CC BY
52
УДК 624.131
А.Д. Потапов, И.А. Потапов*, А.А. Шименкова
ФГБОУ ВПО «МГСУ», *НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНИМОСТИ К ПЕСЧАНЫМ ГРУНТАМ ПОЛОЖЕНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ЭФФЕКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Рассмотрены отдельные аспекты применимости положений нового подхода к формированию эффективных напряжений в грунтах применительно к пескам, изложенного в работе академика В.И. Осипова. На основании анализа ранее выполненных работ авторов по изучению ряда генетических типов четвертичных песков предложено использование в расчетах количества контактов песчаных зерен показателя морфологии. Оценена необходимость учета как гранулометрического состава природных песчаных грунтов, так и особенностей формы и характера поверхности слагающих их зерен. Показано, что использование для расчетов количества контактов частиц в природных песчаных грунтах, формул из работы академика В.И. Осипова практически невозможно. Это объясняется тем фактом, что в природных песках не встречается частиц идеальной сферической формы, что обусловлено факторами воздействия на пески в условиях их накопления и отложения. При формировании истинных контактов между песчаными частицами возможно не только отдельное касание между частицами, но и, при наличии дефектов формы и особенностей характера поверхности частиц, увеличение числа контактов. Приведены результаты изучения формы и характера поверхности песчаных зерен для песков различного генезиса, отобранных на объектах России и ряда зарубежных стран. В исследованиях был использован комплексный показатель морфологии, который учитывает форму и характер поверхности во всем изучаемом объеме песков. Показаны результаты расчета количества зерен (количества контактов) в единице объема для изученных песчаных грунтов, для различных значений пористости и показателя морфологии. Аналогичные расчеты с учетом морфологии зерен были проведены для выделенных из изученных песков фракций, что в определенной степени позволило исключить влияние гранулометрического состава на упаковку песков в единичном объеме. В этом случае также были использованы результаты формы и характера поверхности зерен изученных песков. На основании этих данных получены результаты оценки величины удельной поверхности песчаных зерен в единичном объеме при максимальной и минимальной пористости укладки. На основе анализа положений физико-химической теории формирования эффективных напряжений грунтов и данных изучения значительного количества природных песков различного генезиса показано, что для дальнейшего развития исследований формирования коагуляци-онных и фазовых контактов между частицами грунтов следует проводить детальные исследования структурных особенностей песков. К числу этих структурных особенностей следует отнести гранулометрический состав, степень однородности, параметры формы и характера поверхности песчаных зерен. Выполнение морфологических оценок следует проводить не только на отдельных песчаных частицах, но и для всего объема изучаемого песчаного грунта. К числу необходимых грунтоведческих исследований для песков следует также отнести и определение предельных плотностей сложения песчаных грунтов, так как пористость грунта в значительной степени сказывается на формировании истинных контактов между частицами песка и определяет их количество. Немаловажным фактором формирования формы и характера поверхности песчаных зерен является минеральный состав песка. В выполненных исследованиях были получены данные о морфологии мономинеральных, полиминеральных, олигомиктовых и полимиктовых песков. Но для большинства изученных песков преобладающим минералом был кварц. В дальнейших исследованиях намечено изучение и других минеральных разностей, что позволило бы получить данные о формировании контактов между песчаными зернами, которые отличны от сферы и могут быть пластинчатой и иной формы.
Ключевые слова: физико-химическая теория, эффективные напряжения, песчаные грунты, песчаные частицы, контакты, число зерен, пористость, сфера, морфология зерен, удельная поверхность, песчаные фракции.
В 2012 г. была опубликована новая интересная работа академика В.И. Осипова
«Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах» [1], которая раз-
© Потапов А.Д., Потапов И.А., Шименкова А.А., 2012
229
вивает одну из важнейших теорий формирования напряжений в грунтах и дает возможность ее применения для различных петрографических разностей грунтов.
Согласно утверждению В.И. Осипова, «передача напряжений в пористых дисперсных средах 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» [1, с. 47]. Рассматриваются различные геометрические типы контактов, которые образуются для структур разных грунтов: между сферическими частицами, сферическими и плоскими, между плоскими частицами. Вариантов образования разных контактов множество. Для разных грунтов преобладают те или иные типы контактов в зависимости от наличия в них частиц той или иной формы.
Одними из самых распространенных на Земле грунтов являются песчаные грунты, генезис которых весьма разнообразен. В нашей работе [2] было изучено несколько песков континентального генезиса четвертичного возраста. Был предложен морфо-генетический ряд, который описывал зависимость формирования морфологических параметров песков (степени обработанности песчаных зерен) от степени воздействия на них внешних факторов обработки частиц в различных условиях: флювиального, эолового, гляциального и др. Этот ряд выглядит следующим образом: еР1у - ео Р1у-шР1у - fgQIV - ео-т - аР1у и показывает, что с ростом степени воздействий при переотложении показатель морфологии песчаных частиц растет. Наиболее характерной формой песчаных частиц является форма, приобретаемая в результате обработки и обладающая минимальной поверхностной энергией, т.е. сфера или эллипсоид вращения. Это обусловлено прежде всего тем, что в континентальных условиях образуются преимущественно кварцевые пески, реже кварцево-полевошпатовые, хотя встречаются достаточно часто олигомиктовые и даже полимиктовые разности, что обусловлено конкретной генетической обстановкой их формирования. Преобладание кварца диктуется главным образом его особенностями, а именно большой устойчивостью к выветриванию, а также твердостью и сопротивляемостью к истиранию при переносе в водной и воздушной среде. Вследствие этого кварцевые зерна своей морфологией (формой и характером поверхности) могут служить вполне точным генетическим индикатором.
С точки зрения оценки общих морфологических особенностей песков кроме установления формы частиц важным является учет характера поверхности песчаных зерен.
Для этих целей в свое время нами был предложен показатель морфологии песков X, который комплексно описывает как особенности формы, так и характер поверхности песчаных частиц во всем исследуемом объеме песчаного грунта [3]. Методика определения показателя морфологии изложена достаточно подробно [4] и была использована на большом числе исследованных песчаных грунтов.
В своей работе В.И. Осипов пишет, что «для оценки количества контактов берется любая горизонтальная поверхность... внутри пористого тела, ориентированная нормально к направлению приложения внешнего напряжения», и далее «число контактов в . моделях определяется размером и формой частиц, способом их укладки и тесно связана с пористостью. Чем меньше размер частиц и плотнее их упаковка, тем больше контактов в единице площади горизонтальной поверхности» [1, с. 51]. По В.И. Осипову «Наиболее простой является глобулярная модель, предложенная П.А. Ребиндером, Е.Д. Щукиным и Л.Я. Марголисом для структур, сложенных частицами сферической формы и имеющих пористость более 48 %. Позднее эта модель была распространена на структуры с пористостью в интервале от 48 до 26 % [1, с. 52]. В предлагаемой модели пористость тесно связана со средним числом частиц от узла до узла — параметр N. «Число контактов на единицу площади контактной поверхности связано с параметром N и средним радиусом структурного элемента г»:
X = 1/ 4г2Ы1.
Как утверждает В.И. Осипов, рассматриваемая «глобулярная модель может быть использоваться для песков, песчаников, алевролитов и некоторых тонкодисперсных пород, структурные элементы которых (частицы, микроагрегаты) имеют форму, близкую к сферической» [1, с. 52]. Таким образом, в случае изучения песчаных грунтов предложенные зависимости могут быть использованы. Однако необходимо для реальных природных песков учитывать, что частицы в них могут быть самого разного диаметра, самой разной формы и количество этих различных частиц может варьироваться в значительных пределах, кроме того, как и было отмечено выше, важную роль играет пористость изучаемого грунта. Некий выход из этого был предложен В.Н. Соколовым, который подробно описан в работе В.И. Осипова, но и в этом случае, когда оценивается только бидисперсная модель, реальная оценка природных, в частности, песчаных грунтов носит приближенный характер.
В [1, с. 53] предложена формула определения общего количества контактов в бидисперсной системе
X = 32 (1-п) Ря Фг /16 п Рг фд.
При 2 = 3,1/п формула преобразуется в следующий вид:
X = 9,1 (1-п) Ря фг /16 п п рг Фя ,
где х — количество контактов; п — пористость; ря, рг, фг, фя — плотность и содержание в бидисперсной модели частиц с радиусами Я и г соответственно.
Проведение расчетов по этой формуле для природных песчаных полидисперсных грунтов с различной морфологией частиц, как оказалось, является затруднительным, если не сказать, невозможным.
Следует остановиться на том, что в трехмерном случае, при рассмотрении упаковки частиц одинакового размера в объеме, может быть упаковано не более 12 шаров или эллипсоидов вращения, а это означает, что и число касаний, т.е. число контактов, также равно 12. Данная нижняя оценка была известна еще Ньютону. В том случае, когда шары или эллипсоиды вращения имеют разные размеры, количество их в единице объема, а тем самым число контактов, определить достаточно сложно, более того в случае, когда в природных песках никогда не встречаются структуры, состоящие из идеальных шаров или эллипсоидов вращения. На рис. 1 показаны некоторые фотографии песчаных частиц изученных грунтов.
Рис. 1. Кварцевые зерна рижских ) — верхний ряд и приморских (аРш ) песков — нижний ряд с увеличением (слева направо) 300х, 1000х, 3000х, 10000х [2]
В работах ряда специалистов показаны результаты исследования формирования различных упаковок частиц разной формы. Естественно, что показать упаковки в
объеме не представляется возможным, но при условии, когда частицы имеют одинаковые размеры во всех направлениях, приведенные ниже фотографии дают представление о возможных видах упаковки частиц.
Количество зерен в упаковке определяет и количество точечных контактов, что, в общем, характерно для песков, в составе которых преобладают минералы, приобретающие в процессе обработки, как правило, округлую форму и за редким исключением, например, при наличии слюды, мусковита.
В случае, когда частицы в форме эллипса (двумерное отображение эллипсоида вращения) с соотношением диаметров 3:1 упакованы в прямоугольник, плотность упаковки составляет 0,8701 (рис. 2).
Рис. 2. (По материалам [3])
На рис. 3 показана упаковка 1000 частиц различной формы с плотностью 0,8577.
Рис. 3. (По материалам [3])
Из приведенных примеров следует вывод о том, что величина плотности упаковки может быть описана теоретически только с учетом гранулометрического со-
става изученного песчаного грунта и обязательно с учетом его морфологических особенностей.
Для того чтобы использовать положения теории В.И. Осипова о формировании эффективных напряжений в грунтах, исходя из физико-химического подхода для природных песчаных грунтов, следует учитывать их структурные особенности. К числу последних необходимо в первую очередь отнести гранулометрический состав и степень однородности грунта, а также морфологические особенности, такие как форму зерен и характер их поверхности. Не последнюю роль в формировании напряжений в грунтах играет и минеральный состав, но для четвертичных песков, которые сформировались в континентальных условиях, этот параметр не является определяющим. Поэтому в качестве параметра, который следует изучать в первую очередь, предлагается использовать оценку обработанности песчаных грунтов с помощью показателя морфологии X, который носит комплексный характер и учитывает особенности как формы, так и характера поверхности частиц грунта.
Нами было изучено несколько генетических разновидностей песков, которые в результате постгенетических процессов приобрели различную форму. В табл. 1 приведена характеристика состава и морфологических особенностей изученных песков [2].
Табл. 1
Гене -тичес- кий индекс Место отбора Характеристика гранулометрического состава Характеристика минерального состава Показатель морфологии X Характеристика морфологии
eQiv Рефтинская ГРЭС Пылеватые однородные Полиминеральные 0,121 Необработанные угловато-несферичные, крупноям-чатые
Вулк. п-ов Камчатка Средней крупности однородные Полиминеральные 0,272 Необработанные угловато-несферичные, кавернозные
aQiv Чигиринская ГРЭС Мелкие однородные Мономинеральные 0,324 Необработанные угловато-несферичные, чешуйчатые
eoQiv Капчагайская ГЭС Пылеватые однородные Поли-миктовые 0,337 Необработанные угловато-сферичные, крупноямча-тые
aQiii Приморская ГРЭС Средней крупности однородные Олиго-миктовые 0,340 Необработанные угловато-несферичные, чешуйчатые, бугристые
eoQiv Ашхабад Мелкие однородные Полиминеральные 0,341 Необработанные угловато-несферичные, мелкоям-чатые
mQiv Одесская ТЭЦ Пылеватые неоднородные Полиминеральные 0,351 Необработанные угловато-несферичные, кавернозные
Окончание табл. 1
Гене -тичес- кий индекс Место отбора Характеристика гранулометрического состава Характеристика минерального состава Показатель морфологии X Характеристика морфологии
Химкинский порт Средней крупности однородные Полиминеральные 0,371 Обработанные угловато-несферичные, тонкополированные
^У Сердобская ТЭЦ Средней крупности неоднородные Мономинеральные 0,379 Обработанные ока-танно-сферичные, грубо-полированные
^У Новолипецкая ТЭЦ Мелкие однородные Мономинеральные 0,379 Обработанные окатанно-несфе-ричные, грубо-полированные
Рижская ГЭС Средней крупности однородные Полиминеральные 0,386 Обработанные ока-танно-несферич-ные, мелкоямчатые
ео- т^у Неринга-Нида Средней крупности однородные Мономинеральные 0,399 Обработанные ока-танно-несферич-ные. мелкоямчатые
а^у Губкинский гидроотвал Средней крупности однородные Полиминеральные 0,428 Обработанные угловато-сферичные, мелкоямчатые
Калининская АЭС Средней крупности неоднородные Олиго-миктовые 0,432 Обработанные ока-танно-сферичные, тонко -полиров ан-ные
^У Архангельская ТЭЦ Средней крупности однородные Полиминеральные 0,437 Обработанные ока-танно-сферичные, бугристые, чешу-чайтые
^у Нововоронежская АЭС Средней крупности однородные Мономинеральные 0,441 Обработанные ока-танно-сферичные, грубо-полированные
aQIУ Трипольская ТЭЦ Мелкие однородные Полиминеральные 0,449 Обработанные ока-танно-сферичные, грубо-полированные, круноямчатые
aQIУ Курская АЭС Средней крупности однородные Полиминеральные 0,452 Обработанные ока- танно-сферичные, крупноямчатые
^У Сургутская ТЭЦ Средней крупности однородные Полиминеральные 0,466 Обработанные окатанно-несфе-ричные, крупноям-чатые
Некоторые различия в общей морфологической характеристике песков одинакового генезиса объясняются различиями в характере поверхности зерен. Этим фактом при оценке наличия количества контактов пренебрегать не следует, так как на
уровне образования гидратных оболочек их величина во многом будет определяться величиной удельной поверхности соприкасающихся песчаных частиц. Площадь поверхности песчаного зерна тем больше, чем больше это зерно по своей морфологии отличается от сферы, т.е. 5зерна = 5 / , при условии, что рассмотрены зерно и сфера одного объема, а это означает, что песчаное зерно всегда больше по площади своей поверхности площади поверхности сферы такого же объема.
При вычислении величины площади поверхности песчаных зерен одинакового размера в единице объема можно воспользоваться формулой
Р, = 5сф (1"»)/ ^сф 1
где 5сф, Кф — площадь и объем сферы, соответствующие объему исследуемых песчаных частиц; п — пористость.
В этой формуле сомножитель (1-п)/ Кф , представляет собой число песчаных зерен в единице объема с пористостью п и отличающихся от сферичных на величину, учитываемую показателем морфологии ,.
Для ряда изученных песков нами были рассчитаны величины удельной поверхности в единице объема и число зерен в 1 см3 [2] с предварительным определением в лабораторных условиях по стандартным методикам величин предельных плотностей сложения для всех изученных песков (табл. 2).
Табл. 2
Генетический индекс Место отбора Удельная поверхность Р,, см2/г Число зерен А^х103 в 1 см3 Показатель морфологии ,
n макс n мин n макс n мин
Вулк. П-ов Камчатка — — 28,6 35,3 0,272
^У Чигиринская ГРЭС 106,0 133,0 248,0 316,0 0,324
Капчагайская ГЭС 196,0 230,0 357,0 437,0 0,337
аОп Приморская ГРЭС 51,7 64,0 80,1 97,3 0,340
Ашхабад 117,0 144,0 241,0 296,0 0,341
т^у Одесская ТЭЦ 190,0 251,0 216,0 262,0 0,351
^У Химкинский порт 51,9 65,3 48,2 60,3 0,371
^У Сердобская ТЭЦ 50,5 61,9 43,6 53,7 0,379
^у Новолипецкая ТЭЦ 113,0 134,0 88,0 105,0 0,379
ГбОЪ Рижская ГЭС 74,7 90,5 54,4 71,0 0,386
Неринга-Нида 14,14 17,0 11,7 14,8 0,399
Губкинский гидроотвал 56,9 82,0 38,4 56,0 0,428
Калининская АЭС 103,0 131,0 71,6 91,7 0,432
^1У Архангельская ТЭЦ 49,5 60,0 35,4 44,6 0,437
Architecture and urban development. Restructuring and restoration
235
Окончание табл. 2
Генетический индекс Место отбора Удельная поверхность см2/г Число зерен Л^х103 в 1 см3 Показатель морфологии X
п макс п мин п макс п мин
Нововоронежская АЭС 33,9 41,0 29,4 36,9 0,441
Трипольская ТЭЦ 136,0 194,0 161,0 201,0 0,449
Курская АЭС 21,3 25,8 16,0 19,5 0,452
Сургутская ТЭЦ 45,3 58,2 34,4 44,3 0,466
Анализ полученных данных позволил представить их в следующем графическом виде (рис. 4).
Из приведенного графика на рис. 4 следует вывод о том, что прослеживается вполне четкая тенденция к уменьшению величины удельной поверхности с ростом обработанности песчаных зерен, т.е. с ростом показателя морфологии.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 п, %
Рис. 4. Теоретически возможный диапазон изменения удельной поверхности песков при различной пористости: I и II — границы изменения удельной поверхности для изученных песков (по п и п ), 1, 2, 3, 4, ....18 по табл. 2. [2]
Для того чтобы исключить при анализе влияние особенностей гранулометрического состава изученных песков, были выполнены расчеты по определению количе -ства зерен в единице объема для выделенных из этих песков, стандартных фракций, для которых предварительно были получены значения показателя морфологии.
Приведенные на рис. 5, 6 графики также показывают, что число зерен в единице объема существенным образом зависит от показателя морфологии и пористо-
сти, это подтверждает известный факт формирования различных упаковок шаров (эллипсоидов вращения) в единице объема от кубической (минимум шаров) до гексагональной (максимум шаров), а также в промежуточных положениях.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 n, %
Рис. 5. Зависимость числа зерен в единице объема от пористости при различных значениях показателя морфологии для выделенных из из-ученых песков фракций [2]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 п, %
Рис. 6. Диапазон изменения числа зерен в единице объема в зависимости от
пористости для изученных песков:......—
значения при диапазоне изменения пористости п -----п [2]
макс мин -1
Естественно, что при наличии в рассматриваемом объеме шаров нескольких диаметров число зерен в единице объема при наиболее плотной упаковке будет значительно больше, чем при наиболее рыхлой упаковке, против числа их в упаковке при одинаковом размере. При рассмотрении в единице объема частиц различной формы различия между наиболее плотной и наиболее рыхлой упаковкой частиц, а также над упаковкой шаров (эллипсоидов вращения) будут еще больше [2].
Полученные данные позволяют использовать положения работы В.И. Осипова для природных песчаных грунтов различного состава и морфологических особенностей. В наших работах уже было показано, что морфологические особенности песков, которые представляют собой неотъемлемую структурную характеристику грунтов, во многом определяют максимальную молекулярную влагоемкость, предельные плотности сложения песков. Эти характеристики в свою очередь влияют на их прочностные и деформационные свойства. Установлено, что при различном составе фильтрующей жидкости они влияют и на суффозионную устойчивость [4—7].
Следующим этапом работ в этом направлении является развитие предложенной теории в области определения коагуляционных и фазовых контактов в песчаных
грунтах, хотя В.И. Осипов и утверждает, что «фазовые контакты полностью воспринимают все общее эффективные напряжения и передают их на скелет породы... Влияние физико-химических факторов на распределение эффективных напряжений на них является минимальным и может не учитываться. В связи с этим закон Терцаги успешно применяется для крупнообломочных и большинства песчаных пород.» [1, с. 60]. Однако в работах К. Терцаги совершенно не рассматриваются морфологические особенности песков, которые в лучшем случае рассматриваются как состоящие из сферических частиц или имеющие контакты типа сфера — плоскость.
На наш взгляд, развитие физико-химической теории эффективных напряжений для природных песчаных грунтов является важной задачей. Она может быть успешно разрешена с использованием новых положений, изложенных в работе академика
B.И. Осипова, и с применением разработанных и апробированных на практике методов изучения структуры песчаных грунтов с учетом морфологических особенностей как слагающих их частиц, так и песчаного грунта в целом.
Библиографический список
1. Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах / ИГЭ РАН. М. : ИФЗ РАН, 2012. 74 с.
2. Потапов А.Д. Морфологическое изучение песков в инженерно-геологических целях. дисс. ... канд. геол.-минерал. наук. М. : ПНИИИС, 1981. 243 с.
3. Friedman E. Packing Unit Squares in Squares. Elec. J. Combin. DS7, 1-24, Oct. 31, 2005. Available at: http://www.combinatorics.org/Surveys/ds7.html.
4. 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. № 11, 27—31, Krefeld 1975.
5. 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.
6. Платов Н.А., Потапов А.Д., ЛебедеваМ.Д. Песчаные грунты. М. : Изд-во АСВ, 2010. 254 с.
7. Потапов И.А., Шименкова А.А., Потапов А.Д. Зависимость суффозионной устойчивости песчаных грунтов различного генезиса от типа фильтрата // Вестник МГСУ. 2012. № 5.
C. 79—86.
Поступила в редакцию в августе 2012 г.
Об авторах: Потапов Александр Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, adp1946@mail.ru;
Потапов Иван Александрович — инженер, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифо-совского, г. Москва, Сухаревская пл., д. 3, shlusel@yandex.ru;
Шименкова Анастасия Анатольевна — инженер кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, geolog305@yandex.ru.
Для цитирования: Потапов А. Д., Потапов И.А., Шименкова А.А. Некоторые аспекты применимости к песчаным грунтам положений физико-химической теории эффективных напряжений // Вестник МГСУ 2012. № 10. С. 229—239.
A.D. Potapov, I.A. Potapov, A.A. Shimenkova
PARTICULAR ASPECTS OF APPLICABILITY OF PROVISIONS OF THE PHYSICAL AND CHEMICAL THEORY OF EFFECTIVE STRESSES TO SANDY SOILS
The authors consider several aspects of applicability of the new approach to formation of effective stresses in soils in relation to sands, as it was set out in the theory developed by academician
V.I. Osipov. The analysis of several genetic types of quaternary sands, performed by the authors, makes it possible to use the number of contacts to identify the morphology of sand grains within the framework of the analysis of soils.
The authors demonstrate that the employment of the formulas developed by academician V.I. Osipov in the calculation of the number of contacts between particles in natural sandy soils is virtually impossible due to the fact that no natural sand particles can boast an ideal spherical shape. The number of contacts between the sand particles may increase due to the defects of their shape and the nature of the particle surface.
In this study, the shape and nature of the surface of sand grains represent those of the sands of various origins. The authors have employed a composite index of morphology that takes account of the shape and nature of the surface throughout the amount of sand under research. Similar calculations that take account of the morphology of grains were performed for selected fractions of sands to eliminate the influence of grain size on the packing of sands.
The analysis of provisions of the physical and chemical theory of effective stresses of soils and the study of multiple types of natural sands demonstrate that further research of formation and phases of coagulation contacts between particles of soil requires a detailed study of structural features of sands. These structural features include the grain size, homogeneity, the shape and nature of the surface of sand grains.
Both individual particles of sand and sandy soil are to be subjected to morphological assessments. The parameters to be assessed will include density and composition of sandy soils, as the soil porosity affects the formation of true contacts between particles of sand and determines their number. Mineral composition is an important factor affecting the shape and nature of the surface of sand grains. The research performed by the authors contemplates the study of the morphology of monogene, polymineral, oligomictic and polymictic sands. However quartz is the principal mineral in the structure of sand under research. Further research will cover other minerals to obtain more information about the formation of contacts between sand grains.
Key words: physical and chemical theory, effective voltage, sandy soil, sand particles, contacts, number of grains, porosity, field, grain morphology, surface area, sand fraction.
References
1. Osipov V.I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazheniy v gruntakh [Physical and Chemical Theory of Effective Stresses of Soils]. Moscow, IGE RAN Publ., Moscow, 2012, 74 p.
2. Potapov A.D. Morfologicheskoe izuchenie peskov v inzhenerno-geologicheskikh tselyakh [Morphological Study of Sands for the Purposes of Engineering Geology]. Moscow, PNIIIS Publ., 1981, 243 p.
3. Friedman E. Packing Unit Squares in Squares. Elec. J. Combin. DS7, 1—24, Oct. 31, 2005. Available at: http://www.combinatorics.org/Surveys/ds7.html.
4. 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, no. 11, 27-31, Krefeld, 1975.
5. 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 Institute of Civil Engineering, no. II, April 1974, pp. 14—17.
6. Platov N.A., Potapov A.D., Lebedeva M.D. Peschanye grunty [Sandy Soils]. Moscow, ASV Publ., 2010. 254 p.
7. 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 Filtrate]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 79—86.
About the authors: Potapov Aleksandr Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; adp1946@mail.ru;
Potapov Ivan Aleksandrovich — engineer, Scientific and Research Institute of Emergency Healthcare named after N.V. Sklifosovskiy; shlusel@yandex.ru;
Shimenkova Anastasiya Anatol'evna — engineer, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; geolog305@yandex.ru.
For citation: Potapov A.D., Potapov I.A., Shimenkova A.A. Nekotorye aspekty primenimosti k pesch-anym gruntam polozheniy fiziko-khimicheskoy teorii effektivnykh napryazheniy [Particular Aspects of Applicability of Provisions of the Physical and Chemical Theory of Effective Stresses to Sandy Soils]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 229—239.
