CC BY
6
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 624.15
DOI: 10.22227/1997-0935.2023.2.218-229
Воздействие на ход вторичной консолидации торфа путем его дегидратации с помощью высокодисперсной глины
Александр Леонидович Невзоров, Галина Юрьевна Ивахнова
Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (САФУ);
г. Архангельск, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Первичная или фильтрационная консолидация торфа в основании насыпи завершается через 3-5 лет после ее устройства, после чего в течение десятилетий имеет место вторичная консолидация, обусловленная удалением заполняющей микропоры связанной влаги. Темп развития осадки на этой стадии зависит от степени разложения торфа, температуры, присутствия в поровой воде тех или иных химических веществ, вибрационных воздействий и других факторов. Для снижения деформации оснований, обусловленных вторичной консолидацией торфа, выполняют модификацию торфа с использованием смесей вяжущих с наполнителями или осуществляют мероприятия, направленные на кратковременное ускорение осадки и последующее замедление этого процесса, например временную пригрузку, электороосмос и др.
Материалы и методы. Исследовался эффект дегидратации торфа с помощью высокодисперсных материалов, в качестве которых использовали бентонит и сапонитсодержащие отходы алмазодобывающей промышленности. Проводились одометрические испытания продолжительностью до 100 сут, в ходе которых в образцах устраивали вертикальные цилиндрические элементы из указанных материалов, занимавшие около 10 % объема образцов. Результаты. Включения бентонита, формирование которых выполнялось без извлечения торфа, оказали существенен м ное влияние на развитие деформаций, интенсивная дегидратация торфа привела к увеличению коэффициента вто-N ^ ричной консолидации са£ в 3-4 раза. После 25-30 сут интенсивной осадки са£ снизился в среднем в 1,5 раза относи-сч сч тельно исходного значения. Под влиянием элементов из сапонитсодержащих отходов коэффициент са£ увеличился (У (у на 11-15 %, но через 20-30 сут он снизился в среднем в 2 раза относительно исходного значения. Фактором, пре-^ Ф пятствующим развитию осадки, послужило большее сопротивление элементов вертикальной нагрузке. о з Выводы. В результате внедрения в торф высокодисперсной глины происходит ускорение миграции связанной влас и) ги из микропор и увеличение темпа вторичной консолидации. Кроме дегидратации, ускорению вторичной консоли-^ ^ дации способствовали механическое уплотнение торфа при внедрении в образцы глины и набухание глины. . г
°0 (ц КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: торф, вторичная консолидация, бентонит, сапонитсодержащие отходы, осадка, деформа-
^ £ ция, дегидратация
О -г
Н ¿5 ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Невзоров А.Л., Ивахнова Г.Ю. Воздействие на ход вторичной консолидации торфа путем
Д. . его дегидратации с помощью высокодисперсной глины // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 2. С. 218-229. Р01:
£ £ 10.22227/1997-0935.2023.2.218-229
£ ^
и ю Автор, ответственный за переписку: Галина Юрьевна Ивахнова, g.ivakhnova@gmail.com.
о |
<м 5
<л w
Effect of clay with high water adsorption capacity on process of secondary
consolidation of peat
§ о Alexander L. Nevzorov, Galina Yu. Ivakhnova
Sb с Northern (Arctic) Federal University named afterM.V. Lomonosov (NArFU); Arkhangelsk, Russian Federation ю ° _
s «
9 Щ ABSTRACT
h- g
g> -э Introduction. Primary consolidation of peat, underlying an embankment, is completed 3 to 5 years after its filling. It is followed
by secondary consolidation, caused by removal of bound moisture from micropores. At this stage, the settlement rate depends on the degree of peat decomposition, temperature, content of various chemicals in the pore water, vibration effects, and other 22 factors. To reduce the embankment deformation, caused by the secondary consolidation, peat is either modified by binding
• . compounds, having filling agents, or other actions are taken to accelerate the settlement process for a short term and to Э decelerate it thereafter using temporary surcharge, electroosmosis and other actions.
I- j® Materials and methods. The authors studied the effect of peat dehydration using clayey materials with high water adsorption
capacity, such as bentonite and saponite waste generated by the diamond mining industry. 100 days oedometer tests were
* ^ carried out. In the course of testing, vertical cylindrical elements, made of the above materials, were installed in the specimens. I ё These cylindrical elements occupied about 10 % of the specimen volume.
О да Results. Bentonite inclusions, formed without any peat extraction, had a powerful effect on development of deformations.
Intensive dehydration of peat led to a 2-4 times increase in the coefficient of secondary consolidation ca£. Following 25 to 30 days of intensive settlement, the value of the ca£ coefficient went down by an average of 1.5 times relative to its initial value.
218 © А.Л. Невзоров, Г.Ю. Ивахнова, 2023
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
ID
The effect of elements, made of saponite-containing waste, turned out to be different. The value of the cat coefficient increased by 11 to 15 %, but 20 to 30 days later it went down by an average of 2 times relative to the initial value. Higher resistance of elements to vertical loading served as the factor preventing the development of settlement.
Conclusions. Clay has a high water adsorption capacity, and its intrusion into peat results in accelerated water migration from micropores and boosts the rate of secondary consolidation. In addition to peat dehydration, secondary consolidation was accelerated by mechanical compaction in the process of adding clay into specimens followed by clay swelling.
KEYWORDS: peat, secondary consolidation, bentonite, saponite-containing waste, settlement, deformation, dehydration
FOR CITATION: Nevzorov A.L., Ivakhnova G.Yu. Effect of clay with high water adsorption capacity on process of secondary consolidation of peat. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(2):218-229. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.2.218-229 (rus.).
Corresponding author: Galina Yu. Ivakhnova, g.ivakhnova@gmail.com.
ВВЕДЕНИЕ
Торф — один из видов сильнодеформируемых грунтов, отложения которого занимают около 5-8 % поверхности суши в мире и до 10 % в России [1]. При освоении обширных заболоченных территорий, например на северо-западе нашей страны или в Западной Сибири, где выполнить полную замену многометровых толщ торфа минеральными грунтами не представляется возможным, насыпи устраивают по их поверхности, применяя так называемый метод пригрузки. Торф, объем пор в котором может превышать объем твердой фазы в 15-20 раз, а слагающие
его растительные остатки лишь по традиции можно именовать твердой фазой, под действием веса насыпи получает осадку до 50-60 % от исходной толщины слоя. Причем проблему представляет не столько величина осадки, сколько длительное отсутствие ее стабилизации. Результатом постстроительных деформаций является разрушение покрытия дорог и тротуаров, элементов благоустройства, отмосток зданий, на периодическое восстановление которых расходуются значительные средства (рис. 1). Свайные фундаменты зданий и инженерных коммуникаций подвергаются воздействию сил негативного трения.
i
1
Как показывают длительные наблюдения на опытном полигоне и на территории г. Архангельска, первичная консолидация торфа, обусловленная удалением свободной воды из макропор и рассеиванием порового давления, завершается через 3-5 лет после отсыпки [2, 3]. Похожие значения продолжительности этого периода tp (в годах) дает эмпирическая формула S. Noto: tp = 0,15Я2, где Н — толщина слоя торфа, м [4]. Следует заметить, что данные наблюдений за развитием осадки не согласуются с результатами измерений порового давления. В полевых
s
s t i
m
O W С
а b
Рис. 1. Последствия длительной осадки торфа в основании насыпи: а — деформации тротуара; b — срезка стенок колодца и перекладка тротуарной плитки для выравнивания поверхности
Fig. 1. Consequences of long-term peat settlement at the base of the embankment: a — sidewalk deformation; b — cutting the well wall and re-laying paving bricks to level the surface
экспериментах в. МеБп поровое давление в торфяной залежи становилось практически равным нулю всего лишь за несколько недель или месяцев [5]. По данным П. А. Коновалова и других исследователей, в слоях торфа под насыпью измеренные значения порового давления были пренебрежимо малы и только в торфе, расположенном между двумя слоями суглинка, в течение года поровое давление оставалось равным 19 кПа, что составляло 35 % от приложенной нагрузки [6-8].
0 w
t СО
1 i y 1 J со
U -
> i
n °
i 3
0 i
01
o n
со со
n NJ
i 6 >6
• )
[8
® 8
Ю DO
■ £
s □
s У
с о
<D Ж
O O
10 10
u w
(О (О
сч N
о о
сч сч
сч'сч" К (V U 3 > (Л
с и
НО 00 . г
« (U
!!
<D dj
о ё
(Л W
Е о
£ ° ^ с
ю о
s 1
о ЕЕ
fee
О) ^ т- ^
ел ел
Е!
О (Я
Переход от первичной ко вторичной консолидации происходит при весьма высоких значениях коэффициента пористости, например при е = 8,3-9,2 под нагрузкой 50 кПа и е = 5,7-7,9 под нагрузкой 100 кПа [9]. Очевидно, что при таком объеме пор нагрузку воспринимает не рыхлый растительный каркас, а заполняющая микропоры связанная влага, и деформации вторичной консолидации торфа обусловлены ее удалением при постоянном значении эффективных напряжений. Об этом говорит и наличие усадки у образцов торфа после завершения длительных компрессионных испытаний. По мнению R.E. Olson, вклад вторичной консолидации в общую осадку торфа обычно составляет около 10 %, хотя может достигать и больших значений [10]. По нашим данным, эта доля составляет в среднем 23 % при нагрузке 50 кПа и 15 % при 100 кПа [9].
Темп развития осадки на стадии вторичной консолидации зависит от степени гумификации растительных остатков, нагрузки, температуры, присутствия в поровой воде тех или иных химических веществ, вибрационных воздействий и других факторов. Он характеризуется коэффициентом вторичной консолидации. В настоящей статье будем использовать коэффициент сае, равный тангенсу угла наклона к оси абсцисс графика зависимости относительных деформаций е от логарифма времени t или са = Se/S(lgt), а относительные деформации вычислять как е = s/h0, где h0 — начальная высота образца.
Согласно ранее проведенным авторами одоме-трическим испытаниям сае обычно находится в интервале от 0,02 до 0,04. Многолетние наблюдения на опытном полигоне дают существенно большие по сравнению с испытаниями в одометрах значения сае [2]. Японские ученые предложили эмпирическую формулу для расчета этого коэффициента: сае = 0,033 + 0,0043 W, где W — исходная влажность торфа в долях единицы [11].
Деформации торфа не стабилизируются в течение десятилетий и, по-видимому, принимая во внимание природу этого грунта, его структуру и состав, следует признать, что полностью остановить осадку торфа в основании насыпей не представляется возможным. Те или иные воздействия на этот органический материал могут привести лишь к временной стабилизации или снижению скорости развития деформаций, т.е. к увеличению сроков межремонтных периодов покрытия дорог, тротуаров, элементов благоустройства и проч. Известные способы воздействия на торф можно разделить на две группы. К первой относятся мероприятия по модификации торфа смесями вяжущих с инертными материалами, в частности цемента, извести и даже гипса с песком [12-14], глинистым диатомитом [15], глиной [1, 13, 16], известняком [15], отсевом, образующимся при производстве щебня [17], золой ТЭЦ [16, 18] и иными промышленными отходами, включая пластмассы [17], позволяющими создать в рыхлом скелете этого органического грунта каркас и сформировать структур-
ные связи. Причем применяется перемешивание торфа как с сухими смесями, так и с растворами [19]. Из-за высоких затрат, конечно, невозможно сформировать сплошной массив закрепленного торфа, поэтому обычно устраивают отдельно стоящие столбы или колонны, частично воспринимающие нагрузку от насыпи.
Во вторую группу входят способы, направленные на кратковременное (скачкообразное) ускорение осадки и последующее снижение интенсивности развития деформаций, например временная дополнительная пригрузка [20-22], воздействие электрическим током (электроосмос) [23-25], вибрационные воздействия [21, 26]. Вакуумирование эффективно только при первичной консолидации торфа. Перечисленные способы, как правило, трудно реализовать в сложившейся городской застройке.
Ранее авторами были проведены эксперименты, в которых в полости специально изготовленного поршня одометра засыпался воздушно сухой порошок бентонита. Контакт торфа с бентонитом приводил к приросту относительных деформаций на стадии вторичной консолидации на 0,09-0,11 от начальной высоты образцов или 0,12-0,16 от высоты образцов после завершения компрессионного сжатия [3].
В настоящей статье представлены результаты лабораторных экспериментов, целью которых было воздействие на ход вторичной консолидации путем формирования в торфе элементов из высокодисперсной глины. Результатом такого воздействия могут стать: ускорение миграции связанной влаги из микро-пор; сжатие торфа под действием давления набухания глины. Кроме того, опыты позволят глубже понять феномен вторичной консолидации этого органического материала.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Эксперименты проводили в компрессионно-фильтрационных приборах на образцах ненарушенной структуры диаметром 60 см2, высотой 7 см, отобранных в окрестностях г. Архангельска на неосвоенном, неосушенном низинном болоте из шурфов с глубины 0,5-0,8 м. Торф имел следующие исходные свойства: степень разложения 40-45 %, плотность 0,97-1,02 г/см3, плотность частиц 1,44-1,45 г/ см3, влажность 8,33-9,91, коэффициент пористости 12,6-15,3, коэффициент фильтрации 0,043-0,364 м/сут при среднем значении 0,21 м/сут.
Фотографии структуры торфа, выполненные на сканирующем электронном микроскопе Vegan-Те^'сап 3 с различным увеличением, представлены на рис. 2.
Известно, что процесс декомпозиции растительных остатков активно развивается при температуре 15-45 °С [27], а ее повышение даже на несколько градусов ведет к росту сае [22, 28, 29], поэтому приборы устанавливались в помещении, где температура не превышала 12 °С.
Рис. 2. Фотографии торфа, выполненные на сканирующем электронном микроскопе Fig. 2. Scanning electron micrographs of peat
Образцы испытывались при характерной для основания насыпей нагрузке 50 кПа, которая прикладывалась сразу в одну ступень, как это и требуется при определении коэффициентов консолидации.
Проводившиеся рядом авторов одометриче-ские испытания показали, что величина сае у торфа не всегда отличается постоянством во времени, как это следует из классических представлений о процессе, и наклон графика е = может возрастать в ходе испытаний [3, 22]. Выполненный нами ранее анализ данных длительных компрессионных испытаний продемонстрировал, что наличие указанного участка обусловлено не увеличением скорости деформирования, а неполным соответствием применяемой эмпирической зависимости к данным длительных компрессионных испытаний [9]. В представленных в настоящей статье опытах по истечении 34-44 сут, когда еще не наблюдалось наступление так называемой третичной консолидации, нагрузку снимали и 3 суток выжидали разуплотнения образцов. После чего, подняв на непродолжительное время поршень прибора, на всю высоту образцов устраивали вертикальные цилиндрические включения из высокодисперсной глины диаметром 8 мм, суммарно занимающие около 10 % их объема. Затем повторно прикладывали прежнюю нагрузку 50 кПа. Эксперименты прекращали, когда деформации торфа не превышали 0,01 мм в течение нескольких суток. Образцы извлекали и определяли влажность торфа и высокодисперсной глины.
В контрольных опытах с торфом без включений также выполняли временную разгрузку на указанное время.
В качестве высокодисперсных глинистых материалов использовали бентонит и сапонитсодержащие отходы алмазодобывающей промышленности. Последние отбирали в прудковой зоне хвостохранили-ща. Сапонит является минералом группы монтмориллонита, его содержание в осадке может достигать 87 % [30]. Свойства указанных материалов, включая
деформации свободного набухания eSW предварительно высушенных образцов и влажность набухания WSW, приведены в табл. 1, графики гранулометрического состава—на рис. 3, а, изотермы сорбции паров воды — на рис. 3, b. Судя по изотермам сорбции, удельная поверхность сапонитсодержащих отходов в 1,7-2 раза меньше, чем у бентонита, и может оцениваться примерно в 200-240 м2/г. Чуть меньшее соотношение показывают значения влажности набухания.
Табл. 1. Свойства высокодисперсных материалов Table 1. Properties of highly dispersive materials
Материал Material Р* WP IP £SW Wsw
Бентонит Bentonite 2,80 1,47 0,65 0,82 0,95 1,38
Отходы сапонитсодержащие Saponite-containing waste 2,79 0,79 0,31 0,48 0,30 0,89
< П
tT
iH
о
W
с
0 w
t CO
1 z
У 1
J to
U -
> I
n °
» 3
0 Ш
01
о n
CO
со
Глинистые материалы вносились в образцы торфа двумя способами. Первый заключался в извлечении с помощью пробоотборника цилиндрических кернов торфа диаметром 8 мм, засыпке в полости и уплотнении воздушно сухого порошка (способ I). Во втором случае торф не извлекался, а раздвигался стержнем того же диаметра (способ II). Первый способ соответствовал технологии устройства буровых, второй — набивных свай.
По результатам испытаний строились графики зависимости относительных деформаций от логарифма времени е = flgt) — график A на рис. 4. На этом графике обозначено пять участков: 1 — первичная консолидация, 2 — вторичная консолидация, 3 — временная разгрузка образца, 4 — повторное приложение нагрузки, 5 — продолжение вторичной консолидации.
м со о
>6 о о
0)
о
c n
• )
[8
® 8
Ю DO
■ т
s У
с о
(D *
(О (О
сч N
о о
сч сч
сч'сч"
It (V
U 3
> (Л
с и
НО 00
. г
« (U
<U <D
о %
ч -И
g в
О 2
63 ь
II
m
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,0
___ r J
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Относительная упругость паров Relative humidity
бентонит / bentonite
сапонитсодержащие отходы / saponite-containing waste
Рис. 3. Графики, характеризующие дисперсность глинистых материалов: а — графики гранулометрического состава; b — изотермы сорбции паров воды
Fig. 3. Figures describing the specific surface of clayey materials: a — grain size distribution curves; b — soil water sorption isotherm curves
lgi*
lg /
со " со E — -b^
e §
CL ° с
LO О
Sg
о EE
fe ° a> ^
T-
2: £ £
от °
ü w
si
о И
3
V 1 , 2 ^4 5
-~.............
Alg?
Рис. 4. Графики s = f(lgt) Fig. 4. s = f(lgi) curves
Из-за небольшой протяженности в логарифмическом масштабе участка 5 отдельно строился график В, где за начальный отсчет времени принимался момент повторного приложения нагрузки. Иными
словами, участки 4 и 5 графика А и график В построены по одним и тем же данным, но в разных координатах времени.
График B аппроксимировали прямой линией и при вычислении коэффициента вторичной консолидации переходили к исходной шкале времени:
саЕ = Ae/[lg(i2 + t*) - lg(tj + t*)],
где t* — интервал времени между началом первичного и повторного нагружений.
Все испытания проводились с двух-трехкратной повторяемостью.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 5 представлены характерные графики развития деформаций во времени, полученные при испытании одного из контрольных образцов. Как
видно, этап первичной консолидации был непродолжительным — всего несколько часов. Коэффициент вторичной консолидации сае оказался равным 0,037. Близкие значения этого коэффициента получены авторами ранее [9].
Разгрузка через 35 сут привела к разуплотнению образца на 14 % от достигнутой осадки. В остальных опытах разуплотнение образцов изменялось от 12 до 23 % и в среднем составило 18 %.
При повторном нагружении для возврата на прежнюю траекторию осадки потребовалось времени значительно больше, чем на первичную консоли-
дацию — 1,5 сут, после чего все точки зависимости е = Л^) до снятия нагрузки и после ее повторного приложения расположились практически на одной прямой, т. е. снятие нагрузки на трое суток не привело к изменению темпа вторичной консолидации. Коэффициент сае остался практически без изменений и составил 0,040. Среднее значение коэффициента по данным испытаний четырех образцов приведено в табл. 2.
С целью увеличения масштаба графиков на следующих рисунках их начальные участки первых суток испытаний не показаны.
Рис. 5. График s = f(lgt) для образца торфа без включений Fig. 5. s = f(lgt) curve for a peat specimen without inclusions
Табл. 2. Результаты экспериментов Table 2. Results of the experiments
Материал и способ изготовления включений Material of inclusions Po W0 eo eas1 eas2 eask WT Wb
Нет No inclusions 1,01 9,22 13,70 0,039 0,039 — 5,70 —
Бентонит, способ I Bentonite, method I 1,00 8,55 12,83 0,032 0,055 — 4,56/4,82 1,07
Бентонит, способ II Bentonite, method II 0,98 8,81 13,48 0,034 0,138 0,023 4,52/4,71 0,99
СО, способ I SW, method I 0,99 9,36 14,28 0,031 0,047 — 4,55/5,04 0,63
СО, способ II SW, method II 0,99 8,33 12,63 0,035 0,039 0,017 4,05/4,55 0,59
< П
tT
iH
о
(Л
с
0 «
t CO
1 » y 1
J со
U -
> I
n °
» 3
о »
oî
о n
со со
м со о
»6 >6 о о
0)
о
c n
• )
[8
® 8
Ю DO
■ т
s У
с о
(D Ж
м 2
о о
to 10
Ы W
Примечание: cas1 — исходное значение коэффициента вторичной консолидации; ст2 — коэффициент вторичной консолидации после формирования в образцах включений из высокодисперсных материалов (второй этап испытаний); саЖ — то же перед завершением испытаний; WT — влажность торфа после завершения опытов; WB — влажность включений из глины; СО — сапонитсодержащие отходы.
Note: сш,1 is the initial value of the secondary consolidation coefficient; ст2 is the secondary consolidation coefficient following the formation in specimens of highly dispersive inclusions (second stage of testing); с^ is the same value before the end of experiments; WT is the peat water content after the experiments; WB is the water content in clayey inclusions; SW is saponite-containing waste.
На рис. 6 представлен характерный график е = для образца торфа с включениями бентонита, устроенными первым способом (как буронабив-ных свай), на рис. 7 — результаты аналогичного ис-
пытания с включениями из сапонитсодержащих отходов. Как видно, включения высокодисперсных материалов способствовали увеличению наклона графиков к оси абсцисс.
Рис
a a Fig.
о о
сч сч
РЧРЧ It (V U 3
> (Л
с и
U 00 . г
« (U
I!
Ф О)
о %
6. График s = f(lgt) для образца торфа с включениями бентонита, изготовленными первым способом 6. s = f(lgt) curve for a peat specimen with bentonite inclusions. The specimen is made using the first method
<Л (Л
E о
DL° ^ с Ю О
S !
о ЕЕ
СП ^ т- ^
<л
(Л
£ w
Si
О (Я
Рис. 7. График s = f(lgt) для образца торфа с включениями сапонитсодержащих отходов, изготовленными первым способом
Fig. 7. s = f(lgt) curve for a peat specimen, having saponite waste inclusions formed using the first method
В эксперименте с бентонитом на первом этапе испытаний продолжительностью 34 сут получили сае = 0,031. Оказалось, что график е = после повторного приложения нагрузки можно аппроксимировать двумя прямыми линиями. На первом участке продолжительностью около 20 сут коэффициент вторичной консолидации оказался равным 0,051, т.е.
увеличился в 1,6 раза по сравнению с первичным нагружением, на втором — он возрос до 0,057. Полученный результат можно объяснить тем, что вначале на ход деформирования образца одновременно влияли дегидратация торфа и набухание глины, а затем набухание уже прекратилось. Стабилизация деформаций не наступила в течение последующих 55 сут.
с помощью высокодисперсной глины
Рис. 8. График s = filgt) для образца торфа с включениями бентонита, изготовленными вторым способом Fig. 8. s = Xlgi) curve for a peat specimen, having bentonite inclusions formed using the second method
10
20
50
t, cyr / days 100
0,3
0,4
e 0,5
$ О
1 О о В £ г л:1Лщ
ii 4 1 ■ 1 rtb-
Рис. 9. График s = f(lgf) для образца торфа с включениями сапонитсодержащих отходов, изготовленными вторым способом
Fig. 9. s = f(lgt) curve for a peat specimen, having saponite waste inclusions formed using the second method
У образца с включениями второй глины из хво-стохранилища сае увеличился с 0,024 до 0,041, т.е. в 1,7 раза, но через 21 день после повторного на-гружения стало наблюдаться замедление развития осадки.
Средние значения коэффициентов по результатам шести аналогичных опытов приведены в табл. 2.
На рис. 8, 9 представлены характерные графики е = Х^О, построенные по данным испытаний образцов торфа с включениями тех же высокодисперсных глин, изготовленными вторым способом (как набивных свай).
Включения бентонита оказали существенное влияние на ход деформирования образцов. В течение 22 сут после их устройства и повторного приложения нагрузки коэффициент сае составил 0,110, что в 3,1 раза больше исходного значения сае = 0,036. В по-
< п
tT
iH
G) (Л
с
0 м
t СО
1 z y i
J CD
U -
> i
n °
» 3
о »
oî
о n
следующие 28 сут наклон графика к оси абсцисс несколько увеличился, но после интенсивной осадки, когда относительные деформации возросли на 0,06, произошло существенное замедление темпа осадки — сае уменьшился до 0,020.
Иным оказалось влияние включений сапонитсодержащих отходов. Если на первом этапе испытаний было получено исходное значение сае = 0,033, то после повторного нагружения этот коэффициент увеличился лишь на 12 % и стал равен 0,037. Замедление развития осадки стало наблюдаться после 28 сут, когда коэффициент вторичной консолидации снизился до 0,015.
Средние значения коэффициентов вторичной консолидации торфа по данным 14 опытов приведены в табл. 2. Там же даны средние значения начальных значений плотности р0, влажности и коэф-
со со
м
СО
о
>6 In
• )
[8
® 8
Ю DO
■ T
s У
с о
<D X
(О (О
сч N
о о
сч сч
сч'сч"
It (V U 3 > (Л
с и
U 00 . г
« (U
!!
<U <D
о ё
(Л W
фициента пористости eo образцов. В первой строке таблицы, кроме двух контрольных опытов, учтены ранее опубликованные данные авторов [3, 9]. Первое из двух значений WТ получено для части образцов в непосредственной близости от включений, второе — на удалении от них.
Конечная влажность материала включений, как и следовало ожидать, оказалась несколько меньше влажности, достигнутой при свободном набухании: у бентонита WC = (0,71-0,77) WSW; у сапонитсодер-жащих отходов WC = (0,66-0,70) WSW. В контрольных опытах при отсутствии включений влажность торфа WТ при завершении опытов составила в среднем 5,70, включения высокодисперсных материалов обеспечили ее снижение до 4,05-4,82.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные эксперименты показали, что ускорение вторичной консолидации торфа может быть достигнуто путем внесения в него высокодисперсной глины, вызывающей интенсивную миграцию влаги из микропор. Движущей силой миграции служит разность потенциалов влаги в глине и торфе. В мономолекулярных пленках потенциал влаги, т.е. отрицательное давление, удерживающее связанную влагу на поверхности частиц, достигает 200 МПа. По мере роста влажности он снижается и, например, у монтмориллонита с влажностью 0,32-0,36 составляет около 1 МПа [31]. Приведенное значение более чем на порядок превышает давление, создаваемое на слой торфа насыпью при временной пригрузке или атмосферным давлением при его вакуумировании. Миграция прекращается при достижении равенства потенциалов влаги в торфе и высокодисперсной глине, результатом чего является замедление развития деформаций торфа или временная стабилизация осадки. Определенный вклад в рассматриваемый процесс вносит и набухание глинистого материала. Следует подчеркнуть, что степень дегидратации торфа определяется не только разностью потенциалов влаги в торфе и глине, но и количеством глины.
Эксперименты в одометрах показали, что при замене 10 % торфа в образце бентонитом коэффициент вторичной консолидации сае увеличился в 1,6-1,8 раза, сапонитсодержащими отходами из хвостохранили-ща — в 1,7 раза. Больший эффект дало формирование включений глины с вытеснением торфа по технологии устройства набивных свай. В опытах с бентонитом коэффициент сае увеличился в 3,1 раза и по завершении периода интенсивных деформаций, связанных с гидратацией глинистого материала, снизился в 1,8 раза относительно исходного значения. Устроенные по той же технологии включения из сапонитсодержащих отходов вызвали дегидратацию торфа, но коэффициент сае увеличился лишь на 12 %. Замедление развития осадки стало наблюдаться после 28 сут, когда коэффициент вторичной консолидации снизился до 0,015. По-видимому, препятствующим развитию осадки фактором послужило большее сопротивление включений вертикальной нагрузке.
На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
• воздействовать на ход вторичной консолидации торфа можно с помощью мероприятий, направленных на кратковременное ускорение осадки, к которым следует отнести предложенную и исследованную авторами дегидратацию торфа за счет внесения в него высокодисперсной глины;
• эксперименты в одометрах показали, что при замене 10 % торфа бентонитом коэффициент вторичной консолидации сае увеличился в 1,6-1,8 раза, са-понитсодержащими отходами обогащения алмазоносной руды — в 1,7 раза;
• внедрение в торф бентонита по технологии устройства набивных свай привело к увеличению коэффициента сае в 3,1 раза. По завершении периода интенсивных деформаций, связанных с гидратацией глинистого материала, указанный коэффициент снизился в 1,8 раза относительно исходного значения. Устроенные по той же технологии включения из са-понитсодержащих отходов вызвали увеличение саЕ лишь на 12 %, однако при завершении миграции по-ровой влаги сае снизился в 1,8 раза относительно исходного значения.
Е о
DL° • с LO О
si
о ЕЕ £ о
О) ^ т- ^
W W
г
Е!
О И
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Kazemian S., Moayedi H. Improvement of settlement problems of fibrous peat // Application of Nanotechnology in Pavements, Geological Disasters, and Foundation Settlement Control Technology. 2014. DOI: 10.1061/9780784478448.017
2. TyurinD.A., NevzorovA.L. Numerical simulation of long-term peat settlement under the sand embankment // Procedia Engineering. 2017. Vol. 175. Pp. 51-56. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.01.014
3. Ivakhnova G.Yu., Nevzorov A.L. The acceleration of the peat secondary consolidation due to the sorp-
tion of bound water with disperse clay // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 945. Issue 1. P. 012051. DOI: 10.1088/1757-899X/945/1/012051
4. Hayashi H., Nishimoto S., Yamanashi T. Applicability of settlement prediction method to peaty ground // Soils and Foundations. 2016. Vol. 56. Issue 1. Pp. 144-151. DOI: 10.1016/j.sandf.2016.01.012
5. Mesri G., Stark T.D., Ajlouni M.A., Chen C.S. Secondary compression of peat with or without surcharging // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering. 1997. Vol. 123. Issue 5. Pp. 411-421. DOI: 10.1061/(asce)1090-0241(1997)123:5(411)
6. Коновалов П.А., Гончаров В.Г., Платонов Ю.Н., Зехниев Ф.Ф. Результаты исследований процесса консолидации дренированных многослойных заторфованных оснований (совместный советско-финский эксперимент) // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1993. № 5. С. 18-23.
7. Коновалов П.А., Зехниев Ф.Ф., Безволев С.Г. Оценка эффективности предварительного уплотнения слабого водонасыщенного глинистого основания способом перегрузки // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002. № 2. С. 18-22.
8. Коновалов П.А., Зехниев Ф.Ф., Безволев С.Г. Расчет эффективности укрепления слабых оснований нагружением, дренированием и армированием // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2003. № 1. С. 2-8.
9. Ивахнова Г.Ю., Невзоров А.Л. Особенности интерпретации результатов компрессионных испытаний торфа // Строительство и архитектура. 2020. Т. 8. № 1 (26). С. 26-32. DOI: 10.29039/2308-01912020-8-1-26-32
10. Olson E.R. Secondary Consolidation, Unit 7 // Advanced Soil Mechanics. Department of Construction Engineering, Chaoyang University of Technology. 1989. Pp. 99-119.
11. Hayashi H., Nishimoto S., Hashimoto H., Kajitori S. Long-term settlement of peaty soft ground improved using the vacuum consolidation method // Japanese Geotechnical Journal. 2013. Vol. 8. Issue 3. Pp. 415-424. DOI: 10.3208/jgs.8.415
12. Huat B.B.K., Kazemian S., Prasad A., Barghchi M. A study of the compressibility behavior of peat stabilized by DMM: Lab Model and FE analysis // Scientific Research and Essays. 2011. Vol. 6. Issue 1. Pp. 196-204.
13. Hashim R., Islam M.S. Properties of stabilized peat by soil-cement column method // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2008. Vol. 13. Pp. 1-9.
14. Kalantari B., Huat B.B.K. Load-Bearing capacity improvement for peat soil // European Journal of Scientific Research. 2009. Vol. 32. Issue 2. Pp. 252-259.
15. Abdel-Salam A.E. Stabilization of peat soil using locally admixture // HBRC Journal. 2018. Vol. 14. Issue 3. Pp. 294-299. DOI: 10.1016/j.hbrcj.2016.11.004
16. Venuja S., Mathiluxsan S., Nasvi M.C. Geotechnical engineering properties of peat, stabilized with a combination of fly ash and well graded sand // Engineer: Journal of the Institution of Engineers, Sri Lanka. 2017. Vol. 50. Issue 2. P. 21. DOI: 10.4038/ engineer.v50i2.7249
17. Borthakur N., Sindh M.S. Stabilization of peat soil using locally available admixture// International Journal of Advances in Computer Science & Its Applications. 2014. Vol. 4. Issue 4. Pp. 227-231.
18. Kolay P.K., Pui M.P. Peat stabilization using gypsum and fly ash // Journal of Civil Engineering, Science and Technology. 2010. Vol. 1. Issue 2. Pp. 1-5. DOI: 10.33736/jcest.75.2010
19. Islam M.S., Hashim R. Bearing capacity of stabilized tropical peat by deep mixing method // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. 2009. Vol. 3. Issue 2. Pp. 682-688.
20. Fernando R.M.S., Kulathilaka S.A.S. Effect of preloading on secondary consolidation of peaty clay // NBRO Symposium. Innovations for Resilient Environment. 2015. Pp. 89-92.
21. Zain N.H.M. Effect of oxidation on the compression behaviour of organic soils: doctoral thesis. Delft University of Technology, 2019. DOI: 10.4233/ uuid:aa7fe90a-7bf5-4c91-aa3e-c6a594a7d59d
22. Fox P.J., Edil T.B. Effects of stress and temperature on secondary compression of Peat // Canadian Geotechnical Journal. 1996. Vol. 33. Issue 3. Pp. 405-415. DOI: 10.1139/t96-062
23. HueyS.Y.J. Consolidation of peat and organic soil using electro-osmosis treatment: PhD Thesis. Curtin University, 2016. 278 p.
24. Martin L. Effects of electro-osmotic consolidation of clays and its improvement using ion exchange membranes: PhD Thesis. New Jersey Institute of Technology, 2019. 144 p.
25. Moayedi H., Kassim K.A., Kazemian S., Raf-tariM., MokhberiM. Improvement of peat using Portland cement and electrokinetic injection technique // Arabian Journal for Science and Engineering. 2014. Vol. 39. Issue 10. DOI: 10.1007/s13369-014-1245-x
26. Cappa R., Yniesta S., Brandenberg S.J., Lemnitzer A. Settlements and excess pore pressure generation in peaty soils under embankments during cyclic loading // 6th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering. 2015.
27. Pichan S.P., O'KellyB.C. Effect of decomposition on the compressibility of fibrous peat // GeoCon-gress 2012. 2012. DOI: 10.1061/9780784412121.445
28. Peng B., Feng R., Wu L., Shen Y. Controlling conditions of the one-dimensional consolidation test on peat soil // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Issue 23. P. 11125. DOI: 10.3390/app112311125
29. Hanson J.L., Edil T.B., Fox P.J. Stress-temperature effects on peat compression // Soft Ground Technology. 2001. DOI: 10.1061/40552(301)26
30. Карпенко Ф.С. Условия накопления сапо-нитсодержащих осадков и технология их сгущения в хвостохранилище месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова : автореф. дис. ... канд. геолого-минер. наук. М., 2009. 36 с.
31. Сергеев E^. Теоретические основы инженерной геологии: физико-химические основы. М. : Недра, 1985. 288 с.
< п
tT
iH О Г
0 w
t CO
1 z y i
J CD
U -
> i
n °
» 3
0 CJl
01
о n
CO CO
n NJ >6
• )
[5
® 8
Ю DO
■ T
s У
с о
<D X
о о
10 10
u w
Поступила в редакцию 22 ноября 2022 г. Принята в доработанном виде 18 января 2023 г. Одобрена для публикации 6 февраля 2023 г.
Об авторах : Александр Леонидович Невзоров — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов; Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (САФУ); 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17; РИНЦ ID: 393637, Scopus: 7004203097, ResearcherID: J-2809-2012, ORCID: 0000-0002-6547-2741; a.l.nevzorov@yandex.ru;
Галина Юрьевна Ивахнова — аспирант кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов; Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (САФУ); 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17; РИНЦ ID: 1044892; Scopus: 57219992412, g.ivakhnova@gmail.com.
Вклад авторов:
Невзоров А.Л. — обзор литературы, концепция исследования, подготовка текста статьи. Ивахнова Г.Ю. — проведение экспериментов, обработка данных, оформление рисунков. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Kazemian S., Moayedi H. Improvement of
settlement problems of fibrous peat. Application of
Nanotechnology in Pavements, Geological Dis-asters,
and Foundation Settlement Control Technology. 2014.
« « DOI: 10.1061/9780784478448.017
JJ 2. Tyurin D.A., Nevzorov A.L. Numerical simu-
pf „¡- lation of long-term peat settlement under the sand em-
Si a) bankment. Procedia Engineering. 2017; 175:51-56.
| | DOI: 10.1016/j.proeng.2017.01.014
1 ~ 3. Ivakhnova G.Yu., Nevzorov A.L. The accelera-tQ oo
. *- tion of the peat secondary consolidation due to the sorp-
t™ g tion of bound water with disperse clay. IOP Conference
| 3 Series: Materials Science and Engineering. 2020;
I- I 945(1):012051. DOI: 10.1088/1757-899X/945/1/012051
-jje ^ 4. Hayashi H., Nishimoto S., Yamanashi T. Ap-
= .2 plicability of settlement prediction method to peaty
c o
O^ ground. Soils and Foundations. 2016; 56(1):144-151.
g "o DOI: 10.1016/j.sandf.2016.01.012
«?< 5. Mesri G., Stark T.D., Ajlouni M.A., Chen C.S.
0 § Secondary compression of peat with or without surchar-^ § ging. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental w 1 Engineering. 1997; 123(5):411-421. DOI: 10.1061/
(asce)1090-0241(1997)123:5(411)
1 ,9 6. Konovalov P.A., Goncharov V.G., Plato— g nov Iu.N., Zekhniev F.F. Results of investigations of g ro the consolidation of drained multilayer peaty foundation ° beds. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 1993; g ° 5:18-23. (rus.).
7. Konovalov P.A., Zekhniev F.F., Bezvolev S.G.
$ o Evaluation of the effectiveness of pre-compaction of
• It a weak water-saturated clayey bed by the overload
O 5 method. Soil Mechanics and Foundation Engineering.
g O 2002; 2:18-22. (rus.).
a ® 8. Konovalov P.A., Zekhniev F.F., Bezvolev S.G.
s i
x c Analysis of the effectiveness of weak-bed stabilization
o in by loading, drainage, and reinforcement. Soil Mechanics
W ¡5 and Foundation Engineering. 2003; 1:2-8. (rus.).
9. Ivakhnova G.Yu., Nevzorov A.L. Specificities of the interpretation of the oedometer tests data for a peat.
Construction and Architecture. 2020; 8(1):(26):26-32. DOI: 10.29039/2308-0191-2020-8-1-26-32 (rus.).
10. Olson E.R. Secondary Consolidation, Unit 7.
Advanced Soil Mechanics. Department of Construction Engineering, Chaoyang University of Technology. 1989; 99-119.
11. Hayashi H., Nishimoto S., Hashimoto H., Kajitori S. Long-term settlement of peaty soft ground improved using the vacuum consolidation method. Japanese Geotechnical Journal. 2013; 8(3):415-424. DOI: 10.3208/jgs.8.415
12. Huat B.B.K., Kazemian S., Prasad A., Barghchi M. A study of the compressibility behavior of peat stabilized by DMM: Lab Model and FE analysis. Scientific Research and Essays. 2011; 6(1):196-204.
13. Hashim R., Islam M.S. Properties of stabilized peat by soil-cement column method. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2008; 13:1-9.
14. Kalantari B., Huat B.B.K. Load-Bearing capacity improvement for peat soil. European Journal of Scientific Research. 2009; 32(2):252-259.
15. Abdel-Salam A.E. Stabilization of peat soil using locally admixture. HBRC Journal. 2018; 14(3): 294-299. DOI: 10.1016/j.hbrcj.2016.11.004
16. Venuja S., Mathiluxsan S., Nasvi M.C. Geotechnical engineering properties of peat, stabilized with a combination of fly ash and well graded sand. Engineer: Journal of the Institution of Engineers, Sri Lanka. 2017; 50(2):21. DOI: 10.4038/engineer.v50i2.7249
17. Borthakur N., Sindh M.S. Stabilization of peat soil using locally available admixture. International Journal of Advances in Computer Science & Its Applications. 2014. Vol. 4. Issue 4. Pp. 227-231.
18. Kolay P.K., Pui M.P. Peat stabilization using gypsum and fly ash. Journal of Civil Engineering, Sci-
ence and Technology. 2010; 1(2):1-5. DOI: 10.33736/ jcest.75.2010
19. Islam M.S., Hashim R. Bearing capacity of stabilized tropical peat by deep mixing method. Australian Journal of Basic and Applied Sciences. 2009; 3(2):682-688.
20. Fernando R.M.S., Kulathilaka S.A.S. Effect of preloading on secondary consolidation of peaty clay. NBRO Symposium. Innovations for Resilient Environment. 2015; 89-92.
21. Zain N.H.M. Effect of oxidation on the compression behaviour of organic soils: doctoral thesis. Delft University of Technology, 2019. DOI: 10.4233/ uuid:aa7fe90a-7bf5-4c91-aa3e-c6a594a7d59d
22. Fox P.J., Edil T.B. Effects of stress and temperature on secondary compression of Peat. Canadian Geo-technical Journal. 1996; 33(3):405-415. DOI: 10.1139/ t96-062
23. Huey S.Y.J. Consolidation of peat and organic soil using electro-osmosis treatment: PhD Thesis. Curtin University, 2016; 278.
24. Martin L. Effects of electro-osmotic consolidation of clays and its improvement using ion exchange membranes: PhD Thesis. New Jersey Institute of Technology, 2019; 144.
25. Moayedi H., Kassim K.A., Kazemian S., Raf-tari M., Mokhberi M. Improvement of peat using Portland
Received November 22, 2022.
Adopted in revised form on January 18, 2023.
Approved for publication on February 6, 2023.
B I o n o t e s : Alexander L. Nevzorov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Engineering Geology, Bases and Foundations; Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (NArFU); 17 Severnaya Dvina emb., Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; ID RISC: 393637, Scopus: 7004203097, ResearcherID: J-2809-2012, ORCID: 0000-0002-6547-2741; a.l.nevzorov@yandex.ru;
Galina Yu. Ivakhnova — postgraduate of the Department of Engineering Geology, Bases and Foundations; Northern (Arctic) Federal University named after M.V Lomonosov (NArFU); 17 Severnaya Dvina emb., Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; ID RISC: 1044892; Scopus: 57219992412; g.ivakhnova@gmail.com.
Authors' contribution:
Alexander L. Nevzorov — literature review, research concept, preparation the text of the article. Galina Yu. Ivakhnova — experiments, data gathering and processing, design of graphs andfigures. The authors declare no conflict of interest.
cement and electrokinetic injection technique. Arabian Journal for Science and Engineering. 2014; 39(10). DOI: 10.1007/s13369-014-1245-x
26. Cappa R., Yniesta S., Brandenberg S.J., Lemnitzer A. Settlements and excess pore pressure generation in peaty soils under embankments during cyclic loading. 6th International Conference on Earthquake Geotechni-cal Engineering. 2015.
27. Pichan S.P., O'Kelly B.C. Effect of decomposition on the compressibility of fibrous peat. GeoCongress 2012. 2012. DOI: 10.1061/9780784412121.445
28. Peng B., Feng R., Wu L., Shen Y. Controlling conditions of the one-dimensional consolidation test on peat soil. Applied Sciences. 2021; 11(23):11125. DOI: 10.3390/app112311125
29. Hanson J.L., Edil T.B., Fox P.J. Stress-temperature effects on peat compression. Soft Ground Technology. 2001. DOI: 10.1061/40552(301)26
30. Karpenko F.S. Accumulation conditions of sap-onite-containing waste and technology of their condensation in the tailings dam of M.V. Lomonosov diamonds deposit: author's abstract of PhD thesis. Moscow, 2009; 39. (rus.).
31. Sergeev E.M. Theoretical foundations of engineering geology: physico-chemical bases. Moscow, 1985; 288. (rus.).
< П
tT
iH О Г
со со
y
J CD
U -> i
n °
»8
о »
О? о n
CO CO
n NJ >6
• )
[8
® 8
Ю DO
■ T
(Л У
с о
<D X
