CC BY
33
УДК 624.131
И.А. Потапов, А.Д. Потапов*, А.А. Шименкова*
НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, *ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ФОРМИРОВАНИЕ РАЗНЫХ ТИПОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ В ПЕСЧАНЫХ ГРУНТАХ В АСПЕКТЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ЭФФЕКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Рассмотрены вопросы применимости положений физико-химической теории эффективных напряжений к песчаным грунтам. Показано, что в развитие этой теории можно утверждать, что в песках реализуются все три типа энергетических контактов: коагуляционный, переходный и фазовый. Преобладает, прежде всего, коагуляционный тип. Приведены результаты изучения морфологических особенностей ряда генетических разностей четвертичных песков. На базе экспериментального определения содержания связанной воды в изученных песках и искусственных смесей песчаной размерности, а также проведенного расчета величины удельной поверхности образцов природных песков и выделенных из них фракций установлена зависимость между морфологическими особенностями песков и величиной максимальной молекулярной влагоемкости. Подтверждено наличие связи между морфологией песчаных зерен и их количеством в изученном объеме, что определяет количество контактов между песчаными частицами. Полученные экспериментальные данные показали, что главные положения физико-химической теории эффективных напряжений реализуются и в песчаных грунтах. В природных песках, при наличии в них частиц разной формы и характера поверхности, возможна реализация различного типа контактов, что и не позволяет получить точного совпадения расчетных данных с данными экспериментальных исследований. Более того, в реальных природных «песчаных» системах величины площадей коагуляционных контактов могут быть значительно большими, чем расчетные. Величины удельной поверхности песков с частицами с развитой поверхностью и пленками глинистого состава существенно больше, чем у округлых (окатанных) частиц с гладкой, полированной мягким трением в воде поверхностью, что приводит к тому, что толщина адсорбированной гидратной или сольватной оболочки также значительно больше. В связи с тем что в песках влияние физико-химических факторов на эффективные напряжения не настолько очевидно как в глинах, следует провести еще дополнительные, более тонкие экспериментальные работы как на отдельных песчаных фракциях мономинеральных песков, так и на образцах природных песков.
Ключевые слова: песчаные грунты, энергетические типы контактов, коагуляционный контакт, переходный (точечный) контакт, фазовый контакт, эффективные напряжения, морфология частиц, максимальная молекулярная влагоемкость, физически связанная вода, молекулярные силы, удельная поверхность, гидратная оболочка, сольватная оболочка.
Виды воды в грунтах достаточно хорошо описаны множеством исследователей. Для всех размерностей обломочных грунтов: от глинистых до крупнообломочных — содержание в них различных категорий воды в большинстве случаев определяет их состояние. Более того, именно состояние грунтов диктует проявление большинства их свойств. Из всех категорий воды наибольший интерес вызывают различные виды связанной воды, и, как показывают многочисленные исследования, именно они оказывают значительное влияние на свойства грунтов. Анализ известных работ в этой области показывает, что практически каждый исследователь основное внимание уделяет воде в глинистых грунтах. В лучшем случае встречаются упоминания о важности рассмотрения видов воды в пылеватых грунтах и очень бегло для более крупных размерностей обломочных грунтов, в частности, песков. Ряд категорий воды для песчаных разностей грунтов отсутствует, что свидетельствует о том, что большинство специалистов основное внимание уделяли глинистым грунтам, исходя из представлений адсорбционной природы формирования видов воды. Такое отношение к оценке видов воды в песчаных грунтах во многом связано с укоренившимся представлением, что, в общем-то, в песках все просто и в песках их свойства дикту-
ются исключительно гранулометрическим составом. Однако это далеко не так, исходя хотя бы из различий в минералогическом составе песков различного генезиса, а также и в других структурных характеристиках.
На наш взгляд представляется целесообразным остановиться на современном описании видов воды в грунтах. Наиболее подробно и точно это изложено в работе «Грунтоведение»: «...влажность островной или монослойной адсорбции Ж, максимальная гигроскопическая влажность Жш^, влажность максимально-адсорбированная и капиллярно-конденсированная Жшшк, влажность «максимальной молекулярной влагоемкости» по А.Ф. Лебедеву Жшшт, влажность нижнего Жр и верхнего Ж1 пределов пластичности, влажность капиллярной влагоемкости Ж, влажность свободного набухания Ж , полная влагоемкость Ж и др. Содержание в грунте разных видов связанной воды характеризуется по изотерме адсорбции, поскольку эта категория воды имеет адсорбционную природу» [1, с. 144]. Относительно максимальной молекулярной влагоемкости наиболее точным является определение, приведенное в книге Е.М. Пашкина и др. [2], а также в [3—7]: «...максимальное количество прочнос-вязанной воды в грунте, которое может удерживаться на поверхности частиц в виде гидратных или сольватных оболочек» [2, с. 78]. Далее показаны значения величин этой характеристики для песков, с которыми согласиться можно с большой натяжкой. Собственно это определение повторяет определение А.Ф. Лебедева, критика которого как неудачного, несостоятельна, так как он понимал, что максимальная молекулярная влагоемкость формируется за счет удержания ее молекулярными силами, что, на наш взгляд, точно отражает природу формирования как прочносвязанной, рыхлосвязанной воды, так и воды ближней гидратации в грунтах. С геоэкологической точки зрения наличие сольватных оболочек на песчаных частицах представляет особый интерес в связи с тем, что в современных условиях в приповерхностной зоне земной коры сквозь грунты фильтрует в большинстве случаев не чистая вода, а некий раствор, в связи с активным техногенным загрязнением гидросферы. Следует уточнить, что под сольватной оболочкой понимается совокупность молекул раствора, окружающих частицу и адсорбирующихся на песчаных частицах именно из фильтрующейся загрязненной воды.
В опубликованной новой работе В.И. Осипова о физико-химической теории эффективных напряжений в грунтах [8], в которой большое внимание уделяется роли гидратных оболочек в контактах частиц грунтов, автор описывает зависимость эффективных напряжений в грунтах от внутренних факторов, которые имеют физико-химическую природу применительно к глинам и только попутно упоминает о контактных взаимодействиях в песках: «Передача напряжений в пористых дисперсных системах идет не по всей межфазной поверхности, а только в местах их наибольшего сближения — контактах. Количество и характер индивидуальных контактов — важнейшая характеристика структур, определяющая величину и характер передачи эффективных напряжений» [8, с. 47]. Из перечисленных далее в этой работе и в общем-то известных геометрических типов контактов для песков характерны: «контакты — между сферическими частицами», по нашим представлениям контакты между эллипсоидами вращения или сферами и эллипсоидами вращения, а также контакты между сферами (эллипсоидами вращения) и плоскими частицами, что характерно только для слюдистых песков при большом содержании в них слюд. Контакты между плоскими частицами в песках достаточно редки в связи с тем, что подавляющее число разных генетических типов (особенно континентальных четвертичных) по своему минералогическому составу кварцевые или кварцево-полевошпатовые. Частицы песков, в силу своих кристаллографических особенностей, в процессе переотложения не могут приобретать плоскую форму, в основном это частицы, близкие к сфере или эллипсоиду вращения. Даже если в песках имеются угловатые зерна с наличием от-
ВЕСТНИК
дельных плоских участков, оценивается не наличие контактов между отдельными частицами, а дается общая оценка контактов во всем изучаемом песке, поэтому контакты между этими отдельными плоскостями частиц не являются определяющими. В [8] говорится о том, что в дисперсных связных системах встречается три энергетических типа контактов: коагуляционный, переходный (точечный), фазовый. Следует отметить, что автор говорит только о дисперсных связных системах, т.е. о глинистых грунтах, которые и есть связные системы.
Какой же тип энергетического контакта характерен для песков? На наш взгляд, в песках возможны все три типа энергетических контактов. Преобладает, прежде всего, коагуляционный тип (для песков с природной влажностью, песков зоны капиллярной каймы и с природной плотностью), затем переходный точечный тип (для маловлажных уплотненных песков с влажностью зоны аэрации) и, наконец, фазовый тип (для плотных сухих песков, плотностью, стремящейся к предельно плотному сложению, с влажностью, близкой к максимальной гигроскопической). Именно коагуляционный тип энергетического контакта реализуется в песках при взаимодействии частиц с сохранением термодинамически устойчивой прослойки воды на контакте. При наличии в песках пылеватых и тем более глинистых частиц отмеченные энергетические типы контактов проявляются более отчетливо, примером фазового контакта могут служить высушенные образцы глинистых песков, представляющие собой «псевдопесчаники», дальнейший процесс литификации приводит уже к образованию истинных песчаников на глинистом цементе. Наличие в песках того или иного вида связанной воды во многом определяет образование коагуляционных контактов, так как поверхностные гидратные пленки противодействуют сближению частиц, что соответствует утверждению: «наличие на коагуляционных контактах тонких адсорбционных пленок обусловлено балансом сил притяжения и отталкивания, которые определяют существование расклинивающего давления на контакте» [8, с. 49].
Количество того или иного вида воды в песчаных грунтах, особенно тех, что формируются за счет молекулярных сил, тесным образом связано с величиной удельной поверхности грунта, которая определяется, кроме крупности частиц, их минерального состава, неоднородности грунта, еще и морфологическими параметрами частиц. Последнее нами уже было показано в [9]. Следующим этапом было изучение влияния морфологических особенностей песков на величину максимальной молекулярной влагоемкости. Определение максимальной молекулярной влагоемкости выполнялось классическим методом высоких колонн с установлением пористости уложенного в колонну песка. Полученные данные приведены в табл. 1.
Таблица 1
№ пп Генетический индекс Удельная Показатель
Место отбора поверхность Е,^, см2/г Ш , % морфологии X
1 Вулк. П-ов Камчатка 47 9,8 0,272
2 Чигиринская ГРЭС 120 6,2 0,324
3 Капчагайская ГЭС 135 9 0,337
4 Приморская ГРЭС 64 7 0,340
5 е(^1У Ашхабад 130 4,7 0,341
6 ш0у Одесская ТЭЦ 95 5,7 0,351
7 Химкинский порт 56 5,1 0,371
8 Сердобская ТЭЦ 48 3 0,379
9 Новолипецкая ТЭЦ 75 4,3 0,379
Окончание табл. 1
№ пп Генетический индекс Место отбора Удельная поверхность FX, см2/г W , % mmw' Показатель морфологии X
10 fgQi: Рижская ГЭС 79 3,4 0,386
11 eo-mQIV Неринга-Нида 38 4,5 0,399
12 aQiv Губкинский гидроотвал 60 4,5 0,428
13 aQiv Калининская АЭС 57 3,9 0,432
14 aQiv Архангельская ТЭЦ 55 3,5 0,437
15 aQiv Нововоронежская АЭС 42 3,9 0,441
16 aQiv Трипольская ТЭЦ 80 4,8 0,449
17 aQiv Курская АЭС 27 3,2 0,452
18 aQiv Сургутская ТЭЦ 43 3,6 0,466
19 eQiv Рефтинская ГРЭС 280 15 0,121
20 Смесь искусств. 185 10,8 0,250
21 Смесь искусств. 180 9 0,212
22 Смесь искусств. 220 11,2 0,175
Анализ полученных данных показал, что между величиной удельной поверхности и максимальной молекулярной влагоемкостью имеется вполне четкая практически линейная зависимость с коэффициентом корреляции г = 0,704 ± 0,037. Для того чтобы исключить влияние особенностей гранулометрического состава, было проведено определение максимальной молекулярной влагоемкости для выделенных из изученных песков отдельных фракций, что показано в табл. 2. В этой таблице приведены также значения общего содержания в изученных песках кварца с целью предварительной оценки влияния на содержание связанной воды минералогического состава песка. Экспериментальные данные приведены также на рис. 1—3.
Таблица 2
№ пп Генезис Место отбора W , % mmw ' по фракциям, мм Показатель морфологии X
0,05... 0,1 0,1. 0,25 0,25. 0,5 0,5.1 1.2
1 aQiv Чигиринская ГРЭС 7,3 6,9 5,4 — — 0,324
2 eoQiv Капчагайская ГЭС 6,7 6,6 4,1 — — 0,337
3 aQiii Приморская ГРЭС 9,4 6 6,4 5,5 — 0,340
4 eoQiv Ашхабад 6 4,9 2,6 — — 0,341
5 mQiv Одесская ТЭЦ 6,6 6,1 5,2 — — 0,351
6 aQiv Химкинский порт 7,6 6,3 5,2 4,2 — 0,371
7 aQiv Сердобская ТЭЦ 3,9 3,3 3,2 2,4 0,379
8 aQiv Новолипецкая ТЭЦ 5,2 4,6 3,9 — — 0,379
9 fgQii Рижская ГЭС 4,1 3,8 3,6 3,5 — 0,386
10 eo-mQiv Неринга-Нида 4,9 4,3 3,8 — — 0,399
11 aQiv Калининская АЭС 4,8 4,3 3,7 3,0 — 0,432
12 aQiv Архангельская ТЭЦ 6,2 4,5 3,2 — — 0,437
ВЕСТНИК
Окончание табл. 2
№ пп Генезис Место отбора Ж , % шш ' по фракциям, мм Показатель морфологии 1
0,05. 0,1 0,1. 0,25 0,25. 0,5 0,5.1 1.2
12 Архангельская ТЭЦ 6,2 4,5 3,2 — — 0,437
13 Трипольская ТЭЦ 4,7 3,9 3,7 — — 0,449
14 Калининская ТЭЦ 4,8 4,3 3,7 3,0 — 0,452
15 Сургутская ТЭЦ — 4,0 3,7 3,2 — 0,466
16 Рефтинская ГРЭС 18,4 17,0 15,3 14,1 10,7 0,121
Аналитическое обобщение результатов приводит к следующим заключениям: максимальная молекулярная влагоемкость при близком гранулометрическом и минералогическом составах определяется морфологическими особенностями песков. Установлено, что с ростом обработанности песков (ростом показателя морфологии) максимальная молекулярная влагоемкость уменьшается, т.е. количество физически связанной воды и воды ближней гидратации уменьшается.
Wmmg, % Wmmg, %
А
22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5*X
40
120
200 280 б
360 Р., см2/г
Рис. 1. Зависимость максимальной молекулярной влагоемкости от показателя морфологии (а) и величины удельной поверхности (б)
Проведенный анализ зависимости с оценкой только формы частиц без учета особенностей характера поверхности частиц показал, что в этом случае четкой зависимости между только формой частиц и количеством физически связанной воды, оцениваемым по величине Ж , не прослеживается. Таким образом, при формировании связанной воды в песчаных грунтах важную роль играют морфоскопические особенности слагающих их частиц. Чем больше развита поверхность частиц, тем в большей степени реализуются молекулярные силы, что приводит к увеличению ги-дратных и сольватных оболочек вокруг частицы. По В.И. Осипову, «считается, что эффективные напряжения при отсутствии порового давления полностью передаются через контакты на скелет породы. Сказанное справедливо только в том случае, когда минеральные частицы непосредственно соприкасаются друг с другом. Иное дело в глинистых системах...» [8, с. 6]. И далее автор говорит о том, что напряжения на контактах в глинистых грунтах передаются через пленки связанной воды вокруг частиц. Иными словами, отвергается факт возможной передачи эффективных напря-
а
жений в песках через пленки связанной воды, т.е. автор считает, что эффективные напряжения в песках реализуются только через истинные контакты. Однако нами было показано (см. табл. 1 и 2), что в песках образуются также достаточно мощные гидратные оболочки, что позволяет рассматривать механизм реализации эффективных напряжений в них по аналогии с глинистыми системами, с учетом, естественно, особенностей формирования собственно гидратных и сольватных оболочек. Далее, эффективные напряжения компенсируются в глинах расклинивающим эффектом пленок связанной воды. Если в глинистых грунтах передача напряжений происходит, как говорит В.И. Осипов, при «продавливании» частицами гидратных пленок, то при наличии в песках таких же пленок эффективные напряжения передаются аналогичным образом.
Wmmg, %
Wmmg, % 15 -14 -13 12 -11 -10 9 -8 7 6 5 4 3 2 1
30 40 50 60 70 8090100
Рис. 2. Зависимость величины макси- Рис. 3. Зависимость величины максимальной
мальной молекулярной влагоемкости от по- молекулярной влагоемкости от величины удель-
казателя морфологии для отдельных фрак- ной поверхности для отдельных фракций изучен-
ций изученных песков, мм: 1 — 0,05.0,1; ных песков, мм: 1 — 0,05.0,1; 2 — 0,1.0,25; 3 —
2 — 0,1.0,25; 5 — 0,25.0,5; 4 — 0,5.1
0,25.0,5; 4 — 0,5.1
5
10-
2
4
5-
F, см /г
1.U
2U
20U
300 J'l
Реализация эффективных напряжений в песчаных грунтах по полученным данным о формировании связанной воды вокруг песчаных частиц сферической формы осуществляется в условиях коагуляционного контакта при его площади, описываемой зависимостью с учетом радиуса контактирующих частиц Я и минимальной толщины I гидратной пленки. Зона перекрытия гидратных пленок или площадь единичного контакта а определяется по формуле [3, с. 56] а = 2 лЯ(й-1/2)
и характеризует зону, в которой существует расклинивающее давление. Выполненные по этой формуле расчеты показали, что площадь единичного контакта двух сферических частиц размером 0,05 мм — это нижний предел песчаной размерности — равна 810-8 см2 . По полученным нами данными о площади удельной поверхности в 1 г песка и числа зерен в этой навеске для ряда изученных песков показали, что величины площади единичных контактов уменьшаются с ростом обработанности частиц — увеличением показателя морфологии. Совпадения по точности полученных результатов с данными В.И. Осипова достигнуто быть не может. Это связано с тем, что в изученных песках оценка морфологии частиц проводилась для всего песка в целом и получить для них данные по идеально сферическим частицам (с показателем морфологии X, равным 1) невозможно, так как в природных кварцевых песках идеальных частиц сферической или эллипсоидной формы в большом количестве не встречается.
Максимальные значения величины показателя морфологии песков, полученные в наших исследованиях, не превышают 0,4.0,45. Здесь следует подчеркнуть, что показатель морфологии характеризует морфометрические (особенности формы) и морфо-скопические (особенности характера поверхности) параметры частиц. Это позволяет заключить, что истинные контакты реализуются не только за счет соприкосновения «базальной» составляющей формы частиц, но и за счет соприкосновения деталей поверхности частицы. Поверхность песчаных частиц формируется за счет разных видов обработки частиц трением в водной или воздушной среде, а также наличием различного рода и состава адсорбированных пленок на частицах твердого вещества. В определенной степени при оценке контактов между сферической и плоской частицами площадь контакта, по В.И. Осипову, вдвое превышает площадь контакта между двумя сферическими частицами. Это лишний раз подтверждает тот факт, что в природных песках при наличии в них частиц разной формы и характера поверхности возможна реализация различного типа контактов, что и не позволяет получить точного совпадения расчетных данных по [8] с данными экспериментальных исследований. Более того, в реальных природных «песчаных» системах величины площадей коагу-ляционных контактов могут быть значительно большими, чем расчетные. Величины удельной поверхности песков с частицами с развитой поверхностью и пленками глинистого состава существенно больше, чем у песков с округлыми (окатанными) частицами с гладкой, полированной мягким трением в воде поверхностью. Это приводит к тому, что толщина адсорбированной гидратной или сольватной оболочки также значительно больше. Это говорит о том, что зона перекрытия гидратных или соль-ватных пленок также увеличивается, а значит и возрастают пределы реализации расклинивающего эффекта. Таким образом, формирование коагуляционного контакта в песчаных грунтах отвечает положениям физико-химической теории эффективных напряжений по В.И. Осипову.
Переходные контакты реализуются за счет непосредственного соприкосновения частиц и коагуляционных контактов. Истинные контакты реализуются на участках, где отсутствуют гидратные или сольватные пленки. Однако при том, что переходные контакты обладают свойством метастабильности, т.е. способности переходить в коагуляционный контакт, в песках, «сухие» участках, как и в случае глин, при увлажнении и снятии внешнего давления особенно в мелких, пылеватых и глинистых разностях, химические связи разрываются и весь контакт преобразуется в коагуля-ционный. Естественно, что проявление разрыва химических связей в песках не настолько ярко выражено, как в глинах. Однако при экспериментально установленном влиянии морфологии на формирование физически связанной воды на частицах, можно утверждать, что для песков характерны и коагуляционный, и переходный тип контактов [9].
Выше уже было сказано, что в песках возможно формирование фазовых контактов, что обусловлено, прежде всего, особенностями гранулометрического состава, наличием глинистых и пылеватых примесей, а главное — морфологическими особенностями, из которых наиболее важными являются развитая (шероховатая) поверхность и наличие пленок на частицах. Именно эти пленки при постепенном удалении из песка связанной воды, т.е. постепенной утрате гидратных пленок и возможном преобразовании сольватных оболочек в соли, позволяют превратиться переходному (точечному) контакту в фазовый контакт. Здесь следует только отчасти согласиться с утверждением, что в песках «влияние физико-химических факторов на распределение эффективных напряжений . является минимальным и может не учитываться», и что «.закон Терцаги успешно применяется для. большинства песчаных пород» [8, с. 60]. Выше было показано, что в песках реализуются все три энергетических типа контактов. В связи с тем, что в песках влияние физико-химических факторов
на эффективные напряжения не настолько очевидно, как в глинах, то следует провести еще дополнительные более тонкие экспериментальные работы как отдельных песчаных фракциях мономинеральных песков, так и на образцах природных песков. Эксперименты, результаты которых были приведены выше, показали направление дальнейших исследований.
Библиографический список
1. Грунтоведение. 6-е изд. / под ред. В.Т. Трофимова М. : Изд-во Моск. ун-та, Наука, 2005. 1024 с.
2. Пашкин Е.М., Каган А.А., Кривоногова Н.Ф. Терминологический словарь-справочник по инженерной геологии. М. : Университет, Книжный дом, 2011. 950 с.
3. Bely L.D., Doudler I.V., Mosiakov E.F., Potapov A.D., Julin A.N. Research methods and evaluation of various genesis sand grain morphology role in formation of their geological-engineering properties/ Bulletin of IAEG. Vol. 1, № 11, pp. 27—31, Krefeld 1975.
4. Doudler I.V., Mosiakov E.F., Potapov A.D. Influence of characteristic moisture content values on physical-chemical properties of sands of various genesis. Moscow, Issue № II 4 1974. Moscow Institute of Civil Engineering. Pp.14—17.
5. Платов Н.А., Потапов А.Д., Лебедева М.Д. Песчаные грунты. М. : Изд-во АСВ, 2010. 254 с.
6. Потапов И.А., Шименкова А.А., Потапов А. Д. Зависимость суффозионной устойчивости песчаных грунтов различного генезиса от типа фильтрата // Вестник МГСУ. 2012. № 5. С. 79—86.
7. АнаньевВ.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М. : Высш. шк., 2008. 260 с.
8. Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах / ИГЭ РАН. М. : ИФЗ РАН, 2012. 74 с.
9. Потапов А.Д. Морфологическое изучение песков в инженерно-геологических целях : дисс. ... канд. геол.-минерал. наук. М. : ПНИИИС. 1981. 243 с.
Поступила в редакцию в августе 2012 г.
Об авторах: Потапов Иван Александрович — инженер, НИИ скорой помощи им.
H.В. Склифосовского, г. Москва, Сухаревская площадь, д. 3., shlusel@yandex.ru;
Потапов Александр Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, adp1946@mail.ru;
Шименкова Анастасия Анатольевна—инженер кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, geolog305@yandex.ru.
Для цитирования: Потапов И.А., Потапов А.Д., Шименкова А. А. Формирование разных типов энергетических контактов в песчаных грунтах в аспекте физико-химической теории эффективных напряжений // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 210—218.
I.A. Potapov, A.D. Potapov, A.A. Shimenkova
FORMATION OF DIFFERENT TYPES OF ENERGY CONTACTS IN SANDY SOILS IN THE FRAMEWORK OF THE PHYSICOCHEMICAL THEORY OF EFFECTIVE STRESSES
The authors examine the applicability of the physicochemical theory of effective stresses to sandy soils. It is proven that the above theory may be furthered by the argument that all three types of energy contacts, including coagulatory, transient and phase contacts, are present in sandy soils. Coagulatory contact predominates over the other three types of contact. The authors provide their findings in terms of morphological peculiarities attributable to genetic differences of quaternary sands. The authors have completed an experimental research to identify the fixed water content in sands and artificial mixtures that have a sand grain size, and they have also analyzed dimensions of the per-unit surface of samples of natural sands and their fractions to identify correlation between morphological peculiarities of sands and their maximal molecular water-absorbing capacity. The
authors have proven the presence of a correlation between the morphology of sand grains and their number in the test sample exposed to the research undertaking, as it determines the number of contacts between particles of sand.
The experimental data has proven that the principal provisions of the physicochemical theory of effective stresses are applicable to sandy soils. Natural sands that have particles of different shapes and surface nature demonstrate different types of contacts that prevent compliance of analytical data with the results of experimental researches. Moreover, natural dimensions of coagulatory contact areas of "sandy" systems substantially exceed those identified analytically. Areas of per-unit surfaces of sands that contain particles with highly developed surfaces and clay films exceed those of rounded particles the surfaces of which are smooth and polished as a result of their soft friction in the water. This phenomenon boosts the thickness of adsorbed hydrated or solvated shells. As the influence of physicochemical factors onto effective stresses in sands is not as prominent as in clays, supplementary and more accurate experiments are to be held in respect of separate sand fractions of monogene sands and in respect of samples of natural sands.
Key words: sandy soils, energy types of contacts, coagulatory contact, transient (point) contact, contact phase, effective stresses, morphology of sandy grains, maximum molecular moisture capacity, physically bound water, molecular forces, surface area, hydrated shell, solvated shell, physicochemical theory.
References
1. Trofimov V.T. Gruntovedenie [Soil Science]. Moscow, Nauka Publ., 2005, 1024 p.
2. Pashkin E.M., Kagan A.A., Krivonogova N.F. Terminologicheskiy slovar'-spravochnik po inzhen-ernoy geologii [Dictionary of Terms and Reference Book of Engineering Geology]. Moscow, Universitet Publ., Knizhnyy dom publ., 2011, 950 p.
3. Bely L.D., Doudler I.V., Mosiakov E.F., Potapov A.D., Julin A.N. Research Methods and Evaluation of Various Genesis Sand Grain Morphology Role in the Formation of Their Geological-Engineering Properties. Bulletin of IAEG, Krefeld, 1975, no. 11, vol. 1, pp. 27—31.
4. Doudler I.V., Mosiakov E.F., Potapov A.D. Influence of Characteristic Moisture Content Values on Physical-chemical Properties of Sands of Various Genesis. Moscow, Moscow Institute of Civil Engineering, 1974, no. II 4, pp. 14—17.
5. Platov N.A., Potapov A.D., Lebedeva M.D. Peschanye grunty [Sandy Soils]. Moscow, ASV Publ., 2010, 254 p.
6. Potapov I.A., Shimenkova A.A., Potapov A.D. Zavisimost' suffozionnoy ustoychivosti peschanykh gruntov razlichnogo genezisa ot tipa fil'trata [Dependence of Suffosion Stability of Sandy Soils of Various Geneses on the Type of the Filtrate]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 79—86.
7. Anan'ev V.P., Potapov A.D. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 2008, 260 p.
8. Osipov V.I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazheniy v gruntakh [Physicochemical Theory of Effective Stresses in Soils]. Moscow, IFZ RAN Pub., 2012, 74 p.
9. Potapov A.D. Morfologicheskoe izuchenie peskov razlichnogo genezisa v inzhenerno-geo-logicheskikh tselyakh [Morphological Research of Sands of Various Geneses for Engineering Geology Purposes]. Moscow, PNIIIS [Production, Scientific and Research Institute of Engineering Surveying in Construction], 1982.
About the authors: Potapov Ivan Aleksandrovich — engineer, Scientific and Research Institute of Emergency Healthcare named after N.V. Sklifosovskiy, 3 Sukharevskaya square, Moscow, Russian Federation; shlusel@yandex.ru;
Potapov Aleksandr Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Engineering Geology and Geo-ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; adp1946@mail.ru;
Shimenkova Anastasiya Anatol'evna — engineer, Department of Engineering Geology and Geo-ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, geolog305@yandex.ru.
For citation: Potapov I.A., Potapov A.D., Shimenkova A.A. Formirovanie raznykh tipov energet-icheskikh kontaktov v peschanykh gruntakh v aspekte fiziko-khimicheskoy teorii effektivnykh napryazheniy [Formation of Different Types of Energy Contacts in Sandy Soils in the Framework of the Physicochemical Theory of Effective Stresses]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 210—218.
