Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изменение микроструктуры лессовых просадочных грунтов Приобского плато под влиянием различных механических воздействий

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Изменение микроструктуры лессовых просадочных грунтов Приобского плато под влиянием различных механических воздействий"

Ой

На правах рукописи

ВЯТКИНА ЕЛЕНА ИВАНОВНА

ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЛЕССОВЫХ ПРО САДОЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИОБСКОГО ПЛАТО ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Барнаул - 1997

Работа выполнена на кафедре "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

член-корреспондент Российской Академии архитектуры и строительства, профессор Г. И. Швецов

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Т.Г.Рященко

доктор технических наук, профессор Г.И.Овчаренко

Ведущая организация - трест "АлтайТИСИЗ"

Защита диссертации состоится 25 декабря 1997 г. в 15 час. на заседании специализированного совета К 064.29.07 в Алтайском государственном техническом университете по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 25 ноября 1997 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 656099, г.Барнаул, проспект Ленина,46, Алтайский Государственный технический университет, ученому секретарю специализированного Совета

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических наук ,, Т.А.Горбунова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сложность поведения лессовых грунтов в процессе их жсплуатации в качестве оснований для зданкй и сооружений вызывает необходимость их комплексного изучения полевыми и лабораторными методами. Возникает необходимость в оть сканин взаимосвязи прочностных и деформационных свойств лессовых пород с закономерностями внутренних процессов в грунте и более объективной оценки их в инженерно-геологических целях.

При инженерно-геологическом изучении лессовых пород в настоящее время значительное внимание уделяется их структурно-текстурным особенностям, с одной стороны, отражающим условия их формирования, а с другой - определяющим их физико-механические и другие свойства. В качестве количественных показателей структуры в инженерной геологии использовались, в основном, размер зерен, величина пористости и, реже, прочность структурных связей. В последнее время в практике инженерно-геологических исследований широко применяются сканирующие электронные микроскопы, позволяющие количественно оценивать на мезо- и микроуровне как текстурные признаки грунтов, так и их морфометрические особенности.

Существующие расчетные модели по проектированию зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах не учитывают специфику инженерно-геологического строения лессовых пород, их микроструктурные особенности и динамику их изменения под влиянием различных техногенных воздействий.

Основными механическими воздействиями, имеющими наибольшее распространение при строительстве зданий и сооружений, являются статические (уплотнение грунтов фундаментами) и динамические (уплотнение грунтов трамбовками) воздействия, а также замачивание лессового грунта, находящегося в напряженном состоянии. Они обусловливают существенные изменения микроструктуры лессовых пород, сопровождающееся разрушением структурных элементов, а при динамическом уплотнении помимо этого идет формирование ориентированной микроструктуры.

Степень и характер микроструктурных изменений под влиянием механических воздействий тесно взаимосвязаны с гранулометрическими, химико-минералогическими и физико-механическими характеристиками грунта. Кроме того, разнообразие лессовых пород требует изучения их микроструктуры с учетом специфических региональных особенностей.

Целью работы является изучение микроструктурных особенностей лессового просадочного грунта Приобского плато (г. Барнаул), их изменение под влиянием статических и динамических механических воздействий, получение корреляционных зависимостей деформационных и прочностных характеристик от морфометрических параметров микроструктуры грунта и его гранулометрического состава.

В работе решались следующие задачи:

1. Проведение исследований изменения микроструктуры лессового просадочного грунта естественной влажности и в состоянии полного во-донасыщения при различных ступенях компрессионного уплотнения в двух взаимно перпендикулярных направлениях - параллельно и перпендикулярно приложению нагрузки.

2. Исследование микроструктурных изменений лессового просадочного грунта и получение количественных морфометрических характеристик при различных схемах сдвиговых испытаний:

- неконсолидированный сдвиг при естественной влажности и плотности грунта с вертикальной нагрузкой 0,3 МПа для анализа микроструктурных изменений на различных стадиях сдвигового деформирования;

- консолидированный сдвиг при естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения грунта после предварительного уплотнения образцов нагрузками, равными вертикальной нагрузке при сдвиге.

3. Определение изменений гранулометрического и микроагрегатного состава грунта после компрессионных и сдвиговых испытаний.

4. Анализ изменений микроструктуры и физико-механических характеристик лессового грунта после уплотнения трамбовками обычного и повышенного веса на различных горизонтах уплотненной толщи.

5. На основе полученных данных составить корреляционные зависимости:

- между дисперсностью и морфометрическими характеристиками микроструктуры (общим периметром и общей площадью пор) грунта естественной влажности и водонасыщенного грунта;

- между плотностью сухого грунта и общей плотностью пор образцов различной степени влажности;

- между модулем деформации, микроагрегатным составом и морфометрическими характеристиками микроструктуры, отражающими общую пористость грунта естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения.

Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях морфометрических и геометрических признаков микроструктуры лессового просадочного грунта при различных механических воздействиях - статических (компрессионные и сдвиговые деформации) и динамических (уплотнение трамбовками различной массы).

Микроструктурные характеристики при статическом воздействии на грунт изучались с помощью комплекса растровой электронной микроскопии РЭМ-микроЭВМ. Для каждого образьца определялись количественные показатели микроструктуры в двух взаимно перпендикулярных направлениях (параллельно и перпендикулярно прикладываемой нагрузке), а также характеристики гранулометрического и микроагрегатного состава грунта различной влажности. Одновременно рассчитывались деформационные, проч-

ностные и физико-механические характеристики по стандартным методикам. ? ■•■•..

Изучение микроструктурных особенностей грунта при динамических воздействиях (уплотнение трамбовками различного веса) выполнялось по всей глубине уплотненной толщи с одновременным определением физико-механических, прочностных и деформационных характеристик грунта.

Корреляционные зависимости морфометрических параметров микроструктуры, микроагрегатного состава и деформационных характеристик и получение уравнений регрессии выполнено с помощью ЭВМ.

Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период \992-\991 гг. Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета по разработке проблемы "Исследование закономерностей деформирования лессовых оснований на территории Верхнего Приобья" (тема № 9.91) и "Совершенствование методов устройства и расчета оснований й фундаментов на лессовых проса-дочных грунтах юга Западной Сибири" (тема № 3.3.1.1). Автором создана база данных по изменению морфометрических и геометрических характеристик микроструктуры, а также гранулометрическрго состава лессового грунта региона под влиянием статических (компрессионное уплотнение и сдвиг) и динамических (уплотнение трамбовками различной массы) воздействий. Получены уравнения регрессии для расчета физико-механических характеристик грунта по данным микроагрегатного состава и морфометрическим параметрам пористости грунта.

Научная новизна. Экспериментальные и теоретические исследования позволили впервые дать оценку деформируемости лессового просадочного грунта как единства механических (осадка, просадка) и структурных (микроструктура) процессов. Установлено, что под воздействием компрессионного уплотнения происходит уменьшения размеров межагрегатных и внутриагрегатных пор с одновременным увеличением числа ультрамикро-пор и тонких микропор. Увеличение плотности лессового грунта в процессе передачи компрессионной нагрузки происходит не только в следствие сближения частиц при их перекомпоновке, но и в результате их разрушения. Все это позволяет говорить о переходе исходной скелетной микроструктуры грунта в более плотную и тонкодисперсную микроструктуру скелетно-матричного типа (по В.И.Осипову).

Замачивание лессового просадочного грунта в условиях напряженного состояния (Р = 0,3 МПа) приводит к одновременному распаду неводостойких структурных связей и агрегатов грунта и механическому разрушению агрегатов. Это ведет к формированию новой, более однородной, плотной и тонкодисперсной матричной микроструктуры.

Микроструктурный анализ образцов лессовой породы, компрессионно уплотненных при естественной влажности и в состоянии полного водонасы-

щения, по двум взаимно перпендикулярным направлениям показал постепенную трансформацию пор изометричной формы в анизометричные эллип-сообразные и вытянутые. Этот обусловлено частичной переориентацией твердых элементов грунта в направлении, перпендикулярном приложению вертикальной нагрузки.

Микроструктурные исследования лессового грунта на различных этапах сдвигового деформирования (на стадии затухающего, установившегося и прогрессирующего скольжения) позволили получить схему сдвига, характерную для лессового грунта региона. Степень переориентации элементов грунта под действием сдвигающей нагрузки увеличивается по мере возрастания величины 1 и достигает максимального значения на завершающей стадии сдвига.

Анализ микроструктурных изменений лессового грунта при консолидированном позволяет установить, что микроструктурная перестройка грунта захватывает тем меньший объем, чем плотнее и прочнее испытываемый образец При этом величина микродефектов грунта уменьшается и накопление локальных дефектов захватывает меньший объем по мере роста плотности образца. Под действием сдвигающей нагрузки происходит разрушение глинисто-пылеватых агрегатов, содержание первичных минеральных зерен практически не меняется.

С возрастанием величины предварительного уплотнения и нормальной нагрузки на образцы при сдвиге коэффициент анизотропии и объем пор анизометричной формы увеличивается. Наибольшая степень переориентации элементов отмечается в более плотных образцах грунта и наибольшем значении т.

Выявлено коренное изменение микроструктуры лессового грунта под влиянием уплотнения трамбовкой массой Ют: происходит расплющивание и максимальное сближение элементарных частиц грунта, сопровождающееся процессом частичного и полного разрушения агрегатов и микроагрегатов; формируется новая матричная структура, отличающаяся от природной минимальной и относительно однородной пористостью массы взаимно заклинившихся элементарных частиц, получающих наиболее плотную упаковку. Это приводит к устранению просадочных свойств лессового основания и увеличению его прочностных и деформационных характеристик. Под влиянием уплотнения лессового грунта трамбовкой массой 3,2 т не происходит принципиального изменения структуры грунта глубже 0,5 и не достигается получение уплотненной зоны необходимой мощности.

Исследование грунта на микроуровне позволило проследить при трамбовании динамику изменения основных структурных элементов лессового грунта - пористости, песчано-пылеватых частиц и глинистого материала, на различных горизонтах уплотненной толщи.

На основе анализа корреляционных зависимостей получены уравнения регрессии взаимосвязи: микроагрегатного состава лессового грунта различной влажности с морфометрическими характеристиками микроструктуры -

6

общим периметром и общей площадью пор; плотности сухого грунта и общей площадью пор; между модулем деформации, общей площадью пор и содержанием основных структурных элементов грунта - микроагрегатами.

Реализация и практическая ценность работы. На основании теоретических; натурных и микроструктурных исследований отработана технология уплотнения лессового просадочного грунта трамбовкой массой 10 тонн. Получено решение расширенного Технического Совета АО "Алтайгражданпроект", АО "АлтайТИСИЗ" и кафедры "Оснований, фундаментов, инженерной геологии и геодезии" АлтГТУ о возможности замены свайных фундаментов на фундаменты на уплотненном основании. По данной методике ведется строительство 9-этажного жилого дома в г. Барнауле.

Полученная база данных по изменению морфометрических параметров микроструктуры, гранулометрического и микроагрегатного составов грунта при различных механических воздействиях будет использована для разработки варианта механической модели, учитывающей структурно-текстурные особенности лессовых пород Верхнего Приобья.

На защиту выносятся:

1. Изменение микроструктуры лессового просадочного грунта Приобского плато (г. Барнаул) под влиянием компрессионного уплотнения грунта естественной влакности и замоченного. Динамика изменения морфометрических и геометрических параметров микроструктуры, а также ее гранулометрического и микроагрегатного состава при различной величине компрессионного давления.

2. Результаты микроструктурных исследований лессового грунта при неконсолидированном сдвиге. На основе количественных данных параметров микроструктуры и гранулометрического состава получена схема поведения лессового грунта на различных этапах сдвигового деформирования.

3. Влияние плотности и влажности грунта на структурные изменения в зоне сдвига на стадии прогрессирующего скольжения при консолидированном срезе.

4. Динамика изменения основных структурных элементов лессового грунта, уплотненного трамбовками массой 3,2 и 10 т, на различных горизонтах уплотненной толщи.

5. Корреляционные зависимости физико-механических характеристик, морфометрических параметров микроструктуры и микроагрегатного состава лессового просадочного грунта.

Практическое значение работы состоит в том, что в ней разработаны основы комплексного подхода к оценке деформируемости лессового грунта на основе изучения его микроструктурных особенностей при естественной плотности и влажности, в уплотненном и замоченном состоянии.

В диссертационной работе предложены формулы для определения физико-механических характеристик лессового грунта по морфометрическим параметрам его микроструктуры, которые могут быть использованы при

разработке варианта механической модели, учитывающей структурно-текстурные особенности Лесковых* пород.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на.научных семинарах кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета (1992-97 гг.), на международной научно-практической конференции "Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство" (Барнаул, 1996), на Казахстанской национальной геотехнической конференции "Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы" (Акмола, 1977).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Работа изложена на страницах и содержит •ЗО рисунка и 3& таблицы.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Г.И.Швецову, д.г.-м.н. В.Н.Соколову, сотрудникам Алтайского государственного технического университета за помощь, деловые советы, консультации и дискуссии: Т.А.Горбуновой, С.Б.Пильбергу, Б.Ф.Азарову, С.Г.Камаеву, И.В.Носкову, Б.М.Черепанову, И.В.Карелиной.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности и практической ценности работы, сформулирована цель и задачи исследований.

Глава 1. Современное состояние вопроса о микроструктуре лессовых грунтов Приобского плато

В главе дан научный обзор развития представлений о структуре пород в инженерной геологии и механике грунтов. За основу при выполнении работы взято определение В.И.Осипова (1985), что под структурой понимается "пространственная организация вещества грунта, характеризующаяся совокупностью геометрических, морфометрических и энергетических признаков и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта".

Далее в главе изложены условия формирования, залегания и инженерно-геологические свойства лессовых пород Приобского плато, в изучение которых внесли вклад Ф.А.Никитенко, В.Т.Трофимов, Е.В.Трепетцов,

A.С.Герасимова, В.С.Арефьев, Т.А.Горбунова, Г.И.Швецов,

B.С.Осьмушкин, Г.А.Сулакшина и другие ученые.

Наибольший интерес для исследований имеют породы верхней крас-нодубровской подсвиты (СЬкгёз), которые чаще всего служат основанием

зданий и сооружений. Гранулометрический состав суглинков характеризуется высоким содержанием пылеватых частиц (66-72%), меньшим содержанием глинистых (16-30%) и еще меньшим песчаных частиц - (15-17%). Лессовые супеси содержат глинистых частиц не более 6-8%. Все разности лессовых пород региона сильно агрегированы.

Минералогический состав лессового грунта для фракции 0,25-0,05 мм представлен кварцем, полевым шпатом, небольшим количеством зерен эпи-дота, роговой обманки, аппатита; для глинистых фракций характерна гидрослюда, гидрослюдисто-монтмориллонитовые образования, в качестве примесей - каолинит и монтмориллонит.

Лессовые породы слабозасрленные, содержание карбонатов около 3,5%, общее количество воднорастворимых солей 0,1-0,2%, водородный показатель /рН/ 6,8-7,9 и характеризует слабощелочные условия.

Естественная влажность лессовых пород увеличивается с глубиной от 10-11% до 15-17%.

Исследуемые лессовые породы относятся, в основном, к 1 типу по про-садочности, локально встречаются лессовые породы П типа.

Величина прочностных показателей грунтов составляет: для суглинков - угол внутреннего трения 21-22°, удельное сцепление - 0,022-0,028 МПа; для супесей - соответственно 22-24° и 0,017-0,022 МПа. Модуль общей деформации составляет 6-11 МПа. При замачивании удельное сцепление и модуль общей деформации уменьшаются в 2-4 раза, угол внутреннего трения -на 3-5°.

По классификации А.К.Ларионова покровные лессовые породы относятся к зернисто-пленчатому классу структуры. Тип микроструктуры - скелетный (по В.И.Осипову).

Анализ существующих результатов изменения микроструктуры глинистых пород различных геолого-генетических типов под влиянием компрессионного уплотнения показывает, что наряду с уменьшением всех категорий пор рядом авторов установлен факт активного дробления глобул и агрегатов, в то время как другие исследователи отмечают весьма малое изменение грануло-метрического и микроагрегатного состава. Кроме того, проанализированные литературные данные содержат, в основном, описание качественных изменений микроструктуры. Количественные морфометриче-ские параметры, характеризующие, как правило, конечный результат воздействий, зачастую противоречивы и не дают картины микроструктурных изменений при различных ступенях нагрузки.

Результаты многочисленных исследований микроструктурных изменений при сдвиговом деформировании показывают, что это сложный и многофакторный процесс, зависящий от состава, состояния грунта и условий проведения испытаний. Всеми авторами отмечается сложность микроструктурной перестройки в процессе сдвига, существенные отличия в развитии сдвиговых деформаций в зависимости от типов микроструктур, характера структурных связей, гранулометрического состава, степени первона-

чальной ориентации структурных элементов грунта. Кроме того, данные об образовании зоны сдвига, ее ширине, зачастую противоречивы. Поэтому необходимо проведение более детальных исследований микроструктурной перестройки грунта при сдвиге с учетом региональных особенностей породы.

Под влиянием уплотнения тяжелыми трамбовками происходит коренное изменение микроструктуры лессовой породы. Проанализированные данные по уплотнению лессовых грунтов трамбованием, в основном, не позволяют проследить изменение микроструктуры грунта по всей глубине уплотненной толщи. Однако получение данных по динамике изменения микроструктурных параметров грунта, его физико-механических характеристик и их взаимосвязь на различных горизонтах уплотненного основания необходимо для анализа и прогноза поведения уплотненного грунта и совершенствования технологии уплотнения.

В соответствии с вышеизложенным были сформулированы цель работы и задачи исследований.

Глава 2. Исследование изменений микроструктуры лессового грунта в условиях компрессионных и сдвиговых испытаний

2.1. Методика исследований

Микроструктурные характеристики грунта и их изменение под влиянием компрессионного уплотнения и сдвига исследовались с применением растрового электронного микроскопа и автоматизированного анализа с помощью комплекса РЭМ-микроЭВМ. Подготовка образцов к электронно-микроскопическим исследованиям выполнялась методом мгновенного замораживания с последующей сушкой путем вакуумного сублимирования. Подготовка поверхности образцов выполнялась способом изготовления аншли-фов и свежих сколов. Группа показателей физических свойств грунта включала стандартные исследования пористости, плотности, консистенции, пластичности, влажности, грансостава. Деформационные и прочностные свойства грунта исследовались по стандартным методикам.

Структура лессового просадочного суглинка (по А.К.Ларионову): класс структуры - зернисто-пленчатый; подкласс - смешанный коагуляцион-но-кристаллизационный; тип - с рыхлосвязанной и микрокапилярной водой; вид структуры - с высокой активной пористостью; разновидность - средне-дисперсная. Структурный символ ПаГб/1р. Тип исходной микроструктуры грунта (эталонное состояние) - скелетный. Величина структурного коэффициента Кор = 9,73 (по Г.И.Швецову).

2.2. Изменение микроструктуры лессового грунта при компрессионном уплотнении

Исследование изменений микроструктурных, гранулометрических и физико-механических характеристик грунта естественной влажности и при полном

водонасыщении выполнялось при компрессионном давлении от 0.05 до 0.3 МПа через каждые 0.05 МПа. Морфометрические и геометрические показатели микроструктуры определялись во взаимно перпендикулярных направлениях - параллельно и перпендикулярно приложению нагрузки. В результате исследований установлено, что по мере увеличения компрессионной нагрузки на грунт естественной влажности происходит уменьшение размеров всех категорий пор, увеличивается число ультрамикропор, тонких микро-пор, общего периметра пор во взаимно перпендикулярных плоскостях (табл. 1). Количественные морфометрические характеристики и данные гранулометрического анализа показали уменьшение размеров и снижение количества агрегатов по мере роста давления.

При нагрузках 0.25-0.3 МПа произошло существенное уменьшение размеров всех видов пор. значительное увеличение тонкой микропористости наряду с преимущественно угловатой формой минеральных зерен, что говорит об интенсивном разрушении твердых компонентов структуры. Анализ геометрических характеристик структурных элементов грунта - коэффициента анизотропии и коэффициента формы - показал, что в плоскости, параллельной действию нагрузки, идет постепенная переориентация элементов структуры грунта в горизонтальное положение и трансформация кругопо-добных пор в анизометричные. В плоскости, перпендикулярной нагрузке, подобный процесс отсутствует.

При давлении 0.3 МПа величина структурного коэффициента увеличилась до 15.32, структура трансформировалась из скелетной в структуру скелетно-матричного типа.

Замачивание лессового грунта под нагрузкой вызвало коренное изменение микроструктуры. При давлении 0.1 МПа очертания глинисто-пылеватых агрегатов становятся расплывчатыми. Появляются отдельные скопления глинистого материала - продукты разрушения неводостойких агрегатов и оболочек минеральных зерен. Уменьшились размеры всех видов пор, общая площадь и общий периметр пор (табл. 1). При повышении давления отмеченные процессы развиваются: при Р = 0.2 МПа структура переходит в скелетно-матричную, а при нагрузке 0.3 МПа в структуру матричного типа. Кстр = 35.8.

2.3. Микроструктурные изменения лессового грунта при плоскостном срезе

Исследования выполнялись при различных схемах сдвиговых испытаний: неконсолидированный сдвиг при естественной влажности и плотности грунта с вертикальной нагрузкой 0.3 МПа; консолидированный сдвиг при естественной влажности грунта и при полном водонасыщении после предварительного уплотнения образцов нагрузками, действующими при сдвиге. Для микроструктурных исследований отбирались образцы из краевой и центральной частей колец в плоскости сдвига и вне ее. Изменение дисперсности грунта в зоне сдвига определялось гранулометрическим анализом.

п

Таблица 1

1 Результаты количественного анализа пористости микроструктуры

^ лессового грунта по РЭМ-изображениям

Наименование Природное Л асдз компрессионного уплотнения при давлении:

по»..1)ать'1я <1яоже* Р~0,1 МП а МПа Р-0,3 МПа.

лае X /Г X X //

грунт естественной влажности

Пористость, % Общая площадь 48,51 1093490 42,99 995367 42,29 966913 41,79 953111 41,24 944036 40,89 959398 40,48 933969'

пор, мкм2 Общий периметр 5,54646 5,38821 5,74413 6,03925 5,92043 6,6401 5,93965

пор, 106 мкм Средний диаметр 0,340 0,295 0,298 0,273 0,258 0,192 0,228

пор, мкм Средняя пло- 0,767 0,448 0,410 0,384 0,338 0,326 0,329

щадь пор, мкм1 Средний пери- 2,497 2,431 2,092 2,101 1,900 1,836 1,621

метр пор, мкм Коэффициент 3,1 0,9 4,4 5,7 6,5 5,3 7.3

анизотропии, %

водоиасьпценный грунт

Пористость, % Общая площадь 48,51 1093490 40,98 894407 40,06 825211 40,79 850309 39,56 794677 39,52 817364 38,58 783900

пор, мкм2 Общий периметр пор, 104 мкм Средний диаметр 5,54646 0,340 4,95329 0,199 4,18102 0,199 4,45398 0,187 3,58432 0,191 4,1221 0,207 2,51728 0,189

пор, мкм Средняя пло- 0,767 0,192 0,218 0,158 0,222 0,168 0,200

щадь пор, мкм2 Средний пери- 2,497 \ 1,536 1,446 1,454 1,351 1,402 1,254

метр пор, мкм Коэффициент 3,1 1,9 5,1 4,4 6,2 4,2 7,1

анизотропии, %

Примечание: ±, // - микроструктурные данные определены по сечению, соответственно перпендикулярному и параллельному направлению приложения нагрузки

При неконсолидированном сдвиге испытание образцов прерывалось на различных стадиях сдвига (при затухающем деформировании, в стадии установившегося и прогрессирующего скольжения) для получения схемы деформирования лессового грунта. Анализ микроструктурных изменений показал, что на стадии затухающего деформирования в зоне сдвига уменьшилась общая пористость образца (табл. 2), сократился диаметр макропор и увеличилось количество ультрамикропор. Величина коэффициентов анизо-

тропии и формы пор говорит о частичном повороте частиц и уменьшении количества изометричных пор под действием сдвигающей нагрузки.

Таблица 2

Результаты количественного анализа пористости лессового грунта в зоне сдвига

Наименование показателя 1-1ВШЖ: зоны сдвига Стадии деформн рования:

затухающее установившееся прогрессирующее

Пористость, % Общая площадь пор, мкм2 Общий периметр пор, 106 мкм Средний диаметр пор, мкм Средняя площадь пор, мкм2 Средний периметр пор, мкм Коэффиц. анизотропии пор, % 46,1 952181 5,19015 . 0,209 0,279 1,501 3,9 45,9 950625 5,03221 0,205 0,287 2,545 7,0 45,2 868100 5,28642 0,184 0,159 2,499 7,6 47,6 963151 5,00821 0,289 0,603 2,380 9,5

На стадии установившегося скольжения произошло уменьшение общей пористости в зоне сдвига (табл. 2), дальнейшее уменьшение диаметра макропор и снижение их числа в три раза. Продолжается процесс смещения и переориентации структурных элементов, что ведет к более плотной упаковке частиц и агрегатов. Произошло увеличение влажности образца на 2% в районе плоскости сдвига. Как и на первом этапе деформирования отсутствует четко выраженная зона сдвига.

На этапе прогрессирующего скольжения выявлено увеличение общей пористости в зоне сдвига, рост всех морфометрических показателей размеров пор (табл. 2), увеличение в 8 раз количества макропор. Продолжается процесс переориентации структурных элементов в направлении сдвига и увеличение числа эллипсоподобных и щелевидных пор. Процесс переориентация частиц и разуплотнение грунта приводит к резкому падению прочности грунтовой системы. По-прежнему отсутствует отчетливо выраженная зона сдвига, процесс деформирования носит объемный характер. Однако при больших увеличениях (хЗООО) видны локальные участки с сильно выраженной ориентацией анизометричных глинистых частиц и отдельные микротрещины и разрывы.

В целом проведенные исследования позволяют представить следующую схему деформирования лессового грунта при сдвиге. В грунте всегда имеются пустоты и трещины, которые можно рассматривать как дефекты структуры. Сдвигающая нагрузка вызывает разрыв связей в слабых местах и смещение частиц и микроагрегатов, что приводит сначала к уменьшению количества и размера пор и соответственно к более плотной упаковке твердых элементов грунта - происходит как-бы залечивание дефектов. При нарастании сдвигающего напряжения продолжается смещение и переориентация твердых элементов структуры в направлении сдвига и миграция влаги

в зону сдаига/ способствующее скольжению частиц. Это ведет к развитию новых пор й трещин. ' :

Таким образом, на стадии установившегося деформирования происходит два взаимокомпенсирующих явления - упрочнение, обусловленное залечиванием дефектов и более плотной упаковке; частиц и расслабление, вызванное переориентацией частиц и появлением новых пор и трещин.

Когда расслабление начинает превалировать над упрочнением возникает прогрессирующая стадия деформирования - разрушение грунта. ' Здесь" продолжается распад микроагрегатов, переориентация частиц и развитие микродефектов, которое и приводит к разрушению грунта. Этим можно объяснить отмеченное на этой стадии разуплотнение грунта, что ведет к непрерывному увеличению скорости деформирования.

. Степень переориентации агрегатов и глобул зависит от стадии деформирования. Разрушение обусловлено возникновением и развитием микродефектов, накопление которых и приводит к разуплотнению грунта на последней стадии сдвига. . . . : : .

На всех стадиях отсутствует четко выраженная зона сдвига. Это объясняется тем, что при быстром сдвиге у глинистых грунтов со смешанными коагуляционно-кристаллизационными контактами весь процесс деформирования, вплоть до очень больших относительных деформаций, носит объемный характер. При переходе, ререз предельное напряжение идет, быстрое накопление,локальных микротрещин, приводящих к разрушению грунта.

При консолидированном сдвиге оценивалось влияние, плотности и влажности на микроструктурные изменения в плоскости, сдвига., Образцы для микроструктурных исследований отбирались на стадии прогрессирующего скольжения при нормальных, нагрузках 0.1,0.2 и Q.3 МПа. .

¡ .Анализ ЮМ-изображений, показал, что при всех уплотняющих нагрузках отсутствует четко выраженная плоскость сдвига, но при больших увеличениях наблюдаются отдельные трещины и полости в грунте, ориентированные параллельно или под углом к сдвигающей нагрузке.

Количественный анализ структуры порового пространства, образцов естественной влажности и в состоянии водонасыщения свидетельствует, что в районе плоскости сдвига произошло увеличении пористости до 3% и величина этого показателя уменьшается с возрастанием плотности грунта (табл. 3). Отдельные морфометрические показатели пористости (общий и средний периметр, средний диаметр и средняя площадь пор) в зоне сдвига уменьшаются с возрастанием плотности образцов и увеличиваются по сравнению с аналогичными показателями вне зоны сдвига. При этрм диаметр ультра-микропор и тонких микропор изменяется очень незначительно, а их количество возрастает почти в 2 раза.

Данные гранулометрического и микроагрегатного, анализов показывают разрушение твердых структурных элементов под действием сдвига. Содержание крупных агрегатов (d > 250 мкм) в образцах естественной влаж-

ности уменьшилось в 3-5 раз, а у водонасыщенного грунта - в 4-10 раз. Дисперсность первичных минеральных частиц в плоскости сдвига практически не меняется.

Таблица 3

Результаты количественного анализа пористости лессового грунта при консолидированном сдвиге

Груш г естественной : | Водо насыщен н ый грунт

влажности • :■■

Нормальное давление, МП а 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3

Пористость, % 45,3 44,7 43,5 44,3 42,6 41,9

Общая площадь, мкм2 977548 975090 963226 903719 898141 870869

Общ. периметр, 106 6,3943 6,0057 5,9090 5,1022 5,8121 4,9380

мкм

Средний диаметр, мкм 0,199 0,187 0,190 0,255 0,195 0,178

Средняя площадь, 0,345 0,311 0.212 0,250 0,180 0,177

мкм2

Средний периметр, 2,473 2,382 2,347 1,506 1,468 1,312

мкм

Коэф. анизотропии,% 9,3 11,0 17,6 8,9 10,6 11,5

Увеличение показателя преимущественной ориентации пор (Ка) и коэффициента формы пор (Кг) свидетельствует о переориентации структурных элементов в плоскости сдвига, причем при возрастании плотности образцов величина Ка и Кг увеличивается. С увеличением плотности образцов возрастает число пор анизометричной формы не зависимо от степени влажности грунта. Абсолютные величины коэффициента анизотропии при сдвиге водонасыщенного грунта меньше, чем у грунта естественной влажности (табл. 3).

Глава 3. Исследование изменений микроструктуры лессового грунта в условиях уплотнения трамбовками различного веса

Микроструктурные исследования выполнялись в рамках натурного эксперимента, осуществляемого кафедрой "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета. В ходе эксперимента проводилось исследование физико-механических характеристик грунта экспериментальной площадки в природном состоянии и после трамбования, определение толщины уплотненной зоны при использовании трамбовок массой 3,2 и Ют, динамики изменений микроструктурных параметров грунта на различных горизонтах уплотненной толщи. Физико-механические и микроструктурные характеристики определялись до глубины 6 м через каждый метр уплотненной толщи.

1 В результате уплотнения трамбовкой массой 3.2 т структура лессового -трунта претерпела изменения, по сравнению с природной, только до глубины 0,5 м. Уменьшилась общая'пористость образцов, исчезли крупные межагрегатные поры, преобладают мелкие'изометричные микропоры размером 5-10 мкм. Отмечено уменьшение размеров.агрегатов и минеральных зерен за счет их механического разрушения. Произошло перераспределение глинистого материала: микроагрегаты глинистых частиц и глинистые "рубашки" глобул частично разрушены, отмечается наличие почти сплошной глинистой массы, в которой содержатся беспорядочно расположенные пылеватые и песчаные зерна. По сравнению с природной микроструктурой скелетного типа структура уплотненного грунта до глубины 0,5 м приобрела признаки микроструктуры скелетно-матричного типа, класс структуры (зернисто-пленчатый) не изменился.

Анализ уплотненного грунта с глубины 1-3 м показал отсутствие принципиальных изменений микроструктуры по сравнению с природной. Исследование физико-механических характеристик грунта на всех горизонтах уплотненной толщи подтверждает эффективность уплотнения только до глубины 0,5 м.

После уплотнения лессового просадочного грунта трамбовкой массой 10 т коренные изменения микроструктуры произошли на поверхности грунта и до глубины 2 м. По сравнению с макропористой скелетной микроструктурой грунта природного сложения, на анализируемых горизонтах получена плотная структура, представляющая сплошную однородную матрицу, в которой затруднено выделение отдельных агрегатов. Отсутствуют крупные микроагрегаты и глобулы строго очерченной формы, что является результатом их разрушения под воздействием динамической нагрузки. Исчезли крупньге межмикроагрегатные поры, а мелкие микропоры имеют, в основном анизометричную и щелевидную форму. В целом микроструктура уплотненного грунта до глубины 2 м трансформировалась из скелетной в структуру матричного типа.

На глубине 3-4 м микроструктура грунта приобретает признаки скелетно-матричного типа структуры. Присутствуют неразрушенные крупные микроагрегаты и глобулы, значительные участки заняты скоплением тонкодисперсных глинистых и пылеватых частиц.

Анализ РЭМ-изображений микроструктуры грунта с глубины 5-6 м показывает, что основные твердые структурные элементы представлены округлыми глобулами и глинисто-пылеватыми агрегатами, имеющими рыхлое сложение и хорошо очерченную округлую форму. Глинистый материал расположен в местах контактов агрегатов и на поверхности минеральных зерен. Основная часть порового пространства представлена крупными межагрегатными изометричными порами, размер которых определяется размером твердых структурных элементов. Все это свидетельствует о наличии на глубине 5-6 м микроструктуры скелетного типа, аналогичной структуре грунта природного сложения.

Результаты исследования физико-механических характеристик уплотненного грунта подтверждают устранение просадочных свойств и повышение прочностных и деформационных показателей уплотненной толщи до глубины 4 м.

Глава 4. Взаимосвязь микроструктуры, состава и свойств лессового просадочного грунта

Полученная количественная информация о микроструктуре лессового грунта с помощью анализа РЭМ-изображений позволила провести исследования по выявлению связи между морфометрическими параметрами микроструктуры, микроагрегатным составом и физико-механическими свойствами породы естественной влажности и при водонасыщении.

С этой целью выполнен корреляционный анализ зависимости содержания микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм от общего периметра и общей площади пор. Обоснованность использования данных именно по микроагрегатному составу обусловлена тем, что основными структурными элементами грунта являются не первичные частицы, а их микроагрегаты, а в исследуемой породе преобладают фракции 0,25-0,05 мм и 0,05-0,01 мм.

Результаты корреляционного анализа показывают, что между содержанием микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм (Мо,25-0,01) и морфометрическими характеристиками порового пространства (общий периметр Per и общая площадь пор S) существует тесная корреляционная связь. Регрессионные уравнения и коэффициенты корреляции (R) имеют следующий вид и значения:

для грунта естественной влажности

Мо.25-о,о1 = 206,1893 - 21,8332Per; RM-Pct = -0,957; (1.1)

Mo,2*0.01 = 23,0115 + 58,0880S; RM.S = 0,944; (1.2)

для водонасыщенного грунта

= 52,4537 +5,7440Per; RVM-Per = 0,974; (1.3)

Mvo,25-o,oi = 30,0956 + 52,8181S; RvM-s = 0,887. (1.4)

Одним из важных показателей, характеризующих состояние глинистой породы, является плотность сухого грунта pd, которая наряду с минеральным составом обусловливает ее пористость п. Для проверки этой закономерности для анализируемого лессового просадочного грунта была изучена корреляционная зависимость величины pd, рассчитанной по стандартной методике, от морфометрического параметра микроструктуры - общей площади пор S, функционально связанного с пористостью породы. Величины pd и S определялись как для грунта естественного сложения, так и при различных ступенях компрессионного уплотнения образцов природной влажности и при водонасыщении.

Результаты исследований показали, что зависимость ра - ДБ) характеризуется обратной корреляционной связью с высокими коэффициентами корреляции:

для грунта естественной влажности

ры = 2,0560-0,63458; 1*.^ =-0,943; (1.5)

для водонасыщенного грунта

р* = 1,9806-0,58238; =-0,803. (1.6)

Важное значение имеет изучение взаимосвязи прочностных и деформационных свойств грунта с параметрами микроструктуры и микроагрегатным составом грунта. В связи с этим была проанализирована зависимость модуля общей деформации грунта Е от морфометрического параметра микроструктуры - общей площади пор 8 и содержания микроагрегатов преобладающих фракций М. Для составления корреляционной таблицы модуль деформации рассчитывался для компрессионной нагрузки от 0,05 до 0,3 МПа через каждые 0,05 МПа.

Результаты многофакторного корреляционного анализа позволили получить следующие уравнения множественной регрессии и коэффициенты корреляции:

для грунта естественной влажности

Е = 2,395 + 0,597М - 46,4558; ЯЕ =0,984; (1.7)

для водонасыщенного грунта

Еу = -10,627 +0,2113М-2,8358; 11* =0,969. (1.8)

Высокие значения коэффициентов корреляции позволяют говорить о возможности использования выведенных регрессионных уравнений для расчета модулей деформации лессового грунта при различных ступенях компрессионного уплотнения по данным микроагрегатного состава и количественного анализа РЭМ-изображений микроструктуры грунта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Структурные особенности оказывают определяющее влияние на закономерности поведения глинистых грунтов под влиянием различных техногенных воздействий.

2. В результате проведенных исследований изменения микроструктуры лессового грунта естественной влажности и при полном водонасыщении под влиянием компрессионного уплотнения получены количественные данные морфометрических параметров при различной величине компрессионной нагрузки. По данным автоматизированного анализа микроструктуры и результатам гранулометрического анализа установлено разрушение и перекомпоновка твердых элементов структуры грунта, уменьшение размеров

всех категорий пор. Под влиянием уплотнения и замачивания зафиксирован переход микроструктурь; скелетного типа грунта природного сложения в микроструктуру скелета >матричного и матричного типа,, характеризующуюся как более плотнло, менее деформируемую и более устойчивую к внешним воздействиям.

3. В рез}льтате исследования геометрических характеристик микроструктуры установлена переориентация элементов структуры грунта в направлении, перпендикулярном действию компрессионной нагрузки, получены количественные данные изменения степени преимущественной ориентации пор и коэффициента формы пор при различной величине компрессионной нагрузки.

4. На основании микроструктурных исследований лессового грунта на различных этапах сдвигового деформирования получена схема деформационного поведения грунта при сдвиге.

Установлены закономерности изменения морфометрических параметров микроструктуры, дисперсности и степени переориентации структурных элементов в зоне сдвига в зависимости от плотности и влажности грунта. Микроструктурная перестройка захватывает тем меньший объем грунта, чем плотнее испытываемый образец. Величина микродефектов грунта (пор и трещин) в районе плоскости сдвига уменьшается по мере роста его плотности. Происходит разрушение глинисто-пылеватых агрегатов грунта, содержание минеральных зерен практически не меняется. Степень переориентации структурных элементов и объем пор анизометричной формы зависит от плотности грунта. Разрушение грунта происходит за счет накопления локальных микродефектов, процесс сдвигового деформирование носит объемный характер.

5. Установлена динамика изменения основных структурных элементов при уплотнении грунта трамбовками массой 3,2 т и 10 т на различных горизонтах уплотненной толщи. На основании микроструктурных исследований дано обоснование увеличения прочностных и деформационных характеристик породы в результате динамического уплотнения.

6. На основании корреляционного анализа зависимости физико-механических характеристик грунта от морфометрических характеристик микроструктуры и ее микроагрегатного состава получены уравнения регрессии для расчета плотности сухого грунта и микроагрегатного состава по данным количественного анализа РЭМ-изображений микроструктуры грунта. В результате многофакторного корреляционного анализа получены уравнения множественной регрессии для расчета модулей деформации при различных ступенях компрессионного уплотнения по данным микроагрегатного состава и морфометрическим характеристикам пористости грунта.

Список работ автора по теме диссертации:

1. Исследование микроструктуры лессового грунта опытной площадки г.Нарнаула методами электронной микроскопим // Перспективные конструкции и технологии: Сб. науч. тр. - Барнаул: Изд-во АГУ, 1995. - С. 13-14.

2. Изменение микроструктуры леаювого грунта под влиянием компрессионного уплотнения // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. -Барнаул, 1996. - С. 30-33.

3. Микроструктурные исследования лессового грунта, уплотненного тяжелыми трамбовками // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. -Барнаул, 1996. - С. 54-56. (Соавтор Г.И.Швецов).

4. Аналитический способ определения площадей элементов микроструктуры грунта по РЭМ-изображениям // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. - Барнаул, 1996. - С. 4-6. (Соавторы Б.Ф.Азаров, Г.И.Мурадова).

5. Программа преобразования файлов изображений микроструктуры грунта для работы в системе "Видеотест" // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. - Барнаул, 1996. - С. 42-44. (Соавтор И.В.Карелина).

6. Изменение микроструктуры лессового грунта при уплотнении его тяжелыми трамбовками II РААСН. Вестник отделения строительных наук. Вып. 1.-М., 1996. - С. 116-118. (Соавтор Г.И.Швецов).

7. Влияние компрессионного уплотнения на микроструктуру водона-сыщенного лессового грунта // Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы: Тез. докл. Казахской национальной геотехнической конференции с иностранным участием. - Акмола, 1997. - С. 13-15.

Подписано к печати 19.11.97. Формат 60x84/16. Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 48/97.

Издательство Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова. 656099, г.Барнаул, пр-т Ленина, 46.

Лицензия ЛР № 020822 от 21.09.93.