ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 6, с. 552-559
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.131
ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МИКРОСТРОЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА НА ИХ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПРИ КОМПРЕССИОННЫХ И ШТАМПОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ
©2013 г. Л. Г. Булыгина*, В. Н. Соколов*, А. Г. Кошелев**
* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, Ленинские горы, Москва, 119234 Россия. E-mail:sokolov@geol.msu.ru ** ГУП "МОСГОРГЕОТРЕСТ", Ленинский пр., д. 11, Москва, 125040 Россия.
Поступила в редакцию 30.03.2013 г.
В статье рассмотрено влияние микростроения глинистых грунтов на их деформационные свойства. Исследования проводились на глинистых грунтах различного возраста и генезиса, слагающих верхнюю часть геологического разреза на территории г. Москвы. Деформационные характеристики определялись с помощью штамповых и компрессионных испытаний. Отбор образцов до и после штамповых и компрессионных испытаний позволил изучить микростроение исходного глинистого грунта, проследить характер его изменения после деформационных воздействий, а также выявить основные факторы, определяющие особенности такой перестройки микростроения.
ВВЕДЕНИЕ
Для определения деформационных характеристик глинистых грунтов используются различные полевые и лабораторные методы. Среди них наиболее достоверный полевой метод - штамповые испытания, которые позволяют изучать сжимаемость значительного объема грунта в условиях естественного залегания в направлении действия нагрузки от реального сооружения. В лабораторных условиях определение деформационных свойств проводят преимущественно в компрессионных приборах. Однако известно, что напряженное состояние грунта в массиве и в компрессионном приборе различны, поэтому и характер деформирования грунта в массиве будет существенно отличаться от такового в компрессионном приборе.
Сжимаемость глинистых грунтов варьирует в широких пределах, так как зависит от большого числа факторов, наиболее важные из которых -минеральный и гранулометрический составы, плотность, влажность, тип контактов между частицами и прочность структурных связей, характер порового пространства, ориентация структурных элементов и др. Как правило, изучение параметров, влияющих на сжимаемость глинистых грунтов, проводят в лабораторных условиях в ходе компрессионных испытаний. При этом вопрос исследования закономерностей деформи-
рования грунтов в естественном залегании остается малоизученным. Попытка охарактеризовать и систематизировать кривые штамповых испытаний в зависимости от состава, структуры, свойств грунтов и условий проведения опыта продемонстрирована в статье А.Г. Кошелева и Р.С. Зианги-рова [4]. Авторами выявлено шесть характерных типов графиков зависимости осадки штампа от приложенной нагрузки при статическом нагруже-нии штампа.
Цель данной работы - изучение влияния микростроения глинистых грунтов на их деформирование при штамповых и компрессионных испытаниях. Исследования проводились на глинистых грунтах, слагающих верхнюю часть геологического разреза на территории г. Москвы и являющихся постоянным объектом инженерно-строительной деятельности.
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для всех грунтов были проведены испытания статическими нагрузками по методике, разработанной в ГУП "МОСГОРГЕОТРЕСТ" в соответствии с требованиями ГОСТ 2027699 винтовым штампом в скважине [2]. Опыты проводились по схеме с двумя циклами нагрузки-разгрузки. Перед каждым опытом составлялась индивидуальная программа испытаний,
1■ <
1 § л V ~20 см.
. Ч" .Л
■Л тага
20; Г /
60 ем .
Рис. 1. Схема проведения штампового испытания и отбора образцов: 1 - грунтовый массив; 2 - грунтовый массив, нарушенный в результате завинчивания лопасти штампа; 3 - лопасть винтового штампа площадью 300 см2; 4 - распределение напряжений в грунте под штампом (изобары); 5 - место отбора образца нарушенного сложения; 6 - место отбора образца ненарушенного сложения.
т.е. устанавливались последовательность и величины ступеней нагрузки-разгрузки штампа, продолжительность действия ступеней давления в зависимости от вида грунта.
Образцы для лабораторного изучения отбирались после штампового испытания с разных глубин. Один образец отбирался непосредственно из-под штампа, второй - из зоны, где влияние штампового испытания практически отсутствовало (рис. 1). После этого в лаборатории проводились компрессионные испытания (по ГОСТ 12248-96) образцов, отобранных вне зоны деформационного воздействия штампа [1, 3]. Диапазон давлений для расчета модуля деформации Ек был обусловлен данными штамповых испытаний, что позволило провести в дальнейшем сравнительный анализ результатов лабораторных и полевых методов.
Для всех образцов выполнялся стандартный набор определений состава и свойств. Кроме того, для определения характера структурных связей между частицами грунта проводились испытания на одноосное сжатие [3].
Исследования проводились на трех типах грунтов различного возраста и генезиса, широко распространенных на территории г. Москвы:
• позднеюрские морские отложения оксфордского яруса ^3ох),
• раннеплейстоценовые ледниковые отложения донского горизонта ^И),
• позднеплейстоценовые озерно-болотные отложения микулинского горизонта (1,ЫПш1к).
В коллекции присутствовали образцы различного гранулометрического состава (от тяжелой глины до легкого суглинка), консистенция которых изменялась от мягкопластичной до полутвердой. Изучаемые грунты отличались большим разбросом показателей влажности, пористости, плотности и многих других. Такой набор образцов позволил проанализировать влияние состава и ряда свойств на сжимаемость глинистых грунтов. Кроме того, изучались исходное (ненарушенное) микростроение грунтов и его изменение после штамповых и компрессионных испытаний. Исследование микростроения глинистых грунтов проводилось с помощью автоматизированного программно-аппаратного комплекса: растровый электронный микроскоп (РЭМ) - персональный компьютер. Количественный анализ микроструктуры проводился по РЭМ-изображениям с помощью программного обеспечения (ПО) "8Т1МА№' [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Штамповые и компрессионные испытания
Среди грунтов четвертичного генезиса по результатам штамповых и компрессионных испытаний наибольшей сопротивляемостью сжатию обладают ледниковые отложения донской морены (среднее значение модулей деформации Еш и Ек для них достигает соответственно 27 МПа при штамповых и 5.8 МПа при компрессионных испытаниях) (таблица). Наибольшая сжимаемость под нагрузкой характерна для озерно-болотных отложений микулинского горизонта (Еш = 17 МПа, Ек = 2.7 МПа).
Юрские глины оксфордского яруса отличаются большей степенью литификации, поэтому по-другому ведут себя под нагрузкой. При штамповых испытаниях эти глины показали высокие средние значения модулей деформации (Еш = 21 МПа), однако в условиях компрессионного сжатия средние показатели деформационных свойств получились довольно низкими (Ек = 4.2 МПа).
Деформационные кривые штамповых испытаний Б = /(Р) (где Б - осадка штампа, Р - соответствующая ей нагрузка) для групп грунтов разного генезиса имеют различный вид. Для оксфордских глин характерен график с ярко выраженной струк-
Результаты штамповых и компрессионных испытаний глинистых грунтов
Штамповые испытания Компрессионные испытания
Геол. кол-во диапазон модуль кол-во диапазон модуль
индекс испыта нагрузок деформации испыта- нагрузок деформации
ний АР, МПа Еш,,МПа* ний АР, МПа Ек,,МПа*
,Г3ох 3 0.4-0.5 15-27 3 0.4-0.5 3.7-4.7
21 4.2
gId 5 0.2-0.3 15-41 5 0.2-0.3 4.2-7.4
27 5.8
1,ЫПш1к 2 0.2-0.3 15-18 3 0.2-0.3 2.6-2.9
17 2.7
* В числителе указаны минимальное и максимальное значение, в знаменателе - среднее значение
турной прочностью Р8(г и линейным деформированием до нагрузки 0.8 МПа и более (рис. 2а). Такой график присущ переуплотненным глинам с прочными структурными связями смешанного типа [4], обусловленными, по-видимому, присутствием ближних коагуляционых и некоторого количества переходных и фазовых контактов между минеральными частицами и их микроагрегатами.
Поведение четвертичных отложений под нагрузкой более разнообразно. Деформационные кривые моренных суглинков на начальном этапе также имеют прямолинейный вид, но в отличие от юрских глин только до нагрузки 0.30.4 МПа (рис. 26), соответствующей пределу пропорциональности, после чего наклон кривых незначительно увеличивается за счет развития пластических деформаций. При испытаниях озерно-болотных глинистых грунтов на деформационных кривых (рис. 2в) осадки плавно возрастают с ростом давления, особенно при превышении предельной несущей способности грунта
Ри ~ 0.4 МПа. Деформационные кривые для них имеют вид, характерный для грунтов с преобладанием ближних коагуляционных контактов между частицами [4].
Характер развития деформаций всех исследуемых грунтов в компрессионном приборе практически одинаков: осадки плавно затухают с ростом давления (рис. 3). При этом стоит заметить, что существует некоторая закономерность: чем выше сжимаемость грунта, тем медленнее в нем затухают осадки, и деформационная кривая е = ДР) (где е - коэффициент пористости, Р - нагрузка) имеет больший угол наклона.
Микроструктурные исследования
Сопоставление результатов микроструктурных исследований глинистых грунтов ненарушенного сложения различного возраста и генезиса позволило отметить в них как общие черты, так и некоторые различия.
а б в
Рис. 2. Деформационные кривые штамповых испытаний (сплошной линией показаны ветви нагрузки, пунктирной - ветви разгрузки): а - позднеюрские морские отложения оксфордского яруса J3ox; б - раннеплейстоценовые ледниковые отложения донского горизонта gId; в - позднеплейстоценовые озерно-болотные отложения микулинского горизонта 1,ЬШш1к.
ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ микростроения глинистых грунтов
555
е, дол. ед. 1.20
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Р, МПа
е, дол. ед. 0.50
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Р, МПа
е, дол. ед. 0.85
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Р, МПа
Рис. 3. Компрессионные кривые (сплошной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.