Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Деформационные и акустические свойства глинистых грунтов по результатам лабораторных инженерно-геологических и ультразвуковых исследований

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Деформационные и акустические свойства глинистых грунтов по результатам лабораторных инженерно-геологических и ультразвуковых исследований"

Па правах рукописи

ПИОРО ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЛАБОРАТОРНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 25.00.08 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

11 СЕН 2014

Москва —2014

005552319

Работа выполнена на кафедрах инженерной и экологической геологии, сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Владев Михаил Львович;

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Николаева Светлана Казимировна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, заведующий сектором, Институт Физики Земли РАН им. О. Ю. Шмидта Алешин Алексапдр Степанович,

кандидат геолого-минералогических наук, начальник отдела полевых методов исследований, ГУЛ «Мосгоргеотрест» Кошелев Алексей Геннадьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

Защита состоится 17 октября 2014 г. в 14.30 часов в аудитории 415 на заседании диссертационного совета Д 501.002.06 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119234, Москва, Ленинские горы, МГУ, корпус «А», геологический факультет.

Автореферат размещен на интернет-сайтах Геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова www.geo.web.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru. С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отдела диссертаций Фундаментальной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27, сектор «А», 8 этаж, к. 812).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу 119234, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета профессору В.Н.Соколову

Автореферат разослал 1 сентября 2014 г. Ученый секретарь диссертационного совета

д.г.-м.н., профессор

Введение

Актуальность темы исследований. Деформационные характеристики - одни из наиболее важных показателей свойств грунтов, используемых при проектировании и строительстве зданий и инженерных сооружений. Традиционные виды испытаний длительны и трудоемки, поэтому надежное и быстрое определение показателей деформационных свойств глинистых грунтов является актуальным направлением исследований. Перспективной представляется возможность применения косвенных методов - геофизических сейсмоакустических исследований. Их преимущества заключаются в простоте эксперимента и малых временных затратах. Поэтому проведение исследований деформационных свойств глинистых грунтов инженерно-геологическими и геофизическими методами и совместный анализ результатов является актуальным направлением науки и практики.

Степень разработанности. Поиском корреляционных взаимосвязей между показателями деформационных свойств глинистых грунтов по результатам инженерно-геологических и сейсмических исследований посвящены работы И.Г.Минделя, В.Н.Никитина, НН.Горяйнова, Ф.МЛяховицкого и др. Литературные данные по выбранной тематике немногочисленны и относятся преимущественно к 7080-м годам прошлого века, с тех пор аппаратура и методика исследований были значительно усовершенствованы.

Цель работы - установление корреляционных взаимосвязей между показателями деформационных свойств глинистых грунтов, полученных при статическом нагружении и ультразвуковом просвечивании, как обоснование способа оценки этих свойств по результатам измерения скоростей упругих волн.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи: 1) обобщить опубликованные материалы по деформационным свойствам глинистых грунтов и применяемым лабораторным методам их изучения; 2) разработать методики проведения экспериментальных исследований и способ подготовки образцов модельных глинистых грунтов; 3) изучить скоростные характеристики модельных и природных глинистых грунтов с помощью ультразвукового метода для анализа влияющих факторов; 4) исследовать деформационные свойства модельных и природных глинистых грунтов с помощью лабораторных инженерно-геологических и ультразвукового методов; 5) выявить

корреляционные взаимосвязи между показателями деформационных свойств, полученными инженерно-геологическими и ультразвуковым методами.

Научная новизна

1. На современном уровне получены новые данные и выявлены новые закономерности формирования мало изученных акустических свойств глинистых грунтов.

2. Получены ультразвуковые характеристики различных по дисперсности глинистых грунтов в широком интервале влажности и выявлены закономерности их изменения в соответствии с пороговыми значениями влажностных показателей.

3. Установлена взаимосвязь соотношения скоростей продольных волн и показателя текучести глинистых грунтов.

4. При исследовании деформационных свойств глинистых грунтов применен новый подход, заключающийся в сочетании инженерно-геологических и ультразвукового методов. Комплексный анализ данных, полученных на модельных и природных образцах, позволил выявить корреляционные взаимосвязи для упрощенной оценки деформационных показателей глинистых грунтов.

Практическая значимость. Результаты ультразвуковых измерений, полученные на современном уровне, могут использоваться в качестве справочного материала по акустическим свойствам глинистых грунтов, в частности, моренных суглинков. Записи волновых картин измерений на образцах являются ценным материалом для дальнейшего изучения, например, характеристик поглощения глинистых грунтов.

Полученные данные по отношению скоростей поперечных волн к продольным могут использоваться при интерпретации геофизических данных для оценки консистенции глинистых грунтов, в том числе, в полевых условиях. Результаты изучения взаимосвязей скоростных характеристик с показателями состава, строения и свойств глинистых грунтов могут применяться для разработки экспресс-методик их оценки ультразвуковым методом на образцах или керне при опробовании буровых скважин. Кроме того, результаты полевых ультразвуковых измерений могут использоваться для контроля сохранности сложения и состояния образцов при транспортировке. Полученные корреляционные уравнения могут быть использованы для задания значений показателей деформационных свойств моренных суглинков при

инженерно-геологических расчетах и моделировании.

4

Вклад автора. Работа является результатом исследований, проведенных автором в период обучения в очной аспирантуре на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова с 2009 по 2012 гг. Автором были приготовлены и испытаны более 120 образцов модельных глинистых грунтов, отобраны и исследованы более 40 образцов природных глинистых грунтов, для каждого из которых определены все необходимые показатели состава, строения, состояния, физических и физико-механических свойств (более 20 показателей). Выполнены 160 ультразвуковых измерений; по 39 образцам проведены компрессионные испытания и по 360 - одноосного сжатия; проведена статистическая обработка полученных данных.

Объектами исследования стали модельные глинистые грунты, приготовленные из моренного суглинка ^С^ш) нарушенной структуры, с песчаными добавками и без них. Выбор модельных глинистых грунтов был обоснован необходимостью получить образцы с фиксированными исходными состоянием и свойствами. Также исследовались образцы природных глинистых грунтов - суглинки и супеси донской морены ^(}1с1пз) и юрские суглинки и глины (73ох), отобранные на территории Москвы и Московской области.

Методы исследований. Исследования проводились с помощью лабораторных методов, широко используемых в грунтоведении для характеристики грунтов, а также в ходе компрессионных испытаний и одноосного сжатия на приборах производства ООО «НЛП «Геотек»», сейсмоакустических ультразвуковых исследований грунтов с помощью дефектоскопа УД2Н-П. Для обработки результатов исследования использовались методы статистического анализа. Комплексное сочетание методов и значительный объем фактических данных позволили получить надежные и достоверные научные результаты.

Защищаемые положения

1. При близких значениях плотности, пористости и влажности грунтов скорости продольных волн в глинистых грунтах увеличиваются с ростом их дисперсности. В линейных взаимосвязях Ур(р) наблюдается увеличение угла наклона прямых с ростом дисперсности грунтов, что обусловлено ростом количества контактов в единице объема грунта и увеличением их прочности по мере сближения высокодисперсных частиц.

2. Установлен интервал влажности глинистых грунтов с наименьшими скоростями продольных волн, лежащий в диапазоне от максимальной гигроскопической влажности до максимальной молекулярной влагоемкости и обусловленный наличием связанной и капиллярно-разобщенной влаги. Скорости поперечных волн и отношение скоростей поперечных волн к продольным убывают с ростом влажности и степени влажности.

3. Получены уравнения взаимосвязей динамического модуля упругости и статических модулей деформации для модельных и природных четвертичных глинистых грунтов, позволяющие для условий механического нагружения оценивать деформационные свойства глинистых грунтов по данным лабораторных ультразвуковых исследований.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в журналах из списка ВАК России: «Вестник Московского Университета. Серия 4. Геология» (2011, № 6, С. 71-74), «Геофизика» (2014, №1, С. 57-62), докладывались и обсуждались на XVII, XVIII, XIX международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов» (МГУ, 2010, 2011, 2012), XLIX международной научной студенческой конференции «Студент и "научно-технологический прогресс» (Новосибирск, 2011), научно-практических конференциях молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, ПНИИИС, 2010, 2011, 2012, 2014), сборнике трудов XXIII молодежной конференции памяти члена-корр. АН СССР К.О.Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (Петрозаводск, 2012), Пятнадцатых Сергеевских чтениях, молодежной конференции «Устойчивое развитие: задачи геоэкологии (инженерно-геологические, гидрогеологические и геокриологические аспекты)» (Москва, 2013, с. 75-79).

Автор работы выражает благодарность профессору В.Н.Соколову, профессору Э.В.Калинину, профессору В.А.Королеву, доценту Р.П.Кочетковой, ассистенту А.Н.Ошкину, сотрудникам лабораторий механики грунтов и грунтоведения МГУ, М.В. Коптевой-Дворниковой и научным руководителям: зав. кафедры сейсмометрии и геоакустики доктору физ.-мат. наук, профессору M.JI. Владову и канд. геол.-мин. наук, доценту кафедры инженерной и экологической геологии С.К. Николаевой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Современные представления о деформационных свойствах глинистых грунтов и лабораторных методах их изучения

Даются общие представлениям о деформациях, их видах и связях с напряжениями; обсуждаются особенности деформируемости грунтов. Отмечается разный подход к характеристике деформационных свойств грунтов (К.Терцаги, М.Н.Гольдштейн, Б.И.Дидух, Н.А.Цытович, Б.И.Далматов и др.). При изучении процесса деформирования грунтов одним из основных допущений при расчете показателей деформационных свойств является применение теории линейного деформирования.

Рассмотрены деформационные свойства глинистых грунтов и факторы их обусловливающие. Большой вклад в развитие теории деформирования глинистых грунтов внесли С.С.Вялов, Н.М.Герсеванов, М.Н.Гольдштейн, И.М.Горькова, Р.Э.Дашко, Р.С.Зиангиров, В.А.Королев, Л.И.Кульчицкий, Н.Н.Маслов, С.Р.Месчан, Н.В.Орнатский, В.ИОсипов, И.В.Попов, Н.П.Пузыревский, Н.А.Цытович и многие другие.

Детально изучено влияние внешних (статическое давление, положительные температуры, скорость нагружения и условия дренирования) и внутренних (химико-минеральный состав, структурно-текстурные особенности, состав и концентрация электролита порового раствора, консистенция, степень водонасыщения, начальные плотность и влажность, жизнедеятельность микроорганизмов) факторов на деформационные свойства глинистых грунтов. При этом вариации значений модулей деформации и коэффициента поперечного расширения под влиянием действующих факторов почти не изучены.

Применяемые лабораторные инженерно-геологические методы исследования деформационных свойств глинистых грунтов имеют отработанные методики, регламентированные нормативными документами. Однако для каждого метода существует ряд допущений, условий применимости и недостатков. Поэтому даже для одного грунта значения получаемых деформационных характеристик могут отличаться. Корреляционные взаимосвязи деформационных показателей глинистых грунтов, полученных различными инженерно-геологическими методами (лабораторными и полевыми) немногочисленны. Кроме того, нет надежной

общепринятой для глинистых грунтов методики экспериментального определения коэффициента поперечного расширения.

Дается обзор различных сейсмических методов исследований деформационных свойств глинистых грунтов. Для лабораторных исследований целесообразно использование ультразвукового метода. По результатам анализа литературных данных влияние действующих факторов на сейсмические (акустические) свойства дисперсных грунтов изучено недостаточно. Полученные эмпирические зависимости различны для грунтов разного типа.

Глава 2. Объекты и методики исследования

При выборе объектов исследования автор руководствовался следующими принципами: 1) все образцы должны быть глинистыми; 2) возраст и степень литификации грунтов должны отличаться, что обеспечит их различную сжимаемость; 3) по крайней мере, часть образцов должна обладать несущественной усадкой; 4) для минимизации неточностей (обусловленных влиянием состава и строения) при изучении факторов, влияющих на скорости распространения упругих волн, необходимо проведение исследований на искусственных образцах с контролируемыми свойствами.

Исходя из вышеизложенного, экспериментальные исследования проводились с использованием модельных (искусственных) грунтов и грунтов природного сложения (четвертичные моренные суглинки и юрские суглинки и глины, широко распространенные на территории города Москвы).

Модельные образцы готовились из перемолотого (для обеспечения однородности) моренного суглинка нарушенной структуры с добавлением среднепесчаной фракции в соотношениях 0, 10, 25 и 35% по массе. Модельные грунты (М1-М4), соответствовали суглинкам тяжелым пылеватым (образец М1), легким песчанистым (образец М2) и супесям песчанистым (образцы МЗ и М4) по ГОСТ 25100-2011. Глинистые пасты закладывались в разъемные формы и уплотнялись под действием статической нагрузки от 0,02 до 0,12 МПа в течение одних суток для получения модельных образцов, различающихся по плотности скелета и влажности. Плотность модельных глинистых грунтов менялась от 1,54 до 2,32 г/см3, влажность - от 4 до 15%.

Природные и модельные образцы изучались с использованием современных

методов грунтоведения. Минеральный состав грунтов определялся методом

8

рентгеновской дифрактометрии с помощью дифрактометра Ultima-IV фирмы Rigaku (Япония). Изучение неоднородности строения образцов и оценка пористости проводилась с помощью метода рентгеновской компьютерной томографии и комплекса для анализа пространственной структуры образцов Yamato TDM lOOOH-II. Микростроение изучалось с применением высокоразрешающей растровой электронной микроскопии (РЭМ) с помощью микроскопа LEO 145 О VP и программного комплекса по анализу изображений «STIMAN».

Для оценки деформационных свойств в лабораторных условиях проводились автоматизированные компрессионные испытания и одноосное сжатие на приборах производства ООО «НЛП «Геотек»» и ультразвуковые исследования.

Модули общей деформации по результатам компрессионных испытаний рассчитывались по стандартной методике (ГОСТ 12248-2010) на ступенях нагружения 0,1-0,3 МПа и 0,3-0,5 МПа. Поскольку исследуемые грунты очень разнообразны по своей сжимаемости на разных ступенях, их сравнение между собой было затруднительно, поэтому расчет модулей общей деформации проводился также по участку нагружения от природного давления Рпр до давления предела пропорциональности Рпп (по аналогии со штамповыми испытаниями, согласно стандарту МОСГОРГЕОТРЕСТ (2009) и работе Р.С.Зиангирова и А.Г. Кошелева (2010). Для образцов моренных суглинков диапазон нагрузок Рпр-РПп составил 0,15 -0,35 МПа, а для юрских глинистых грунтов 0,3-0,5 МПа. Кроме того, были получены значения модулей общей деформации на участке от бытового давления Р6ьп- до значения 1,5Р6Ьт поскольку именно последнему значению давления соответствуют типовые нагрузки от сооружения. Таким образом по результатам компрессионных испытаний модули компрессионной Е, и общей деформации Е„ рассчитывались для следующих интервалов нагружения: 1) 0,1-0,3 МПа; 2) 0,3-0,5 МПа; 3) Рпр-Рпп; 4) Рбьп-1,5Р6иг.

По результатам испытаний на одноосное сжатие производился расчет

начального модуля сжатия Ен и модуля относительной деформации Еоти Расчет Е„

проводился по начальному линейному участку графика о(е)Ен=Д(т/Д£ (Гольдштейн,

1952). Диапазон нагрузок менялся от 0 до 0,1 МПа. Согласно Н.М.Герсеванову и

М.Н.Гольдштейну (1952), для расчета модуля относительной деформации глинистых

грунтов Е,™ принимается спрямленный участок кривой а(е) от нуля до значения

o=R,/3. Коэффициент поперечного расширения (^определялся по линейному участку

9

графика соотношения поперечных и продольных относительных деформаций в пределах значений вертикальной (продольной) деформации 0,5-1%.

По результатам ультразвуковых исследований получены значения скоростей продольных (Vp), поперечных волн (V,) и отношение скоростей (V/Vp), а также рассчитаны динамический модуль упругости (Ед) и коэффициент Пуассонна (ц) в соответствии с общеизвестными формулами.

Для анализа и обработки полученных результатов применялись методы математической статистики.

Глава 3. Закономерности распространения упругих волн в образцах глинистых грунтов

По результатам ультразвуковых измерений установлены диапазоны изменений скоростных характеристик глинистых грунтов (приведены ниже, в табл.3).

Изучение влияния дисперсности (или «глинистости») на скорости упругих волн в глинистых грунтах проводилось с помощью следующих показателей: содержание частиц размером меньше 0,001, 0,005, 0,01 мм; средний диаметр частиц; показатели пластичности. Получено, что скорости продольных Vp и поперечных Vs волн модельных грунтов снижаются с уменьшением дисперсности (при переходе от суглинков Ml, М2 к супесям МЗ, М4). Однако простых линейных зависимостей скоростей упругих волн и отношения скоростей от указанных показателей дисперсности для изучаемых модельных и природных грунтов не выявлено.

Для каждого из модельных грунтов отмечается рост скоростей упругих волн и снижение отношения скоростей Vs/Vp с ростом плотности и плотности скелета. Эти связи являются стабильными и характеризуются достаточно высокими коэффициентами корреляции.

Известно, что с повышением плотности грунта дальние коагуляционные контакты переходят в ближние, возрастают количество и прочность точечных контактов между отдельными структурными элементами в единице объема грунта, снижается объем пор и пустот, поэтому и скорости упругих волн увеличиваются. При этом вид уравнения связи скоростей упругих волн от плотности зависит от типа грунта (рис. 1).

Поскольку все природные и модельные образцы имели схожие закономерности изменения скоростных параметров от плотности, для наглядного сравнения были

построены графики, на которых отражены полученные линейные корреляционные уравнения для каждого из рассмотренных видов грунтов (рис. 2). 2S00

♦

♦ м1 ■ и2 ЛмЗ хмд

1.70 2.20

Плотность р, г/см'

2.70

Рис. I. Взаимосвязь скорости продольных волн и плотности модельных глинистых грунтов MI-M4

суглинки тяжелые

ПЫПГИЛТЫР М1

18 2.3

Плотность р, г/см'

г -су'****** лески«

песчанистые М2 § -супеси песчанист« МЗ

X

i —— супеси песчанистые М4 — — ч«1*ерп*чи**есуглмпни

J»

- — — юрские суглинки 2 я ~

L

^ — — юрские глин»*

Рис. 2. Корреляционные взаимосвязи скоростей продольных волн и плотности исследуемых глинистых грунтов при аппроксимации линейной функцией

Из рисунка следует, что разным глинистым грунтам в координатном поле соответствуют разные прямые, причем, у газ их наклона увеличивается с ростом дисперсности. Тот факт, что корреляционные прямые для суглинков MI. V12 и для супесей МЗ. V14 близки друг к другу можно объяснить сходством гранулометрического состава. Корреляционная прямая для четвертичных моренных суглинков близка к прямой для модельных суглинков VII. поскольку большинство исследуемых природных грунтов по своему составу и дисперсности соответствуют згой модели. Увеличение угла наклона графиков корреляционных функций с ростом дисперсности можно объяснить большим количеством контактов у высокоднспсрсных грунтов по сравнению с менее дисперсными при одинаковой плотности, и более существенным ростом количества н прочности кошакюв при «уплотнении» в одинаковом интервале изменения плотности, что позволило

II

сфорччлирова-ть первое защищаемое положение. С увеличением пористости молельных фунтов от 20 до 45 (и ростом коэффициента пористости от 0.25 до 0,88 соответственно) скорости продольных волн Vp снижаются от 2000 ло 500 м/с (в -4 pina), а скорости поперечных волн V,or 550 до 200 м/с (примерно в 2 раза).

В результате исследований получено, что в зависимости от количества влаги и ее видов в тр\ иге могут иметь место пороговые значения влажности, при переходе через которые акустические свойства меняются.

Дчя природных глинистых грунтов рассматривался интервал влажности 25-3 % (по мере дегидратации), что соответствует изменению влажности от нижнего предела пластичности ло i ж роскопичсской. Для определения влияния влажности на значения скоростей упругих волн были построены соответствующие i рафики (рис. 3),и) которых следует, что скорости 11ро;ю.тьных волн Vp уменьшаются ло значения влажности, близкой максимальной гигроскопической влажности Ww (6-7 %), затем в некотором Hiiicpua-ie остаются примерно постоянными, после чет о вновь возрастают. Для всех образцов значение влажности, после которого скорости продольных волн начинают вновь возрастать, близко влажности максимальной молекулярной вл ai оси кости 15-20 ®о). В итттервале влажности W..+W,,. во всех образцах исследованных природных глинистых грунтов наблюдаются наиболее низкие шаченим скоростей продольных воли. Также важно отметить, что для более дисперсных разностей границы этого интервала приурочены к большим значениям влажности.

2000

■С 15WJ ,,

^ Vp

< 1500

i

s 1000

Vs

■ ........—•——.—' ■ • ■

и W> s Ww< 1U w % Ib /и WtVb

—Vsoép 9 1 —Vp oép 9 !-*-Vjo6p 9 2-*-Vpo6p 9 2

Рис. 3. Изменение скоростей V, и Vp в зависимости от весовой влажности природных глинистых грунтов (gQidnS)

В самом начале тндратаиии упругие свойства грунта определяются жесткостью ето скелета прочностью точечных и цементационных контактов. С ростом толщины

12

гкдратных пленок вокруг частиц жесткость скелета снижается, преобладающими становятся малопрочные коазуляционные контакты, скорости натают. Но при полном заполнении пор полой упругие свойства грунта будут определяться уже ис скелете»!, а упругостью самой волы, при «том скорости продольных волн (волн «сжатия») возрастают и соотвстству ют значениям, характерным для их распространения в воде (-1500 м/с).

Скорости поперечных волн (волн «сдвига») и отношение скоростей убывают с ростом влажности, «по соответствует снижению сдвиговых характерно и к груша с росюм влажное!и. Полученные данные по влиянию влажное!и на скорости упругих волн позволили сформулировать второе защищаемое положение.

Зависимости скоростей упругих волн V, и V, от степени влажности природных глинистых грунтов также различны (рис. 4). Скорости маю меняются до значений степени влажности И,=0.7+0.8. а потом наблюдается резкий рост скоростей продольных волн и снижение скоростей поперечных волн. Такие закономерности прослеживаются во всех изученных образцах. Точка перегиба на графике связана с росюм содержания воды переходного типа и изменением влажного ««сгояния грунта на водонасышсиное.

2000 Í1SOO

i1000 g 500 о

0

vp • И%

Vs ♦ ♦ *

OJO 0.2 04 S», д.». 06 оя 10

♦ Vi обр 7.1 ВУробр 7.1 A vs обр 7.2 «Vp обр 7.2

Рис. 4. Изменения скоростей V„ V, в зависимое! и от степени влажности природных моренных суглинков

Для модельных образно« скорости продольных волн Vp с ростом влажности (рис. 5, а) снижаются до значений W„, (причем абсолютные значения скоростей чменьшаются практически в два раза). На «том участке (W<W„) плотность скелета практически постоянна. Влажность гру нта особенно сильно влияет именно на »том интервале, что объясняется существенными различиями в прочности контактных взаимодействий частиц с разным количеством адсорбированной (связанной) воды.

Скорость поперечных волн (рис. 5. б) и отношение екоростей убывают на всем исследуемом интервале влажности. Графики влияния влажности и степени влажности на скорости упругих волн в молельных фунтах похожи.

Отмечается снижение отношения скоростей с увеличением пока ш г с. ш

конеистснннн. причем для грунтов твердой консисгсшши оно >0.2. полутвердой 0.10,2. тугопластичной <0.1 (рис. 6). *)ти данные могут использоваться в инженерной геофизике - но соотношению скоростей упругих волн оценивать консистенцию глинистых гру нтов в пределах однородного по состав) и строению слоя.

Ультразвуковые исследования проводились с использованием пригруза - гири весом I кг, которая сотлаяала давление на образец 0,01 N111а. улучшая его контакт с датчиками. Опыты показали, что внешний статическая натрутка в пределах 0.04 М11а не оказывает влияния па значения скоростей упругих волн.

2500

а

2000 ®

1500 1000 500 О

• • • •

• •

' 5 « н

5.5 5

5 Т 7

»2 11| » | я

пи N

•л*жмо<ть\Л/,К

15

5

-Е

♦ м1 ■ м2 А мЗ X М4

20

1400 1200 1000 | 800 5 боо

400 200 0

Л*

и

♦ *4

♦ м1

■ м2 А мЭ

од

5.0

10.0 Влажность

15.0

20.0

Рис. 5. Взаимосвязь скоросгей продольных и поперечных волн (а, б) с весовой влажностью модельных суглинков (М1 и М2) и супесей (МЗ и М4)

А А 0.50

0.50

о.

I

♦ ЮрСКНГ

■ ч«т»*р1ичмые

л модельные

•1,50 -1.25 1.00 -0.75 -0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 II. АЛ.

Рис. 6. Взаимосвязь отношения скоростей и показателя консистенции (текучести) исследуемых фунтов

При нагрузках 1 кг и выше сигнаты более четкие, что позволяет точнее зафиксировать времена вегумления волн.

Зависимость акустических свойств грунгов от характера структурных евшей оценивалась с помощью показателя прочности на одноосное сжатие

Но результатам исследований влияние прочности структурных свя!ей сказывается скорее на скоростях поперечных волн, в меньшей степени на скоростях продольных волн и отношении скоростей. Следовательно, скорости поперечных волн (волн сдвига) в большей степени связаны с прочностью контактных взаимодействий.

Таким образом, показано, что скорости упругих волн тавися I от комплекса факторов Но результатам пошагового регрессионного аначим скорости продольных волн в большей степени зависят от плотности, а поперечных - от прочности структурных связей и плотности грунта поскольку именно эти параметры учшывани количество н тип контактов в гру нте, обьем его пор (пустот), количество влаги.

Факторный анапа показал, что для получения более достоверных корреляций необходимо рассматривать выделенные гру ппы образцов: юрские су глинки и мины отдельно, а для четвертичных грунтов - моренные суглинки и супеси отдельно.

Пи резулыакш ки.чп/ят,ииннаи ншьланнй шанешм модулей .кформшшн лнтифицированных юрских глинистых грунтов выше, чем четвертичных, обладающих более слабыми связями и более низкими значениями структурной прочности (табл. I).

Для выявления связей проведен корреляционный апатит модулей обшей деформации и характеристик состава состояния и свойств. 1ссных и весьма тесных

связей получено не было, все парные коэффициенты корреляции г<0,74. Однако можно говорить о снижении значений модулей деформации четвертичных грунтов при переходе образцов от твердой к полутвердой, а затем тугопластичной и мягкопластичной консистенции (пластичной у супесей).

Наиболее показательной является связь модулей общей деформации и скоростей поперечных волн на участке Рпр-Рпп- Уравнение связи для суглинков и супесей выглядит следующим образом Ео=0,02У5-0,41 (г=0,71).

Кроме линейной аппроксимации полученную зависимость можно описать экспоненциальным законом Ео=1,23е00039У5 (г=0,73), коэффициент корреляции незначительно выше, чем для линейной связи. Отметим, что наблюдается тренд увеличения модулей деформации с ростом прочности структурных связей четвертичных глинистых грунтов.

Таблица 1. Обобщенные результаты компрессионных испытаний

Название образцов Модули деформации, МПа

интервал нагружения 0,1-0,3 МПа интервал нагружения 0,3-0,5 МПа участок Р -Р А пр х пп» МПа участок Рбыт" 15 5Рбыт, МПа

Ек Е„ Ек Е0 Ек Е„ Ек Е„

Суглинки ^01<3пз) 2,02<р<2,21; 11<ш<14 6-38 2-14 11-24 4-9 6-24 2-9 11-19 4-7

Суглинки и глины (.Ьох) 1,66<р<1,83; 24<м<30 8-45 3-16 9-42 3-15 9-36 4-13 9-36 3-13

Примечание: Ек и Е0 - модули компрессионной и общей деформации.

Проведенный анализ парных коэффициентов корреляции отдельно для четвертичных моренных суглинков показывает несколько более высокие значения г, особенно между показателями Ек, Е0(У5, Я^). На рис. 7 отражена наиболее тесная взаимосвязь Е0(Уз), которая описывается экспоненциальной функцией Ео=1,29еМ0№(г=0,74).

Преимущество одноосных испытаний в ряду других инженерно-геологических методов, заключается в их малых временных затратах и возможности получить данные по прочности, модулю деформации и коэффициенту поперечного расширения.

♦ ♦

100 200 КО 400

Скорое™ юлеречиьа волн VI. м/с

Рис. 7. Взаимосвязь модулей деформации и скорое гей поперечных волн четвертичных суглинков По результатам экспериментальных исследований (табл. 2) прочность на

одноосное сжатие модельных глинистых фунтов снижается при переходе от

суглинков к супесям от средних значешй 0.5-0.6 МПа до 0.3 МПа. В том же

направлении уменьшается и диапазон изменения значений прочности, максимальные

и минимальные значения в пределах одной модели.

Таблица. 2. Результаты испытаний наодноосное сжатие исследуемых грунтов

Образны (количество), показатель текучести Ц Прочность на сжатие К«. МПа Начальный модуль сжатия Е», МПа Относительный модуль деформации IV.. МПа Козффиниеш поперечного расширения Мо

Суглинки тяжелые М1 (27) к<0 0.20-1.05 0.66 14-128 58 21-200 77 0,20-0.48 0.36

Суглинки легкие М2 (24) 1ь<0 0,|7-|,|0 0.51 И-119 47 19-2р0 76 0,26-0.45 <Ц4

Супеси МЗ (30) 1ь<0 0.08-0.63 0.29 6-82 35 16-139 58 0,25-0,44 0,37

Супеси М4 (32) 1ь<0 0.11-0.64 0.27 18-65 39 10-99 48 0,24-0,45 0.37

Суглинки и супеси <^.<1п*) (25) -0,56<1ь<0.63 0,09-0,54 0.31 3-20 11 Ы2 9 0.31-0.45 0.38

Суглинки и глины (.Ьох) (3) -0.70<1, <0,28 0.31-0.47 0.37 10-18 13 10-18 14 0.31-0.4*» 0.36

Примечание в чистителе дроби приведены минимальные-максимальные значения, в знаменателе - среднее.

Значения начального модуля сжатия i относительною модуля деформации тоже снижаются при переходе от молельных суглинков (Ml. М2) к супесям (МЗ. М4) (табл. 2). Диапазон изменения утих параметр» уменьшается в том же направлении. Максимальных значений достигают наиболее плотные образцы (с нагрузками уплотнения 0.12 МНа) с задаваемой влажностью 10-15% (близкой оптимальной влажности).

Ко1ффнииснты поперечного расширения зависят в большей степени от показателей влажности, чем от дисперсности. Диапазоны изменения чтого параметра одинаковы Х1Я всех модельных грунтов (табл. 2). в пределах одной модели миниматьными значениями нЛоколо 0,20-0.30) характеризуйся наиболее «сухие» и плотные образны, с увеличением влажности растет и коэффициент поперечною расширения, достигая значений 0.40-0.45.

По резчлыатам корреляционно!о анализа отмечается увеличение начальною модуля сжатия с ростом показателей глинистости и прочности структурных связей и снижение с повышением показателей влажности и консистенции. А коэффициенты поперечною расширения увелнчиваюте* с ростом показателя консистенции и снижаются при одинаковой влажности с увеличением дисперсности.

Прослсживастся связь прочности структурных связей и начальных модулей сжатия для всех исследуемых грунтов. В ебшем виде для модельных и четвертичных тр> itiou зависимости представлены на рис. 8. Подобная зависимость полу чеиа и с относительным модулем деформации, но юзффициент корреляции ниже.

0.4 0.6 од Прочность на сжатие Яс, МГТа

Рис. 8. Взаимосвязь начального модуля сжатия и прочности на сжатие модельных н четвертичных грунтов

По результатам множественного регрессионного анализа получены уравнения взаимосвязи начального модуля сжатия н относительного модуля деформации с показателями состава, состояния и свойств природных суглинков:

Е,-14.81ь+14,81^+8.7 (г=86). ^=-2711+2^-19 (г=0,87).

Значения начального модуля сжатия в большей степени определяются показателями влажности, дисперсности и прочности структурных связей, что вполне объяснимо, поскольку они определяют длину прямолинейного участка при расчете Е„. Относительный модуль деформации по результатам статистического анализа в отличии от Е» не зависит от прочности структурных связей. Это объясняется тем. что природные грунты были различной консистенции и в большинстве случаев при напряжении 1*</3 связи уже были нарушены.

Результаты множественного регрессионного анализа для коэффициента поперечного расширения позволили получить уравнение вида щ-0,141,,+0,01 %гр+0,46 (г-0.79). В наибольшей степени значение ц„ определяется показателем текучести грунта, что согласуется с теорией, в меньшей степени влияет дисперсность.

Диапазоны изменения деформационных показателей по результатам ультразвуковых исследований приведены в табл. 3. По полученным данным для более дисперсных модельных грунтов (суглинков М1, М2) характерны большие скорости продольных волн (V,) по сравнению с менее дисперсными (супесями МЗ, М4) при схожих изменениях плотности. Подобное изменение скоростей соответствующим образом сказывается и на значениях динамического модуля упругости (Ед) - они снижаются с уменьшением дисперсности глинистых грунтов.

Глава 4. Сравнение показателей деформационных свойств глинистых грунтов, полученных лабораторными методами при механическом иагружении и по данным ультразвукового просвечивания

Для всех модельных глинистых грунтов прослеживается тесная связь динамического модуля упругости с прочностью структурных связей, оцениваемой по временному сопротивлению грунта сжатию Ис (рис. 9). Причем, уравнение связи для суглинков в общем виде выглядит следующим образом: £,=13001^+136 (г=0.76, связь тесная). Для супесей уравнение ЕД-2200К«+138 (г=0.78, связь тесная) отличается большим угловым коэффициентом, отражая влияние дисперсности.

Увеличение модуля упругости грунтов с ростом прочности структурных связей вполне понятно, поскольку повышение обусловлено переходом контактов от коагуляционных к точечным и возрастанием жесткости системы в целом.

Таблица 3. Результаты ультразвуковых исследований

Образцы грунтов (количество) Ур,м/с V, м/с У/У, Динамический модуль упругости Е» МПа Коэффициент Пуассона |д

Суглинки М1 (20) 409-2000 1260 200-550 360 0.20-0.54 0,32 170-1380 830 9.29-0,48 0.43

Суглинки М2 (24) 790-2099 1440 309-599 380 0.16-0.50 0,28 650-1620 900 0.33-0.49 0.45

Супеси МЗ (30) 520-1700 1180 160-500 360 0.22-0.52 0,31 160-1600 870 9.31-9.48 0.44

Супеси М4 (29) 720-1599 ИЗО 199-420 320 0.15-9.4? 0.29 229-1959 660 9.39-0,48 0.45

Суглинки и супеси (8<?Мш) (25) 1050-2000 170-410 0.08-0.25 200-950 0.^-9.47 0.48

1700 310 0.19 635

Суглинки и ГЛИНЫ (<)}ОХ) (14) 950-1850 1400 240-340 280 0.15-0.39 0,21 ЗОО-бОр 420 0.47-0.48 0.48

Примечание: см. табл. 2 2000

| 1500 1000 500

а* у;

♦ сутлри..« (М1.М2) ■ супеси (МЗ.М4)

0,00 0.20 0,40 0.60 0.80 1.00 Прочность М> СЖЛПМ КС. МПа

1.20

Рис. 9. Взаимосвязь динамического модуля упругости и прочности на сжатие модельных суглинков (М1.М2) и супесей (МЗ.М4)

Природные четвертичные грунты подчиняются тем же закономерностям:

динамический модуль упругости увеличивается с ростом прочности структурных

связей, показателей глинистости и снижается с повышением показателя

20

коисистеиции. Наблюдаете» повышение значений коэффициента Пуассона с ростом степени влажности, консистенции и уменьшением дисперсности (при одинаковой влажности).

По результатам множественного регрессионного анализа для природных моренных суглинков получены уравнения:

Еа=1044Я£+27\У,.-237 (г=0,87), ц=-0.21с+0,031ь-Ю,57 (г=0.85).

Для всех модельных груитов отмечаете* тесна* связь коэффициента Пуассона со степенью влажности, которая описываете* уравнением ц-0,145,+0,35 (г=0,79), а для природных четвертичных суглинков ц=0,065,+0,43 (г-0,60). Подобная взаимосвязь объясняется известной зависимостью способности глинистых грунтов к поперечному расширению от влажности.

Нахождение парных коэффициентов корреляции между коэффициентами поперечного расширения (полученными в опытах по одноосному сжатию) и Пуассона для модельных грунтов не позволили выявить каких-либо значимых связей. При сопоставлении этих показателей для природных моренных суглинке« получено уравнение связи ц»= 1,7ц-0,4 (г-0,71).

Для модельных суглинков и супесей компрессионных исследований не проводилось, поэтому поиск взаимосвязей статических и динамических модулей деформации проводился только по результатам испытаний на одноосное сжатие. Было замечено, что взаимосвязь для рассматриваемых модельных образцов не зависит от дисперсности, поэтому было полу чено общее уравнение связи (рис. 10):

Е. = 13,71 х е0 001хЕ* (г-0,85).

а для образцов природных суглинков и супесей:

Е„ в 6,94 х е0 001"^ (г=0.71).

Уравнения связи динамического модуля упругости с модулями, полученными по результатам одноосного сжатия, похожи, однако коэффициенты корреляции с начальными модулями сжатия выше, чем с относительными модулями деформации для модельных грунтов.

В случае природных образцов наблюдается обратное. По мнению автора наиболее информативна взаимосвязь динамического модул* упругости с начальным модулем сжатия, поскольку Е, более универсален для грунтов различной консистенции, отражает характер развития процесса деформирования, когда еще нет

разрушения структурных связей, и максимально сближены условия получения этих модулей.

МО 1000 1500

Динамический модуль упругости ?д, МПл • модельные ■ четеерткчимс

2000

Рис. 10. Взаимосвязи начального модуля сжатия и динамического модуля упругости модельных и природных грунтов

Кроме результатов одноосного сжатия, были получены корреляционные взаимосвязи динамического модуля упругости и модуля деформации для природных четвертичных фунтов, рассчитанного по данным компрессионного сжатия (рис. 11):

Е„ = 5.8 х ,о.оо1хед (1=0,75).

25.0

20.0

Л 2 15Л

V с X 5 10,0

И

I ОД

200 400 600 800

Динамический модуль упругости Гд,

1000

Рис. II. Взаимосвязь динамического модуля упругости и модуля деформации, полученного по компрессионным испытаниям четвертичных фунтов

Приведсшгые в главе 4 уравнения взаимосвязей динамического модуля упругости и статического модуля деформации позволили сформулировать третье защищаемое положение.

Подобные взаимосвязи деформационных показателей для лессовидных суглинков были получены ранее (Бондарев. 1974; Миндсль, 1975 и др.) методами наземной сейсморазведки. Это обстоятельство позволяет надеяться на возможности в

близком будущем оценивать модуль деформации природных дисперсных грунтов по данным полевых сейсморазведочных работ.

Выводы

1. Определены диапазоны изменения скоростей продольных Ур (1000-2000 м/с), поперечных V, (200-700 м/с) волн и их соотношения У5/Ур (0,08-0,42) для образцов природных глинистых грунтов при их ультразвуковом просвечивании. Показано, что скорости упругих волн зависят от комплекса факторов состава, строения, состояния и свойств глинистых грунтов.

2. Определяющее влияние на величины скоростей упругих волн в глинистых грунтах оказывают плотность, плотность скелета, прочность структурных связей, а также влажность и степень влажности, поскольку именно эти параметры отражают количество и тип контактов в грунте, его пустотность (пористость) и содержание различных категорий воды.

3. Скорости продольных волн в четвертичных глинистых грунтах с ростом влажности снижаются до влажности максимальной гигроскопической, имеют наименьшие значения в интервале до максимальной молекулярной влагоемкости и далее возрастают, таким образом, определен интервал влажности с наименьшими скоростями продольных волн. Скорости поперечных волн и отношение скоростей убывают с ростом влажности и степени влажности.

4. Установлено, что изменения статических и динамических показателей деформационных свойств образцов глинистых грунтов подчиняются общим закономерностям. Начальные модули сжатия, относительные модули деформации и общей деформации при статических (механических) испытаниях и динамический модуль упругости увеличиваются с ростом прочности структурных связей и дисперсности глинистых грунтов, уменьшаются с увеличением степени влажности и показателя текучести, что обусловлено влиянием числа и типа контактов между частицами. Коэффициенты поперечного расширения (при одноосном сжатии) и Пуассона (при ультразвуковом просвечивании) повышаются с ростом показателя текучести и при одинаковой влажности снижаются с ростом дисперсности.

5. Для природных моренных суглинков выявлена взаимосвязь между коэффициентом поперечного расширения и коэффициентом Пуассона по линейному закону (^цо=1,7ц-0,4), позволяющая по данным ультразвукового просвечивания

оценивать трудно определяемый для глинистых грунтов коэффициент поперечного расширения

6. Получены уравнения взаимосвязи динамического модуля упругости с начальным модулем сжатия, относительным модулем деформации (по результатам одноосного сжатия) и модулем деформации (по компрессионным испытаниям), описываемые экспоненциальными законами как для модельных, так и для природных четвертичных грунтов. Предлагаемый методический подход и полученные корреляционные соотношения могут использоваться для предварительной оценки показателей деформационных свойств моренных суглинков на основании данных о скоростях упругих волн.

Список публикаций автора по теме диссертационной работы Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Пиоро Е.В., Ошкин /(.Я.Взаимосвязи акустических характеристик и показателей физических и деформационных свойств глинистых грунтов // Вестник МГУ. Серия 4. Геология. 2011. №6. С.71-74.

2. Пиоро.Е.В., Ошкин А.Н., Тырина Т.С. Влияние влажности на скорости распространения упругих волн в глинистых грунтах // Геофизика. 2014. N1. С. 57-62.

Статьи и тезисы докладов в сборниках трудов конференций

3. Пиоро Е.В. Акустические свойства глинистых грунтов // Материалы X научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве». М.:ПНИИИС, 2014.

4. Пиоро Е.В. Влияние условий нагружения на деформационные характеристики модельного глинистого грунта // Материалы XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011». М.:МГУ, 2011. Lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2011/1197Z21958_bc7f.pdf

5. Пиоро Е.В. Об определении показателей деформационных свойств глинистых грунтов при одноосном сжатии // Труды ХЦХмуждународной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. С. 128.

6. Пиоро Е.В. Динамический модуль упругости и модуль общей деформации модельных глинистых грунтов // Материалы пятнадцатых Сергеевских чтений, молодежной конференции «Устойчивое развитие: задачи геоэкологии (инженерно-геологические, гидрогеологические и геокриологические аспекты)». М.: Изд-во РУДН, 2013, С. 75-79.

7. Пиоро Е.В., Ошкин А.Н., Бутина Е.И. Влияние нагрузки уплотнения на физико-механические свойства модельных глинистых грунтов // Материалы XVII

Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010». М.:МГУ, 2010. Lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2010/06.htm

8. Пиоро Е.В., Ошкин A.C., Таракановский М.К. О скоростях распространения упругих волн в глинистых грунтах // Материалы VI научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве». М.:ПНИИИС, 2010. С. 31-35.

9. Пиоро Е.В., Ошкин A.C., Тырина Т.С. О показателях влажности и скоростях распространения упругих волн в глинистых грунтах // Труды VIII научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве». М.:ПНИИИС, 2012. С. 169-172.

10. Пиоро Е.В., Тырина Т.С. Влияние влажности на скорости упругих волн в глинистых грунтах // Материалы XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012». М.:МГУ, 2012. Lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2012/1725/21958_19aa.pdf

11. Пиоро Е.В. Тырина Г.С.Влияние плотностных свойств глинистых грунтов на скорости распространения упругих волн // Труды XXIII молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О.Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и экологии». Петрозаводск, 2012. С. 109-111.

Подписано в печать:

25.08.2014

Заказ № 10149 Тираж - 200 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru