8.9.2. Разжижение грунтов

При действии внешних динамических нагрузок, возникающих под влиянием техногенных факторов, землетрясений и волноприбойных явле­ний, в водонасыщенных дисперсных грунтах могут развиваться специ­фические явления, выражающиеся в потере прочности грунта (разжи­жении), а затем, после прекращения воздействия, постепенном ее восстановлении.

В истории известны катастрофы связанные с тем, что абсолютно надежные песчаные грунты на короткий промежуток времени превращались в зыбуны. 7 июня 1692 года на Порт-Ройял (Ямайка) обрушилось сильнейшее землетрясение, и под поверхностью песков остались две трети города и более 2000 жителей... По прошествии трех веков исследования показали, что мощные толчки землетрясения спровоцировали возникновение колебаний песчинок, сцепление между ними уменьшилось, песок потерял плотную структуру и обрел текучесть. Среди печально известных районов на побережье Великобритании числится залив Моркембе-Бей, где в течение ряда лет нашли свою гибель более 150 человек. У Дуврских утесов за скалистым мысом Саут-Форленд находятся Гудвинские пески. Хроники утверждают, что здесь покоятся боевые триремы Юлия Цезаря, останки кораблей викингов, галеоны «Непобедимой армады», эскадра адмирала Бьюмонта, пиратские суда, английские фрегаты XVIII века, танкеры, сухогрузы и подводные лодки. В индийских пустынях, в районах Гадрамаута, встречаются зоны, где тяжелый лом моментально тонет, погружаясь на глубину, превосходящую 100 метров [116].

В 1964 г. разрушения в Ниигата в Японии, в 1983 г. в Бора Пик США, в 2001 г. в Бхаи, в Ахмедабаде, вызванные разжижением грунтов во время землетрясений, вновь привлекли интерес ученых. Исследования показали, что разжижение наблюдалось не только в водонасыщенных песчаных грунтах, но и в гравелистых.

По свое­му смыслу термин «разжижение» характеризует всего лишь одну из стадий поведения грунта в динамических условиях, тем не менее, он обычно используется для характеристики всего явления в целом. Исходя из этого, под разжижением понимается явление полной или частичной потери грунтом несущей способности под влиянием динамиче­ской нагрузки и переход его в текучее состояние, возникающее в резуль­тате разрушения структуры грунта и сопровождаемое постепенным восстановлением его структуры и прочности при снятии динамического воздействия. В основе этого явления лежит сложный трехстадийный процесс, включающий а) разрушение исходной структуры грунта, б) пе­реход грунта в разжиженное состояние, в) восстановление структуры и постепенное упрочнение системы (рис. 8.90). Поскольку все выделяемые стадии взаимно связаны между собой, то большинство исследователей, изучавших явление динамической устойчивости дисперсных грунтов, называли его разжижением.

Разжижение песчаных грунтов заключается в том, что с ростом частоты колебаний они начинают «течь» как вязкая жидкость, после преодоления определенного порога колебаний по частоте. До разжижения, при меньшей частоте колебаний до этого порога, проявляется виброползучесть. Чаще всего разжижаются водонасыщенные мелкие и пылеватые пески, супеси. Чем больше пористость грунта, тем при меньших динамических воздействиях начинается разжижение. Причина катастроф заключается в резком повышении порового давления при сейсмических нагрузках в грунтах, что приводит к деформациям сдвига и объемным деформациям. Рассеивание давления у поверхности грунта и осаждение частиц ведет к резким осадкам сооружений. Аналогично действуют волновые воздействия в донных и прибрежных грунтах, динамические нагрузки при бурении скважин, вызывающие прихваты.

Вибрация во время динамических воздействий уменьшает силы междучастичного трения и сопротивление сдвигу. Сильные импульсные воздействия могут вызвать дополнительные осадки. При определенной частоте колебаний в сыпучих грунтах трение частиц может так уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при малом количестве воды в нем. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, в которых находилась, поэтому возникает поровое противодавление, уменьшающее сопротивление сдвигу.

При динамических воздействиях в основном уменьшаются межчастичные силы трения, а в меньшей степени уменьшается угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения будет уменьшаться вследствие разрыхления грунта, то есть увеличения его пористости. При ускорениях колебаний до одного «g», как показали опыты, угол внутреннего трения практически не изменялся. Удельное сцепление после действия динамических нагрузок также может уменьшиться, однако, как правило, незначительно, но для этого нужны достаточно интенсивные динамические воздействия, разрушающие цементационные связи. Причиной слабого уплотнения маловлажных глинистых грунтов является наличие большой связности у частиц, и, как следствие, относительно высокая прочность агрегатов частиц грунта.

О

Рис. 8.90. Разжижение грунтов: а) рыхлый водонасыщенный песок с крупными порами до землетрясения, б) сейсмический толчок, в) момент разжижения – связи между частицами разорваны, и они находятся во взвешенном состоянии, г) уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц [9]

тсутствие в грунте напряжений именно переменного знака исключает возможность разжижения песчаных грунтов. Статическая нагрузка не только снижает возможность разрушения структуры грунта, но и уменьшает уплотняемость несвязных грунтов при динамической нагрузке.

Обобщение многочисленных экспериментальных данных, опубликованных в отечественной и зару­бежной литературе, позволяет считать, что несмотря на внешнюю схо­жесть, динамические явления, развивающиеся в дисперсных грунтах (начиная от чистых песков и кончая глинами), принципиально различ­ны по своей природе. Рассмотрение этих явлений на микроуровне по­зволяет выделить и физически обосновать различия между механизма­ми тиксотропного, гравитационного и плывунного разжижения дисперс­ных грунтов.

В основе тиксотропии лежат процессы коагуляционного структурообразования, развивающиеся при определенном балансе сил притяже­ния и отталкивания между частицами и формировании вторичного по­тенциального минимума на энергетической кривой взаимодействия. Максимальное развитие тиксотропных свойств возможно при опреде­ленном энергетическом состоянии глинистых частиц, характеризующем­ся оптимальным сочетанием стабилизированных (преобладание сил отталкивания) и нестабилизированных (преобладание сил притяжения) участков поверхности частиц. Наличие энергетически неоднородных участков обусловливает направленную коагуляцию частиц в тиксотроп­ных системах (по типу базис-скол и скол-скол) и формирование диспергированно-флоккулированной структуры (рис. 8.91, I), способной легко разру­шаться в динамических условиях и постепенно увеличивать свою проч­ность при снятии внешнего воздействия. Разжижение типично тиксо­тропных систем при отсутствии внешних статических нагрузок идет без изменения порового давления, а восстановление их прочности носит обратимый характер и не сопровождается изменением влажности и плотности.

Развитие тиксотропных явлений зависит от дисперсности и состава глинистых минералов грунта, а также физико-химических факторов (состава обменных катионов, концентрации солей в поровом растворе, рН, температуры), определяющих энергетическую неоднородность по­верхности глинистых минералов, характер ее стабилизации гидратными пленками и величину дальнего потенциального минимума.

Развитие тиксотропии в чистом виде характерно для высокодисперс­ных слабоуплотненных и высоковлажных глинистых грунтов (боль­шинства глин и тяжелых пылеватых суглинков), а также глинистых паст и суспензий. У средних и некоторых легких пылеватых суглинков наряду с тиксотропными явлениями развиваются гравитационные процессы при явном преобладании первых. Поэтому разжижение таких грунтов в динамических условиях сопровождается их незначительным уплотнением и появлением порового давления.

Разжижение чистых песков связано с наличием в нем контактов механической природы и действием гравитационных сил. Это явление характерно для песков, имеющих относительную плотность сложения D<1, динамическое воздействие на которые приводит к их уплотнению, отжатию части поровой воды и изменению порового давления. При этом динамическая устойчивость песков определяется их состоянием (плотностью, влажностью), структурными особенностями (дисперсно­стью, однородностью, формой и характером поверхности зерен), нали­чием внешней статической нагрузки, а продолжительность нахождения в разжиженном состоянии и скорость восстановления прочности – ко­эффициентом фильтрации и условиями дренирования отжимаемой воды. Момент разрушения структуры песка и ее полного восстановления чет­ко фиксируется по появлению и исчезновению порового давления. Проч­ность вновь образованной структуры всегда выше прочности исходной структуры.

Рис. 8.91. Модели мелкоячеистой диспергированно-флоккулированной (I), крупноячеи­стой агрегированно-флоккулированной (II) и диспергированной (III) структур: а, в, д – для монтмориллонитовых и смешаннослойных глин, б, г, е – для каолинитовых, гидрослюдистых и хлоритовых глин [88]

Плывунные явления – наиболее сложные по своей природе и обус­ловлены одновременным развитием процессов коагуляционного структурообразования и гравитационного уплотнения. Эти явления характер­ны для «переходных» (от чистых песков к глинам) разностей грунтов, таких как пылеватые пески, супеси и некоторые разности легких суглинков и связаны с разрушением в динамических условиях как коагуляционных, так и механических контактов. Причем специфический состав этих грунтов способствует взаимному усилению разрушения обоих ви­дов контактов. Поэтому плывунные грунты в разжиженном состоянии обладают минимальной вязкостью (меньшей, чем у разжиженных глин или песков) и наибольшей подвижностью среди всех дисперсных грун­тов. Наличие глинистых частиц препятствует быстрому развитию уплот­нения системы, что наряду с низкими коэффициентами фильтрации пылеватых песков и супесей обусловливает вторую важную особенность плывунных систем – способность их к длительному нахождению в раз­жиженном состоянии после прекращения динамического воздействия. Обе специфические особенности плывунных грунтов делают их наибо­лее опасными в динамическом отношении. Развитие плывунных явле­ний сопровождается медленным уплотнением грунта после снятия внеш­него воздействия, небольшой его водоотдачей и постепенным снижением порового давления. При этом идет наращивание прочности, которое мо­жет носить неравномерный характер, связанный с различной интенсив­ностью развития тиксотропного и гравитационного упрочнения.

На плывунные свойства исключительно большое влияние оказывает состояние глинистого вещества. Наличие глинистых минералов в диспергированном виде повышает плывунные свойства за счет его «смазывающих» свойств на контактах песчаных зерен и снижения фильтрационной способности. Нахождение глинистого вещества в диспергированно-флоккулированном и в адсорбированном (на поверхно­сти песчаных зерен) состояниях снижает плывунные свойства грунта. Развитию плывунных свойств грунта способствует повышение степени стабилизации глинистых частиц за счет физико-химических факто­ров (преобладание одновалентных катионов в обменном комплексе, низ­кая концентрация порового раствора, щелочная среда), присутствие высокомолекулярной органики и деятельность микроорганизмов [88].

Вероятность разжижения песков при динамических нагрузках можно определить при динамическом зондировании через условное динамическое сопротивление р, МПа – сопротивление грунта погружению зонда при забивке его падающим молотом или вибромолотом (табл. 8.84).

Таблица 8.84

Вероятность разжижения песков при динамических нагрузках [109]

р, МПа		Вероятность разжижения песков при динамических нагрузках
среднее	минимальное
менее 1,5	менее 0,5	Большая вероятность разжижения (пески рыхлого сложения, сцепление практически отсутствует)
от 1,5 до 2,7	от 0,5 до 1,1	Разжижение возможно (пески рыхлые или средней плотности со слабо развитым сцеплением)
от 2,7 до 3,8	от 1,1 до 1,6	Вероятность разжижения невелика (пески средней плотности с развитым сцеплением)
более 3,8	более 1,6	Разжижение песков практически невозможно (пески плотные и средней плотности с хорошо развитым сцеплением)

Для более точной оценки опасности разжижения используются экспериментальные методы определения устойчивости грунта в динамических приборах трехосного сжатия, в условиях природного напряженно-деформированного состояния и его изменения при пульсациях давления, моделирующих динамические воздействия. Прибор позволяет создать различные комбинации осевых и объемных нагрузок при заданных условиях дренирования. В отсутствии в настоящий момент общероссийских нормативов по определению динамических деформационных характеристик грунтов рекомендуется американские стандарты ASTM: D 3999–91, D 4015–91 [113].

В процессе лабораторных динамических исследований на разжижение следует определять: критический порог, свидетельствующий о начале разжижения грунта – достижение относительной осевой деформации образца 5 %; критическая относительная амплитуда воздействий (динамической нагрузки) – величина относительной амплитуды напряжения при превышении которой образец выдерживает менее 10000 циклов нагрузки [113].

Метод экспериментального определения пороговых, или критических ускорений колебаний основан на выполнении требования:

α < η,

где α – максимальное действующее ускорение колебаний; η – критическое ускорение колебаний.

Критическое ускорение колебаний является природным свойством грунта и определяется по результатам испытаний грунта на вибростоле как ускорение, при котором не возникает дополнительных поровых давлений или деформаций грунта. При выполнении указанного условия дальнейшие исследования динамической устойчивости грунта не требуются.