CC BY
95
ВЕСТНИК 12/2012
МГСУ_12/2012
УДК 624.131.213
А.Д. Потапов, И.А. Потапов*, А.А. Шименкова
ФГБОУ ВПО «МГСУ», *НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского
РОЛЬ ПЛОТНОСТИ — ВЛАЖНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ В ФОРМИРОВАНИИ ЭФФЕКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ С ПОЗИЦИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
Рассмотрены вопросы формирования предельных плотностей сложения песчаных грунтов различного генезиса при различной влажности в зависимости от структурных особенностей. Установлено, что для песков, как и для глин, характерно наличие оптимальной влажности при механическом уплотнении. Эта зависимость отличается по своему характеру от зависимости плотность — влажность для глинистых грунтов. Эти отличия обусловлены особенностями образования оболочек связанной воды при малых значениях влажности. Между оптимальной влажностью песков и величиной максимальной молекулярной влагоемкости выявлена линейная зависимость с высокой степенью корреляции. По ранее установленной зависимости между максимальной молекулярной влагоемкостью и морфологией песков, следует констатировать, что формирование оболочек связанной воды при малых значениях влажности зависит не только от крупности частиц, но в большей степени от особенностей формы и характера поверхности песчаных зерен. Одним из важных факторов формирования плотности песчаных грунтов в естественных условиях является их влажность. Собственно, для песков, как утверждается многими исследователями, следует рассматривать общность плотность — влажность. Оценки предельных плотностей сложения песков выполняются в их воздушно-сухом состоянии, а это означает, что в песках в этом случае всегда присутствует определенное количество связанной воды, которой тем больше, чем менее обработаны частицы песков. Из полученных результатов следует, что для песков следует рассматривать в большинстве случаев, когда они не находятся в не-водонасыщенном состоянии, характерные коагуляционные и преходные контакты, которые как показано в работе В.И. Осипова, определяют формирование эффективных напряжений, с позиций физико-химической теории.
Ключевые слова: эффективные напряжения, грунт, пески, морфология, плотность, влажность, оптимальная влажность, максимальная молекулярная влагоемкость, предельная плотность, физико-химическая теория, контакт, максимальная гигроскопичность.
В работе академика В.И. Осипова [1, с. 3] показаны основные трудности теории К. Терцаги об эффективных напряжениях в грунтах. И далее в этой работе рассматриваются новые положения физико-химического подхода к определению эффективных напряжений главным образом в глинистых грунтах. Значимость изучения глинистых грунтов с этих новых позиций сомнений не вызывает и более того оценивается нами исключительно высоко. Однако в работе В.И. Осипова, на наш взгляд, незаслуженно обойдены вниманием песчаные грунты, которые не менее широко распространены в поверхностной зоне земной коры и обладают не менее важными свойствами, требующими учета в инженерной практике. В [1, с. 3] показано, что К. Терцаги не учитывал в своей теории «распределение напряжений на контактах структурных элементов» и, в частности, «особенности распределения напряжений на контактах различных геометрических и энергетических типов; существование на контактах тонких пленок связанной воды, обладающей расклинивающим давлением; развитие на контактах различных процессов физико-химической природы, обусловливающих существование внутренних напряжений и др.». Эти особенности применительно к глинистым грунтам далее В.И. Осиповым рассмотрены очень подробно, но о песчаных грунтах в указанных аспектах упомянуто бегло. Мы уже рассмотрели отдельные аспекты физи-
Основания и фундаменты, подземные сооружения. Механика грунтов УЕ5ТЫ1К
_мвви
ко-химической теории эффективных напряжений применительно к песчаным грунтам в [2—4]. Следует вновь остановиться на роли структурных параметров песков в формировании плотности их сложения, исходя из того, что плотность в сочетании с влажностью грунта в значительной мере сказывается на напряженном состоянии песчаного грунта и может определять особенности реализации эффективных напряжений. Для предварительной оценки этого положения были использованы результаты ранее выполненных исследований морфологических особенностей песков различного генезиса [5]. Также были выполнены дополнительные контрольные испытания на этих образцах и повторные исследования морфометрических и морфоскопиче-ских особенностей слагающих их структурных элементов — зерен — как в целом по всему образцу, так и по выделенным из них стандартным фракциям. Известно, что предельные плотности сложения песков являются параметрами, которые достаточно широко используются для оценки особенностей состояния песчаных грунтов. Нами было установлено, что предельные плотности: максимальная объемная масса скелета у^ и минимальная объемная масса скелета у^ — находятся в определенной зависимости с показателем морфологии X, что показано на рис. 1. Особенности характера графиков следуют из зависимости между предельными плотностями сложения песков и числом зерен в исследуемом объеме, которые отвечают наиболее рыхлой и наиболее плотной упаковке. Это в определенной степени было нами уже отражено в [3].
Результаты расчета числа зерен в единице объема при различных значениях показателя морфологии для выделенных из песков фракций при всех возможных значениях пористости были нами уже приведены в [3]. Они показывают, что с ростом пористости при постоянной величине показателя морфологии число зерен в единице объема, естественно, уменьшается. На рис. 2 приведены результаты зависимости числа зерен в единице объема при постоянной пористости, которые показывают, что с ростом обработанности число зерен также уменьшается. Как известно, при упаковке частиц одного диаметра на величину формирующейся пористости влияет лишь морфология частиц — форма и характер поверхности. В случае, когда упаковываются частицы разного размера, по своей форме являющиеся обработанными или необработанными, в зависимости от своего размера они имеют возможность перемещаться в отдельные поры между более крупными частицами. Здесь следует отметить то, что обработанных частиц в единицу объема укладывается больше, чем необработанных, что объясняет рост предельных плотностей сложения песков.
Одним из важных факторов формирования плотности песчаных грунтов в естественных условиях является их влажность. Собственно, для песков, как утверждается многими исследователями, следует рассматривать общность плотность — влажность [6]. Необходимо отметить, что оценки предельных плотностей сложения песков выполняются в их воздушно-сухом состоянии, а это означает, что в песках в этом случае всегда присутствует определенное количество связанной воды, которой тем больше, чем менее обработаны частицы песков. Это нами было уже показано в [3].
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 X
Рис. 1. Зависимость предельных плотностей сложения изученных песков от показателя морфологии с коэффициентами корреляции для предельно рыхлого сложения 0,721 и для предельно плотного сложения 0,716 [5]
ВЕСТНИК
МГСУ.
12/2012
Из полученных результатов следует, что для песков следует рассматривать в большинстве случаев, когда они не находятся в неводонасыщенном состоянии, характерные коагуляционные и переходные контакты, которые, как показано в [1], определяют формирование эффективных напряжений с позиций физико-химической теории.
Для всех грунтов, как известно, определяются характерные значения влажности Ж: естественная влажность, влажность максимальной молекулярной влагоемкости, оптимальная влажность уплотнения, влажность максимальной гигроскопичности и др. [7]. Нами было уже показано, что для песков существует оптимальная влажность уплотнения [5], что в
Ахх103
900 800 700 600 500 400 300
100
90 80 70 60 50 40 30 20
1,0
X
Рис. 2. Зависимость числа зерен в единице объема от показателя морфологии в предельно-рыхлом (1) и предельно плотном состоянии (2) [5]
определенной степени подтвердило более ранние работы [8, 9]. Между величиной максимальной плотности и влажности, при которой она достигается, существует зависимость, иллюстрируемая графиком на рис. 3.
УЛ
У
тах
а
д2-3
д1-3 д1-2
Шмг
(тах
(Шопт)
1 у(сух.)
К
атах 2
Т^та:
Уатах (при Ш=0)
Шш
Шм
Шо,
Рис. 3. График зависимости максимальной плотности песков у, от влажности Ж: у, —
г т ' отах ' отах
максимальная плотность (предельно-плотное сложение при Ж ); у — минимальная плотность (предельно-рыхлое сложение) при Ж = 0, у для воздушно-сухого состояния песков; 1-2-3 — диапазоны изменения плотности песков; Ж — максимальная гигроскопичность; Ж — максимальная молекулярная влагоем-
' мг * ' ммв *
кость; Ж — оптимальная влажность уплотнения
Из этого графика следует, что для песков характер графика отличается от графика зависимости максимальная плотность — влажность для глин, который широко известен и применяется в различных строительных целях. Анализ всех выполненных определений оптимальной влажности Ж для достижения максимальной плотности по всем изученным пескам и выделенным из них фракциям и величины максимальной молекулярной влагоемкости Ж показал, что между ними есть практически линейная зависимость, описываемая уравнением
Жопт = 1,15Жммв + 2,5 с коэффициентом корреляции г = 0,7 (рис. 4).
3
III
Основания и фундаменты, подземные сооружения. Механика грунтов
VESTNIK
JVIGSU
Worn, %
10 12 14
Wmmb, %
Рис. 4. Зависимость между величиной оптимальной влажности Ш и максимальной
опт
молекулярной влагоемкости Ш
-> г ммв
Результаты изучения максимальной плотности песков и выделенных из них характерных фракций приведены в табл. 1 и 2.
Табл. 1. Результаты определения максимальной плотности песков при различной влажности [5]
Изученные пески Показатель Влажность, %
0 0,5 1,0 1,5 2,0 при W г мг W мг при W опт W опт
Химкинские ^Ошах 1,88 1,875 1,87 1,86 1,85 1,84 3,0 1,89 9,8
^^Ошах 0 0,005 0,01 0,02 0,025 0,04 0,05
Рижские ^Ошах 1,80 1,78 1,77 1,755 1,76 1,755 1,5 1,82 4,6
ГеЯп ^^Ошах 0 0,02 0,03 0,045 0,04 0,045 0,02
Приморские ^Ошах 1,58 1,56 1,55 1,54 1,53 1,525 2,9 1,60 8,3
aQIII ^^Ошах 0 0,02 0,03 0,04 0,05 0,055 0,02
Архангельские ^Ошах 1,80 1,78 1,76 1,755 1,745 1,735 3,1 1,81 7,4
^ ^^Ошах 0 0,02 0,04 0,045 0,050 0,065 0,01
Ашхабадские ^Ошах 1,72 1,71 1,70 1,68 1,675 1,65 1,65 4,0 1,75
^^Ошах 0 0,01 0,02 0,04 0,045 0,07 0,03
Чигиринские ^Ошах 1,78 1,775 1,77 1,765 1,76 1,775 3,0 1,85 8,0
^^Ошах 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,08
Табл. 2. Результаты изучения величины оптимальной влажности на выделенных из ] характерных фракций [5]
Изученные пески Фракции, мм
0,1...0,25 0,25.0,50 0,50.1,0 1,0.2,0
Рижские 1,83/6,8 1,83/7,9 1,79/8,7 1,84/10,0
Приморские 1,62/6,5 1,58/9,1 1,68/9,8 1,60/11,5
Архангельские 1,75/7,0 1,76/6,8 1,83/7,1 —/—
Ашхабадские ео^ 1,73/8,8 1,76/7,9 —/—
Примечание. В числителе — у. при Ш . г/см3, в знаменателе — Ш . %.
г ' яшах * опт ' опт
2
4 6
8
ВЕСТНИК 12/2012
МГСУ_12/2012
Исходя из современных представлений о формировании видов воды в грунтах, полученная зависимость между максимальной уплотняемостью песков и их влажностью и ее криволинейный характер объясняются следующим: повышенная плотность песка при малых значениях влажности обусловливается возможностью достаточно свободной переупаковки его зерен при механическом воздействии (трамбовании) и формированием некоей «псевдогексагональной» упаковки частиц разного размера и морфологии и тем самым достижением высоких значений плотности скелета, а это отвечает методике определения предельно-плотного состояния воздушно-сухого песка. При дальнейшем увеличении влажности уплотняемого песка вода, которая адсорбирована на поверхности только на наиболее ее шероховатых участках и в основном в углах пор между зернами в их «псевдоистинных» контактах за счет менисковых сил, формирует «цементирующее» действие и тем самым препятствует свободной переупаковке частиц при механических воздействиях.
При этом на процессе переупаковки частиц одинакового размера существенным образом сказываются морфологические особенности, в пользу чего свидетельствуют данные о различиях в значениях максимальной молекулярной влагоемкости и оптимальной влажности уплотнения по отдельным фракциям. Некоторым следствием описанного является тот факт, что при влажности максимальной гигроскопичности наблюдается снижение абсолютных значений плотности. Дальнейшее увеличение влажности до значений, близких к максимальной молекулярной влагоемкости, приводит к тому, что воды, адсорбируемой на поверхности, становится количественно больше. Эта вода «скрадывает» сначала «дефекты» поверхности, а затем и мелкие «дефекты» формы и формирует квазисферы частица — вода, что снижает влияние морфологических особенностей песков и способствует осуществлению более свободной переупаковки частиц и достижению более высоких значений плотности. Наличие таких квазисфер обусловлено тем, что именно при влажности, близкой к величине максимальной молекулярной влагоемкости, вода на частицах удерживается очень прочно за счет поверхностных сил. Известно, что прочносвязанная вода может быть удалена из грунта только при очень высоких давлениях и температурах [10]. Максимальная плотность может быть достигнута при оптимальной влажности, которая несколько превышает величину максимальной молекулярной влагоемкости, что видно из вышеприведенной эмпирической зависимости. Это небольшое количество влаги образует общие водные оболочки вокруг нескольких частиц и играет при их перемещениях под механическим воздействием роль смазки, одновременно проявляя некие цементирующие свойства, препятствуя разуплотнению грунта. Дальнейшее увлажнение приводит к реализации расклинивающего эффекта и, естественно, к уменьшению достигаемой плотности при механическом воздействии. Проведенный анализ особенностей морфологии изученных песков в аспекте их влияния на формирование максимальной плотности при оптимальной влажности уплотнения показал, что с ростом обработан-ности частиц песка растет величина максимально достигаемой плотности песков.
Рассмотренные выше результаты экспериментальных исследований по формированию плотности песков с различной морфологией при различной степени их влажности могут быть использованы для описания различных видов контактов в песчаных грунтах. В ранее опубликованных статьях мы уже рассматривали применимость положений физико-химической теории эффективных напряжений в части формирования различных видов контактов в песках [2, 3]. Продолжая рассмотрение площадей контактов различного вида, следует сказать, что для песчаных частиц различной морфологии площадь фазового («псевдофазового») контакта может быть определена по зависимостям, изложенным в [1]. Этот вид контакта наиболее характерен для песков с величиной влажности от воздушно-сухого состояния до влажности максимальной гигроскопичности — зона 1-2 на графике (см. рис. 3) и от нее до середины зоны 2-3 (см. рис. 3), что отвечает значениям предельно плотного состояния песков в воздушно-
Основания и фундаменты, подземные сооружения. Механика грунтов
VESTNIK
MGSU
сухом состоянии. Все это обусловливается тем фактом, что в природных условиях у песков практически не формируется абсолютно сухое состояние. Дальнейшее увеличение влажности и достижение более плотного сложения уже может привести к формированию переходного типа контакта, а далее, при оптимальной влажности, — к образованию коагуляционного контакта. Можно утверждать, что в работе В.И. Осипова [1] намечена возможность ее дальнейшего развития и следующим этапом в изучении ее положений применительно к песчаным грунтам является рассмотрение формирования прочностных свойств песков с различными структурными особенностями.
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., 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.
3. 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.
4. 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.
5. Потапов А.Д. Морфологическое изучение песков в инженерно-геологических целях : дисс. ... канд. геол.-минерал. наук. М. : ПНИИИС, 1981. 243 с.
6. Дудлер И.В. Значение понятия «плотность — влажность» для изучения и оценки физико-механических свойств песчаных грунтов // Вопросы инженерной геологии. М. : МИСИ, 1977. 7 с.
7. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М. : Высш. шк., 2008. 260 с.
8. Лысенко М.П. Состав и физико-механические свойства грунтов. М. : Недра, 1972. 272 с.
9. Kabai J. The compatibility of sands and sandy gravels. Techn.University Budapest. 1968. T. 63. 6 с.
10. Грунтоведение / под ред. В.Т. Трофимова. 6-е изд. М. : Изд-во Московского университета, Наука, 2005. 1024 с.
Поступила в редакцию в октябре 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»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, adp1946@mail.ru;
Потапов Иван Александрович — инженер, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосов-ского, г. Москва, Сухаревская площадь, д. 3, shlusel@yandex.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 А.Д., Потапов И.А., Шименкова А.А. Роль плотности — влажности песчаных грунтов в формировании эффективных напряжений с позиций физико-химической теории // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 104—110.
A.D. Potapov, I.A. Potapov, A.A. Shimenkova
THE ROLE OF THE "DENSITY — MOISTURE" OF SANDY SOILS IN FORMATION OF EFFICIENT STRESSES FROM THE PERSPECTIVE OF THE PHYSICOCHEMICAL THEORY
The paper deals with the formation of limiting bulk densities of sandy soils of different origin against different values of humidity and varying structural features. The authors have identified that the optimum moisture content is typical for sands and clays exposed to mechanical compaction. The nature of this dependence is different from the one between the density and humidity of clay soils. These differences are driven by the peculiarities of formation of bound water shells in the event of low humidity. A linear dependence between the optimal humidity of sands and maximal molecular moisture capacity has been identified. The authors make a statement based on the proven de-
BECTHMK 12/2012
MI"CY_12/2012
pendence between the maximal molecular moisture capacity and the morphology of sands. Their statement is that the formation of bound water shells in the low humidity environment is dependent not only on the fineness of particles, but, to a higher extent, on the peculiarities of the shape and the nature of the surface of sand grains. Another important factor of impact on the density of sandy soils in the natural environment consists in their humidity.
Multiple researchers believe that the correlation between density and humidity of sands is to be the subject of research. It is noteworthy that limit densities of air-dried sands are to be assessed. Therefore, any sands have some particular bound water content, and the lower the intensity of treatment of sand particles, the higher the water content. The findings demonstrate that in most cases typical coagulatory and transitory contacts of non-saturated sands are to be considered in line with the ideas expressed by V.I. Osipov, as the above contacts determine the formation of effective stresses from the prospective of the physicochemical theory.
Key words: effective stresses, soil, sand, morphology, density, moisture content, optimum moisture content, maximum molecular moisture capacity, maximum density, physicochemical theory, contact, maximum hygroscopicity.
References
1. Osipov V.I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazheniy vgruntakh [Physicochemical Theory of Effective Stresses in Soils]. IGE RAN [Institute of Geo-ecology of the Russian Academy of Sciences]. Moscow, IFZ RAN [Institute of Physics of the Earth (IPE)], 2012, 74 p.
2. Potapov A.D., Potapov I.A., Shimenkova A.A. Nekotorye aspekty primenimosti k peschanym 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.
3. Potapov I.A., Potapov A.D., Shimenkova A.A. Formirovanie raznykh tipov energeticheskikh kon-taktov 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.
4. 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.
5. 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, 243 p.
6. Dudler I.V. Znachenie ponyatiya «plotnost' — vlazhnost'» dlya izucheniya i otsenki fiziko-me-khanicheskikh svoystv peschanykh gruntov [Meaning of the Notion of "Density-Humidity" in the Mastering and Assessment of Physical-mechanical Properties of Sandy Soils]. Voprosy inzhenernoy geologii [Issues of Engineering Geology]. Moscow, MISI Publ., 1977, 7 p.
7. Anan'ev V.P., Potapov A.D. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 2008, 260 p.
8. Lysenko M.P. Sostav i fiziko-mekhanicheskie svoystva gruntov [Composition and Physical-Mechanical Properties of Soils]. Moscow, Nedra Publ., 1972, 272 p.
9. Kabai J. The Compatibility of Sands and Sandy Gravels. Techn. University Budapest. 1968, vol. 63, 6 p.
10. Trofimov V.T., editor. Gruntovedenie [Soil Science]. Moscow, Nauka Publ., 2005, 1024 p.
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, 3 sukharevskaya square, Moscow, Russian Federation; 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. Rol' plotnosti — vlazhnosti peschanykh gruntov v formirovanii effektivnykh napryazheniy s pozitsiy fiziko-khimicheskoy teorii [The Role of the "Density - Moisture" of Sandy Soils in Formation of Efficient Stresses from the Perspective of the Physicochemical Theory]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 104—110.
