CC BY
238
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2014. Вып. 4. С. 184-191
= Науки о земле =
УДК 624.131
Физические свойства и структурная прочность глинистых грунтов территории Томской области
В. В. Крамаренко, В. Ю. Молоков, Л. Л. Молокова
Аннотация. Приведены результаты лабораторных исследований структурной прочности глинистых грунтов территории Томской области, а также выявленные взаимосвязи между структурной прочностью и характеристиками их физических свойств.
Ключевые слова: грунты, структурная прочность, характеристики физических свойств, давление переуплотнения.
Структурная прочность pstr является характеристикой исходного состояния грунта и имеет немаловажное значение при определении показателей его физико-механических свойств, состояния уплотненности, расчета осадок оснований сооружений и оценке качества отбора образцов ненарушенной структуры. Как отмечено в работе [1] «...все недоразумения с механическими свойствами грунтов и расчетами на их основе связаны с полным игнорированием исходного состояния грунта и с нежеланием признать, что несущая способность грунта определяется его исходным состоянием». «У глинистых разновидностей со смешанным типом микростроения наблюдается четко выраженная точка перегиба, соответствующая их структурной прочности, поэтому при меньших ее нагрузках коэффициент сжимаемости равен сотым долям МПа-1, а при больших - значения этого показателя возрастают до десятых долей МПа-1. Наличие структурной прочности сказывается и на параметрах сдвига этих грунтов. При нагрузках превышающих ее угол внутреннего трения и сцепление существенно снижается, особенно в условиях недренированного сдвига. Величина остаточной прочности составляет не менее 30-40%. Часто среди них встречаются недоуплотненные и переуплотненные грунты. Первые образуются за счет ранней цементации, а вторые при разгрузке литифицированных пород с сохранением у них части фазовых цементационных контактов» [2].
Величина структурной прочности грунтов зависит от возраста, степени литификации, генезиса, структурных связей. Есть немало интересных работ изучающих pstr (effective yield stress, preconsolidation pressure),
степень уплотненности грунтов и методы их определений, среди авторов Casagrande, Burmister, Schemertmann, Akai, Janbu, Christensen, БеШОге, Pacheco Silva, Butterfield, Tavenas, Oikawa, Jose, Sridharan, Burland, Jacobsen, Van Zelst, Becker, Senol, Saglamer, Nagaraj, Th0gersen, Einav, Carter, Gregory, Grozic, Imhoff, Dias Junior и многие другие. Факторы и характеристики, определяющие степень уплотнения грунтов приведены в работах [3-12]. Считается, что наименьшей структурной прочностью обладают относительно молодые глинистые грунты со слабыми коагуляционными контактами, а наибольшей - относительно древние литифицированные с прочными смешанными и фазовыми цементационными контактами, что в определенной степени отражают основные характеристики физических свойств грунтов: такие как плотность, плотность сухого грунта и влажность. Соответственно, взаимосвязи pstr с составом и физическими свойствами грунтов, обусловленные их условиями формирования, вызывают большой интерес у исследователей. Поэтому целью данной работы является выявление зависимости структурной прочности от показателей физических свойств дисперсных грунтов территории Томской области.
Задачи исследований включали опробование и лабораторные определения показателей основных физических и физико-механических свойств грунтов, а также проведение статистической обработки полученных результатов для подтверждения взаимосвязей между ними. Грунты были испытаны в соответствии с методами, приведенными в действующих нормативных документах [13-18]. Опробование производилось в 60 точках, в основном это центральная, наиболее освоенная часть территории Томской области, а также малообжитые северные и северо-западные ее районы, опробование проводилось до глубины 230 м из отложений стратиграфо-генетических комплексов четвертичной системы, палеогена и мела, всего было отобрано около 220 образцов дисперсных грунтов. Были определены: гранулометрический состав, плотность (р), плотность твердых частиц (ps), плотность сухого грунта (pd), влажность (w), влажность на границе раскатывания и текучести (wl и wp), показатели деформационных и прочностных свойств; рассчитаны пористость, коэффициент пористости, полная влагоемкость, число пластичности и показатель текучести, коэффициент OCR (отношение pstr к бытовому давлению в точке отбора образца). Показатель pstr был определен по стандартной методике, изложенной в ГОСТ 12248 [14].
Исследования проводились для глинистых грунтов в основном тугопластичной, полутвердой и твердой консистенции. Лабораторные исследования показали, что в целом плотность в сухом состоянии изменяется для суглинков от 1,16 до 1,77 г/см3; для глин и супесей от 1,18 до 1,65 г/см3, увеличиваясь с глубиной. Плотность твердых частиц в среднем для всех разновидностей составила - 2,68-2,69 г/см3, при минимуме 2,50-2,58 г/см3 и максимуме 2,83-3,00 г/см3 и более - для скальных и полускальных грунтов, сцементированных окислами и гидроокислами железа. Результаты
статистической обработки результатов показали, что значения структурной прочности изменяются от 0 до 300 кПа и выше - у грунтов полускальных и твердых глинистых. Распределение показателя pstr по разновидностям приведено на рис. 1, наиболее высокие значения получены для супесей, в среднем - 130 кПа (при максимуме - 177 кПа, а в целом у глин и суглинков преобладают значения 93-95 кПа, при максимуме 170-188 кПа. Максимальные значения pstr, отмечены, естественно, у образцов, отобранных с больших глубин. Была выявлена также зависимость изменения показателя с глубиной h (r = 0, 79) [5]: pstr = 19, 6 + 0, 62 • h.
200
05
1= V 180
is 160
<х
л 140
1-
о X 120
■j
о а. 100
с
в: 05 80
а. >-, 60
40
>>
а.
О 20
в 1
■ ill §§ ■
шш
3
о
X
>> о
03 X
ш с
>1
Mean
±SE
±SD
Рис. 1. Распределение значений структурной прочности в разновидностях
глинистых грунтов
Анализ изменчивости OCR показал, что грунты ниже 20 м являются нормально уплотненными, т.е. структурная прочность не превышает или слабо превышает бытовое давление (OCR ^ 1). Необходимо отметить тот факт, что в верхней части разреза разброс значений показателя OCR значительно шире - встречаются грунты сильно уплотненные. Такая картина является довольно типичной, так как грунты зоны аэрации часто встречаются в полутвердом и твердом трехфазном состоянии, а с повышением их влажности, полной влагоемкости и степени водонасыщения снижается структурная прочность, что подтвердил корреляционный анализ. На левобережье р. Оби в интервалах 150-250 м, встречены прочно сцементированные полускальные и скальные грунты, а также дисперсные грунты с высокой структурной прочностью более 0,3 МПа, подстилаемые и переслаиваемые менее прочными разновидностями, что в целом подтверждает значительное влияние цементации на структурную прочность грунтов, которое подтверждается систематизацией аналогичных фактических материалов в работе [4].
Наиболее тесные зависимости отмечены между структурной прочностью и характеристиками плотности (рис. 2): ри плотностью сухого грунта рd (коэффициент корреляции г = 0,53); ри плотностью частиц грунта р3 (г = 0,50); ри естественной плотностью грунта р (г = 0,41); а также между показателями: и влажностью т (г = —0,48, рис. 3);
и полной влагоемкостью тп (г = —0,43); и индексом текучести I^ (г = —0, 42). Не значимые связи получены с числом пластичности 1р, влажностью на границе текучести и раскатывания ир. Грунты скальные и полускальные в корреляционный анализ не были включены, но как видно из графика, некоторые образцы также имели высокие значения и плотности, и структурной прочности.
Рис. 2. Зависимость плотности от структурной прочности грунта
80
70 * 60
50
10
оооооооооооооооооооо Структурная прочность кПа
Рис. 3. Зависимость влажности от структурной прочности грунта
На основании выявленных взаимосвязей получены регрессионные уравнения, позволяющие прогнозировать структурную прочность (в кПа) в
зависимости от плотности и влажности грунта:
Pstr = 211, 6 ■ р - 301, 4;
Pstr = 210, 8 ■ ps - 465, 5;
Pstr = 195, 5 ■ pd - 187, 7;
Pstr = 222, 7 - 4,1 ■ w;
Pstr = 221, 6 - 387, 8 ■ wn.
В работе [3] рекомендуется использовать «два понятия структурной прочности глинистых грунтов: p str1 и p str2, где p str1 — давление, соответствующее разрушению наименее прочных структурных связей, и Pstr2 — давление, определяющее разрушение прочных структурных связей. Для глинистых грунтов малой степени литификации разрушение структурных связей происходит при сравнительно небольших давлениях, с учетом преимущественно их молекулярной природы, наименьшая и наибольшая величина структурной прочности будут мало отличаться друг от друга, за исключением глинистых грунтов неустойчивой консистенции с жесткими структурными связями (например - иольдиевые глины -quickclay). В глинистых грунтах высокой степени литификации развиты преимущественно жесткие цементационные связи, в них также наименьшая и наибольшая величины структурной прочности незначительно отличаются друг от друга. Для глинистых разностей средней степени литификации диапазон давлений между двумя значениями структурной прочности наиболее отчетливо выражен, поскольку их прочность определяется разнородными по своей физической природе структурными связями. На основании рассмотренных выше закономерностей необходимо вести анализ возможного развития деформаций в процессе строительства и эксплуатации различных наземных сооружений по двум возможным вариантам. Первый, когда давление от веса сооружения равно или меньше, чем величина первой структурной прочности грунтов, что характерно для глинистых отложений средней и высокой степени литификации. Второй случай, когда давление от сооружения больше, чем величина структурной прочности рассматривается для глинистых грунтов малой степени литификации, где характер и величина деформаций является следствием изменения влажности, плотности, а также перестройки сложения во времени под действием нормальных и касательных напряжений» [3].
Таким образом, при получении характеристик деформации желательно получать две ключевых точки: минимальную pstri и максимальную Pstr2 структурную прочность. С методиками получения двух значений pstr необходимо определиться, здесь возможно: а) использование точек отрыва касательных к начальному и конечному участкам компрессионной кривой или вспомогательных точек при обработке методами Casagrande, БеШоге или Pacheco Silva; б) параллельные компрессионные испытания с двумя режимами нагружения - быстрым (определение pstr по [14]) и длительным
(стандартные компрессионные испытания с более частыми нагрузками или с более длительной консолидацией, чем указана в действующих нормативах). В зависимости от типа связей, по-видимому, целесообразно применение разных методик, так как например для pstr2 «наиболее отчетливо режим нагружения проявляется в глинистых разностях малой степени литификации с молекулярным типом структурных связей, наименее - в литифицированных разностях» [3]. Выявленные в данной работе значимые взаимосвязи позволяют рекомендовать в качестве методических указаний при исследовании компрессионных параметров определять также показатели физических свойств грунта (в первую очередь - коэффициент пористости и влажность). В случае определения двух показателей pstr, следует получать соответствующие минимальной и максимальной структурной прочности физические характеристики грунта.
Результаты лабораторных исследований состава, структурной прочности и показателей физических свойств грунтов Томской области позволили определить изменение показателя и состояние уплотненности грунтов до глубины 230 м. Анализ изменчивости характеристики OCR показал, что грунты ниже 20 м являются нормально уплотненными, т.е. структурная прочность не превышает бытовое давление, в верхней части разреза встречаются как слабо, так и сильно уплотненные грунты. Выявленные наиболее тесные значимые связи между pstr и показателями плотности и влажности грунта, позволили получить корреляционные зависимости для прогноза значений структурной прочности перед проведением испытаний на сдвиг и компрессию грунтов для данной территории, а также для оценки сохранности естественной структуры образца. В качестве методических указаний рекомендуется определять соответствующие структурной прочности: коэффициент пористости, пористость, влажность, водонасыщение, также являющиеся исходными показателями физических свойств грунта.
Список литературы
1. Богданов Е.Н. О механических свойствах глинистых грунтов // Грунтоведение. 2012. № 1. С. 64-72.
2. Грунтоведение / под ред. В.Т. Трофимова. М.: Изд-во: МГУ, 2005. 1024 с.
3. Дашко Р.Э., Карпова Я.А. Комплексная инженерно-геологическая оценка устойчивости водонасыщенных глинистых грунтов как основания сооружений различного назначения // Грунтоведение. 2013. № 1. С. 11-23.
4. Tomasz S. OCR versus YSR- a discussion of classic and today's views on preconsolidation of clayey soils // Prz. Geol. 2007. V. 55. № 5. P. 405-410.
5. Крамаренко В.В. О структурной прочности слабых грунтов и новых нормативных документах по определению характеристик их механических свойств // Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2012. № 3. С. 242-252.
6. Крамаренко В.В., Никитенков А.Н., Молоков В.Ю. О структурной прочности глинистых грунтов территории Томской области // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. URL: http://www.science-education.ru/119-14703
7. Кудряшова Е.Б. Закономерности формирования переуплотненных глинистых грунтов: дис. .. .кандидата геолого-минералогических наук. М., 2002. 149 с.
8. Осипов В.И. Литогенез и формирование свойств грунтов // 27-й Международный геологический конгресс ин. Геологов. Секция 17. Доклады. М., 1984. Т. 17.
9. Денисов Н.Я. О природе прочности глинистых пород // Природа прочности и деформаций грунтов. М.: Стройиздат, 1972. 279 с.
10. Ляшенко П.А., Денисенко В.В. Определение структурной прочности грунтов постоянно возрастающей нагрузкой. Депонир. во ВНИИНТПИ, № 11408, 1993.
11. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. М.: Изд-во АСВ, 2005. 488 с.
12. Приклонский В.А. Грунтоведение. М.: Госгеолиздат, 1949. С. 314-316.
13. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция.
14. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
15. ГОСТ 12536-79. Методы лабораторного определения гранулометрического и микроагрегатного состава.
16. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация.
17. ГОСТ 30416-2012. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
18. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
Крамаренко Виолетта Валентиновна (Kramarenko-v-v@mail.ru), к.г.-м.н., доцент, кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, Институт природных ресурсов, Томский политехнический университет.
Молоков Виктор Юрьевич (vik3011347@yandex.ru), аспирант, кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, Институт природных ресурсов, Томский политехнический университет.
Молокова Любовь Леонидовна (liubow.m@yandex.ru), магистрант, кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, Институт природных ресурсов, Томский политехнический университет.
Physical properties and structural strength of clay soils in
Tomsk region
V. V. Kramarenko, V. Yu. Molokov, L. L. Molokova
Abstract. The results of laboratory studies of effective yield stress of clay soil in Tomsk region are described in article, as well as are identified the relationship between preconsolidation pressure and characteristics of their physical properties.
Keywords: soil, structural strength, characteristics of physical properties, preconsolidation stress.
Kramarenko Violetta (Kramarenko-v-v@mail.ru), candidate of geological and mineralogical sciences, assistant professor, department hydrogeology and engineering geology and hydrogeoecology, Institute of Natural Sources, Tomsk Polytechnic University.
Molokov Viktor (vik3011347@yandex.ru), postgraduate student, department hydrogeology and engineering geology and hydrogeoecology, Institute of Natural Sources, Tomsk Polytechnic University.
Molokova Lyubov (liubow.m@yandex.ru), student, department hydrogeology and engineering geology and hydrogeoecology, Institute of Natural Sources, Tomsk Polytechnic University.
Поступила 11.11.2014
