5.2. Водопрочность грунтов

Водопрочностью (или водоустойчивостью) грунтов называют их способность сохранять свою механическую прочность и устойчивость в водной среде. В водопрочности грунтов проявляются как их физико-химические, так и физико-механические особенности. Условия взаимодействия грунта с водой могут быть статическими (спокойная вода) или динамическими (движущий­ся поток воды). В первом случае результатом этого взаимодействия в дисперсных грунтах является их размокание, в скальных грунтах – их размягчение, во втором случае – размыв грунтов. В соответствии с этим водопрочность грунтов характеризуют по их размокаемости, размягчаемости и размываемости.

5.2.1. Размокаемость грунтов

Размокаемостью называется способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу с пол­ной потерей прочности. Размокание грунтов происходит в результате посте­пенного ослабления неводостойких структурных связей между элементарны­ми частицами или агрегатами грунта в процессе их гидратации. Способностью к размоканию обладают дисперсные грунты, а также слабосцементированные осадочные и искусственные грунты с растворимым, неводостойким или гли­нистым цементом.

Показателями размокаемости грунтов являются [50]:

1) время размокания (t_p) – интервал времени, в течение которого образец грунта, помешенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера;

2) скорость размокания (v_р), оцениваемая по относительной потере массы Δm/m₀ образца за время Δt, где m₀ – начальная масса образца;

	Условные обозначения: 1 – корпус; 2 – стрелка; 3 – шкала; 4 – сетка; 5 – рычаг; 6 – противовес
Рис. 5.7. Прибор для определения размокаемости грунта [143]

3) характер размокания, оцениваемый визуально в выработках или на образцах, отражает качественную картину распада грунта.

Определение показателей размокаемости. Размокание грунта определяют на образцах с ненарушенной и нарушенной структурой при помощи прибора ПРГ (рис. 5.7). Для определения размокания грунта ненарушенной структуры грунтоотборником из монолита грунта вырезают цилиндры диаметром и высотой 30 мм (или кубики 30х30х30 мм). Одновременно из исследуемого грунта отбирают пробу для определения его начальной влажности.

При определении размокания грунта нарушенной структуры высушенный на воздухе грунт размельчают и просеивают через сито с сеткой № 05. Просеянный грунт заливают водой и приготавливают тесто такой консистенции, при которой оно не прилипает к рукам при раскатывании. Из приготовленного теста грунтоотборником вырезают образцы так же, как из монолита грунта.

Кубик или цилиндр устанавливают на сетку с отверстиями в 1 см, которая подвешена в сосуде с водой (дистиллированной или водой с точки отбора образца). Помещенные в воду образцы начинают размокать. При описании характера размокания образца приводят описание формы, размеры частиц (крупные, мелкие комочки, чешуйки, пыль), последовательность их распада. Записи в журнале делают в следующие промежутки времени: 1, 30 мин, 1, 6, 24 и 48 ч, применяя термины из табл. 5.4 и 5.5.

Таблица 5.4

Описание поведения помешенного в воду образца грунта

Термин	Описание грунта после 24 ч размокания в воде	Степень
Устойчивый	Изменений нет	1
Достаточно устойчивый	Образовалось несколько трещин или поверхность образца слегка крошится	2
	Образовалось много трещин, крошится на мелкие куски, поверхность образца сильно крошится	2
Неустойчивый	Образец распадается или почти вся поверхность образца крошится	4
	Образец переходит в суспензию или распадается до песка	5

Таблица 5.5

Критерии размокания грунта

Время размокания образца	Характер размокания
Полностью за 1 мин	Мгновенное
Более 80–90 % объема за 30 мин	Очень быстрое
Более 50 % объема за 1 ч	Быстрое
Более 50 % объема за 6 ч	Медленное
Менее 25 % объема за 24 ч	Очень медленное
Менее 10 % объема за 48 ч	Практически неразмокающий грунт

Процент распада грунта в любой момент времени рассчитывается по формуле:

 

где Р – распад грунта, %; Н – начальная числовая отметка; Н_р – числовая отметка в процессе размокания.

Опыт считается законченным, если образец размокнет и провалится через сетку на дно сосуда или долгое время будет сохранять свое состояние без изменений. Если образец не размокнет через 48 ч, проводится его описание и испытание прекращают. Некоторые слабые породы не распадаются сразу после извлечения из воды, а только после высушивания.

Величина показателя размокаемости в грунтах зависит от их химико-минерального состава (минералогии частиц, наличия водорастворимых солей, состава обменных катионов), структурно-текстурных особенностей (характера структурных связей, дисперсности, текстуры и др.), влажности-плотности, состава и концентрации взаи­модействующего с грунтом водного раствора.

Состав грунтов определяет их структурные особен­ности, характер структурных связей и, следовательно, влияет на размокание. При этом большое влияние на характер и скорость размокания оказывают содержащиеся в грунтах естественные цементы, например водорастворимые соли, карбонаты, гипс, гумус и др. Растворение солей на контактах частиц приводит к распаду агрегатов и размоканию грунтов.

Размокаемость также зависит от состава и характера сложения грунтов. Большинство скальных грунтов является практически неразмокаемыми и только размягчаются при насыщении водой. На скорость и характер размокания дисперсных грунтов большое влияние оказывает гранулометрический состав, в значительной степени определяющий характер их пористости и, следовательно, их водопроницаемость. Макропористые, легко водопроницаемые и обладающие обычно слабым структурным сцеплением грунты имеют большую скорость размокания. Наоборот, тонко пористые, мало водопроницаемые и плотные грунты с повышенной величиной структурного сцепления отличаются большой водопрочностью и медленным размоканием. Наличие в грунтах макро- и микротрещин способствует их размоканию. Грунты с нарушенным сложением характеризуются гораздо большей скоростью размокания по сравнению с породами ненарушенной структуры, поскольку первые отличаются от вторых меньшей связностью.

Сухие грунты или грунты с незначительной влажностью, как правило, размокают значительно быстрее, чем недонасыщенные разности. Согласно В.А. Приклонскому, для каждого типа глин характерна некоторая «критическая» влажность, по которой можно судить о его водопрочности. Если влажность глины ниже критической, то грунт размокает; грунт с более высокой влажностью (выше критической) практически не размокает. Величина критической влажности грунтов возрастает пропорционально росту их емкости обмена (у монтмориллонитоной глины она около 50 %, у каолинитовой – около 25 %). Это объясняется тем, что, с одной стороны, связанная вода, заполняющая тонкие поры при малой влажности, препятствует быстрому проникновению новых порций воды. С другой стороны, капиллярная вода при малой влажности глин также способствует их капиллярной связности, которая постепенно исчезает при полном водонасыщении.

Определенное влияние на размокание оказывает и защемленный воздух в порах грунта. При быстрой гидратации грунта значительная часть воздуха оказывается защемленной в порах впитываемой водой. Если давление сжатого воздуха в порах превышает прочность контактов на разрыв, то сжатый воздух разрушает грунт и пузырьки выходят наружу. Именно такой процесс характерен для размокания лёссов и лессовидных грунтов. Таким образом, при постепенной гидратации и водонасыщенности грунты проявляют большую водопрочность, чем при быстром развитии этих процессов, поскольку в последнем случае образуется больше защемленного воздуха в порах [50].