Основные положения о свойствах связных грунтов

Главным параметром, определяющим физические и физико-механические свойства связных грунтов, является коэффициент пористости, зависящий, в свою очередь, от влажностных характеристик грунта.

Величина коэффициента пористости определяется в лаборатории по монолиту, отобранному из горной выработки. Считается при этом, что монолит представляет собой образец ненарушенной структуры. Посмотрим, насколько последнее утверждение соответствует истине.

1. При любом отборе грунт неизбежно проходит через два барьера: по температуре и по давлению. При этом в грунте происходят неучитываемые процессы: из водных оболочек глинистых частиц выделяется газовая составляющая, что, в свою очередь, приводит к нарушению структуры грунта и «монолит» превращается в образец нарушенной структуры. Здесь возможны два момента. В образцах с пластичной консистенцией после любого воздействия происходит восстановление структуры грунта благодаря тиксотропии [2], дело только за временным фактором. В образцах же с твердой, полутвердой и тугопластичной консистенцией происходит разрушение структуры грунта и от преодоления двух барьеров, и от воздействия динамических и вибрационных нагрузок (структура грунта при этом не восстанавливается).
2. При проведении лабораторных испытаний на прочностные и деформационные свойства в первую очередь, помимо желания, разрушается структура связного грунта.
3. При возведении сооружений на связных грунтах последние под фундаментами претерпевают изменения, связанные с уплотнением их от нагрузки, что приводит, в конечном счёте, к сдвиговым деформациям [3], иначе говоря, под фундаментами также образуется глинистая паста с нарушенной структурой.
4. Хуже дело обстоит с неоднородностью грунтов, которая связана с наличием включений с большей плотностью, чем плотность глинистой фракции. Совокупная же плотность грунта (глинистая фракция + включения), определенная по монолиту, не соответствует плотности самой глинистой фракции, которая собственно и определяет свойства толщи. Следовательно, для строительных целей следует определять плотность глинистой фракции, а не совокупную его плотность. Коэффициенты пористости, определенные по таким монолитам, имеют заведомо заниженные значения, то есть физико-механические свойства грунтов в итоге оказываются завышенными.
   К сожалению, до настоящего времени определение плотности глинистой фракции, а, следовательно, и коэффициента пористости, возможно лишь после удаления включений, то есть, с нарушением структуры.
5. Следует при этом помнить и то, что всякое вмешательство в сложившуюся природную среду влечет за собой изменение этой среды в худшую сторону и, в первую очередь, за счет увеличения влажности, что, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента пористости и уменьшению плотности грунта.
6. Следует вспомнить и о влияние гравитационного поля Луны, которое постоянно воздействует на структуру связных грунтов, не позволяя им консолидироваться. Приливно-отливные явления, действующие на акваториях морских побережий, характерны и для покровных грунтов суши.

Таким образом, отбор монолитов «ненарушенной структуры» не гарантирует получения корректных данных физических и физико-механических свойств связных грунтов. Очевидно, следует по иному подходить к методике определения свойств этих грунтов, рассматривая их как динамические системы.

В первом приближении, автором принята за первооснову глинистая составляющая грунта, определяемая влажностью на пределе текучести (Wt).

Принято считать, что при определении числа пластичности глинистой фракции (Ip), влажность на пределе текучести (Wt) определяется более объективно, чем влажность на пределе раскатывания (Wr). Об этом много писалось в научных публикациях прошлого столетия. Поэтому статистически обработанные автором данных более 5 000 образцов позволили получить прямую линейную зависимость, описываемую уравнением:

(1) Wr = 0.65 Wt с парным коэффициентом корреляции более 0,9.

В свое время Николаем Яковлевичем Денисовым [1] было установлено, что «при одной и той же естественной влажности коэффициент пористости будет больше у грунта с большей влажностью на пределе текучести». С другой стороны, при одной и той же влажности на пределе текучести коэффициент пористости будет большим у грунта с большей естественной влажностью. То есть, коэффициент пористости, определяющий физические и физико-механические свойства глинистого грунта, находится в двойной зависимости от естественной влажности и влажности на пределе текучести, или

е = f(W,Wt).

Эта зависимость была проверена автором количественно на многочисленных данных, полученных путем испытания монолитов [4], и выразилась эмпирической формулой:

(2) е = ρs (0,75W + 0,25Wt)

где: е – коэффициент пористости, дол.ед.;
ρs – плотность частиц грунта, г/см3;
W – естественная влажность грунта, дол.ед.;
Wt– влажность на пределе текучести этого же грунта, дол.ед.

Точность определения коэффициента пористости по формуле (2) контролируется точностью фиксации влажности на пределе текучести и естественной влажности, и не превышает ± 4%, а по общепринятой методике до ±30%.

Также, по программе трехфакторного анализа, на основании многочисленных выборок лабораторных испытаний, была проверена действенность влажностных характеристик грунтов на их физико-механические свойства, что для сдвиговых параметров описываются линейными уравнениями регрессий с совокупным коэффициентом корреляции не хуже 0,95:

(3) C = 0,42 + 1,3 Wt - 2 W
(4) φ = 22 + 24 Wt - 46W

где: C – сцепление грунта, кг/см2; с максимальной ошибкой ±0,04кг/см2;
φ – угол внутреннего трения, град.; с максимальной ошибкой ±1°

Что касается деформационных параметров связных грунтов, то они, в зависимости от типа проектируемого сооружения, требуются в виде модуля деформации, нормативного давления, условного сопротивления, модуля сжатии и т.д. Но во всех этих показателях при расчетах фигурирует приращение коэффициента пористости при данной нагрузке. Оказалось при этом, что между коэффициентом пористости при естественной влажности и коэффициентом пористости при данной нагрузке существует прямая линейная связь, которая описывается серией уравнений с коэффициентом парной корреляции, близким к единице:

Исходя из формулы (2), следует считать влажность на пределе текучести величиной постоянной для данного грунта в данный момент времени при данной естественной влажности, являющейся паспортом его, а естественная влажность – величина переменная, изменяющаяся в естественных условиях в широких пределах. При отборе образца связного грунта мы имеем ту влажность, а, следовательно, и пористость этого грунта, которая соответствует бытовому давлению.

Невзирая на протесты оппонентов, что влажность на пределе текучести не имеет теоретического обоснования, тем не менее, она до настоящего времени является единственным параметром, характеризующим глинистость грунта, и отстраняться от нее не имеет смысла, поскольку она фигурирует во всех без исключения официальных документах.

Предлагаемые формулы (2-9) применима для связных грунтов с коллоидными связями и не применима для грунтов, обладающих кристаллизационными связями.

При анализе лабораторных данных по многим районам бывшего Советского Союза и сравнивании их с данными, полученными по формуле (2), были обнаружены расхождения значений коэффициента пористости до ±30%, связанные, либо с наличием большого количества включений, либо потерей естественной влажности в процессе отбора и транспортировки монолитов. При этом по лабораторным данным плотность грунта оказывается завышенной, коэффициент пористости заниженным, а расчетная влажность полностью насыщенного водой грунта оказывается меньше естественной влажности, что само по себе абсурдно. Абсурдна и расчетная плотность грунта в насыщенном водой состоянии, превышающая плотность его при естественной влажности.

Используя формулу (2), можно сделать вывод, что максимальная плотность связного грунта при длительном прогреве достигается при е = 0,25ρsWt, а минимальная – при е = ρsWt . Пластичными свойствами, то есть тиксотропным восстановлением структуры, грунты, очевидно, обладают при естественной влажности, превышающей 0,65 Wt.

Литература

1. .Денисов Н.Я. «Природа прочности и деформаций грунтов. Избранные труды» Изд.-во литературы по строительству. М., 1972.
2. Долматов Б.И. «Механика грунтов, основания и фундаменты». 1988.
3. Передельский Л.В., Приходченко О.Е. «Инженерная геология». Изд.-во «Феникс». Ростов-на-Дону, 2009.
4. Холявко Г.Р. «Как определить свойства связных грунтов без отбора монолитов». В журнале: «Природные ресурсы Горного Алтая». №1, г. Горно-Алтайск, 2007.

Об авторе:

Холявко Геннадий Романович, год рождения 1937, Приморский край, п. Тетюхе. В 1955 году, после окончания десятилетки на станции Тихорецкая, был принят в Новочеркасский геологоразведочный техникум на отделение гидрогеология и инженерная геология, который успешно закончил в 1958 году, и был направлен на работу в Заунгузскую гидрогеологическую партию (Центральные Каракумы), откуда был призван в ряды Советской Армии.

По демобилизации в 1961 году был принят на работу в Левобережную геологоразведочную партию на должность техника-геолога (Кемеровская обл., Прокопьевский район, с. Терентьевское). В 1968 году, после окончания заочного факультета гидрогеологии и инженерной геологии Томского политехнического института, был переведен в СО Союзводоканалпроект на должность технического руководителя экспедиции. В 1971 году был переведен в СО ПромтрансНИИпроект на должность начальника экспедиции.

В 1974 году был принят на должность начальника Новокузнецкого съемочного отряда Красновоярской гидрогеологической партии, откуда в 1980 году был откомандирован в загранкомандировку в СРВ на должность старшего гидрогеолога партии. В 1983 году по окончании командировки был принят в Аэрокосмическую геолого-методическую партию на должность старшего геолога. В 1991 году переводом был принят в СО Союзводоканалпроект на должность начальника отдела изысканий, откуда в 1995 году был переведен на должность ведущего гидрогеолога Аэрокосмической партии Новокузнецкой комплексной геолого-геофизической экспедиции. В 2002 был уволен по сокращению штатов. В период с 2008 по 2011 год работал в должности главного геолога в инженерно-изыскательской группе «Горизонт».

В настоящее время являюсь безработным пенсионером, и пытаюсь опубликовать те результаты своей деятельности, которые могут многократно облегчить работу исследователя.

Инженер-геолог Г.Р. Холявко
г. Новокузнецк, ул. Ноградская, 8-22
E-mail: geologgena37@yandex.ru