушения структуры и разжижения
.нвития в * тя и малых напряжений, но обязательно пр^вы-
Р о в области хсм
уЯ<е В IY Р,. о ИЛИ ”rn’
<„^hiHX
7j. ПОЛЗУЧЕСТЬ
Все горные породы отличаются ползучестью в геологических
иСШтабах времени. Деформации течения в них развиваются
крайне медленно, практически неощутимо, в течение веков и со-
тен миллионов лет. В настоящей же работе рассматриваются дан-
ные о деформациях ползучести, наблюдающихся в лабораторных
условиях в течение опытов по исследованию кинетики развития
деформаций сдвига или сжатия в упруговязких глинистых поро-
дах под действием различных постоянных напряжений. Таким об-
разом, исследуется способность дисперсных (глинистых) грунтов
к течению типа ползучести с постоянной скоростью и постоянной
эффективной вязкостью во всем интервале напряжений от
вплоть до Рт, причем в процессе течения при натр-ж <
меньше Рт не происходит ни разрушения структуры грунта с
ростом действующих напряжений, ни упрочнения грунта а плос-
кости сдвига (см. рис. 12, в). Такие деформации .могут наблюдать-
ся в глинах с естественной структурой и в концентрированных
пастах при преобладании обратимых, чаще стабилизационных,
структурных связей. При медленном течении нарушаемое :ц-?'’ле
ние между одними частицами сразу же восстанавливается межд'
другими, и таким образом все течение протекает без нарушения
структуры и сплошности образца в целом, так как скорости на-
рушения и восстановления равны. В то же время при быстро!
деформации при напряжении, превышающем предел прочности
образца, такие упруговязкие породы хрупко разрешаются Есте-
ственно, что подобная ползучесть наблюдается главным образом
в коренных глинистых породах, достаточно плотных, чья струк-
тура способствует подобным деформациям. Примером мог
жить юрские глины района Обояни КМА, некоторые пжм
ювые выветрелые глины Ульяновского Поволжья и др.
Склонность таких пород к медленным, но ощутимым деформа-
циям ползучести ведет к образованию оползней выдавливания и
к другим медленным иодвижкам грунтов. Эти деформации с
дует отличать от так называемых деформаций ускоренно! пол-
зучести, при которых вязкость пород значительно • > ;.ier при иа
пряжениях выше «порога ползучести» [72. 73) Дефосмлцяч ус
коренной ползучести ведут к выраженным оползневым явлемиш
на склонах, сложенных глинистыми грунтами Г /е г?\нты уже
представляют собой разновидности пластично-вязких грунтов, в
д!чие от упруго-вязких, рассмотренных выше
1BS
7.2. ПЛАСТИЧНОСТЬ
По классическим представлениям (Максвелл, Воч
пластическим дисперсным системам относятся такие ко?001'4) и
пйпйют постяточно высоким ппеделом tokvopptu 1)ь,е ofj.
_____________ _ --------л -----------О ' J ВЫЩе
Ra3Ko.
выще
ластице.
пРеДела
ладают достаточно высоким пределом текучести, но г- ‘
го предела текут с невысокой постоянной пластической
стью (см. гл. 6). Следовательно, пластичность грунта тем
чем выше отношения предела текучести к шведовской п.г-
ской вязкости Pk-\ /т](* (см. рис. 15, и) и динамического
текучести к бингамовской пластической вязкости
(см. рис. 15, а, б).
Пластичность дисперсных систем может быть оценена nufi
по методу определения кинетики развития деформации сдвиг °
либо при помощи ротационного вискозиметра РВ-8 (метод кон
центрических цилиндров). При помощи этих методов определи,
ется изменение скорости деформации и эффективной вязкости
грунта по мере роста действующего напряжения сдвига.
При напряжениях сдвига выше Pk-\ происходит относитель-
но более легкое разрушение рыхлого структурного каркаса
пластичных глин с коагуляционными структурами по сравнению
с вязкими, так как площадь контактов частиц в них меньше и
при разрушении структурного каркаса освобождающаяся иммо-
билизованная вода способствует увеличению диффузной гидрата-
ции частиц и облегчает скольжение их относительно друг друга
без разрыва сплошности в достаточно широком диапазоне на-
пряжений.
Диффузная гидратация глин создает предпосылки для осу-
ществления пластических деформаций (в области шведовской
пластической вязкости), что подтверждается проявлением плас-
тических деформаций только по мере нарушения структуры при
напряжениях выше Pk-i- Естественные структуры глин всегда
упруговязкие, но не пластичные. Смачивание порошка или сухого
монолита глин неполярным очищенным керосином не сообщает
им пластические свойства из-за отсутствия диффузных ионных
слоев [20].
Следует подчеркнуть, что пределы текучести и прочности вяз-
ких пород слабой степени литификации на порядок ниже, чем по-
род с коагуляционными структурами, а наименьшая вязкость
их в среднем равна 2 Па-с. Напротив, значения прочностных
пределов пластичных и вязких пород средней и высокой степени
литификации имеют одинаковый порядок, но конечная вязкость
(r]m) в 4—6 раз ниже у пластичных пород, чем у упруговязких.
Наибольшей шведовской пластичностью по Воларовичу обла-
дают монтмориллонитовые глины с резко анизодиаметричными
частицами и содержащие свободное органическое вещество и
карбонаты. Высокой пластичностью обладает также гидрослюди-
сто-каолинитовая синяя кембрийская глина.
Большой перепад вязкости в
„„ровании обусловливает их значител^"Ых поРОдах .
акгелъио пучение в. итЫьиую ПОД%Л*’С’’РН деф0
ся В наиболее пласти юность. Дейст
иенейт и IO. А Пес ~
значительно С
тичиые. А. К. Кор
тивны в этом отношении
жащие значительную —
-”°”ий скорость
(ууСЛОВЛИВае I п,. --
чение в подземных выработках и шахтах ппозяшг
•стичных разностях пород. Поданным К в Pvn’
. м. Песляк [118], пластичные глины оказывают
Цельно большее давление на тюбинговые крепи, чем неплГс
Звчные. А. К. Кориковская [56] также считает, что наиболее ак-
!п’,ы В этом отношении монтмориллонитовые глины, часто годен
^ащие значительную примесь органического вещества. С ростом
напряжений скорость течения (деформации) в пластичных гли-
нах во мере разрушения коагуляционной структуры возрастает
быстрее, чем в вязких. С разрушением структуры пластичных
глин связано также образование валов выпирания, оползней
выдавливания и подводных оползней.
В более влажных и пористых разностях глин с коагуляцион-
ными или пластифицированно-коагуляционными структурами эф-
фективная вязкость выше предела текучести не снижается так
сильно, как в пластичных разностях, вследствие ощутимого уп-
рочнения образца при сдвиге за счет уплотнения структуры при
ориентации частиц. При напряжении выше динамического пре-
дела текучести (P/t_2) происходит внезапное и резкое снижение
вязкости глин вследствие их тиксотропного разжижения. Вяз-
кость таких грунтов восстанавливается во времени. Очевидно,
такие породы нельзя назвать пластичными, так как механизм
пластической деформации состоит в скольжении частиц [143].
Высокопористые коагуляционные структуры, имеющие высокую
влажность, правильнее называть бингамовскими, вязкопластич-
ными (тиксотропными) системами.
Следовательно, бингамовская пластичность не характеризует
подлинные пластические свойства глин, но может служить в ка-
честве сравнительной характеристики тиксотропных коагуляци-
онных структур.
В зависимости от задач исследования следует определять от-
ношение Pk-i/РоДЛЯ шведовского отрезка реологической кривой
(характеризует область собственно пластического состояния глин
В интервале напряжений Рь-,-РД или отношение А-./ч. для
бингамовского отрезка (характеризуетобласть тиксотропию
состояния глин в интервале напряжении Л-г-А,). либо сум
VUCIUMHHM 1ЛНП г отношение пластичности для шведов-
марную характер длд бингамовского отрезка, что
дае^болеХлную оценку пластических свойств глины в ингер-
ВЯЛВ ш^жшшрно-геологичёской практике широко распространен
°об оценки глинистых пород по числу пластичности и конси-
СП ши В СНиП для оценки строительных свойств пород широ-
стеН1.пользуется значение влажности при границе раскрывания.
к0 И числу пластичности оценивается дисперсность пород Число
а П° ичности по Аттербергу представляет собой разность в нро-
пл*с ж
106
А0/
7
0,5
Qfi5
OS
0J5
OJ
55-
Pm, МПа
0,55
W,r
>k
Г
-----
• n (C
W-—
5:
пентном содержании пастой глины воды при верхнем и ни
пределах пластичности, т. е. на границах перехода паст м
пластичного в текучее и полутвердое состояния. Ты На
Применение конического пластометра позволило нам соп
вить некоторые методы определения пределов пластичности°СТ;)'
нистых паст. Так, пластическая прочность глинистых паст ппи4”'
ределении границы текучести методом погружения Ко °п'
А. М. Васильева [13] и П.О. Бойченко
при расчете по формуле П. А. Ребиндера с
ответственно равна 8,4 и 3,2 кПа. Погруж
ние конуса часто вызывает выпирание вокпу
него глинистой массы, что приводит к ошибГ
ке при визуальной оценке глубины погруже-
ния конуса. Вследствие этого фактическая
прочность паст при границе текучести, опре-
деленной методом А. М. Васильева, равна в
среднем 10 кПа. При границе текучести, опре-
деленной на кулачковом приборе, пластиче-
ская прочность паст, измеренная коническим
пластометром, равна в среднем 5 кПа для
глин; 3.5 кПа для суглинков. Пластическая
прочность глин при раскатывании породы в
шнур до 3 мм в диаметре или при погружении
конуса П. О. Бойченко на глубину 4 мм равна
0,2 МПа. При раскатывании глин до предель-
но тонких жгутов прочность образцов возра-
стает до 0,3—0,6 МПа.
Число пластичности определяется конусом
в диапазоне влажности, в котором пластиче-
ская прочность глинистых паст изменяется
в условных предела?; от 0,2 до 0,01 МПа
(рис. 18). Эти пределы прочности соответст-
вуют пастам, находящимся в различном фи-
зическом состоянии. В этом
случае правильнее говорить
о влажности паст не при
пределах пластичности, а
при определенной проч-
•^4^% ности
Интересно отметить, что
значения Ргл, полученные по
ларовича для пла-
грунтов, равны
~..д тиксотропных В
ДЛЯ
ЛАСТ
/—хли/.-'Лкий; // — 'угль чист «4
///— zx/zzzszuzui каолин, /К—z«.-
zuzerz.-- глаиа, V — лайлопагля глина, VI —
фллъл.лулая. чаепплмлля глина, VH бгн-
7'лжт Гильабы Г/ — глалапания к w-
2 — лолелалгея cnoanfasxi* < oTzpu-z
'-Л t-'Л I— uz 4
ялммал та*'.' г ласт*; 5-«чут-
а*',/ >, л* z гаацл2 я
1tt
9,8 кПа, для ___ройных
грунтов—4,9 кПа. Таким
образом, наблюдается близ-
кое соответствие получен-
ных значений предела проч-
Яоларовичу co значением прочности ласт при испита
,1(>ст» "конусом при иижиеи границе текучести по Аттербергу
в«и»’Ж) ч прочности тиксотропно разжижающихся паст
(^9’,«аемых на кулачковом приборе Казагранде (3 5-
1,сг,ьпл) Метод Аттерберга, по существу, характеризует (иа-
4,9 ' Лие свойства глинистых пород лишь косвенно, по котиче-
сТИ₽иному содержанию воды.
сТ Сзедует отчетливо представлять, что при определении преде-
пластичности, а следовательно, и числа пластичности ссм-
Ляпно учитывается не только гидрофильность минеральных ча-
гтип (т- е- их способность связывать воду), но и способность
грунта к удержанию свободной, энергетически не связанной с
поверхностью воды, иммобилизованной в петлях и порах струк-
турного каркаса. Чем более дисперсны и анизодиаметричныгли-
нистые частицы, тем более рыхлый структурный каркас они об-
разуют и тем выше влажность породы. Поэтому у монтморил-
лонитовых глии помимо большей гидрофильности выше и общая
влагоемкость. Число пластичности их выше, чем гидрослюдис-
тых, а тем более каолинитовых глин. У молодых малоуплотнен-
ных глин и илов число пластичности также больше, чем у плотных
глин. Присутствие органических веществ, способствуя созданию
рыхлой, влагоемкой структуры, обусловливает при переплетении
высокомолекулярных цепей увеличение пластичности пород. Наи-
более рыхлые, глубоководные, современные и древнечерномор-
ские илы обладают и наибольшим значением числа пластичности.
На рис. 19 приведено сопоставление гранулометрического со-
става различных грунтов и соответствующих им чисел пластич-
ности. из которого следует, что при одном и том же грануломет-
рическом составе числа пластичности могут изменяться в широ-
ких пределах в зависимости от типа структурных связей и состоя-
ния пород. Поэтому по числу пластичности нельзя определять
гранул метрический состав грунтов. Так, при одинаковом грану-
ле'. - ическом составе число пластичности существенно выше
<. з 'генных морских осадков с коагуляционными структурами,
г ко.хжо ниже у более плотных коренных глин с коагуляцион-
ными структурами, заметно ниже у континентальных четвер<яч-
ип . отложений со стабилизационными и пластифипированно-кса-
. хинонными структурными связями.
Судя по значениям числа пластичности для подобных пород,
'С жно заключить что широко используемая классификация глин
СУПНИКОВ по ЧИСЛУ пластичности (Аттерберга) была разрабо-
тана на примере именно подобных континентальных четвертич-
ных грунтов.' Однако, как мы видели в предыдущей главе, этм
грунты являются преимущественно вязкими системами и не мо
ДД быть отнесены к истинно-пластичным грунтам Последние
отличаются выраженными коагуляционными структурз-
в высокой гидрофильностью и влагоемкостью и числами пла-
тности выше 15.
Наиболее низкие значения числа пластичности ио
вом гранулометрическом составе наблюдаются у Поро" °Д"Н
тационными или со смешанными структурными связях С ЦеМе'>
— — плплпи Пшш. _ МИ_
^РоваЛ/
""'«Mn.'t
Ь’Х уСл
ТОЛЬКо со4
аКо.
гели, мел, лёссовые породы. Лишь породы, цемент;/
органическим веществом, являются наиболее гидрофилий
иболее влагоемкими и пластичными при всех прочих равщ
виях. На число пластичности оказывает влияние не
а)
1)
100 % о
100% о
750
50 1-
1'
11
8
3
75
25
О
100 %
JS
м
?:
1Г,
13
В)
50
Песок
100 % л О
8
1007.
О 1007. 75 50 25 ----'>100°/о
1007.0 ПеС0к 1007.0
50
507. 25. О 5°507. 25 О507”
Песок Песок
О 1007.
100% 75 50 75 О
Песок
РИС. 19. ЗАВИСИМОСТЬ ЧИСЛА ПЛАСТИЧНОСТИ ГРУНТОВ ОТ ГРАНУЛОМЕТРИ-
ЧЕСКОГО СОСТАВА
а — четвертичные морские илы; б — четвертичные континентальные отложения гумидной
зоны, в — лёссовые грунты; г — коренные морские глины; д — мело-мергельные породы
жание дисперсных составляющих и их состав и форма частиц, но
и количественное соотношение обломочных фракции разной круп-
ности — песка и пыли. Так, из смешанных по гранулометрическо-
му составу пород более низким числом пластичности отличаются
наименее отсортированные грунты, принадлежащие к группам
Па и Нг. Число пластичности грунтов групп Пб и Пв и групп
Шв и IVb несколько выше.
Пластические свойства, как и все механические свойства
грунта с нарушенной структурой, являются интегральной харак-
теристикой, обусловленной комплексом факторов — их составом,
состоянием и типом структурных связей.
110
„ «яачеииям естественной влажности пород „ пределов ш
По ....... геологии до настоящего вр.-да„„ „
"Х К ТСКУ'"'Й Г"""ой «•’» TBepw.
•1яеТк?те.ши" олиако при таком спо ' нкщ
'“’"Невозможно узнать характер их струатуртп еаящй и "Г
Р<«ь цементпрованиости, а также пр ть пород в
"И, состоянии. Поэтому наиболее целесообразным я,
"писделение прямых количественных показателей госта. .
Ясности, структурных связей, плотности, водоиасышеин.
/влажности) и прочности всех порол в естественном гостом»
' также их специфических эластических, упругих, вязких и п ю
сТическпх свойств при заданной степени разрушения структуры
дЛЯ более строгой, объективной и количественной оценки свойств
пород в строительных целях и обусловленного прогноза их по-
ведения при инженерном воздействии.
В табл. 15 и 16 приведены значения пластичности глин по Дт-
тербергу и по Воларовичу и классификация исследованных грун-
тов по пластичности. Как видно, по числу пластичности Иг по
Аттербергу, невозможно выделить грунты, отличающиеся преиму-
щественно шведовскпм или бингамовским типом поведения
воздействии напряжений. Классификация грунтов по шведов-
ской пластичности и по общей пластичности (по Воларовичу I да-
ст близкую оценку.
Из двух методов определения пластичности предпочтение
должно быть отдано методу Воларовича [15], позволяющему
дать строгую оценку пластических свойств и качественную и ко-
личественную характеристику реологического поведения гр'.ч-!
при различной степени разрушения структуры, что очень важне
при прогнозировании развития в грунтах тех или иных икжеч-г
но-геологических явлений.
У обломочно-дисперсных и дисперсно-обломочных грунтов
(лёссовидных, лёссовых, песчаных, моренных и пр.) при опреде-
лении границы раскатывания по Аттербергу или шведовской пла-
стичности но Воларовичу наблюдается закономерное наложен
эффекта дилатансии, искажающее получаемую характерно
пластичности грунта. Происходит это вследствие дилатантного
разрыхления и упрочнения структуры таких грунтов, <
зернами пыли и песка, а также прочными агрегатами сцемею
рованных глин, при воздействии напряжений сдвига (в вискози
метре или при раскатывании жгута грунта в шнур). При разрых-
лении структур происходит увеличение влагоемкое» грунта,
влажности на границе раскатывания и уменьшение числа плас-
тичности В результате же упрочнения происходит увеличат
предела текучести Ph-x и, следовательно, увеличение отношения
н значения пластичности грунта.
Поэтому не может быть рекомендовано определять иластнч-
ть несцементированных обломочных грунтов, се держащих
'рисе 25% дисперсных составляющих, а также пластичность
111
ТАБЛИцл u ПЛАСТИЧНОСТЬ ГРУНТОВ ПО ВОЛАРОВИЧУ и по аттербергу
Грунт W-, % Pfe-1'T’O Pft-2ZV pfe—гпо Pk-2/Thn %
Перемятые образцы с естественной влажностью
и пасты с влажностью
Ил древнечерно- 278 48 400 0,12 179 132
морский 0,0017
Ил Азовского мо- ря, современный 164 2 1080 100 - 76
Ил Черного моря, современный 130 8 320 0,025 86 50
Ил Черного моря, новоэвксинский 104 8 1360 0,005 — —•
Бентонит Гильаби 93 92 1880 0,048 88 48
Хвалынская глина, Заволжье 92 3 Пасты nf 3440 )и W'=W'. 0,0007 61 39
Кембрийская си- няя глина 46 52 484 0,1 44 22
Нижнемеловые глины Поволжья 56 22 252 0,08 56 32
Спондиловые гли- ны, г. Киев 58 28 800 0,035 59 34
Юрская глина, КЛАЛ, Глинки 62 18 720 0,025 64 36
Сантонский мер-* гель 38 18 560 0,032 38 19
Морена Днепров- ская. г. Рязань 26 18 366 0,023 23 14
Морена Днепров- ская, г. Канище- во 21 22 2840 0,008 25 11
сильно агрегированных глин. Такие грунты обладают смешанны-
ми пластично-дилатантными свойствами, которые и определяют
их деформационное поведение.
112
^♦“KAU'*’ ИССЛЕДОВАН НЬ ПО IX ГРУНТОВ НОДАРОВИЧУ ПО „ - таблица к степени пластичности
пластичност. Степень Показатель пластичности Интервал действующего напряжения Грунты
, Сте„е»ь »бше" ' пластичности Сильнопластич- ные Pk—\ Ло ^й-2 Ч >0,1 п Ил древнечерноморский, кембрийская синяя глина
Среднепластич- ные 0,01—0,1 1 Pk-t-p m Бентонит Гильаби, ниж- немеловые глины,спон- диловые глины, мергель сантонский, ил совре менный, днепровская морена (г. Рязань;, юрская глина (Глин ки)
Слабопластич- ные <0,01 J J Ил азовский, ил ново- эвксинский, хвалып- ская глина, днепров- ская морена (г. Кани- щево)
II. Степень шве- довской пластич- ности Pk-\ Ло
Сильнопластич- ные Среднепластич- ные >40 15—40 i Бентонит Гильабм, кем- брийская синяя глина, ил древнечерноморский 1 Нижнемеловые глины, спондиловые глины, сантонский мергель, днепровская морена (г. Канищево)
Слабопластич- ные <15 J 1 Ил современный, ил Азовского моря, ил но- воэвксннский; юрская глина (Глинки), хва- лынская глина, дне- провская морена (г. Рязань)
III. Степень бин- гамовской плас- тичности Сильнопластич- ные. разжижаю- щиеся в узком интервале на- пряжений сдвига Pk—2~“~Pm 1 ) - 3000 1 Р k~2 Р tn Хва лынская глина
113
427
8
Продолжение
Степень
пластичности
Среднепластичные
Слабопластичные
Показатель
пластичности
Интервал дейст-
вующего напря-
жения
1000—3000
1000
--J Ш
Примеры гр)Нгов
——
Ил азовский, ил новочВк,
синский, бентонит
Гильаби, днепровская
морена (г. Канищеве)
- - - ---- -юрский,
' кемб-
глина,
глина,
глина,
мергель.
Ил древнечерномс
ил современный
рийская синяя ’
нижнемеловая
спондиловая
сантонский I-
юрская глина (Глин-’
ки), днепровская Мп
рена (г. Рязань)
7.3. ТИКСОТРОПИЯ ГРУНТОВ
Разрушение при механическом воздействии и последующее
самопроизвольное развитие структуры во времени под влиянием
броуновского движения молекул дисперсионной среды — тиксо-
тропия — представляет обратимый изотермический процесс
[1«].
Тиксотропное структурообразование возникает при малой
площади контакта частиц по наименее гидратированным местам
их поверхности, при общем высоком содержании воды, которая
сосредотачивается в порах образующейся пространственной сет-
ки. Способствуют тиксотропии палочкообразные или пластинча-
тые частицы. Необходимой предпосылкой для проявления тиксо-
тропии системы является содержание некоторого процента час-
тиц <1 мкм. Если система состоит из частиц размером 10 мкм и
больше, то она нетиксотропна, так как под действием своей мас-
сы частицы укладываются компактно. Предел, при котором даль-
нейшее возрастание размера частиц уже затрудняет процесс тик-
сотропии, лежит близко к пределу, при котором еще обнаружи-
вается поступательное броуновское движение, т. е. около 5 мкм.
При пропускании переменного тока через тиксотропную пасту
она разжижается; постоянный ток способствует ускорению за-
твердевания тиксотропных паст [136].
Несмотря на широкое распространение явления тиксотропии,
до последнего времени не было методов для количественной
оценки тиксотропных превращений. Г. Фрейндлих пользовался
чисто качественной характеристикой времени застудневания.
В дальнейшем пользовались вискозиметрией, изучая изменение
вязкости во времени (Макмиллан, Скотт-Блэр, Рабинерсон). Су-
ществуют методы, основанные на разрушении и частичном вос-
становлении структуры в потоке. Прайс Джонс, Грин, Уельтман
114
„т характеризовать тиксотропию площадью пет«|М
<4»«,г*^снятии Прямой и обратной кривы» тетепия в ~>т,
*'козиметре. Тиксотропное упро,^^ -
' .„п.чшых различными катионами, опре.ь • ... ,
г.з^м ”еТ0Д0М п<”-РУжения1'и^"^ Н Г Коигаще, ярХ
^''""„пределять тиксотропию в U-образиой трубке Для .
ж"-1процесса тиксотропного структурообраэонаиия п Ар.
Р1,сТ,’п предложил метод непосредственного измерения кинетики
Тетания предельного напряжения сдвига, модуля vnn-- JyJ
Kanvroro последействия и релаксации при помощи тангенци
решаемой рифленой пластинки на приборе Вейдера р.г,,.,'
-ера [К 1^3].
5 Как уже было указано, тиксотропное структурообразовзнне
вполне обратимо, и конечная прочность этих структур остается
неизменной, если в системе нет необратимых синеретических ка-
чений.
Исследование тиксотропного упрочнения паст изученных оса-
дочных пород после тщательного их перемешивания проводилось
путем определения кинетики нарастания предельного напряже-
ния сдвига коническим пластометром, начальной и ковечмй
влажности образцов. Затворенные при определенной влажность
пли перемятые образцы хранились в гидраторе. Полученные ре-
зультаты представлены на рис. 20.
Выделяется несколько типов пород по характеру их тисо-
тропного упрочнения. К первому типу (угол наклона кривых 6—
8°) относятся наиболее заметно упрочняющиеся пасты дисперс-
ных глин и илов с коагуляционными и пластифицированно-коагу-
ляционными структурами—черноморских илов, хвалынских глин,
мергелей, пластичных разностей послеледниковых морских глп.
покровного суглинка. Ко второму типу относятся мало упрочакю-
щиеся пасты мела, лёссовых пород с конденсацисн.-ыч ч \
турными связями, а также послеледниковых и юрских глин КМА
со стабилизационными структурами. Начальная пластическая
прочность паст пород обоих типов в зависимости от концентра-
ции твердой фазы равна примерно 0,98 кПа (при F.F.>|)
»9,8 кПа (при W/Wf< 1). Конечная прочность паст гр’. -
первого типа после стояния в гидраторе в течение нескольких су
ток равномерно возрастает в течение всего интервала времени
после перемешивания, в зависимости от концентрации, до !.£
о н 16__29 4 кПа Прочность грунтов второго типа пород <x.ia-
ется соответственно не более 0.98 и 9.8 кПа. Таким обр. - •
только прекращается механическое воздействье, пасты мпюш
но’ восстанавливают первоначальную прочность. Они являете
гтоуктурно-вязкими грунтами. Тиксотропное структурообоаэеьв-
7 в0 времени в этих породах практически отсутствует. В пыле-
11 V чилатантных породах при отстаивании наблюдается ха
ва11>'.пцый блеск воды на поверхности образцов, свидетельству-
ющий ()б их самопроизвольном уплотнении во времени
8’
Третья группа пород представлена стабилизационными с
турами мелкопесчаных дилатантных пород при Ц7 от 30 дп &
Они отличаются очень малой прочностью (<98 Па) тотчас °’
ле перемешивания и взмучивания всех частиц и быстрым
пением при отстаивании в связи с самопроизвольным уи'1пР°Ч*
кием осадка. После двухчасового отстаивания дальнейшее уиро®'
рт,мпа
РИС. 20. КИНЕТИКА ТИКСОТРОПНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПАСТ ГРУНТОВ
1 — 20%-ная суспензия бентонитовых глин; 2 — плывунная супесь w=44% Москва:
^кпяТЛинпаЯхх’СУа^С1.Ь’ ^=27.9%. гСаАе^Рд; 4-юрская глина, W=92%, КМА; 5-хвалын-
ТпшкЛт я иАЪ 3ав^ЛЖсЬпе^ ~„ЛеСС- W=3I°'°- Кременчуг; 7 - каменный лёсс. \V=43%,
Карелия’ 8 мергель- ^-60.5%, Кричев; 9 — корка послеледниковой глины, W=55%,
нение и уплотнение замедляются. Конечная прочность образцов
через семь суток достигает около 0,98 кПа главным образом бла-
годаря уплотнению осадка и отделению воды. Следовательно,
абсолютный прирост прочности в этих породах больше, чем в пер-
вой и второй группах (в 10 раз), но сама прочность образцов, как
начальная, так и конечная, весьма мала, она значительно ниже,
чем у других пород.
Таким образом, восстановление нарушенной структуры во
времени во всем объеме образца характерно только для дисперс-
ных пород с коагуляционными структурами и высоким межчас-
116
-деплеиием при малой концентраций твердой фазы п„
„...«и ‘‘„„есча.е. дилатантные уплотняются в ''°'
собственной массы, отделяя избыток воды „ 8о«Т1‘
“компактные, ио бессвязные стаби гиэационные сти™
'|3вЛппочне породы при снятии действующего уснл,„ ,ъ.6о "Г
Р14' восстанавливают нарушенную структуру. '
„женными, как. например, малоконцентрнровзвные высоко
косные плывунные породы. Устойчивая стабилизациячастиц
•’„"епятствует их сцеплению при соударении и структурообр,юва
X результаты исследовании подтверждают уста. ,,
н Н Серб-Сербиноп факт, что предельно стабилизованные eve
ензии глин не тиксотропны [51].
П Коэффициент упрочнения во времени Р„* Р^ для паст гл.,
НИСТЫХ пород и лёссов колеблется от 1,2 до 2, для истинных плы
вунов—ОТ 5 до 10.
Процессы синерезиса способствуют значительно большему
и неуклонно возрастающему упрочнению пород во времени Дей
ствительно, примерно через двое суток у паст всех пород обна-
руживается значительное упрочнение в результате постепенного
самопроизвольного синерезиса и увеличения прочности межчас-
тичного сцепления. Влажность паст с этого момента, несмотря
на хранение в гидраторе, начинает уменьшаться за 10—20 суток
на 1—2% в глинах и до 4—35% в илах.
Таким образом, тиксотропное разжижение (при иапряж-мыи
выше динамического предела текучести Р _2) и в влеяве
структуры (при полном снятии напряжений) присуши только дис-
персным пластичным породам малой степени уплотнения с коа-
гуляционным характером структурных связей (см рис. 15, а. б)
Реологическое поведение этих пород при напряжениях выше
Ра-? подчиняется уравнению Бингама. У всех других пород с ре-
ологическим поведением не бингамовского типа может происхо-
дить или необратимое (не тиксотропное) разрушение структуры,
или мгновенное ее восстановление по прекращении механичес-
кого воздействия. Интересно отметить, что классический мег
Аттерберга определения нижней границы текучести основан ил
способности пластичных глинистых пород к кратковременному
течению при определенной влажности под действием резких .'Да-
ров по дну чашки, т. е. на эффекте Бингама. Пасты вязких пород
и этих условиях ведут себя совсем иначе. Эти наблюдения еще
раз подтверждают, что пластичность и тиксотропию можно опре-
делять только в глинах с коагуляционными структурами.___
Верхний предел тиксотропного состояния глин определяет, я
влажностью, соответствующей образованию нашк'лее рыхло*
структуры глии при гидрофильной коагуляции еу<
РПпи известной концентрации водной суспензии, опремниой
каждого типа глины, образуются осадки, в которых отсугст-
ДЛРТ дифференциация на грубые и тонкие фракции Подобные
ВУ чоистые осадки представляют собой сплошную, однородною
неС* 117
структурную сетку, связывающую воедино все глинистые «а
ны Отслоившаяся над осадком свободная вода всегда ппп Ти'
на Это свидетельствует о том, что и наиболее дисперсные час4’
связаны структурной коагуляцией. В таких структурных оса?1'11
число и площадь контактов частиц минимальные, однако п Зх
кость сцепления частиц в местах их контактов достаточна, ч/к**
воспрепятствовать уплотнению осадка. ’ °бы
Влажность структурного осадка суспензий глин, образую
гося при наименьшей возможной концентрации твердой фа^6*
можно принять за наибольшую влагоемкость глинистых осадк^'’
Эта влажность, колеблющаяся от 100 до 1000%, характерна дЛ
глин и является весьма чувствительной характеристикой, отп Я
жая способность их к образованию наиболее рыхлой структур3
Чем больше вытянуты в длину кристаллы коллоидно-дисперсн!?'
минералов и чем более они гидрофильны, тем более рыхлые стру^
туры образуются в соответствующих условиях и выше влагоем
кость таких осадков и тем при меньших концентрациях твердой
фазы они образуются (гель агар-агара включает 99,9% жидко-
сти; гель пятиокиси ванадия застудневает уже при концентрации
0,0045%; бентонитовые глины застудневают при 3—4%-ной
концентрации). Наименьшая концентрация при образовании
структурного осадка является характеристикой глин в целях
оценки их качества для глинистых растворов, применяемых при
бурении.
Изменение физико-химических условий осаждения немедлен-
но влечет за собой изменение характера образующегося в резуль-
тате структурной коагуляции осадка. Применение пептизаторов
всегда способствует образованию более плотного осадка, содер-
жащего наименьшее количество свободной воды. Коагуляторы,
напротив, вызывают образование весьма рыхлого, объемистого,
влагоемкого осадка.
Е. Аккерманн [146], развивая исследования Аттерберга, пред-
ложил пасты глин при влажности от нижней границы текучести
до влажности предела затвердевания (т. е. той влажности, при
которой пасты еще сохраняют способность к тиксотропно-
к тиксотропной
способность
му затвердеванию во времени) относить
консистенции. Таким образом, была отмечена
пластичных глин к образованию высокопористых тиксотроп-
ных структур. Вязкие породы указанной способностью не обла-
дают.
Действительно, при малой концентрации частиц твердой
фазы лишь в дисперсных породах с коагуляционным характером
структурных связей (т. е. с достаточно прочным межчастичным
сцеплением) возможно образование пространственного структур-
ного каркаса.
В табл. 17 приведена характеристика структурных осадков
некоторых изученных грунтов — дисперсных и смешанных дис-
персно-обломочных.
ИКЛ СТРУКТУРНЫХ ОСАДКОВ некоторых
ГРУНТОВ
НСГЛЕДОВЧННЫ
Грунт Влажность осади* ; I * so g Of 3
Дисперсные грунты Кентонит Гильаби г пна хвадынская -Лин глуховепкий (обогащенный) Мергель Кричевский Глина флоридиновая (чистопольская) Глинистый мел, г. Кричев Дел, КМА Мергель, г. Воронеж Мел, г. Кричев Дисперсно-обломочные грунты Суглинок хвалынский Супеси плывунные, г. Москва Лёссовые грунты 1000 434 280 176 150 1.50 121 113 100 91 1 64—45 0,03 0.0Й 0,2 0,23 0,24 0,29 0 31 0,36 0,39 0.56—0,84 0.48—0,71
'ЖЫ
Присутствие в обломочных грунтах незначительных приме-
сей коллоидных или глинистых частиц с коагуляционным типом
структурных связей сообщает им тиксотропные свойства. Непла-
стичная и нетиксотропная масса кварцевого песка и воды стано-
вится пластичной и тиксотропной при добавлении небольшого
количества лецитина [136].
Измельченные до 1 —10 мкм золенгофенские сланцы, состоя-
щие на 95% из СаСО3 (глины всего 1—2%), образуют с морской
водой тиксотропные высокопористые осадки.
Плывунность кварцевых песков Г. Фрейндлих объясняет вли-
пнем присутствующих в них тонких глинистых частиц. Так, об-
разец плывуна из Нот-Энда (Флитвуд), содержащий до 2% тон-
кой пластичной глины, показал явную тиксотропию После топ*
как из образца была удалена глина, тиксотропные свойства плы-
вуна были утрачены.
Рэссель и Райдил исследовали процесс желатинирования су-
спензии кварца (частиц диаметром 20 160 мкм) с введен,
ничтожных добавок высокодисперсного золя А12О3 в присутствии
электролита Na2HPO4 [136]. Объем осадка песка при добав
нии тонкодисперсной фазы увеличился в несколько раз. Уже
при добавлении 0,025% А12О3 образовался тиксотропный гель
Таким образом, добавление 1 части А12О3 к 4000 частям кварца
вызывает гелеобразование. При смешении аморфного кремнем-
,а (с частицами диаметром от 0,5 до 2 мкм) с 10% АЬО? и до
давлением Na2HPO4 авторы также наблюдали появление выра-
женной тиксотропии.
и*
ппмтов Рэссель и Райдил пришли к выво-
На основании эти* 7“ Лена ориентированной коагуляцией,
nV что тиксотропия °°>сло в исследованных тиксотропных
азуюшей стРУктК,кутствие тонкодисперсных аннзодиамег-
системах ^;'Рсообшаюших всей системе тиксотропные свой-
стааеСК"Х 11361, что среди тиксотропных систем
С. Е. Бреслер ^^атинировапные суспензии с трубодис-
особое место занимают_жела 1,, а1,„я подобнои суспензии
°ерсными частицами Дли ж часть вещества коллоида
"остаточно, чтобы пезпа и. Удаление экстракцией
обладала тиксотропными св агар.аГара, альбумина неко-
„ли посредством ’'^^“""„ующих в ничтожных количествах,
торых компонентов, прнсутс У п системы. Эти комповен-
привело к потере J^c°^"ac студня. Автор отмечает также, что
ты как бы склеивали каркас. У"ич£,стпах „ещсств с длинноце-
добавление в незпачи- телытых бш,1М|| „ желатинированию
поче.ч.ымп ,х условиях нс желати,.уются,
КОЛЛОИДЫ, которьн
7.4, ДИЛАТАНТНОСТЬ И ВНЕЗАПНОЕ РАЗЖИЖЕНИЕ СРЕДНЕ-
И МЕЛКООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
Дилатансия свойственна частицам крупнее 5 мкм. В морских
песках, в крахмале, каолине, в размолотом кварце наблюдается
явление Осборна — Рейнольдса — дилатансия, т. е. расширение,
разуплотнение при внешнем воздействии. Дилатансия чаще всего
свойственна системам со сферическими частицами [136] при
весьма малом содержании дисперсных примесей.
Дилатантные системы в состоянии покоя образуют наимень-
ший объем вследствие оседания и плотной упаковки частиц.
Дилатансии способствуют большие размеры и масса частиц.
Внешнее воздействие вызывает смещение и неравномерное рас-
пределение частиц, местами нагромождающихся друг па друга,
местами образующих поры, заполняемые дисперсионной средой
[26]. Это влечет увеличение пористости системы — разуплотне-
ние. Явление Осборна—Рейнольдса всегда связано с плотной
упаковкой. После разуплотнения частиц свойство дилатансии
утрачивается [136].
Если дилатантная система подвергается быстрому изменению
формы или большой сдвигающей нагрузке, она упрочняется и
твердеет [26]. Вследствие этого дилатансия рассматривается как
обратная пластичность и как свойство, противоположное тиксо-
тропии,—прочность системы возрастает при сдвиге и падает в
состоянии покоя [150, 151]. При снятии деформирующей силы
частицы вновь возвращаются к их исходным положениям [26].
Скотт Блэр отмечает [151], что дилатансия есть функция
деформации, но не деформирующей силы.
120
o и мелкообломочные (песчаные и пылевлткюА
Стильно и прочно агрегированные
а тяКЯ< пяя мука, каолин сырец проявляют пезк'л о ” Мел-
^^тностн. дилатантные свойства мелких ►
Д^^яние пробок в буровых скважинах в резузьтят! »
’бРа„3мОжде'ШЯ песчаных зерен в скважине и
^Йения в। местах контактов за счет увеличения трения Х’
Зернами. Особо прочные пробки образуются в пег-рно 3
дУтых породах, содержащих до 5% глинистых частив
03 ПрироДУ дилатантности грунтов можно сформулировать сте
дующим образом. В дилатантных грунтах, не содержащих той
йсперсных примссеи, отсутствует сцепление между частицам»
(или агрегатами), так как собственная масса частиц (агрегатов)
превышает молекулярное сцепление их в местах контактов Чэ
стины, находясь в покое, стремятся к плотной упаковке под дей-
ствием силы тяжести. Под воздействием внешних тангенциаль-
ных сил, в процессе деформации сдвига происходят зацепление
частиц, неизбежное разрыхление их сложения в плоскости с твига
и упрочнение за счет увеличения трения в местах их контактов
Этот эффект особенно выражен в плотных песках. Чем выше
напряжение в условиях приложения местного сосредоточенного
усилия, тем сильнее дилатантное упрочнение. При снятии дефор-
мирующей силы, однако, дилатантные грунты вновь самопроиз
вольно уплотняются и одновременно разупрочняются в результа-
те уменьшения трения между зернами.
Если деформация продолжает увеличиваться, происходит
дальнейшее уменьшение площади контактов частиц и увеличение
трения в местах этих контактов до тех пор, пока не произей
дет хрупкое разрушение образовавшейся предельно рыхлой и
жесткой структуры.
Способность песков к разжижению и уплотнению (см рис
17, cz) органически связана с их дилатантностью и содержа-
нием тонких примесей, а способность глин к тиксотропному раз-
жижению—с их пластичностью. В обоих случаях поведение
I руитов определяется их составом, плотностью, влажностью и ха-
рактером структурных связей. Чем выше влажность, меньше
плотность, чем более выражены коагуляционные структурные
связи, тем сильнее способность пород к бингамовскому разжиже
нию Принципиальное же отличие между дисперсными и обло-
мочными грунтами заключается в том, что в первом случае выше
динамического предела текучести нарушается сцепление между
частицами, а во втором —также ослабляется и внутреннее тре-
ние между зернами.
Величина разрыхления и упрочнения дилатантных грунтов, а
fчедовательно, и величина внутреннего трения обусловливают-
С в большей степени величиной и скоростью деформации Чем
9’.]ьШс вызванная деформация и чем она быстрее развивается.
сильнее выражен эффект дилатансии.
nt
Исследования Н. Н. Маслова [70, 71 ] полностью подтвепжп
ют что разжижение водонасыщенных песков происходит Вс?г<
после максимального их разуплотнения в процессе сдвига и „
нзбежно сопровождается последующим уплотнением в покое °'
Для реологических исследовании истинно-дилатантных г
стем содержащих очень мало дисперсных частиц, применят
вискозиметр Воларовича нельзя. Эффект дилатантности прСПятЬ
ctbvct вращению цилиндра, несмотря па прилагаемые возрат
ющие напряжения сдвига. Начиная с влажности 21—27%, Пес а/
и другие дилатантные грунты, содержащие достаточное количест
во дисперсных частиц, уже могут успешно исследоваться по ме-
тоду Воларовича.
В начальный момент исследования происходит сильное дила-
тантное упрочнение образца в результате нагромождения зерен
породы в зазоре между цилиндрами, образования рыхлой коагу-
ляционной структуры, жесткой из-за резкого увеличения трения
между зернами в местах их контактов. Поэтому наблюдается
завышение предела текучести Шведовский отрезок кри-
вых часто полностью выпадает, так как цилиндр не вращается
из-за образовавшейся «пробки» в зазоре прибора. Затем с ростом
напряжения сдвига происходит хрупкий срыв по контактам зе-
рен, и образец мгновенно разжижается и течет с наименьшей
пластической вязкостью Бингама, аналогично разжижающимся
глинистым грунтам, но в более широком диапазоне напряжений.
Реологическое поведение таких грунтов можно охарактеризовать
как дилатантно-бингамовское. Это еще раз подтверждает, что
для разжижения песка необходимо его предварительно макси-
мально разуплотнить, а затем разрушить образовавшуюся рых-
лую структуру и освободить замкнутую в ее порах воду.
При преобладании мелких пылеватых частиц и при наличии
примеси глинистых и коллоидных составляющих дилатантные
свойства грунтов выражены слабее. На реологических кривых
уже можно уловить подобие шведовского отрезка, но на кри-
вых виден ряд горбов и впадин, свидетельствующих как об
ускорении, так и замедлении деформаций вследствие поперемен-
ного нагромождения зерен и упрочнения образца в зазоре, а за-
тем срыва их контактов. Такие породы могут быть дилатантно-
пластичными, дилатантно-вязкими или дилатантно-тиксотроп-
ными в зависимости от плотности и содержания дисперсных
частиц. Дилатантные свойства лёссовых грунтов особенно выра-
жены при значительном содержании в них песка.
Исследование дилатантных свойств песков, их прочности
и внутреннего трения удобно также проводить при помощи ко-
нического пластометра с углом раскрытия 30° и при помощи ди-
намического зондирования.
Динамическое зондирование позволяет выявлять границы
песков, способных к разжижению и к дилатантному упрочнению,
а также к упругодилатантной отдаче, препятствующей забивке
122
Согласно данным в и лебедем [611 —
.нН" *•„ грг.пуломстрич.чкии состав вееД* г'1 t
«•Ценное влияние на их мехам м»
Доказывают наибольшее сопротнмеш»ГТ!’ ***»
"е^ иогляниональные - меньшее, аллюВиа.1М|ы^!2!*
Ф-1 ,, эоловые — наименьшее. Наиболее ““»•
“|ес,» крупнозернистые, далее среднезепяи/ти, г 11 '*
;'ь'с и наименьшей прочностью обладают „еск., лы
тЫ По Д-"'"Ь|М " А Платова [89. 90|. наибо1м2УУ*
обладают аллювиальные, затем морские „ н.ЗшДГ”?"
„ь,е пески. При этом установлено, что генезис м*,£ДЛ **»•
песков, крупность их и содержание глинистых и хол.тоиС.сГ.
месей, а также коэффициент формы частиц по Межжи
циснт отсортированное^ определяют прочностные и деЛомм
онные свойства песков в сухом, естественном и я~-т—- -*
состояниях. Все пески обладают наибольшей прочности
естественной влажности (3-6%), когда связноспГвх слособеГ
вует капиллярное давление. В водонасыш
капиллярного давления снижается и пески становятся иаябо*
лее подвижными. В сухом состоянии отчетливо проявляет
роль структурообразующих коллоидных и г.тнижтых аршесей
в песках, способствующих их связности и нлябплчв*# вр**>
ности. Эоловые пески, наиболее чистые и окатанные, ааабате
мелкие и наиболее отсортированные, обладают наименьшей
прочностью и наибольшей дплатантностью.
При динамическом воздействии на водонасыщешше оесхх
(Существенна роль дисперсных примесей и типа ю
связей. Эффект разжижения при вибрации (меныпая вязкость
и большая длительность пребывания в разжнжеввом состммма)
наиболее выражен в песках, содержащих более 4—6% глвш
PH;
Последнее время все большее внимание уделяется
вибровязкости песков, т. е. вязкости, достигаемой ими в армией
се вибрации. Вибрация вызывает разжижение мелкоаера
водонасыщенных песков [140]. Наиболее подверже
жению мелкопесчаные и пылеватые грунты имеющие
сложение. При определенно» частоте коаевишидие .. v..
-ч/чпи ТЯЖС»1ЫС жи.тн пески стзиоиятсч
кие пески могу ’ВЯЗКОСть песков уменьшается с увеличен
виоровязким!. Р пчеН1|ем числа колебаний Д Д. Бараша
ем влажности 'мальное значение коэффициента впбровамос
установил ма нмалыюй влажности. В сухом и воаомсымоа*
при некогор(л коэфф11циент внбровязкости резко снижается
ном состою cBaft наиболее успешна б сухом и и ведома
Стенном состоянии песков [140].
Cb R настоящее время для количественного исследования про-
азжижения дисперсных материалов и песков стала аре
цесса.Специальные вибровискозиметры.
мен*ть
VU
7.5. ПЛЫВУННОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ И ОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
Ранее были рассмотрены дисперсные грунты, отличающи
наличием сцепления между частицами и выраженной споЛг?
лостью к структурообразованию. Установлено, что деформцп°6'
мость этих грунтов обусловлена при всех прочих равных ус '
виях силами межчастичного сцепления. В рыхлом состоянии
породы являются бингамовскими, тиксотропными; при сред Т-
плотности — шведовскими, упругопластично-вязкими; в плоти 6И
состоянии — максвелловскими, упруговязкими. м
Свойства мелкопесчаных и пылеватых грунтов в значите и
ной мере определяются внутренним трением между соприкаса
ющимися зернами и частицами грунта. Главным показателем
их свойств служит угол внутреннего трения, сцепление практи
чески отсутствует. В рыхлом состоянии такие грунты являются
дилатантно-бингамовскими, при средней плотности — дилатант-
но-пластичными и в плотном—упругодилатантными.
Здесь рассмотрим свойства плывунов, текучих пород — грун-
тов, лишенных сцепления и не имеющих внутреннего трения в
разжиженном состоянии. Нами изучены так называемые истин-
ные плывуны, или, как мы их часто называем, песчано-коллоид-
ные породы, содержащие от 3 до 12% дисперсных составля-
ющих, и плывунные глины. Те и другие породы отличаются на-
личием устойчивых адсорбционных слоев органического вещест-
ва, являющеюся стабилизатором частиц и препятствующего их
сцеплению и трению.
Породы, в которых при разрушении структуры происходит
падение вязкости на несколько десятичных порядков, называют
в международной литературе плывунными (quick), т с. внезап-
но разжижающимися и легкоподвижными Обладая достаточно
прочной естественной структурой за счет процессов конденса-
ционного структурообразования при взаимодействии коллоид-
ных минеральных и органических составляющих с кислородом
воздуха (процессы окисления железистых соединений и денату-
рация органических веществ), плывунные глины приобретают
способность течь как истинно-вязкие жидкости со взвешенными
в ней устойчиво стабилизованными частицами при напряжениях
выше Р1П (см. рис. 16, а).
Наименьшая вязкость qm подобных плывунных пород очень
мала—менее 3 Па-с. Реологические кривые для таких пород
характеризуются наличием прямолинейного отрезка в области
выше предела прочности структуры. Если продлить этот отрезок
в сторону меньших значений напряжения, он пройдет через на-
чало координат (как для истинных жидкостей). Такие породы
не тиксотропны благодаря стабилизации частиц и после раз-
жижения и оплывания долгое время (до подсыхания) остаются
жидкими Способность плывунных пород к внезапному оплыва-
нию (разжижению) и течению как жидкость при нарушении их
124
, является причиной многочисленных авапий лл
стрУвтУРытекаиия грунта в шахтах, откосах, затоплен^ К’
> " „“гружении в грунт поездов, насыпей, домов. ,'Юд°- „
еанов’"1, неумелом инженерном воздействии или „„„
“кота „тельной оценке пород. при "епра-
быстром срезе образцов водонасыщениых плывунных
.„л внутреннего трения их равен 0. Сдвигающее усилие-
гЛИНiiie 4,9—9,8 кПа.
^Стабилизованные дисперсно-песчано-пылеватые породы -
тинные плывуны — ведут себя двояко в зависимости от влаж-
,|С‘ и напряженного состояния, т. е. в зависимости от сочета-
H°j шлатангных и истинно-вязких свойств.
Н" Одни исследователи считают, что органические коллоиды и
пГано-мннеральные соединения в большей мере снижают угол
н\треннего трения песков, чем минеральные коллоиды. Другие
отмечают, что повышенная плотность жидкой фазы плывуна
(содержащая взвешенные коллоиды) в значительной мере спо-
собствуй ослаблению статического трения между частицами
породы вследствие увеличения сил, удерживающих частицы во
iufh'LI ' ином состоянии. Па основании математического анализа
д С ' обод'.ин пришел к выводу, что коэффициент внутрен-
((И,, Г| < называет наибольшее влияние на свойства плыву-
нов !пе гие факторы, и таким образом при выборе способа
уКр( плывунов следует обращать основное внимание на
, их коэффициента трения [26].
И 1 Маслов установил [70, 71], что плывунные явления
I! I 1 лишь в тех породах, в которых не проявляются
си грепнего трения, а силы сцепления отсутствуют или
ч шно малы. Под давлением в плывуне происходит про-
ihiic коллоидных пленок гоиР“васаю“"""сэя“р“бмсю-
> ведет к увеличению трения между ними. Этим об^сн
обнисть плывунных песков к сильному упрочнению при
1 '-Ооно<ть пАпяяование пробок в скважинах.
штно 4 определение сопротивления сдвигу плывунных
....... мнет легкоподвижных разностей, так как нор-
. '“J'^B Хе упрочняет породу, увеличивает трение меж-
» ‘.’^^““„“едования'воказали, что во влажном не напряжен-
дочкин истинные плывуны достаточно плотно сложены.
И м состоят Присутствие устойчиво стабилизованных
но весьма |,1) 0ИДНЬ1Х частиц придает им характерную для
1 чистых и колли д структуру. Основную, определяющую
<юго состояли/ гг,абилизованная дисперсная масса, изолиру-
роль в ней играГ1есЧаные зерна, которые в данном случае
ющая ДРУГ °...' инертными наполнителями. Деформационное и
являются лишь’ рекие плывуна в таком состоянии в области
реоЛоГИЧеСКяжений сдвига или после динамического воздействия
малы’ «а"ряДе основном способностью этой массы со взвешен-
опрел6-1’6
125
ними в ней зернами песка к истинному течению (см
при напряжениях выше Рт с очень малой вязкостью0 Г ’
3 Па • с). J 'Лт до
При несколько меньшей влажности или при больших-
мациях главным образом проявляются дилатантные с Де^°Р'
пород. Вследствие разрыхления породы и нагромождени°ИСТВа
чаных зерен при деформировании с увеличением трения х Пес'
ними образуется жесткая, пористая коагуляционная ctdvk Ду
сложенная непосредственно контактирующими грубыми Тура>
ними зернами. В этой структуре коллоидная и глинистая
лизованная составляющая замыкается в порах между пс-< И*
ками и практически не оказывает влияния на свойства по'ИИ'
Как и все рыхлые пластично- или дилатантно-бингамовежи'
структуры, при напряжениях выше Pft_2 плывун в этом состоя
нии также хрупко разрушается в узком диапазоне напряжений
и вся освобожденная от напряжения масса вновь течет как жи- ’
кость. ' л'
В инженерно-геологической практике до сих пор нет еще
четкого критерия, по которому выделяются так называемые
«слабые» грунты, строго не установлены присущие им специфи-
ческие свойства.
Паши исследования показали, что «слабые» грунты —это
грунты слабой степени литификации в естественном состоянии
характеризующиеся сопротивлением вдавливанию конуса менее
0,1 МПа и способные внезапно переходить при напряжениях
выше их Р/,-2 или Рт в жидкообразное состояние. При этом соп-
♦ ротивление их вдавливанию конуса падает до 0,098—19,6 кПа;
вязкость — до 1 —12,5 Па-с. Это и обусловливает развитие в
таких грунтах быстропротекающих и опасных инженерно-геоло-
гических явлений (оплывание, оползание, разжижение и т. п.).
По указанным признакам к «слабым» грунтам следует отнес-
ти сапропели, истинные плывуны, плывунные глины, верхние
горизонты морских илов, водонасыщенные пески. Выделяются
и переходные разности морских илов, плывунов и неводонасы-
щенных песков, которые в естественных условиях среднелитп-
фицированы, а при нарушении структуры — слаболитифи-
цированы.
7.6. ПРОСАДОЧНОСТЬ ГРУНТОВ
Важной особенностью слабо- и среднеуплотненных дисперс-
но-обломочных пород со смешанными и с кристаллизационными
структурными связями является их способность к быстро проте-
кающим деформациям просадки (провальной осадки). Эта спо-
собность обусловливается малым межчастичным леплением в
рассматриваемых породах в связи с недостаточным содержа
нием дисперсного структурообразующего агента пли вследствие
его высокой агрегированноеIи.
126
псадки происходят под влиянием местного сосредоточен
ПСдо*ения нормального давления, превышающего пРедеЛ
н»г0 X (Р-») да,,Н0Г° груита' Они «аблк>даются h“
ОР<“В1, человек проваливается по колено, а на лыжах "но
(в. л идет ПО рыхлому снету), в насыпях из чистого мела из
КО*1Н0 Y н из других рыхлых несвязных и агрегированных грун-
ка°л очень распространены просадки в оттаивающих супе-
тоВ- заСолеипых рыхлых песках, в лёссах и в агрегированных
с--х’овидных суглинках при их замачивании. В этих случаях
лВСС [10Сть грунтов в мерзлом или в сухом состоянии достаточ-
пР°Ч - я оказания сопротивления деформированию под действием
1,2 ']< тадываемой нагрузки, но под влиянием температурного
ПРИто|)а или замачивания, вызывающих резкое и быстрое сни-
ФаК ,’t. прочности грунта, действующая нагрузка (или собствен-
ен масса увлажненного грунта) оказывается уже во много раз
Насвосходящей предел его прочности в замоченном состоянии,
^результате происходят провальная осадка и местное уплотне-
НИ . Носовые породы с относительной просадочностью от 9 до
«дол и носятся нами к сильнопросадочным, от 3 до 9% — к сред-
не- и менее 3% — к слабопросадочным (при действующей на-
ГР'ы щязи со строительством на лёссовых породах необходим
(ОС ! рный прогноз их просадочности. Для этого важно знать
показателем способности лессов теРКучестщ т. е. наименьшей
значение р™ Для пород на границе стоуктур Чем ниже т]т, тем
и явной вязкости наруше и^ь]Дее может протекать
хн nit сцепление частиц, те .
е дка при увлажнении ^нении в лёссовых породах сильно
Гакнм образом, при Увла^ обусловленная коагуляцион-
с шжается величина сцеплен * ^лоиУных составляющих и кри-
HI.IMII связями ГЛИНИСТ нтируЮщих породы солеи, тогд
, , стлизационными связям 0^ в практиЧески остается
। и величина вну
ПР® ^составляющих в сос?авмеялГ^НПл’тность грунта; малая
лева ! ШЧ1Х структурных связег, ма состоянии; резкое
ЛЯЦИОННЫХСР) в естестве ость и вяз-
в<)Донась1Щенн°сТстй прй увлажнении v Далаяп0‘изителей твер-
^а^нь1сер^а0связиеСВОВлёссаСх0ире0^лада1ОТ К°а\7
стрУ^урЙЫ
ал
ционные структурные связи точечного характера по местам
тактов пылеватых зерен, которые легко ослабляются при ув^04'
нении, обусловливая резкое снижение прочности пород'и а>к'
собность их при быстрых деформациях к лавинному paanvin/110'
структуры. " 11и’°
Породы, в которых сформированы прочные структуп
связи между пылеватыми частицами (за счет образования г
нистых частиц при длительном выветривании, цементации пЛИ'
сом, плотного сложения или совместного действия этих (bai^'
ров), оказываются более стойкими при увлажнении и проявля °"
способность к провальной осадке при больших напряжения Т
разрушающих структурный каркас, или к медленной осадке Х’
выщелачивании.
Обоснованная характеристика способности пород к лавин
ным просадочным деформациям (к провальной осадке) может
быть получена при изучении кинетики деформации при погруже-
нии конуса, штампа или при компрессионном сжатии. Просадка
в отличие от медленной деформации сжатия, — быстро протека-
ющий процесс разрушения структуры образца при замачивании
в нагруженном состоянии. Поэтому статические методы иссле-
дования способности пород к просадкам мало удовлетвори-
тельны.
Следует изучать деформируемость увлажненных лёссовых
пород во времени под действием постоянных (возрастающих от
опыта к опыту) нагрузок с целью получения кривой зависимости
«напряжение — деформация» и кривых кинетики развития де-
формации при каждой нагрузке для полной характеристики де-
формационного поведения этих пород в заданных условиях.
В этом отношении весьма перспективны методы вдавливания
конуса и штампа — они удобны для быстрой сравнительной
оценки просадочных свойств пород.
Глава 8 КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА
И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ
КАК ОСНОВА ПРОГНОЗА ИХ ПОВЕДЕНИЯ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Проведенные детальные и комплексные физико-химические
исследования дисперсных и дисперсно-обломочных грунтов по-
казали, что механические свойства грунтов определяются зако-
номерным сочетанием особенностей их состава, состояния и ти-
па структурных связей. Такой вывод находится в полном соот-
ветствии с теоретическими положениями геолого-генетического
грунтоведения и физико-химической механики и имеет очень
важное практическое значение.
В результате систематизации полученных данных установ-
лено, что достаточно пяти-шести прямых количественных клас
128
.,/яционных показателей для приближенной
сИСерной оценки ожидаемого деформационного ДОСтаточ”о
^ов при инженерном воздействии Этими <П0Ведения
гР>',|Ч^тве""ь1М" классиФика“«оиными показателям»чыми
<< грунтов являются гранулометрический? ДЛЯ всех
5л. 4), ™п структурных связей (см. табл 6)^’ь
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ И ДИСПЕРСНО Пгплмо ТАБЛИЦА 13
*лА ПО ПЛОТНОСТИ ОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
Грунты Плотность скелета, г/см’ Пористость, %
Слабоуплотненные (I) <1,2 >55
Среднеуплотненные (2) 1,2-1,65 55—38
То же (2 ) 1,2—1,46
» (2") 1,46—1,65
Сильноуплотненные (3) 1,65-2 38—27
Весьма сильяоуплотненные (4) >2 <27
ТАБЛИЦА 19
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ И ДИСПЕРСНО-ОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
ПО СТЕПЕНИ ВОДОНАСЫЩЕН НОСТИ
Грунты-
Коэффициент водонасыщения
Слабоводонасыщенные (а) <0,4
Средневодонасыщенные (0) 0,4-0,8
Силыюводонасыщенные (у) 0,8-1,0
ТАБЛИЦА 20
К I \С( ИФИКЛЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ И ДИСПЕРСНО-ОБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
ПО СТЕПЕНИ ЛИТИФИКАЦИИ
Сопротивление, МПа
Грунты
вдавливанию
конуса, Рт
одноосному
сжатию, Pj
Слаболитифицированные (а)
Го же (а')
» (а")
Среднелитифицированные (о)
Снльнолитифицированные (в)
Весьма снльнолитифицированные (г)
<0,025
0,025—0,1
0,1—2
2—15
0,1—2
2—5
(, 1Ги 18), водонасыщенность (табл. 19) и степень литификации
(прочность) (табл. 2 )вые классификациОнных показа-
ПереЧаИ[отся независимыми одна от другой величинами, пя-
теля являт икациОнный показатель —степень литификации или
туй класс а ЯВЛяется интегральным показателем, так как
прочность ру совокупности предыдущих четырех. По совокуп-
ен заВИСа показателей можно прогнозировать сжимаемость,
ности эТ 1М
427
9
набуханне, просадочность. пластичность, плывунност!
ропность. дилатантность. характер сопротивления сдПИг\ ГИКс°т
гие инженерно-геологические свойства грунта в том ч ” 7ру'
«чувствительность» к увлажнению и к нарушению стп!?е Их
Таким путем выделяются самостоятельные классификаии\Т.УРЫ
группы порол, обладающие вполне определенным набопом7’"Ыс
явственных показателей и отличающиеся определенной епп ’”’*
костью потенциальных деформационных и веопог! Уп'
свойств. дологических
Следовало бы дополнительно включить в число пепвостоп
ных классификационных показателей и петрографический еН'
неральный и химический состав пород, однако простых ко’тичр
ственных критериев вещественного состава грунтов до настл
гцего времени практически нет. ' L гоя'
Нет и единой, общепринятой краткой и четкой геологической
классификации осадочных пород. В действующих геологиче
скнх классификациях содержание основных составляющих в
породе в количестве более или менее 50% является критерием
позволяющим относить породы к чистым или смешанным, к оса-
дочным, .метаморфизованным или выветрелым разностям.' Среди
осадочных пород по условиям образования выделяются классы
пород: обломочных, глинистых, хемогенных (биогенных и орга-
ногенных) и смешанных [17].
Классы пород геологи обычно подразделяют на подклассы:
породы остаточные (элювиальные) и перенесенные, переотло-
женные. Далее подклассы подразделяются на виды по петро-
графическому составу. Однако количественные критерии петро-
графического состава недостаточно детализированы для инже-
нерно-геологических целей.
В современных общих инженерно-геологических классифи-
кациях, как правило, последовательно выделяются группы по-
род по генетическим, петрографическим, литологическим и, на-
конец, специальным инженерно-геологическим признакам [66,
67, 83, 93, 95, 100, 120, 126]. Однако в этих научных классифи-
кациях не даны количественные критерии для отдельных клас-
сификационных показателей, согласно которым исследуемые по-
роды можно было бы относить в инженерно-геологической прак-
тике к той или иной классификационной группе. Е. М. Сергеев
подчеркивает, что до сих пор не существует единой общеприня-
той инженерно-геологической классификации горных пород
В настоящее время чрезвычайно актуален вопрос о комплекс-
ной характеристике горных пород в целях их оценки в качестве
объекта использования человеком в своей хозяйо венной дея-
тельности. В горном деле этот вопрос решают следующим пу-
тем [44 1151 При помощи минимального числа показателей
элементарных физических, независимых друг от друга свойств
(так называемых базовых свойств), достаточных для количест-
130
ПКИ! I
указатели крат-
’дяе н представ
котором яеобчо-
- : дпетзптч»ой
ЙР
жйрактернстики горных пород в ,
ве”н‘”1 лите* их паспортизация. Определи
ирп^что записываются в установленном ।
М’ ” Сгобой в совокупности паспорт породы в кот
1йК’т СЛ1Я практики характеристики привозя- » •
Д^чсчетов точностью.
Д-1 ярРзу месте я, что физические, механические к 1ру
яктеризующие породу как петрофизическое •
хг,Рсделяться унифицированными методами
'’"^Информация, получаемая из паспортов горных аем, мде.
достаточна для большинства практических расчетов Пасм»-
"" горных пород подлежат систематизации, классифниапш!
Математической обработке. Подобная комплексная характер»-’
•тика петрографичесих и физических свойств пор*
щая их деформационное поведение при механическом вслийст
вии, является заслугой новой молодой отрасли нала летро
физики, получившей в последнее время широкое развитие Цел»
и задачи петрофизики наиболее четко определены в ра&
В Н. Кобрановой [54], В В Ржевского [115] и П Н Панюжо-
ва [84].
В инженерной геологии в результате си* мгчмми »г*
риалов многолетних исследований дисперсных осадочных пород
в свете представлений физико-химической механик» было ре-
комендовано [22] минимальное число необходимых к ол» чес таеж-
ных классификационных показателей для кошиексао* му*
теристики этих пород1. Последующие работы [2.3.24,25] разве-
вали и уточняли метод комплексной оценки дясяерсмп
осадочных пород в инженерно-геологических целях.
Следует рекомендовать составлять паспорта дкепероид
дочных пород, записывая в установленном порядке светим
индексов (цифр и букв) совокупность их ,
формационных свойств по следующему образцу.
Классификационный паспорт породы
1. Наименование породы__________________________________________
2. Стратиграфический индекс_____________________________________
3. Место отбора------------------------------
4. Глубина отбора образца, м--------------------------------
> Принцип комплексной класснфикзпт
однако приведенные значения -/ пРи«еним »_
,1|1ШЬ к дисперсным неецоментирован «Й »
ным породам, залегающим не гл\бАс I \
Mi.iBi.biM дисперсным грунтам ;1ля ЛД, - J
р..бот»«“ *‘°» .............
сияет» WTU.M,, ,
1)1
9'
5 Естественная влажность, % ---
6 . Плотность грунта, г/см3 ---
7 Плотность твердых частиц, г/см3
8 Класс по условиям отложения
9 . Петрографический вид_______
10 . Гранулометрический состав
И. Тип структурных связей _______
12. Плотность скелета, г/см3 (пористость, %)------------------
13. Степень водонасыщенности, G ------------------------------
14. Степень литификации:
сопротивление одноосному сжатию (Pd), Па
или
сопротивление вдавливанию конуса (Рт), Па
15. Сопротивление вдавливанию конуса (Рт) после увлажнения (разру-
шения структуры, вибрации и т. п.), Па
“---—---а
16. «Чувствительность», Р ,Песг Лпнар-----------------------------
17. Сжимаемость или модуль сжатия
18. Сопротивление сдвигу, С, ср___________________________________
19. Набухание, %______________________________________________
20. Относительная просадочность, %
21. Тип деформационного поведения естественных структур______________
22. Тип деформационного поведения нарушенных структур
23. Пластичность и другие показатели, определяемые заданием
Принадлежность пород к определенному классу по способам
отложения указывается в паспорте согласно геологической
классификации так же, как и петрографический (литологиче-
ский) вид пород (в качестве критерия берется содержание в
породах более 50% обломочного материала, минералов и хими-
ческих соединений). Далее необходимо приводить характерис-
тику гранулометрического состава по предлагаемой классифи-
132
zcM. табл. 4), затем по величине коэффициента
кации тип структурных связей (см таД ” ;,Р°-
И^ваются плотность, водонасыщенность и nnonml
У^3 Ли с приведенными частными классик в со<"
<ГТв 19. 20’- Деформационные осоХн'"*"
гзбЛ1 характеризуются по общепринятым в инж/
поР/гкой практике критериям сжимаемости полгяЛ РИо’г*)ло’
г’Йти к набуханию, а также по ДефорТа^и?^
с ественных и нарушенных структур. Н0Му пове Дению
^Возможны следующие типы деформационного и
кие (КШБ) - сочетание кельвинского, шведовскогон ХХ’Х
“кого типов; эластично-пластично-вязкие (КБ) - соче '»Г'!
двинского и бингамовского типов; истинно-вязкие. нХноа
ского типа (Н); пластично-вязкие, бингамовского типа
упругопластичпо-вязкие шведовского типа (Ш) упругом™.
максвелловского типа (М); дилатантно вязкие (ДВ» дизм!!»
„„-пластичные, условно-бингамовского типа (ДБ); у’по-.го-и
тантно-пластпчные, условно-шведовского типа (ДШ), уппугодн-
латантно-вязкие, условно-максвелловского типа (ДМ) ' ’
Систематизация паспортов позволяет классифицировать
роды по специфическим деформационным особенностям и со-
ответственно, по определенному сочетанию простых прямых
количественных показателей их элементарных свойств Таким
путем выделяются классификационные группы пород, отличаю-
щиеся особыми инженерно-строительными свойствами,—инже-
нерно-строительные виды грунтов. Понятие «инженерно-строи-
тельный вид» грунта, поскольку в него непременно включаются
петрографический, минеральный и химический состав, дисперс-
ность, тип структурных связей и степень цементированности по-
род, плотность, водонасыщенность, прочность, .характер сопро-
тивления деформированию в заданных условиях, более широкое
и комплексное, чем понятие «инженерно-геологический вчд>
грунта.
Составление общей комплексной классификации в обыч гем
табличном виде представляется весьма затруднительным.
для пород определенного петрографического и химического со-
става возможно очень большое количество вариантов дисперс-
ности типов структурных связей, плотности, водонасыщениости
и прочности. Число возможных классификационных групп дне
персных осадочных пород очень велико.
Поэтому в практических целях возможно построение ком-
плексной классификации по разделам для пород определенного
графического или химического состава, приближенно еце-
1101 Р° ух инженерно-строительные качества при заданном ре-
НИВЗЯ ^формирования в зависимости от изменения дисперснос-
ЖИМстепени цементации, плотности, водонасыщениости и проч-
ности.
^ОМПЛ«СНЛЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГЛИНИСТЫХ, ВОДОЙАСЫШСН„ — “™СЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ
Степень уплот- нения Степень лити- фикации Сжимаемость в естественном состоянии Зависимость т=/(А/) без пред- варительного уплотнения (сопротивление сдвигу) Набухание Деформационное поведение Характерные особенности грунтов Инженерно- строительный вид глинистых грунтов 9
естествен- ных структур нару- шенных структур
1 2 3 4 5 6 7 8
A. Co стабилизационными структурными связями
1 а Сильносжимае- мые Криволинейная Слабое кв н Эластично-вязкие, при нарушении структуры и динамическом воз- действии переходят в истинно-вязкие, плы- вунные lAlya
2 б Средне- и ела- босжимаемуе Криво- или пря- молинейная Слабое и сред- нее м в Упруговязкие, при нару- шении структуры пере- ходят в вязкие 1А2рб
3 в Слабосжимае- мые Прямолиней- ная Среднее и силь- ное м Упруговязкие, способны к незатухающей ползу- чести при медленном деформировании, хруп- 1 ко разрушаются при / быстром деформирова- / НИИ / МЗув
а \ Силыюсжи- \ маемые Б. С коа Криволинейная гуляционными стр Слабое уктурным КВ и связями Б 1 Эластично-вязкие, при \ нарушении структуры и динамическом воздей- ствии разжижаются, переходя в пластично- вязкие, тиксотропные, бингамовские \Б\уа
2 б Средне- и сла- босжимаемые Криво- или пря- молинейная Слабое и сред- нее м ш Упруговязкие, при нару- шении структуры пере- ходят в шведовские, упругопластично-вяз- кне 1Б2уб
3 В Спабосжимае- мые Прямолиней- ная Сильное м Уп ру говязкие, с иособиы к незатухающей ползу- чести при медленном деформировании, xpvii ко разрушаются при ’быстром деформирова- НИН 1 1БЗув
В С пластифицированно-коагуляционными с р у к г у рны ми к В я « « ми
1 1 я 1 Сильно* Ж‘,миг 1 МЫ*' Криволинейная (Слабое КН Б Пластично вмгкие. наруиншж стР>апры и »о* ЧО.» ( и^твми иереавД*11 " пластично и» »*ие, г,,|‘ VOTpollHW*' IHiy-
иь S
Степень уплот- нения Степень литифи- к> нации Сжимаемость в естественном состоянии 3 Зависимость T=f(/V) без пред- варительного уплотнения (сопротивление сдвигу) 4 Набухание £ Деформационное поведение Продолжение табл. 21
Характерные особенности грунтов Инженерно строительный вид глинистых грунтов
естест- венных структур нару- шенных структур
2 б Средне- и сла- босжимаемые Криво- или пря- молинейная Слабое и сред- нее 6 м 7 ш 8 Упруговязкие, при нару- шении структуры пере- ходят в шведовские, упругопластично-вяз- кие 9 1В2уб
3 в Слабосжимае- мые Прямолинейная Среднее и силь- ное м — Упруговязкие, способны к незатухающей ползу- чести при медленном деформировании, хруп- ко разрушаются при быстром деформирова- нии 1ВЗув
Гр Со смешанными коагуляционно-конденсационными
(кристаллизационными) структурными связями
1 а, б Сильно- и сред- Криво- или пря- Слабое кв КШБ Эластично-вязкие, при irjyCa, б)
несжимаемые молинейная 1 нарушении структуры переходят в эластично- пластично-вязкие (со- четание моделей Кель- вина, Шведова и Бин- гама) /
- 2 б, в С VO \ \ лабосжимае- мые Прямолинейная дм \ дш \ У пругодплатантно-вяз- VУ кие, переходят при на- \ рушении структуры в \ упругодилатантно-пла- \ стнчно-вязкие \
3 в, г 1 * \ » » дм Упругодилатантно-вяз- кие, способные к неза- тухающей ползучести при медленном дефор- мировании и хрупко разрушаются при бы- стром деформировании 11 рэ 1 ’
1 а—в г2. Сильно-, сред- не- и слабо- сжимаемые С конденсационн! Криво- или пря- молинейная ими (кристаллиза Слабое ционными кв—ДМ структур дв ными связями Эластично- и упругодн- латантно-вязкие, при нарушении структуры переходят в дилатант- но-вязкие 1Га1у(а.б, в)
2 б । Слабосжимяе- мыс Прямолинейная ДМ дв Упругоднлатантно ня г кие, перехотят при рушении структуры * дилатантно ин зкие i 1/,’у (б, в. । > 1ГаЗу«
> I дм Упруг о 1И 13 1 ан I но Ь I •
3 г а - 1' Ч,Г“' Й А • Ь При 1 В гр» ttrpMCT ,И C<KI< .ч,ни- 1 При 1»—“ ' В- Гг Г» „<П1<нмы« ^1РУ*»УР “и‘*" ИД rAtfl - - — ♦< а1м..и.ри«' ‘ Р,иеП,й ,4ИИИ И | НЛП ИНА IH IlfHiMIHU ГЬ 1 HI IHU Н4 МЧС* НИМ ИЛИ МНМИЧ»чКНН UVCvM dlMHI 1ГШЮМ ППрМйЬС *‘Н 1ИН » »**•***. ил*пи* . д НМД ‘ 1> х ипрод но У Н'Щ'Щ» II* НК HM.10TA U ‘ 1 К МОДHi 4 к 1 кие pacr.ot с > « •«*"**'" 1НфмчЛЦИМ порочь * v ис.нищьм. 1ИГМф»М»4. с ЙШ* М . ,,м ,, уП.,14 « HlttMfc илнфи* “АНИ »•*»*»* и С РУ * 1 У 4 • । и» 1 й дьЧ нфншлчнй U4* к Н ’•
w
00
КОМПЛЕКСНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЁССОВЫХ и ЛЁССОВИДНЫХ НОРМ,.
Геолого-генетическая характеристика Гранулометри- ческий состав Тип структур- ных связей Плотность скелета грунта, г/см1 Водонасыщен- ность G Степень литификации В Состоянии Деформационные Особенности Инженерно строи- тельные ниды лёссо- вых и лёссовидных пород (см примечи ине к табл, 21, п. 3)
я V е I- ж J о У X водона- сыщенном сжимае- мость набуха- ние проса- дочиость
Лёсс эоловые, пролю- виальные, эолово-делю- виальные и пролюви- альные отложения III Г1 1,20—1,46 1,34—1,46 а 0 б б а', а" а', а" I Срад- 1 ияя Сред- нее и сла- бое Сильная Средняя III Г| 2'аб/а', а" (лёсс сильнопроса- дочный) III Г, 2'Рб/а',а" (лёсс среднепроса- дочный)
Лёссовые породы — де- лювиальные, аллюви- альные, подовые отло- жения III в— Г1 1,46—1.65 1,46—1,65 1,65—1,73 а Р-у Р—у б б б а', а" а", б а", б Средняя и слабая То же Слабая То же » » 1 То же Слабая » III (В—Г») 2"аб/а', а" (лёссовая средне- просадочная поро- да) III (В-Г,) 2"(Р—у)б/а", б (лёссовая слабо- просадочная поро- да) Ill (В—Г.) 3(0—у)б/а* б (лёссовая слабо- просадочная поро- да)
о Лёссовидные породы — 1 элювиально-делюви- вальные, нижние гори- 1 зонты ископаемых 1 почв; погребенные поч- 1 венные горизонты сре- ди лёссовых пород 1 П В-П 1,30—1,46 1,35—1,46 1,46—1,65 а Р р—у б б б а', а" а", б 1 б Средняя Средняя и слабая » 1 » Средняя \ Слабая » 11 (В—Г») 2'аб|а', а" (лёссовидная сред- 1 непросадочная по- рода) П (В-Г,) 2'06/а", б (лёссовидная сла- бопросадочная по- рода) И (В—го 2"(0—у)б/б (лёссовидная ела бопросадочная по- рода)
Каменные лёссы -Дре» иечетвертичныс аллю виальны» карбонатиы» пылевато-палыгорски товые отложения ж* II III 1 1 а 1,65—1,95 Р- У б- —г б—г Слабая Не на бухаЮТ 1 1 lenpo садочные (II—III) Гг<(0- -у) б. а, г/б, в, г (каменный лёсс)
Имеющийся фактический материал позволил нам составит]
разделы комплексной инженерно-геологической классификации
для глинистых и лёссовых пород, являющихся наиболее распро-
страненными и сложными дисперсными и дисперсно-обломоч-
ными осадочными породами (табл. 21, 22). Эти классификации
дают возможность оценить строительные свойства пород по ком-
плексу простых легко определяемых свойств.
Комплексная классификация лёссовых грунтов позволила
четко выделить четыре группы, среди них — лёссы, лёссовые, лёс-
совидные грунты и каменные лёссы, каждая с характерным на-
бором значений классификационных показателей и показателей
деформационных и просадочных свойств.
Менее изучены смешанные породы (моренные, покровные
делювиальные, флювиогляциальные и другие отложения), что
пока не дает возможности составить соответствующий раздел
комплексной классификации. Мело-мергельные породы, отли-
чающиеся содержанием от 50 до 95% СаСО3 и относящиеся
к дисперсным породам по гранулометрическому составу, мо-
гут в ряде случаев оцениваться по классификации для гли-
нистых пород с цементационными (конденсационно-кристалли-
зационными) структурными связями типа Г] или Г2. Однако эти
грунты растворимы в воде, и поэтому для них необходима раз-
работка самостоятельного раздела комплексной классификации.
Построение разделов комплексной классификации для на-
именее изученных песчаных и крупнообломочных пород, пород
с большим содержанием органического вещества, а также сили-
цитов требует дальнейшего накопления фактического мате-
риала.
В пределах каждого инженерно-строительного вида пород
(классификационной группы) можно выделить (также непре-
менно по комплексу классификационных показателей) ряд раз-
новидностей.
Выделение разновидностей пород помогает детализировать
свойства пород на стадии более крупномасштабных исследова-
ний. Так, в пределах одного вида можно подразделять породы
более дробно по вещественному составу, степени цементации и
составу цемента; по гранулометрическому составу — подгруппы
«а», «б», «в», «г» в каждой из основных групп (I, II, III и IV);
по плотности; прочности в естественном состоянии и после на-
сыщения водой или после нарушения структуры; по водостойко-
сти и стойкости к выщелачиванию; сжимаемости; сопротивле-
нию сдвигу; просадочности; набуханию и другим свойствам.
При выделении разновидностей необходимо учитывать ха-
рактерные особенности отдельных инженерно-строительных ви-
дов грунтов и потенциальные возможности их изменения: в ма-
ловлажных глинистых и водонасыщенных смешанных и пылева-
тых породах — степень изменения прочности (Рт и Pd) при
увлажнении; в сцементированных породах — также и степень
140
Йеята; в слабо- и среднеумотвев^
;:;-0С1П, ирос^очн^ииразж^Х;?;-.,. ' » > '
10Тпепных (рск>1,4 г/см3) "есцементироваХ?* С*Л*>У^
родах-степень их набухания (в спементи^- “ *►
Цепень набухания при нарушеини структур?? 1 поро41х -
Подобное классифицирование ocaioJLr „
пнженерно-строигельных видов и разновиХ^Х* *«**’"••
меняться и при составлении инженерно-n долж"° ПР"-
И. В. Попов справедливо отмечает [961 X их КаРт
Нерно-геологического картирования должна откГаТ^ ""W
принципа построения легенд для карт всех MacmJIL
начений. Этот принцип позволяет не ехо ь Д'“а
масштаба к картам более крупного масштаба путам
ваш1Я легенд мелкомасштабных карт без их ломки и с
нием научной и прикладной сущности, а также легко
влить и обратный процесс перехода крупномасштабных £г«
мелкомасш гаоиым без ломки и перестройки легенд
Пам представляется, что предлагаемый принцип выделения
инженерно-строительных видов и разновидностей пород отм*
час г приведенным выше требованиям.
При инженерном воздействии на определенные виды пород
могут происходить нежелательные инженерно-геолопгакхпв
явления. Так, вследствие ослабления структуры при увлажнеиш
или необратимого разрушения структуры’ при механическое,
чаще динамическом, воздействии может произойти потеря устой-
чивости породы. В этих случаях происходит быстрое изменение
комплекса свойств породы (водонасыщенности, плотности,
прочности, деформационного поведения), что обуоммпмет
переход ее в другую классификационную группу. Способность
пород переходить под влиянием увлажнения, нарушения струк-
туры и изменения плотности в другие классификационные груп-
пы можно иллюстрировать следующими примерами.
1. Лёссы —1ПГ12 (аф) б — при замачивании лракти чткн
мгновенно переходят в группу водонасыщенных и весьма сла-
бых пород (1ПГ12 уа), что и вызывает развитие в них проса-
док под влиянием напряжений выше предела прочности.
2. Сильноуплотненные и сильнолитифицированные глины с
обратимыми структурными связями — 1 (А, Б)3ув — пег
пои увлажнении и набухании, нередко достигающем 30—50%,
,..,,~nnv соедне- и слабоуплотненных, средне- и слаболитнфи-
?,ипованиых глин - I (А, Б) (1.2) у (а. б).
U ч Слабоуплотненные и слаболитифицированные вк - i *
\ты и глины — I(А, Б. В, Г,) I уа — при быстром дмнамм-
НЬ1С I воздействии внезапно разжижаются вследствие разру-
чеСК0‘ структуры и освобождения нммобпла «ованн .! в порах
шеНИЯвызывают катастрофические оплывания, ополши Раз-
в°дь1’ плппл со стабилизационными структурами после их на-
НОСТИ
141
рушения практически не упрочняются во времени, а
коагуляционными структурными связями тиксотропно у,11ор0дЬ1 с
ся после снятия напряжения. Эти же породы при 'м1?°ЧНя,<>т.
уплотнении постепенно переходят в группу среднеуи ДЛеНном
и среднелитифицированных пород— I (А, Б’ В, 2уб °ТНеннЫх
4. Пылеватые пески и песчано-коллоидные породы
имеющие в естественных условиях известную пиои’ ИНогДа
IV (А,В) 2(а, 0)6, переходят при сотрясении и наг'°СТЬ’*^
структуры в истинные и псевдоплывуны — IV (А В) 9 Шении
личающиеся очень малой вязкостью и высокой текучест От‘
зывающие часто оплывания и обрушения откосов’ зап ° И Вы'
котлованов и проседание окружающей местности. ' °ЛНевие
5. Чистый водонасыщенный мел (1Г22уб) при интен
механическом разрушении структуры (бурении, сверлен "ПНОм
зании, растирании, низкочастотном воздействии, ТСКт Ш’ Рс*
ких нарушениях), разжижаясь, превращается в сметан'и'гЧеС'
ную массу и течет, вызывая обрушения и оползания* от-
деформацию мостовых сооружений, неравномерную ()К°СОв'
опор (1Г|2 уа). «Чувствительность» мела очень высока’1адку
Таким образом, породы, указанные в пи I 5. отличаются
высокой «чувствительностью» по отношению к увлажнению и
нарушению структуры и высокой скоростью развития реологи-
ческих (инженерно-геологических) явлений
Инженерно-геологические явления, вызываемые медленными
пластическими и вязкими деформациями (например, ползу-
честь), как правило, не ведут к столь резкому изменению со-
стояния пород, и, несмотря на эти деформации, породы остаются
в прежней классификационной группе, хотя переходят в дру-
гие разновидности.
Параметры состава, состояния и .мсханич» ских свойств, ис-
пользуемые при классифицировании естественных пород, ха-
рактеризуют и искусственные грунты При отсыпке, намыве
или искусственном закреплении грунтов происходят протекаю-
щие во времени процессы уплотнения и упрочнения в резуль-
тате синерезиса и развития кристаллизационных и конденсацион-
ных структурных связей. Этот процесс уплотнения и упрочнения
грунтов ведет к переходу их в другую разновидность или в дру-
гую классификационную группу, соответствующую менее де-
формируемым грунтам
Проведенные в ПНИИИС Гпгстпла ггсп
и неленапп ж » осстроя СССР систематические
ных н диспеп по. 1 физико-химические исследования дисперс-
тинентальной\ъопк1,юм,грунтов морской, переходной и кон-
фор ций показали, что свойства грунтов зависят
142
„временно от Целого комплекса факторов, формируЮщихся
О"8. ИХ исторического развития. При этом состав и состоя™»
8 ’од являются функциями совокупности условий их форми
°°&я. а механические свойства и инженерно-геологические
Рвения, присущие породам, находятся в сложной функцио-
яВльной зависимости как от их состава, состояния, так и от пе
*има деформирования^ и других видов внешнего воздействия.
* з условиях морской, переходной и континентальной форма-
вй закономерно формируются грунты различного грануломет-
рического и минерального состава, с различным типом струк-
LpHbix связей и в различном физическом состоянии. Как
следствие, они обладают принципиально отличным типом де-
формационного поведения. Отчетливо выявились особенности
естественных и нарушенных структур грунтов. Основные инже-
нерно геологические явления, развивающиеся в грунтах, по су-
ществу, являются выражением присущих им специфических,
реологических свойств, проявляющихся при инженерном воз-
действии.
Основным практическим выводом из этих многолетних экс-
перим нтальных исследований является вывод о необходимос-
гн прим нения метода комплексной оценки грунтов в строи-
гельных целях, согласно основным теоретическим положениям
фишко-химической механики грунтов.
< ыым теоретическим выводом из проведенных комплекс-
ных чедований является установление и формулирование
и : > закона грунтоведения и физико-химической механи-
ков: <Прочностные, деформационные и реологические
грунтов обусловлены в совокупности их составом, фи-
х р состоянием, типом структурных связей и режимом
, ; рмирования».
ответствии с этим законом разработан принцип ком-
... п и классификации дисперсных и дисперсно-обломочных
, птов, являющейся основой оценки, прогноза и улучшения их
юасгв в строительных целях.
Комплексная классификация отражает совокупность част-
ных прямых количественных классификационных показателей
состава грхитов, типа их структурных связей и физического
соси ' Пия. прочностные и деформационные свойства грунтов,
е. логические их особенности, т. е. основные инженерно-геоло-
! ичм кие явления, свойственные данным инженерно-строитель-
ным видам грунтов при данном режиме деформирования.
Список литературы
1. Абдурагимова Л. Н, Ребиндер П. А., С е р б-С е р б и н а Н
Упруго-вязкостные свойства тиксотропных структур в водных суспензиях к
тонитовых глин. — «Коллоидный журнал», 1955, t.XVII, вып. 3. Х бен'
2. Адам А. К. Физика и химия поверхностей (пер. с англ'i „
М„ Гостехиздат, 1947. Г Изд’ 3-е.
3. Александрова Л. Н., Надь М. О. О природе органо-минет
пых коллоидов и методах их изучения.—«Почвоведение», 1958, № 10 ль‘
4. Андрианов П. И. Теплота смачивания и удельная nnnonv„„
почв. — М., ВАСХНИЛ, 1937. рхность
5. А и о с о в а Л. А. Изменение состава и деформационного поведения г.и
при оползневых процессах. — М., «Наука», 1966. Ин
6. Арипов Э„ Берестнев а 3. Я., Каргин В А. Электронно-мик
роскопическое исследование структурообразования в лёссах 1. Влияние
пергирующей среды—«Коллоидный журнал», 1957, т. XIX, вып. 1
7. А р и п о в Э., Б е р е с т н е в а 3. Я , К а р г и н В. А. Электронно-мик-
роскопическое исследование структурообразования в лёссах. 2 Влияние ком-
понентов лёсса на структурообразование. — «Коллоидный журнал», 1957
т. XIX, вып. 1.
8. Беликов Б. П. Влияние минерального состава и истории формирова-
ния горных пород на их физико-механические, в особенности упругие свойства
Автореф. на соиск. учен, степени доктора геол.-мин наук — М . 1970.
9. Б о й ч е н к о П. О. Определение пределов пластичности, консистенции
и коэффициента структурности связных грунтов методом конуса — В кн. Не-
которые методы определения физико-механических свойств грхнтов Л . Изд-во
ЛГУ, 1950.
10. Б о и д а р и к Г. К- Динамическое и статическое зондирование грунтов
в инженерной геологии. — М., «Недра», 1964.
11. Б о и д а р и к Г. К-, Комаров И. С. и Фер ронский В И. По-
левые методы инженерно-геологических исследований — М., «Недра», 1967.
12. Бочарова И. С. К вопросу об изменении состава и структурообра-
зующих свойств органического вещества глинистых пород в процессе литоге-
неза.— М., Изд-во АН СССР, 1963.
13. Васильев А. М. Конусный метод определения прочности пластич-
ных глинистых грунтов в естественном и нарушенном сложении — В кн Воп-
росы исследования грунтов оснований сооружений. М, Госстройиздат, 1956.
14. Вознесенский А. С., А с т а х о в а О. X. К теории искусственного
оглеения почвогрунтов для снижения их водопроницаемости. — В сб. Труды
Груз. НИИ гидротехники и мелиорации, вып. 3(16), 1955.
15. Воларович М. П. Исследование пластичных свойств глины методом
вращающегося цилиндра. — «Прикладная физика», 1930, т. 7, вып. 5
16. Воларович М. П. Применение методов исследования вязкости и
пластичности в прикладной минералогии.— М—Л., ОНТИ, 1934.
17. Генезис и классификация осадочных пород. В кн.: Международный
геологический конгресс. XXIII сессия. — М. «Наука», 1968.
18. Г о л о в А. Е . К о л о м е н с к и и Н. В. и С м и р н о в Л. Н Вопросы
унификации инженерно-геологических исследований. — М, «Недра». 1964.
19, Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. — М, Строй-
издат, 1971.
20. Горькова И. М. Концентрированные дисперсные системы грун-
тов.— «Коллоидный журнал». 1949. т. II. № 2.
21. Горькова И. М. Исследование глинистых пород при помощи кони-
ческого пластометра.—«Коллоидный журнал», 1956. т. 18, вып. 1.
144
оса-
по Горькова И. М. Структурные и Деформационные
о4ных пород различной степени уплотнения и литификации
19бб. Горькова И. М. Теоретические основы онеи™
^нерпо-геологических целях.— М., «Наука», 1966 осадочных пород в
йН*94 Горькова И. М. Гранулометрическая классиЛикапиа
псадочных пород.— В кн.: Инженерные свойства дисперсных осадочных^оп^
Сформирующие их геологические процессы. М„ ПНИИИС, Труды ™4 ?970
и Ф/й Горькова И. М. Принципы комплексной оценки и инженерногео
логическая классификация глинистых и лессовых пород. - В кн.: Комплекс^
^«х1ГТГпТииис,г“ая °Ц€НКа глинистых и лёссовых пород Тр^
Т ' 26. Го р ь к о в а И. М, Ч е п и к В. Ф , Р я б и ч е в а К. Н. О поиооде
плывунности песчано-коллоидных пород. — В сб.: Труды лабор. гидрогеол
проблем им. Ф. П. Саваренского, АН СССР, т. XV, 1957.
27 . Горькова И. М, Р е у т о в а Н. С., Д у ш к и н а Н. А. и др. Комп-
аексная оценка инженерно-геологических свойств глинистых и лёссовых по-
рОд. — М., «Наука», 1969.
28 Гребенщиков И. В Поверхностные свойства стекла. Строение
стекла. — М. — Л., 1933.
29 Гребенщиков И. В. Химические реакции на поверхности силика-
тов и их значение для техники. — Изв. АН СССР, 1937, № 1.
30 ГОСТ 12536—67. Грунты. Методы лабораторного определения зерново-
го (гранулометрического) состава.
31 Гунешян О. Г. Комплексная оценка инженерно-геологических
свойств пород, слагающих оползневые склоны на Черноморском побережье
Кавказа (в районе г. Сочи), как основа прогноза оползневых явлений. Авто-
реФ н соиск. учен степени канд. геол.-мин. наук. — М., 1973.
32 Д е н и с о в Н. Я- О нижнем пределе текучести как критерии для оцен-
ки v тойчивости грунтов.—«Проблемы советской геологии», 1934, т. 4, № 10.
33 . ДенисовН. Я. О природе деформаций глинистых пород. — М„ Реч-
I' т it. 1951 „ .
34 . Денисов Н Я.Р е б и н д е р П. А. О коллоидно-химическои приро-
1 вязности глинистых пород. ДАН СССР, 1946, т. 54, № 6.
35 . Дерягин Б. В. Упругие свойства тонких слоев воды,— «Журнал
шческой химии», 1932, т III, вып. 1.
Д Т е о я г и и Б. В. Теория взаимодействия частиц в присутствии двои-
IX электрических слоев и агрегативной устойчивости литфобных коллоидов и
1 пеосных систем — Изв. АН СССР, 1937, № 5.
37 . Д е р я г и н Б. В. Поверхностные явления и свойства грунтов и глин.
м TeCCPru9nVVK вопросу об определен™ понятия и величины рас-
кчн.щвайжго доения. . его ро₽листатике и кинетике тонких слое, жид-
U " Т: Т е* р Те п “ Б " К У « "к о М Экспериментальное исследование ссщь
„аг.™,оЛп7веЯрх"остей в 'применении к яост^оению^ математической теории
„„.„„„„ости литфильных — -И- ““"„„с зависимости рас-
40 Дерягин Б. В ’Д^СДНы гидратных пленок па минеральных час-
Современные методы исследования физико-химических свойств
почв м, изд-во АН СССР, 1947, выгнЗ,^т.4. Зубащенко к и Киселе-
41 Дерягин Б., С и ДО р пленках жидкостей. - «Коллоидный
в а Е Кинетические явления в гран
журнал», 1947, т. 9, вып. 5. д д езия Исследования в области
42 Дерягин Б. В. КР”»2М кзд-ко АН СССР. 19«.
прилипания и клеящего Действия. • - дативного перкодк.-М.
43 . д об р о в о л ь с к и и В. В. Гинер
«Недра х 1*Дшк„„а К.И.. Струкуленко Н. .
фическнх исследований горных пород. — В кн.: Разрушение и ползучести
ных пород. Новосибирск, «Наука», 1970. ь г°р-
45. Д у м а и с к и й А. В. Учение о коллоидах. Дисперсность и un,.„„
состояние вещества. — М.. ОНТИ, 1935. ол-™идН0е
46. Ж и г а р е в Л. А. Термоденудационные процессы и деформаци
поведение протаявших пород.— Новосибирск, «Наука», 1973. * 011н°е
47. 3 а т е н а ц к а я Н. П. Методы исследования поровых вод глин
пород при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях гСТЫх
ПНИИИС, т. 21, 1972. 1 РУДЫ
48. Зуев Л. А., Г а п о н Е. И. Адсорбция паров воды почвами - ,,гг
вс-ведение», 1948, № 2. <( оч'
49. 3 у е в Ю. С. Влияние добавок электролитов и поверхностпо-акти
вицеств на структурно-механические свойства концентрированных суспеНИЫ-
•окиси алюминия в воде. — «Коллоидный журнал», 1950, т. 12, вып. 2 НЗИВ
50. Зуев Ю. С. Некоторые вопросы тиксотропии. — «Коллоидный м,
нал», 1950, т. 12, вып. 1. ЖУР-
51. Кабахидзе Е. И., Шишниашвили М. Е., Серб-Се об
и а Н. Н. Тиксотропные и структурно-механические свойства суспензий аск ”
геля в зависимости от состава обменного комплекса. — «Коллоидный журнал»'
52. К а р т а ш о в С. Н. Физико-механические свойства и процессы фовм
рования снежно-фирнового покрова восточной Антарктиды. — м н/п И
АН СССР, 1962. ’’ д‘во
53. К а ч и н с к и й Н. А. Методы механического и микроагрегатногп аио
лиза почв. — M., изд-во АН СССР, 1943. а'
54. Кобра нова В. Н. Физические свойства горных пород (Петрофизи-
ка).— М., Гостоптехиздат, 1962.
55. Койфман М. И. Скоростной комплексный метод определения меха-
нических свойств горных пород. — В кн.: Механические свойства гопных m
род. М„ изд-во АН СССР, 1963.
56. Кориковская А. К. Инженерно-геологическая характеристика и
прогноз пучения глинистых пород в шахтах угольных месторождений. Авто-
реф. на соиск. учен, степени канд. геол.-мин. наук. — М., 1963.
57. Кош ляк Л. Л. Исследование процесса разрушения естественной
структуры глины в пластическом состоянии. Автореф. на соиск. учен. степ,
канд. геол.-мин. наук. — М., 1961.
58. Кройт Г. Р. Наука о коллоидах. Т. 1,— М., ИЛ, 1955.
59. К р у г л и ц к и й Н. Н., Т р е т и н н и к В. Ф., О в ч а р е н к о Ф. Д. и
др. Структурообразование в водных суспензиях глин в связи с особенностями
кристаллического строения глинистых минералов. — В кн.: Физико-химичес-
кая механика дисперсных структур. М., «Наука», 1966.
60. Ларионов А. К. Методы исследования структуры грунтов. — М.,
«Недра», 1971.
61. Лебедев В. И. Исследование песчаных грунтов методом динамичес-
кого зондирования с целью оценки физико-механических свойств и прогнози-
рования несущей способности свай (на примере различных генетических типов
песков Прибалтики), — Автореф. на соиск. учен. степ. канд. геол.-мин. наук.—
М., 1971.
62. Л и п а т о в С. М. Физико-химия коллоидов. М. — Л., Госхимиздат,
1948.
63. Л и х т м а н В. И., Щукин Е. Д., Р е б и и д е р А. А. Физико-химичес-
кая механика металлов. — М., изд-во АН СССР, 1962.
64. Ломтадзе В. Д. О формировании свойств глинистых пород.—
«Учен. зап. Ленинградского горного ин-та», 1955, т. 32, вып. 2.
65. Л о м т а д з е В. Д. Стадии формирования свойств глинистых пород
при их литификации.— ДАН СССР, 1955, т. 102, № 4.
66. Л о м т а д з е В. Д. О формировании инженерно-геологических свойств
глинистых пород. «Труды совещания по инж.-геол. свойствам горных пород и
методам их изучения», т. I,—М., изд-во АН СССР, 1956.
146
»1 "’"Й” В' Д И’,Ле,,е^«я r«W„ (Иж„__
иг ipa>, 1970- т ,, г ’ ’ ’
Л-, /«Л юбимовя I. Ю О процессах структуоообп^
*’* __ «Коллоидный журнал», 1958, т 2О.вып₽6 Р иж’’ 7n.*>rwrHnbn
rp'"f(‘, Малкина Л. Д., Дерягин Б в
„одных средах. - «Коллоидный журнал», I960, г XII в«п iea₽IWB“’ "ml
” 70 Маслов II. И Условия динамической vrrnL»^ 6
)111)Л песков.-в кн: Вопросы механики грунтов. вып^У*7"
**71 М а слов Н. Н. Условия устойчивости склонов и откосп. .
гетическом строительстве. М„ Госэнергоиздат, 1955 УТК**'» » пцргнмр
' 72. Маслов Н. Н. Длительная устойчивость и
подпорных сооружений. М., «Энергия», 1968 деформация смпш
73 Маслов Н.Н., Котов М. Ф. Инженерная геология JL(Mn.
дат, 1971.
74 Методическое пособие по инженерно-геологическом . и<-. г.,.ы.
пород Т. I и И. Под ред. Е. М. Сергеева. — Изд-во МГУ 1968
75. Методы изучения осадочных пород. Т 1 и 2 Под ред Н Ч гт,..,
ва —м., Госгеолтехиздат, 1957
' 76. Михайлов Н. В., Ребиндер П А. О структурно-мехажнеои
свойствах дисперсных и высокомолекулярных систем. — «Коллоидный журнал»
77. Москвитин Н. И, Футран М. Ф., Дерягин Б В Прямее
ние метода скрещенных нитей к изучению поверхностной сольватации вомме»
ров и их слипания в жидких средах и к моделированию коллоидных паке-
тов ДАН СССР, 1955, т. 105, .Vs 4.
78. М ось я ков Е. Ф. Исследования зависимости между физико-иеллня
ческими свойствами и показателями пенетрации для некоторых типов четхет
тичных глинистых грунтов. — Автореф. на соиск. учен. степ, каях покямя
наук. М.. 1968.
79. О в ч а р е н к о Ф. Д. Гидрофильность глин и глинистых мииемяов. —
Киев, изд-во АН УССР, 1961
80. О в ч и н н и ко в П. Ф., К р у г л и ц к и й Н. Н., Михайло* И В
Реология тиксотропных систем. — Киев, «Наукова Думка», 1972.
81. О хот ин В. В. Гранулометрическая классификация грунтов и* ос
нове их физических и механических свойств. Л., Ленгострансизддт, 1933
82. П а в л о в а Н. Н., Ш р е й н е р Л. А. Экспериментальное взучешм
влияния скорости нагружения на процесс деформации горных пород —В чч
Сопротивляемость горных пород разрушению при добывании. М., изд вс \Н
СССР, 1962.
83. П анюков П. Н. Инженерная геология.—М. Госгортехиздат.
84 П а н ю к о в П. Н. Основы физической минералогии и петрографии.—
М„ 1966.
85. П а с ы н с к и й А. _
тов — «Журнал физической химии», 1938, т. II, вып. 5.
86. Песков Н. П. Физико-химические основы коллоидной науки Ии
2-е. М., Госхимтехиздат, 1934.
87. Песков Н. П. и А л е кс а н д р о в а - П р е й с Е. М Курс ч мою
ной химии. Изд. 2-е. —М„ Госхимиздат, 1948.
88. Писаренко А. П., Поспелова К. А., Яковлев a i
коллоидной химии. Изд. 2-е. — М , «Высшая школа», 19М._________
89. Платов Н. А., Горькова И. М. jft
беиности мелкозернистых и пылеватых песков - ДАН СССР.
on Платов Н А, Горькова ИМО природе прочнеет» w.
„истых к среднезерннстых ресчаиых пород различных гситгжид ям -
«Коллоидный журнал», 1973, № 1. ,лклпыэиионшх с*о8с*в
91. П л а т о в Н. А. Исследование прочностных и^дефеф
мелко- и среднезернистых пе^н“^."°P/t,Vob песчаных
ния (на примере некоторых ге «Гввук- I
сти СССР). Автореф. на соиск. учен. степ. анд.
Сжимаемость и сольватация растворив -лечтрсг»
92. Попов И. В. Криптоструктура глин при их деформациях п .
СССР, 1944, т. 45, № 4. Х’ ~~ ДАН
93. П о п о в И. В. Инженерная геология.—М., Госгеолиздат, 1951
94. Попов И. В. Инженерная геология. — М., изд-во МГУ,’ 1959
95. П о п о в И. В. Теоретические основы инженерно-геологической
сификации пород. — В кн.: XX Congreso Geologico International, Mexico Ktn?c'
Seccion XIII Geologia Aplicada a la Ingeniria у a la Mineria. Mexico, Df’ «-•
96. Попов И. В. Итоги и задачи развития региональной инженерной °9’
логии и инженерно-геологического картирования. — В кн.: Проблемы ипи Ге°‘
ной геологии. М., изд-во МГУ, 1970. ' 1 |,еР'
97. П р и к л о н с к и й В. А. Грунтоведение. Ч. 2 — М , Госгеозтехи?
1952. Дат>
98. Приклонекий В. А. Грунтоведение. Ч. 1, изд. 3-е. — М., Госгео
техиздат, 1955.
99. П р и к л о н с к и й В. А., Горькова И. М„ О к н и и а И. А , р е ,
това Н. С., Че пи к В. Ф. Инженерно-геологические особенности Хвалынск?
глинистых пород в связи с условиями их формирования. — Труды лабор Гц ?
рогеол. проблем им. Ф. П. Савареиского, т. XIII, 1956.
100. Приклонекий В. А. Петрогенез и формирование инженерно-гео
логических свойств горных пород. «Труды совещания по инженерно-геологичс
ским свойствам горных пород и методам их изучения». Т. 1, М, нзт-во
СССР, 1956. ' 1
101. Протодьяконов М. ЛА. Метод определения прочности горных
пород на одноосное сжатие. — В кн.: Механические свойства горных попп >
М , изд-во АН СССР. 1963.
102, П у с т о в а л о в Л. В. Петрография осадочных пород Ч
ГОНГИ, 1940.
1-2.
103. Разоренов В. Ф Определение трения и сцепления грунтов по ре-
зультатам совмещенных испытаний методами пенетрации и вращательного сре
за. — В кн.: Скоростные методы инженерно-геологических исследовании для
целей массового строительства. М., «Недра», 1964
104. Разоренов В. Ф. Пенетрационные испытания грунтов — М , Строй-
изд ат, 1968.
105. Р а з о р е и о в В. Ф. Определение строительных свойств грхнтов ме-
тодами пенетрации и вращательного среза. — Киев, «Буд(вельник», 1966.
106. Райтбурдц. М. О применение рентгено-структурного метода тля
изучения текстурообразования в глинах при деформациях (н примере каоли-
новой глины). — «Труды совещания по инженерно-геологическим свой,
горных пород и методам их изучения». Т. I. М, изд-во АН СССР. 1956
107. Райтбурд Ц. М. Изучение микроструктуры глия рентгено-струк-
турным методом. — В кн.: Доклады к собранию Международной комиссии по
изучению глин. М . изд-во АН СССР. 1960.
108. Ребиндер П. А. Конспект общего курса коллоидной химии По
лекциям акад. Ребнндера П. А. сост. доц. К А. Поспелова (2-е издание). М.
изд-во МГУ, 1950.
109. Ре бин дер П. А. Структурно-механические свойства глинистых по-
род и современные представления физнко-химии коллоидов. «Труды совета
ния по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изуче-
ния», Т. I. М.. изд-во АН СССР. 1956.
ПО. Ребиндер П А Физико-химическая механика Новая область нау-
ки.— М., «Знание», 1958.
111. Ребиндер П. А , Сега лов а Е. Г Новые проблемы коллоидной
химии минеральных вяжущих материалов. «Природа», 1952, № 12.
112. Ребиндер П. А Физико-химическая механика дисперсных стрхк
тур. — М., «Наука», 1966.
113. Ребиндер П. А.. Шрейнер Л А., Ж и гач К Ф. Понизители
твердости в бурении. М.—Л., изд-во АН СССР. 1944.
114 Р е б и н д е р П. А., В л од а в ец И Н Физико-химическая механика
пористых и волокнистых дисперсных структур. —В кн.: Проблемы фнзико-хи-
148
м
„ органики волокнистых и пористых диспеосиыг
11Ческ°и ^знание», 1967. ' РУКТУР и материа-
лов. р,'г:16 ж е в с к и й В. В. Классификация и паспоптиЯЯ„.,„ „
115‘ ! м -- М , «Недра», 1966. "амортизация горных пород по
их^роза С. А. Структурная прочность глинистых грунтов с ба™. •
Звенной влажностью.-«Гидротехническое строительство», 1%0 ЬШ
' 117, <АНаЯк;И"-“Р"о-ояоги,еск»е особенного.
пеЛеП8 Руппе не й т К. В., Песляк Ю А. Расчет сборной крепи шахтных
ет.^- В- ) a"!Z-bo’ah СССР, Х™’ " 4w»ue’Z-
119 Рух "" Л- В Гранулометрический анализ рыхлых и слабосдемеити-
повинных осадочных пород. В кн.. Методы изучения осадочных пород Т 1
М Госгеолтехиздат, 1957. н • .
л ’ |20 С аварепски й Ф. П. Инженерная геология. М,—Л., ОНТИ, 1937.
121 С а м к о в Б. П., Хлебникове, Г. Опыт производственного при-
мепения искусственного оглеения грунтов для борьбы с фильтрацией из водо-
, мов Груды Груз, научно-исслед. ин-та гидротехники и мелиорации, вып 3
(16) Изд-во М-ва водного хоз. ГрузССР, 1955.
122 Свен-Нильсон И. Значение времени соприкосновения между
минер '.лом и пузырьком воздуха для флотации. Новые исследования в области
флотации.-М., ОНТИ, 1937.
123 Се га лов а Е. Е„ Ребиндер П. А. Исследование структурно-
механичо : их свойств и тиксотропии в олеоколлоидных системах. — «Коллоид-
ны1! журнал», 1948, т. 10, №3.
121 Серб-Сербина Н. Н., Ре биндер П. А. Структурообразова-
ни1 пых суспензиях бентонитовых глин. — «Коллоидный журнал», 1947,
т 9, 5.
< р г е е в Е. М. Общее грунтоведение. М., изд-во МГУ, 1952.
|. • > ергеевЕ М., П р и к л о н с к и й В. А., П а н ю к о в П. Н. и др.
О же черно-геологическая классификация горных пород и почв.-«Тру-
H.<я по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам
чия». Т 2 М , изд-во АН СССР, 1957.
127 Сергеев Е. М. Современное состояние и перспективы развития ин-
?ч й геологии в СССР. — М., изд-во МГУ, 1970.
128 Спивак А. И. Механика горных пород (применительно к процес-
ярушепия при бурении скважин).—М., «Недра», 1967.
12’м Страхов Н М Стадии образования осадочных пород и задачи их
изучения — В кн Методы изучения осадочных пород. Т. I. М., Госгеолтехиз-
1 ’ Строительные нормы и правила. Часть II. раздел Б гл 1 Основания
женин. Нормы проектирования. СНиП П-Б.1-62. — М., Госстрои-
1J|r;, юрович Г И. Учение об осадочных породах (применительно
ГР'";з“ Т ч'а «Т. О вУй'9д'.' Медведев Р. В., Павии В. И. Севре-
меш'ые методы комплексного определения физических свойств горных пород,-
Л ' Философский словарь. Под ред. М. М. Розенталя и П. Ф. Юдина. Изд.
2-е. _ М . Политиздат, 1968 0 „омсвк.,аТуре песчаио-алеврито-
„’.товыхX»классификации. - «Бюлл. МОИП., 1938. Т. 46. отд. геол.
''''^Зб. Фрей в дли х ГЛ*’™Е*«"»™ пузырьков. -
137 Фрумкин А. Об явлеиия
.Журнал физическая химия. Т 1 * *
138 Ф р У м к и и A., J о Р о \
липания пузырьков.
, 1938. Т. 12, вып. 4.
., . г „ _ . ' * т А. Об явлениях смачивания и при-
«Журнал физическая химия». ”* 10 ви" 5—6.
U9
М 1Л Черняк э. Р., Рубинштейн А. Я, Ж о р.
,39 Хазанов М. И, 4 eQP исследования прочностных характеристик
ГВ Хилобок В. 1. ипы! методами. — «Материалы Всес. совещ
ых суглинистых грунтов полевыми ме^д гр Таллин> 1965 Щ-
по строительству на слабых вДДОна • _ М„ «Высшая школа», 1968.
П НО. Цы тович Н. A jTggopaTOpHbie работы по грунтоведению и меха-
141 Ч а п о в с к и и г.. 1 •
uvAdvhtob. — М., «Недра», 1У°о- деформационных и структурно-меха-
142 Черняк Э. Р. (на примере днепровской основной мо-
« учеК ст?,,, канд. геоа.-м»,,. паук. .4 .
рены р-на поповы механики горных пород. Меха-
143 . ШР.ей"ерпоО1^ссы‘разруп.ения при бурении. М.-Л., Гостоптехиз-
даМ9И50.СВОИСТВ ' л д Б а й д ю к Б. В., П а в л о в а Н. Н. и др. Дефор.
М «Недра», 1968., э. И ., В и т о р т Г. К Новые методы раз-
145 Эпштейн Е ф, а р i960 , ....
рушения горных породам. r°c™^opic und Fliesseigenschaften fe.nkSrmger
146 Ackermann t. 1948
r'‘’ "Ц1' ’d." la Mture du dispersant ur ta
pr d&'Tpoudre de ,usru. Cumpte, Rend Aesd..
PaFi I^S’A а219ё к’ЁВ und S * сг у /Е Die ВФ^Э. H°6.
zentrierten Eisenoxydsole zu reversion g
l923|M Scott-Blair G. W. An introduction io industrial rbeoiogy. Lon-
*m>lM8Scott-BlairO W A survey of general and appbed rl I-
don. 1949. _____ _______
Оглавление
Введение .....
Глава I. ГРУНТЫ КАК ДИСПЕРСНЫ*
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНПИпк, СИСТЕМЫ ’ '
ГРУНТОВ 'ИПЫ ФИзИКО ХИМИце’ ' ’ ’ • • ' * '
Глава 3. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСтлп ' ’ ‘ СК°П МЕХАНИКИ
SS:
г“"'
глава 7. ПРИРОДА ПОЛЗУЧЕСТ- ОЛОГИ1,ЕСКИЕ СВОП:
Глава 8 - ^МПл1НК^Н^ ВУ
.... ^ХНОЭА"-ж
а
свои
12
16
21
30
56
КМ
128
144
ИРИНА МИХАЙЛОВНА ГОРЬКОВА
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ
В СТРОИТЕЛЬНЫХ ЦЕЛЯХ
Научный редактор Н. А. ПЛАТОВ
Редакция литературы по инженерному
оборудованию
Зав. редакцией И П СКВОРЦОВА
Редактор Р. Л. ЧЕРКИНСКАЯ
Мл, редактор А А. МИНАЕВА
Внешнее оформление художника А. Н. ШИЛЯЕВА
Технический редактор И В. ПАНОВА
Корректоры Н. П. ЧУГУНОВА, И П ШАХНОВСКАЯ
Сдано в набор 18/XI 1974 г. Подписано к печати 7/V 1975 г.
Формат 60Х90’/|« д л. Бумага типографская № 2. 9,5 печ.
Тираж 4000 экз. Изд № AVIII—4188. Зак № 427, Цена 70 к.
Т-08819
л. . (10,50 уч.-изд. л.)
Стройиздат
Москва, 103006, ул Каляевская д 23а
Владимирская типография Союзполиграфпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств
полиграфии и книжной торговли
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6