5.2.2. Размягчаемость грунтов

Размягчаемостью грунтов называется способность скальных грунтов снижать прочность при взаимодействии с водой без видимых признаков их разрушения. Механизм размягчения, как и размокания грунтов, заключается в ослаблении структурных связей между частицами, зернами, кристаллами в результате проникновения в промежутки между ними молекул воды и снижения при этом поверхностной энергии. Поскольку скальные грунты имеют высокую начальную прочность, то при гидратации они не теряют полностью несущую способность и не размокают в воде.

Для характеристики размягчаемости используется коэффициент размягчаемости в воде К_sof, д. ед.. – отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном (R_сw) и в воздушно-сухом состоянии (R_с). Чем выше значение коэффициента размягчаемости (k_sof), который изменя­ется в пределах от 0 до 1, тем менее размягчаемым является данный грунт. По степени размягчаемости в воде скальные грунты подразделяют согласно табл. 2.2 [34].

Рассматриваемые грунты классифицируются также по свойствам скелетных фракций:

• грунты с водостойкой скелетной частью (коэффициент размягчаемости выше 0,75), которая может быть представлена обломками изверженных и метаморфических пород, не изменяющих свои прочностные свойства при увлажнении, – гранит, базальт, диорит и др. Большая часть невыветрелых изверженных и многие разности метаморфических грунтов очень слабо размягчаются в воде: их коэффициент размягчаемости (k_sof) находится в пределах 0,95–1;

• грунты с неводостойкой скелетной частью (коэффициент размягчаемости ниже 0,75), включающей обломки легковыветривающихся, размягчающихся при увлажнении горных пород. Особенно сильно размягчаются грунты, содержащие значительное количество глинистых минералов (мергели, мергелистые известняки, глинистые песчаники, глинистые сланцы и др.), а также карбонатные (известняки, мел и др.) и кремнистые грунты (опоки, диатомиты). Легко размягчаются грунты с легкорастворимыми цементами (пески с гипсовым цементом и др.) и водорастворимыми солями. Например, коэффициент размягчаемости глинистых песчаников не превышает 0,45, а у некоторых известняков он колеблется от 0,15 до 0,5.

Размягчаемость грунтов зависит от их минерального состава, прочности структурных связей между элементами, трешиноватости, пористости и др. Чтобы разрушить образец твердого грунта и получить новую поверхность (по плоскости разрушения), необходимо преодолеть когезионные силы обеспечивающие его целостность. При разрушении грунта при сжатии он сначала претерпевает объемное деформирование (упругое и пластическое), а затем при усилии, соответствующем его пределу прочности, он разрушается.

5.2.3. Размываемость грунтов

Рис. 5.8. Размываемость грунтов: а) поверхностная; б) волновая; в) суффозионная [50]

Размываемостью грунтов называется их способность разрушаться под влиянием движущейся воды, воздействующей на грунтовую толщу. Это свой­ство грунтов, наряду с динамикой водного воздействия, определяет размыв грунтового массива. Легкая размываемость служит причиной образования и развития густой овражной сети (эрозия) и явлений, вызываемых механической суффозией. В зависимости от характера и направления водного воз­действия различают (рис. 5.8):

• лобовую (волновую) размываемость грунта, обусловленную фронтальным действием воды на грунт;

• поверхностную размываемость грунта, обусловленную действием текучих вод вдоль поверхности грунта (по касательной);

• суффозионную размываемость грунта, обусловленную выносом частиц грунта из массива движущимся водным потоком.

Волновой (лобовой) размыв грунтов происходит при фронтальном действии воды на грунтовый массив. Он широко распространен в зоне действия прибоя по берегам морей, озер, водохранилищ. В этом случае грунт подвергается периодическому ударному действию энергии волн, возможному периодическому сжатию воздуха в порах, трещинных пустотах и влиянию вакуумных явлений. Волновой размыв представ­ляет собой разрушение структурных связей грунта за счет удара волны и со­провождается теми же сопутствующими процессами, что и плоскостной размыв, т. е. отрывом частиц, преодолением их сцепления и их дальнейшим уносом от места отрыва.

Интенсивность волнового размыва грунтов зависит от тех же внутренних факторов, что и поверхностный размыв, однако среди внешних факторов на первое место выступает энергия волны (Е_в), угол подхода волны (_в) к размываемой поверхности (плоскости) грунта [35].

Поверхностный размыв грунтов происходит при действии текучих вод на склонах (плоскостная эрозия), а также вдоль постоянных водотоков (боковая и донная эрозия). Для характеристики поверхностной размываемости грунтов используют следующие показатели [50]:

1) размывающую (или критическую) скорость водного потока (v_сr), представляющую собой среднюю скорость потока, при которой начинается отрыв отдельных частиц и волочение их по потоку,

2) интенсивность размыва (I_р) – отношение средней толщины размытого слоя грунта (Δh) при данной скорости размыва к длительности размыва (Δt), т. е.:

I_р = Δh / Δt.

3) интенсивность смыва (I_c), характеризующую потерю массы смываемых чаcтиц грунта (Δm) в единицу времени с единицы площади смыва и определяемому отношением:

I_с = Δm / Δt ·S,

где Δt – время размыва; S – площадь, на которой происходит смыв частиц.

Предварительно допускаемые неразмывающие средние скорости потока для однородных несвязанных грунтов при содержании в них глинистых частиц менее 0,1 кг/м³ можно принимать по табл. 5.6 [106], для грунтов, имеющих ρ_s = 2,65 г/cм³.

Поверхностная размываемость грунтов зависит от большого числа взаимодействующих и взаимосвязанных факторов, главнейшими из которых являются состав и характер структурных связей в грунте. Размываемость нерастворимых грунтов с жесткими кристаллизационными связями обусловлена, главным образом, их тектонической нарушенностью и действием процессов выветривания. Размываемость растворимых в воде грунтов определяется прочностью структурных связей ионного типа, которые под воздействием воды растворяются, способствуя выносу слаборастворимой ее части. Плотные глины и суглинки, не размокающие в воде, при длительном воздействии текучей воды в связи с их слабой литификацией размываются. Размокаемые связные грунты размываются наиболее быстро, причем их размываемость в многом обусловливается сопротивлением размоканию. Размываемостъ связных грунтов зависит от дисперсности химико-минеральных особенностей, пористости, пластичности, размокаемости, влажно­сти, твердости, сцепления и ряда других характеристик. В общем случае, чем выше прочность структурных связей и их водостойкость, тем выше критическая размывающая скорость, а следовательно – меньше размываемость грунта. Размываемость несвязных грубообломочных и песчаных грунтов обусловлена в основном гидравлической крупностью частиц (табл. 5.6).

Между размываемостью глинистых пород и их размокаемостью существует четкая связь: в большинстве случаев быстроразмокаемые грунты обладают и высокой размываемостью. Сопротивление их размыву несколько возрастает с увеличением содержания частиц диаметром менее 0,05 и 0,001 мм. Размываемость грунтов в большой степени зависит от их структурно-текстурных осо­бенностей. В частности, сопротивление глинистых грунтов размыву возрастает при уменьшении пористости. В слоистых толщах размываемость по напласто­ванию обычно в 1,2–1,5 раза ниже, чем в направлении, перпендикулярном к нему. Сопротивление размыву грунтов с нарушенной структурой значительно ниже по сравнению с грунтами ненарушенного сложения.

Таблица 5.6

Допускаемые неразмывающие скорости потока однородных несвязных грунтов [106]

Средний размер частиц грунта, мм	Допускаемые неразмывающие средние скорости потока, м/с, при глубине потока, м
	0,5	1	3	5
0,05	0,52	0,55	0,60	0,62
0,25	0,37	0,39	0,41	0,45
0,50	0,41	0,44	0,50	0,52
1,00	0,51	0,55	0,62	0,65
2,50	0,69	0,75	0,86	0,90
5,00	0,87	0,96	1,10	1,17
25,00	1,46	1,65	1,93	2,12
75,00	2,01	2,35	2,89	3,14
100,00	2,15	2,54	3,14	3,46
150,00	2,35	2,84	3,62	3,96
200,00	2,47	3,03	3,92	4,31
300,00	2,90	3,32	4,40	4,94

Суффозией грунта называют процесс перемещения мелких частиц грунта по по­рам, образованным более крупными частицами, под воздействием фильтра­ционного потока. Механизм суффозионного размыва, который иногда называют также фильтрационной водопрочностью грунтов, состоит в гидромеханическом воздействии на частицы, ослаблении структурных связей и выносе отдельных частиц грунта вместе с фильтрационным потоком.

Термин механическая суффозия вводится для того, чтобы отличить этот процесс от химической суффозии, когда фильтрационные воды растворяют химические соединения грунта и тем самым выносят растворимые включения. Механическая суффозия проявляется в виде отрыва и перемещения отдельных частиц, агрегатов и целых объемов грунта внутри пор или трещин как самого подвергающегося суффозии грунта, так и прилегающего к нему другого грунта, материала обратного фильтра, засыпки и т. д. Химическая суффозия – это выщелачивание фильтрационным потоком минеральной основы грунта, в которой содержатся растворимые вещества (гипс, кальцит, галит). Обратный процесс называется кольматацией грунта – когда отдельные более мелкие частицы грунта, движущиеся в порах, останавливаются и отлагаются в какой-либо области грунто­вого массива, закупоривая поры. Возможна также химическая кольматация грунта, когда в результате химического взаимодействия воды и грунта соли также закупоривают поры грунта.

Согласно [95] всякое нарушение суффозионной устойчивости грунта следует рассматривать как нарушение местной фильтрационной прочности основания сооружения, критерием обеспечения которой является условие:

(5.8)

где i_est – местный градиент напора в рассматриваемой области основания, определяемый известными методами (например, путем моделирования фильтрации в этой области); i_cr – местный критический градиент напора, определяемый по расчетным зависимостям или путем испытаний грунта на суффозионную устойчивость; γ_n – коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, принимаемый равным 1,25, 1,20, 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений I, II, III, IV классов.

Критериями обеспечения местной фильтрационной прочности скального грунта являются условие (5.8) и условие:

(5.9)

где и – скорость фильтрации в скальном массиве и средняя скорость течения воды в трещинах этого массива; n_j – трещинная пустотность скального массива; v_{cr, j} – критическая в отношении суффозии скорость течения воды в трещинах [95].

Предварительно дать прогноз возможности развития суффозионного процесса можно по показателям физических свойств и состава грунта. Как правило, устойчивость грунта к внутренней объемной суффозии определяется степенью заполнения мелкоземом пор его скелета. Согласно исследованиям Истоминой В.С. явления суффозионного разрушения наблюдаются в песках с коэффициентом неоднородности c_u более 15-20, при значениях c_u до10-15 суффозионное разрушение наблюдается при градиентах более 0,8-1,0, вместе с тем вынос мелких частиц наблюдается при меньших градиентах. В табл. 5.7 приведено минимальное (по данным ВНИИ ВОДГЕО) содержание мелкозернистой (d < 1 мм) компоненты грунта, при которых обеспечивается сплошность заполнения пор скелета, имеющего рыхлую структуру (п = 0,45). Эти данные следует рассматривать как ориентировочные при предварительной оценке суффозионных свойств грунта.

Таблица 5.7

Характеристики грунта устойчивого к суффозии

Мелкоземный заполнитель	Индекс пластичности Iр	Расчетная плотность, ρ, г/см3	Влажность мелкозема, wм	Минимальное содержание мелкозема, д. ед..
Супесь	0,04	1,60	0,15	0,32
Суглинок	0,09	1,59	0,165	0,30
Глина	0,25	1,26	0,31	0,24

Оптимальная влажность, при которой обеспечивается достаточно хорошая уплотняемость грунта определяется по формуле:

w _опт = w ρ + w_c ,

где w_c = 0,02 – 0,03 – влажность, обеспечивающая смачивание частиц скелета.