5.4. Усадочность грунтов

Усадкой грунтов называется их способность уменьшать свой объем при испарении из них влаги. Свойство усадочности наиболее характерно для дисперсных грунтов с коагуляционными структурными связями – глин (набухающих), илов, торфов и др. Причинами уменьшения объема грунтов при их обезвоживании является уменьшение толщины водных пленок вокруг частиц, постепенное сближение частиц и преобразование при этом коагуляционных контактов в точечные (переходные). За счет этого объем грунта и его пористость постепенно уменьшаются.

Рис. 5.10. Изменение объема образца грунта при усадке [136]

При определении деформаций основания осадка его от внешней нагрузки и возможная усадка от уменьшения влажности набухающего грунта должны суммироваться. Усадку основания в результате высыхания набухшего грунта s_sh, см, определяют по формуле:

,

где _sh,i – относительная линейная усадка грунта i^–го слоя; h_i – толщина i^–го слоя грунта, см; k_sh – коэффициент, принимаемый равным 1,3; п – число слоев, на которое разбита зона усадки грунта [92].

Допускается принимать _sh,i, определяемую без нагрузки, при этом k_sh = 1,2.

Нижнюю границу зоны усадки H_sh, м, определяют экспериментальным путем, а при отсутствии опытных данных принимают равной 5 м.

Усадочность грунтов характеризуют следующими показателями:

• относительной линейной усадкой (ε_sh);

• относительной объемной усадкой (b_sh),

• влажностью на пределе усадки (w_sh) или предел усадки (SL);

• коэффициентом усадки (β_sh).

Относительной линейной усадкой (ε_sh) называется отношение абсолютной линейной деформации усадки образца (Δh) по высоте к его начальной высоте (h₀): ε_sh = Δh/h₀, или то же отношение по любому иному линейному размеру образца; измеряется в % или в долях единицы.

Относительной объемной усадкой (ε_shV) называется отношение абсолютной объемной деформации усадки образца (ΔV) к его начальному объему (V₀): ε_shV = ΔV/ V₀, измеряется в % или в долях единицы.

Влажностью на пределе усадки (w_sh) называется такая влажность грунта ниже которой усадки грунта не происходит; измеряется в % или в долях единицы (рис. 5.10).

Коэффициентом усадки (β_sh) называется параметр, определяемый по формуле:

β_sh = b_sh /(Δw– b_shw₀);

где Δw – диапазон изменения влажности образца в процессе усадки; w₀ – начальная влажность грунта.

Этот показатель характеризует изменение объема грунта при уменьшении его влажности на 1 %, поэтому его величина обратна значениям линейной и объемной усадки, т. е. минимальные значения β_sh будут у грунтов с максимальной линейной или объемной усадкой, и наоборот.

Определение усадки грунта [32]. Усадку грунта определяют в условиях свободной трехосной деформации образца при высыхании грунта. Испытания проводят для определения показателей, характеризующих изменение объема глинистых грунтов при высыхании. Определяют следующие характеристики усадки: усадка по высоте, диаметру и объему, влажность на пределе усадки. Результаты испытаний оформляются в виде графиков изменения объема образца от влажности при усадке.

Испытание для определения характеристик усадки грунта производят до полной потери им влажности. При усадке испарение воды (или раствора) из образца грунта не должно вызывать образование на нем усадочных трещин.

Для определения усадки грунтов необходимо иметь приспособление для измерения образцов грунта при усадке (рис. 5.11), рабочее кольцо компрессионного прибора; предметное стекло, покрытое тонким ровным слоем парафина; емкость с крышкой (стеклянный колпак или эксикатор) объемом не более 1 л для сушки образцов; штангенциркуль; микрометр.

Более точные результаты замера объема грунта после усадки дает ртутный метод. В стеклянную ванночку с ртутью опускается высушенный грунт, который погружается в жидкость с помощью трех выступов на крышке (рис. 5.11, а). Благодаря высокой плотности ртути (13,6 г/см³) заполняются все поры и пустоты в грунте, и по изменению объема жидкости рассчитывается объем грунта [124]. Необходимо отметить, что работа с ртутью очень вредна для здоровья.

Для определения линейной усадки применяются также специальные формы в виде двух половинок цилиндра диаметром 2,5 мм и длиной 140 мм (рис. 5.11, в).

При испытании грунта на усадку образец грунта извлекают из кольца и помещают на предметное стекло, покрытое тонким ровным слоем парафина. Затем измеряют высоту в центре образца, а его диаметр – по трем, заранее размеченным направлениям. Результаты измерений записывают в журнале испытаний.

При определении характеристик усадки грунта нарушенного сложения следует применять образец грунта с влажностью на 5–10 % больше влажности грунта на границе текучести. Грунт выдерживают в пустом эксикаторе в течение суток. Затем при помощи шпателя заполняют грунтом рабочее кольцо, внутренняя поверхность которого предварительно смазана тонким слоем технического вазелина. Образование пустот при подготовке образца не допускается.

Приготовленный образец на предметном стекле помещают под стеклянный колпак или в емкость с крышкой. За начальные размеры образца принимаются размеры кольца по высоте и внутреннему диаметру.

Испытание для определения усадки грунта проводят в три этапа.

На первом и втором этапе испытания измерение высоты, диаметра и массы образца грунта, помещенного в эксикаторе, производят не реже двух раз в сутки и результаты заносят в журнал испытаний. Критерием условного завершения испытания на первом этапе является отсутствие изменений в линейных размерах образцов в двух последовательных измерениях.

На втором этапе сушку образца грунта производят на воздухе. Критерием условного завершения испытания на втором этапе, после 5–6 измерений, является отсутствие изменений в массе образца грунта. Не допускается попадание прямых солнечных лучей на образцы грунта во время испытаний усадки.

На третьем этапе сушку образца грунта производят в термостате при температуре (105±2)°С в соответствии с требованиями ГОСТ 5180 до постоянной массы и в конце испытания производят контрольное измерение линейных размеров образца грунта.

По результатам испытаний усадки вычисляют:

– объем грунта на каждый момент измерения по формуле:

,

где d_i – диаметр образца в момент измерения, определенный как среднее арифметическое значение измерений в трех направлениях, см; h_i – высота образца в момент измерения, см;

– влажность грунта на каждый момент измерения, вычисляемая по формуле:

,

где g_i – масса образца грунта на момент измерения, г; g – масса образца сухого грунта, г;

– относительную усадку по высоте (ε_shh), диаметру (ε_shd) и объему (ε_shV) по формулам соответственно:

; ; ,

где h, d, V и h_к, d_к, V_к – соответственно начальные и конечные значения высоты, диаметра, см, и объема образца грунта, см³.

По вычисленным значениям объема и влажности на каждый момент времени строят график зависимости изменения объема образца от влажности V = f (w). За влажность на пределе усадки (w_sh) принимают влажность, соответствующую точке перегиба графика V =f (w) (рис. 5.12). Допускается нахождение точки перегиба путем восстановления перпендикуляра к графику из точки пересечения касательных к двум ветвям кривой (рис. 5.12), соответствующим первому и второму этапам сушки образца.

Формирование усадки грунта по мере его обезвоживания во времени является стадийным процессом. Выделяется пять стадий усадки, отличающихся друг от друга, как интенсивностью усадки, так и степенью и характером обезвоживания грунтов. В начале дегидратации грунтов при их полном водонасыщении происходит потеря свободной воды при осушении крупных пор. Объемная усадка на этой стадии, называемой струк­турной, она невелика и наблюдается у большинства грунтов (рис. 5.12, б, участок I).

При последующем обезвоживании грунта – стадия нормальной или линейной усадки – происходит пропорциональное и значительное изменение влажности и объема грунта в результате испарения оставшейся свободной воды, а также большей части воды переходного типа («осмотической»). Поскольку суммарное количество этих категорий воды в грунтах составляет наибольшую ее часть, то и объемные деформации на этой стадии достигают максимальных значений.

В момент возникновения непосредственного контакта между частицами грунта, что соответствует нелинейной стадии (рис. 5.12, б, участок III), прира­щение его объема начинает заметно отличаться от изменения водосодержания, которое определяется потерей оставшейся части «осмотической» воды вместе с водой относительно крупных (диаметром 0,1–1 мм) капилляров. На этой стадии деформации грунта уже не так велики, а процесс дегидратации переходит в безусадочную стадию (рис. 5.12, б, участок IV), когда на фоне продолжающейся потери капиллярной воды тонких микрокапилляров (диаметр меньше 0,1 мм) и воды молекулярной адсорбции не происходит дальнейшего уменьшения объема грунта из-за непосредственного взаимодействия друг с другом всех твердых частиц.

Последующая дегидратация иногда приводит к появлению стадии «сухого» набухания (рис. 5.12, б, участок V), характеризующейся частичным увеличением объема грунтов из-за снятия капиллярного «поджатия», иногда эта стадия может отсутствовать. Это стадия остаточной усадки, особенности которой во многом зависят от развития трещин и остаточных усадочных напряжений.

Усадка грунтов зависит от исходного соотношения твердой, жидкой и газовой компонент грунта. В процессе усадки соотношение этих компонент закономерно меняется. Так, усадка на первой и первой второй стадиях проходит при отсутствии газа в порах грунта, т. е. при его полном водонасыщении (S_r = 1) и осуществляется за счет изменения соотноше­ния объема твердой и жидкой компонент (рис. 5.13). Третья стадия развивается при увеличении содержания в порах газа и закономерном уменьшении S_r вплоть до момента достижения влажности предела усадки. Четвертая стадия проходит при неизменной пористости грунта, за счет изменения соотношения газовой и жидкой компонент на стадии остаточной усадки [50].

Необходимо подчеркнуть, что многообразие природ­ных факторов, влияющих на кинетику усадки глинистых грунтов, столь вели­ко, что иногда одни из описанных стадий проявляются особенно отчетливо, а другие могут отсутствовать, но общая закономерность всегда сохраняется. Среди факторов, влияющих на усадку грунтов, выделяют внутренние и внешние. К внутренним факторам относятся: химико-минеральный состав грунта, структурно-текстурные особенности, начальная плотность-влажность, состав и концентрация электролита порового раствора, обменные катионы, к внешним – изменение давлений и температур [50].

Влияние глинистых минералов на усадку проявляется через их гидрофильность, которая, в свою очередь, определяется кристаллохимическими особенностями: степенью совершенства кристаллических решеток, формой первичных частиц и микроагрегатов, наличием или отсутствием изоморфных за­мещений, степенью дисперсности и др. Заметная усадка наблюдает­ся лишь у фракций, соответствующих глинистым частицам. Увеличение усад­ки при возрастании степени дисперсности грунта объясняется как ростом обшей поверхности глинистых частиц, так и менее совершенной структурой мелких фракций кристаллов. В данном случае весьма велико влияние коллоидов. Грунты, обладающие малопрочными и обратимыми коагуляционными связями, проявляют и большую склонность к усадке, в то время как грунты с кристаллизационными связями – наименьшую, а грунты с коагуляционно-кристаллизационными связями занимают в этом ряду промежу­точное положение. Как правило, большую усадку имеют грунты с минералами, кристаллы которых обладают удлиненным или волокнистым габитусом, склонные к образованию более плотной упаковки при дегидратации грунта. Так, галлуазит, представленный кристаллами трубчатой формы, обусловливает необратимую и большую усадку, чем каолинит с кристаллами пластинчатой формы.

В процессе усадки в грунте возникают различные напряжения, действующие на контактах частиц. Обычно, неравномерные напряжения в грунте возникают там, где проявляются наибольшие градиенты влаги, т. е. вблизи свободной поверхности грунта. Вследствие неравномерности их действия в грунте возникают трещины, называемые трещинами усадки. Они формируются в основном с поверхности, а затем продвигаются вглубь образца. При увеличении числа циклов увлажнения-высушивания ширина раскрытия трещин увеличивается. Типичным примером трещин усадки являются такыры – глинистые днища пересыхающих озер в пустын­ных или полупустынных регионах. Во влажное время такыры покрыты тонким слоем воды, которая, пересыхая, обнажает слой глинистого ила. При высыха­нии илы дают сильную усадку, образуя корку, разбитую сетью полигональнальных трещин различной формы и размеров от нескольких метров до десятков километ­ров в зависимости от состава отложений, засоленности и т. д.

Усадка зависит от общего содержания солей в грунте. Легко- и среднерастворимые соли (NaCl, Na₂SO₄, MgO₄, Na₂CO₃, CaSO₄) уменьшают усадку, замедляют ее процесс и снижают трещиноватость. Значительной усадкой могут обладать как засоленные (напри­мер, морские илы), так и не засоленные (пресно­водные илы). Образующиеся за счет солей, выпадающих из порового раствора, фазовые контакты могут препятствовать усадке грунта и влиять на развитие усадочных напряжений. Усадка высокодисперсных глинистых грунтов зависит от состава обменных катионов, поскольку они влияют на дисперсность и агрегированность грунта, то при прочих одинаковых условиях глинистые грунты с одновалентными катионами потенциально дают большую усадку, чем при наличии многовалентных катионов в обменном комплексе.

Воздействие внешнего давления на грунт при его усадке является фактором, увеличивающим параметры усадки. Передаваемое на частицы внешнее давление способствует более тесному сближению частиц при усадке грунта и в итоге приводит к ее росту. Исследования показывают, что с увеличением нагрузки влажность предела усадки грунта достигается при большей величине его степени влажности.

Циклический характер увлажнения–обезвоживания, часто встречаемый и природе, приводит к резкому увеличению усадки грунтов, Причем наибольшего относительного значения она достигает при первых двух циклах, а при последующих постепенно падает. При циклическом набухании-усадке грунтов происходит сложное изменение соотношения твердой, жидкой и газовой компонент грунта. Если исходный грунт находится в рыхлом сложении, то многократное набухание – усадка приводит к его уплотнению.

Усадка существенно влияет на изменение состояния грунтов, что необходимо иметь в виду при инженерно-геологических исследованиях. Усадочность учитывают при проектировании различных водохозяйственных и гидротехнических систем и инженерных сооружений, располагающихся на грунтах с периодическим режимом увлажнения-высушивания, при проектировании днищ, горячих цехов, теплотрасс, ТЭЦ, АЭС и др. Усадка грунтов может возникать не только при сушке, но при любом механическом обезвоживания, например, при электроосмотическом, термоосмотическом, фильтрационном или ином обезвоживании грунта [50].