CC BY
27
Известия Тульского государственного университета Серия Естественные науки 2008. Выпуск 1. С. 233-238
= НАУКИ О ЗЕМЛЕ =
УДК 624.131
Ф.Г. Габибов
Азербайджанский научно-исследовательский институт строительства и архитектуры, Баку
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ГЛИНИСТЫХ СИСТЕМ НА МНОГОЦИКЛОВОЕ НАБУХАНИЕ И СЖАТИЕ
Аннотация. Приведены экспериментальные исследования на двухфазных, эталонных, мономинеральных и моноионных глинах. Эксперименты проводились на специальных пресс-формах на сжатие и набухание в несколько циклов до выхода системы на постоянную петлю гистерезиса. Аналитическими методами термодинамики теоретически описан процесс выхода глинистой системы на постоянную, равновесную петлю гистерезиса.
Экспериментальные исследования проводились на двухфазных, эталонных, мономинеральных глинах: монтмориллонитовой, гидрослюдистой, каолин итовой в Са и На формах, приготовленных в виде водонасыщенной (двухфазной) пасты.
Образцы глин уплотнялись в специальных пресс-формах (рис.1), изготовленных из оргстекла. Пресс-форма состоит из цилиндрической емкости 1 диаметром 39 мм, в которую помещается образец; удлиненного поршня 2, плотно прилегающего к внутренней стенке цилиндрической емкости, через который на образец передается статистическая нагрузка Р (для предотвращения трения поршень смазывается вазелином). Емкость в нижней части перфорирована и располагается в чашке 3, заполненной водой. Нагрузку прикладывали ступенями, начиная с 0,01 до 4,0 МПа, после практического завершения консолидации при предыдущей нагрузке (суточная деформация менее 0,01 мм). Разгрузку проводили теми же ступенями в обратном порядке, регистрируя деформацию набухания. Величина общей пористости п0 и влажность \¥ определялась экспериментально по данным компрессии
© Габибов Ф.Г., 2008
глин. Проводились 5-8 циклов набухания-сжатия до выхода на постоянную петлю гистерезиса.
Были получены равновесные петли гистерезиса N(1- монтмориллонито-вой, С а- монтмориллонитовый, Ма - гидрослюдистый, С а- гидрослюдистый, и N0, -каолинитовой глин.
Изотерма расклинивающего давления фактически характеризует показатель давления набухания глинистых грунтов. Надо отметить, что при давлении более 4,0 МПа глины практически не уплотняются.
В табл. 1 приведены данные о степени относительного набухания эталонных глин, полученных в пресс-формах. Как видно из табл. 1 самые высокие показатели по относительному набуханию имеют монтмориллонитовые глины, самые низкие - каолинитовые глины, поэтому они практически не представляют никакой опасности для строителей, гидрослюдистые глины занимают промежуточное положение между монтмориллонитовыми и ка-
Р
— 2
Рис. 1. Пресс-форма: 1 - цилиндрическая емкость; 2 - поршень; 3 - чашка
олинитовыми. Надо отметить, что набухание гидрослюдистых глин необходимо учитывать при строительстве на них сооружений. Анализируя результаты многоцикловых опытов по сжатию-набуханию, следует отметить главное обстоятельство — то, что при выходе на равновесную ветвь (рис,.2) глины теряют часть влаги безвозвратно.
Исследования показали, что динамика процесса сжатия-набухания зависит от удельной поверхности глины.
На рис.2 показаны в последовательности все циклы сжатия-набухания до выхода системы на постоянную петлю гистерезиса для гидрослюдистой хвалынской глины. На 4-ом цикле указанная глина вышла на постоянную петлю гистерезиса.
Таблица 1
Степени набухания этанольных глин
Наименование глин Исходная влажность, % Степень относительного набухания, %
Л'а - каолинит 25,68 4,6
Са - каолинит 26,13 2,43
Л'а - монтморилло- 71,95 213,5
нит 57,30 33,77
Са - монтмориллонит 23,42 15,14
Л'а - гидрослюда 19,60 12,95
Са - гидрослюда
Указанные циклы согласно рис.2 описываются следующим образом:
л в
[ <М [ <М , л
1 Дикл I + I 0; (1)
о
С Б
г (Ж г (Ж . п . .
2 цикл -/_+/_ ф 0; (2)
и п ^
В С
Е
3 цикл — замкнутая петля гистерезиса / ——Ь I =0; (3)
(Ж 0;
=
Р
Ь м
Г (Ж Г
} Рп +1
к ь
I I <Ш п
4 цикл — замкнутая постоянная петля гистерезиса / —--Ь / —— = и.
-'По
(4)
М.Н.Гольдштейн [1] отмечает, что применение термодинамического метода в механике грунтов является перспективным, т.к. позволяет выяснить физическую сущность происходящих явлений.
Как отмечает В.А.Королёв [2], в термодинамическом методе применительно к инженерной геологии множество материальных геологических и инженерно-геологических объектов разных рангов, составляющих геологическую среду, удобно условно разделить на изучаемую конкретно термодинамическую систему и окружающую её внешнюю среду.
С точки зрения термодинамики, сжатие и набухание глинистого грунта представляет сложные физико-химические явления взаимодействия твердой фазы с водой при разности внутреннего (расклинивающего) и внешнего
Рис. 2. Многократно повторяемое компрессионное уплотнение пасты хвалынской глины до стадии механического равновесия (постоянная петля гистерезиса сжатие-набухание): 1, 2, 3, 4 - последовательные ветви компрессии; 1а, 2а, За, 4а - последовательные ветви декомпрессии
(компрессионного) давлений. При этом происходит обмен энергией грунтовой системы с окружающей средой. Глинистая система переходит в новое энергетическое состояние, что связано с перемещением частиц (взаимным расхождением и сближением) и изменением общего объёма системы.
Исходя из полученных диаграмм, характеризирующих равновесные петли гистерезиса будем считать, что д есть функция состояния глинистого грунта. Изменение зависит от начальных и конечных точек и не зависит от формы пути, тогда бесконечно малое изменение ¿д является полным дифференциалом при бесконечно малом изменении параметров: влагосодержания (И'): объёма глинистого грунта (У); плотности глинистого грунта (А); массы глинистого грунта (га); модуля разности внешнего давления и давления набухания глинистого грунта (\Р\=Рп — Рц):
=тл |р|++++(5)
т.к. приведенные диаграммы отображают замкнутые процессы, поэтому
^)(1д = 0. (6)
Для изотермического процесса набухания глинистых грунтов в равенстве (5) параметры IV, А и т заменим выражением потенциала влаги Ф (К.Л.Бебок [3]), который по аналогии с химическим потенциалом представляет собой частную производную от внутренней энергии грунтовой системы по массе жидкого компонента. Известно, что любой параметр состояния д является функцией других параметров или является функцией состояния, а значит ¿д есть полный дифференциал, поэтому для параметров Рн (в данном случае при Р.п О, \Р\=РН) V иФ можем написать
/ дФ \ (дФ\
Из шести частных производных, входящих в уравнение, три имеют самостоятельный смысл, тоща как остальные три являются обратными им функциями.
238
ф.г. габибов
Библиографический список
1. Голъдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Т.1. / М.Н. Гольдштейн. -М.: Стройиздат, 1971. -368 с.
2. Королёв В.А. Термодинамика грунтов / В.А. Королёв. -М.: Изд-во Московского университета, 1997. -168 с.
3. Бебок К.Л. Термодинамика воды в почве. В кн.: Термодинамика почвенной влаги / К.Л. Бебок. -Ленинград: Гидрометеоиздат, 1966. -С. 302-323.
Поступило 29Л2.2007
