СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

Одно из наиболее структурно чувствительных свойств глинистых грунтов - компрес-сионное уплотнение. Являясь доступными и освоенными в лабораторных условиях, компрессионные испытания позволяют не только получить деформационные характеристики грунта при неоднократном повторении опыта, но и проследить динамику микроструктурных изменений породы при различных нагрузках и влажности.

Существующая в настоящее время возможность получения достоверной количественной информации о микроструктуре глинистых пород с помощью анализа их РЭМ-изображений позволяет проводить экспериментальные исследования по выявлению связи между морфометрическими и геометрическими признаками микроструктуры и составом пород, их физико-механическими свойствами.

Микроструктурные характеристики грунта и их изменение под влиянием компрессионного уплотнения исследовались с применением растрового электронного микроскопа и автоматизированного анализа РЭМ-изобра-жений.

Для получения микроструктурных характеристик образцов грунта после компресси-

онного уплотнения исследовались в двух направлениях - параллельно и перпендикулярно приложенной нагрузке после передачи давления 0,1, 0,2 и 0,3 МПа..

Исходное микростроение грунта характеризуется однородной структурой с рыхлым равномерно пористым "скелетом" (рис. 1, а). Сложена зернами и глинисто-пыле-ватыми агрегатами с максимальным размером до 250 мкм. Преобладают глобулы со средним диаметром 20-50 мкм. Расположение глинистого материала, в основном, на поверхности зерен и в местах контактов агрегатов в виде глинистых связок.

Общая пористость грунта составляет 48,5%, а поровое пространство на 85% состоит из межзернистых и межмикроагрегатнозернистых микропор изометричной формы: крупные со средним диаметром 36,4 мкм и мелкие - диаметром 4,8 мкм, макропоры со средним диаметром от 100 до 479 мкм. Наиболее многочисленная категория пор - межультрамикроагрегатные диаметром от 0,08 до 0,1 мкм. Ориентация структурных элементов отсутствует.

Все это, в целом, позволяет отнести микроструктуру лессового грунта природного сложения к скелетному типу (по В.И. Осипову).

Микроструктура лессового грунта естественной влажности.

Микроструктура лессового грунта естественной влажности после уплотнения нагрузкой 0,1 МПа (рис. 1, б) однородная; основ-ным типом твердых структурных элементов, как и в грунте естественного сложения, являются зерна и глинисто-пылеватые агрегаты (глобулы) круглой формы средним размером 10-45 мкм.

Общая пористость грунта в плоскости, перпендикулярной приложению нагрузки, снизилась до 42,9% (табл. 1), а основная часть порового пространства по-прежнему представлена крупными порами, максимальный диаметр которых снизился до 386 мкм. Отмечается увеличение числа ультрамикропор и тонких микропор.

В плоскости, параллельной направлению компрессионного давления, также отмечается уменьшение морфометрических показателей элементов микроструктуры грунта по сравнению с исходным образцом и несущественное отличие от аналогичных показателей в плоскости, перпендикулярной нагрузке (табл. 1). С уменьшением среднего периметра пор увеличивается общий периметр в обоих взаимно перпендикулярных плоскостях.

При компрессионной нагрузке 0,2 МПа (рис. 1, в) общая пористость грунта снизилась до 41,7% в направлении, перпендикулярном нагрузке, и до 41,2% в направлении, параллельном нагрузке. Произошло уменьшение числа агрегатов и зерен размеров крупно- и мелкопесчаной фракции и одновременное увеличение содержания частиц более мелких фракций (табл. 2). Это говорит о происходящем процессе разрушения крупных агрегатов.

Основными твердыми структурными ком-понентами грунта по-прежнему являются агрегаты округлой формы и зерна, размер которых колеблется от 8 до 40 мкм. Глинистые частицы располагаются в виде пленок на первичных зернах и в составе глинисто-пыле-ватых агрегатов, тонкопылеватый и глинистый материал встречается в виде отдельных скоплений чешуйчатой и изометричной формы размером 3-5 мкм. Выявлено уменьшение размеров всех категорий пор.

После повышения нагрузки до 0,3 МПа (рис. 1, г) микроструктура лессового грунта сложена зернами и микроагрегатами размером от 7 до 30 мкм. Крупные зерна покрыты пленкой из глинистых частиц, тогда как мелкие зерна имеют угловатую и плохоокатанную форму. Значительно увеличилось количество тонкопылеватого и глинистого материала.

Общая пористость грунта снизилась до 40% (табл. 1). Поровое пространство на 85% сложено мелкими и крупными межзернистыми и межмикроагрегатными микропорами и макропорами изометричной формы с максимальным диаметром 217-428 мкм. Преобладают по количеству ультрамикропоры и межмикроагрегатные микропоры изометричной и щелевидной формы с шириной раскрытия от 0,2 до 0,6 мкм.

Произошло уменьшение средней площади, среднего диаметра и среднего периметра пор (табл. 1) с одновременным ростом общего периметра пор до 6,640´10⁶ мкм, что говорит об увеличении числа мелких пор по сравнению с природной структурой.

Существенное уменьшение размеров всех категорий пор и значительное увеличение тонкой микропористости наряду с преиму-щественно угловатой формой минеральных зерен говорит об интенсивном разрушении твердых компонентов структуры вследствие больших напряжений при сжатии на контактах между минеральными зернами, приводящих к механическому дроблению зерен и агрегатов.

Микроструктурные данные хорошо согласуются с изменением физико-механичес-ких показателей и гранулометрического состава уплотненного грунта. По сравнению с грунтом в естественном состоянии компрессионно уплотненный грунт имеет более высокие значения плотности сухого грунта и коэффициента пористости: r_d = 1,373 г/см³ и е = 0,973 - для неуплотненного грунта и r_d = 1,478 г/см³ и е = 0,827 - для грунта, уплотненного при Р = 0,3 МПа.

При компрессионном уплотнении в глинистых грунтах происходит переориентация структурных элементов перпендикулярно направлению действия нагрузки (табл. 3). С увеличением давления происходит постепенное возрастание коэффициента анизотропии пор грунта (К_а) в плоскости, параллельной направлению приложения нагрузки от 3,1% (у эталонного образца) до 7,3% (в образце, уплотненном при нагрузке 0,3 МПа). На микроструктурных снимках грунта при меньшем давлении (0,1-0,2 МПа) ориентация структурных компонентов практически отсутствует.

Изложенные выше данные позволяют говорить о переходе структуры лессового грунта, уплотненного при давлении 0,3 МПа, от скелетной к структуре скелетно-матричного типа.

Таблица 1 Результаты количественного анализа пористости микроструктурылессового грунта по РЭМ-изображениям

Наименование	Приро- дное	После компрессионного уплотнения при давлении:
показателя	сложе-	Р=0,1 МПа		Р=0,2 МПа		Р=0,3 МПа
	ние	^	//	^	//	^	//
грунт естественной влажности
Пористость, %	48,51	42,99	42,29	41,79	41,24	40,89	40,48
Общая площадь пор, мкм²	1093490	995367	966913	953111	944036	959398	933969
Общий периметр пор, 10⁶ мкм	5,54646	5,38821	5,74413	6,03925	5,92043	6,6401	5,93965
Средний диаметр пор, мкм	0,340	0,295	0,298	0,273	0,258	0,192	0,228
Средняя площадь пор, мкм²	0,767	0,448	0,410	0,384	0,338	0,326	0,329
Средний периметр пор, мкм	2,497	2,431	2,092	2,101	1,900	1,836	1,621
Коэффициент анизотропии, %	3,1	0,9	4,4	5,7	6,5	5,3	7,3
водонасыщенный грунт
Пористость, %	48,51	40,98	40,06	40,79	39,56	39,52	38,58
Общая площадь пор, мкм²	1093490	894407	825211	850309	794677	817364	783900
Общий периметр пор, 10⁶ мкм	5,54646	4,95329	4,18102	4,45398	3,58432	4,1221	2,51728
Средний диаметр пор, мкм	0,340	0,199	0,199	0,187	0,191	0,207	0,189
Средняя площадь пор, мкм²	0,767	0,192	0,218	0,158	0,222	0,168	0,200
Средний периметр пор, мкм	2,497	1,536	1,446	1,454	1,351	1,402	1,254
Коэффициент анизотропии, %	3,1	1,9	5,1	4,4	6,2	4,2	7,1

Примечание: ^, // - микроструктурные данные определены по сечению, соответственно

перпендикулярному и параллельному направлению приложения нагрузки

Микроструктура лессового водонасы-щенного грунта.

При замачивании лессового грунта под давлением Р = 0,1 МПа в структуре грунта происходят заметные изменения. Как видно из РЭМ-фотографий (рис. 2, а), основным типом структурных элементов, как и в эталонном образце, являются глинисто-пылеватые агрегаты и первичные зерна, покрытые глинистыми частицами, с максимальным размером до 250 мкм, средний размер 15-50 мкм. Однако, очертания этих структурных элементов теряют первоначальную четкость, становятся расплывчатыми. Появляются отдельные скопления глинистого материала, заполняющего межмикроагрегатные поры, который является продуктом разрушения неводостойких глинисто-пылеватых агрегатов и глинистых оболочек первичных минеральных частиц.

Как следует из микроструктурных снимков и результатов автоматизированного анализа пористости (табл. 1), общая пористость грунта снизилась до 40%. Основная часть порового пространства представлена крупными и мелкими межмикроагрегатными порами с максимальным диаметром 228,8 мкм, средний диаметр пор составляет 0,19 мкм. Для грунта естественного сложения эти показатели равны соответственно 479 и 0,34 мкм. Размеры внутриагрегатных ультрамикропор и тонких микропор изменились несущественно в сравнении с исходным образцом, но их число возросло в 4 раза. Отмечается уменьшение общей площади пор с 1093490 кв. мкм до 825211 кв. мкм; аналогичное происходит с общим периметром пор - снижается с 5,546х10⁶ до 4,181х10⁶ мкм.

По внешнему осмотру РЭМ-фотографий микроструктуры грунта, замоченного под давлением Р = 0,2 МПа (рис. 2, б ) видно, что структура сложена микроагрегатами и первичными зернами со средними размерами 10-40 мкм и максимальным размером до 200 мкм. Наблюдается дальнейшее "размокание" под давлением неводостойких агрегатов и частичное разрушение первичных песчано-пылеватых зерен, что подтверждается умень-шением процентного содержания данных структурных элементов по результатам гранулометрического и микроагрегатного анализов (табл. 2).

На снимках значительно увеличилась площадь участков, занятая сплошной глинистой массой, в которой видны включения минеральных зерен. Глинистое вещество агрегировано, контактирование микроагрегатов идет по типу базис-скол и скол-скол. По характеру структурных связей преобладают контакты коагуляционного и переходного типа. Наблюдается незначительное увеличение ориентации структурных элементов в плоскости, параллельной направлению приложения нагрузки (К_а = 6,2%).

По данным количественного анализа поровое пространство в основном слагается мелкими и крупными межмикроагрегатными и межзерновыми микропорами изометричной и анизометричной формы с максимальным диаметром 153 мкм. Преобладают по количеству тонкие внутримикроагрегатные микропоры анизометричной формы в среднем шириной 0,7 мкм. Общая пористость грунта снизилась до 40%.

Структуру грунта при данной нагрузке уплотнения можно отнести к переходному типу - скелетно-матричному - от разрушающей-ся скелетной к формирующейся более плот-ной матричной микроструктуре.

При замачивании лессового просадочного грунта под давлением 0,3 МПа в ходе компрессии происходит резкое изменение микроструктуры образца по сравнению с природной структурой (рис. 2, в). В результате замачивания под нагрузкой грунт как бы "оплывает" и представляет собой сплошную тонкодисперсную массу (матрицу), сложенную изометричными по форме мелкими глинисто-пыле-ватыми агрегатами и беспорядочно расположенными пылеватыми и песчаными зернами размером 5-15 мкм. Отмечается наличие отдельных более крупных зерен округлой формы размером до 30-40 мкм, тогда как мелкие зерна имеют угловатую и плохоокатанную форму. Микроагрегаты имеют сложное строение и состоят из ультрамикроагрегатов глинистых частиц, контактирующих по типу базис-базис и базис-скол. Ультрамикроагрегаты изометричной и анизометричной формы сложены глинистыми частицами, контактирующими базальными плоскостями. Толщина ультрамикроагрегатов изменяется от 0,5 до 1 мкм, а их длина составляет 2-3 мкм. По типу контактов преобладают структурные связи коагуляционного и переходного типа.

Таблица 2 Результаты гранулометрического анализа и коэффициенты микроагрегативности лессового просадочного суглинка после компрессионного уплотнения

Характеристика

Вид

Содержание частиц (%) диаметром (мм)

грунта

анализа

1-0,25

0,25-

-0,05

0,05-

-0,01

0,01-

-0,005

0,005-

-0,001

<0,001

Лессовый суглинок,

природное сложение

гран.

микр.

1,6

8,4

30,4

57,9

41,3

27,9

6,8

2,1

10,2

2,8

9,7

0,9

Лессовый суглинок

после компрессионного

уплотнения, Р = 0,1 МПа

гран.

микр.

1,0

7,8

26,2

51,8

41,5

29,4

10,8

2,8

7,6

5,9

12,9

2,3

То же, Р = 0,2 МПа

гран.

микр.

0,9

6,5

23,1

41,1

44,9

30,0

9,7

5,0

10,3

7,8

11,3

3,6

То же, Р = 0,3 МПа

гран.

микр.

0,9

5,2

21,4

45,0

44,3

31,2

9,5

5,5

11,9

8,3

12,4

4,8

Лессовый суглинок

после компрессионного

уплотнения и замачивания,

Р = 0,1 МПа

гран.

микр.

1,0

8,1

24,5

48,1

41,5

29,6

9,0

4,9

9,8

4,8

14,2

4,5

То же, Р = 0,2 МПа

гран.

микр.

0,8

6,3

19,9

42,7

40,4

29,8

9,8

6,3

13,2

8,3

15,9

6,6

То же, Р = 0,3 МПа

гран.

микр.

0,7

4,0

15,5

35,6

42,1

32,0

11,1

8,5

14,1

10,8

16,5

9,1

Количественный анализ РЭМ-изобра-жений показал, что поровое пространство грунта сформировано мелкими и крупными межмикроагрегатными порами на долю которых приходится до 98% общей измеренной пористости, которая составляет 39%. Мелкие поры имеют изометричную и анизометричную форму со средним диаметром 5 мкм. Они преобладают среди межмикроагрегатных пор. Реже встречаются крупные изометричные микропоры со средним эквивалентным диаметром 30 мкм. Максимальный размер макропор снизился до 159-282 мкм.

Наиболее многочисленные в структуре межчастичные анизометричные ультрамикропоры с эквивалентным диаметром 0,06-0,08 мкм и площадью 0,003-0,005 кв. мкм.

Все выше сказанное иллюстрирует коренные изменения, происходящие в лессовом грунте при замачивании под давлением и, как результат, переход скелетной микроструктуры в более плотную и однородную матричную (по В.И. Осипову).

По данным гранулометрического анализа (табл. 2) и расчетам содержания структурных элементов хорошо прослеживается постепенное уменьшение количества агрегатов по мере возрастания компрессионного давления. Так, в неуплотненном грунте общее количество агрегатов составляет 34,3%, в том числе размеров крупно- и мелкопылеватой фракции соответственно 6,8% и 27,5%.

После замачивания при давлении Р = 0,3 МПа общее количество агрегатов умень-шилось в 1,5 раза и составляет 21,4%, в том числе размеров крупно- и мелкопылеватой фракции соответственно 2,3% и 19,1%. Снижение агрегативности грунта по мере увеличения компрессионной нагрузки приводит к понижению процента мелкоглинистых частиц, входящих в состав агрегатов (с 90% у эталонного образца до 45% у грунта, уплотненного при 0,3 МПа) с одновременным ростом степени их свободы соответственно с 9% до 55%.

Все это свидетельствует о том, что замачивание лессового грунта под давлением приводит к существенному изменению структуры грунта.

Изменение коэффициента анизотропии (К_а) и коэффициента формы пор (К_f) (табл. 3) показывает, что при замачивании грунта под нагрузкой, как и при уплотнении грунта естественной влажности, форма пор по мере увеличения нагрузки постепенно трансформируется в анизометричную в плоскости, параллельной направлению прикладываемой нагрузки.

Таблица 3 Изменение коэффициента анизотропии (К_а) и коэффициента формы пор (К_f) лессового грунта под влиянием компрессионного уплотнения

Наименование

Грунт в

После компрессионного уплотнения при давлении:

показателя

естествен.

Р = 0,1 МПа

Р = 0,2 МПа

Р = 0,3 МПа

состоянии

грунт естественной влажности

Коэффициент анизо-

тропии пор К_а, %

3,1

0,9

4,4

5,7

6,5

5,3

7,3

Коэффициент формы пор К_f, %:

минимальный

максимальный

среднее значение

0,195

0,935

0,582

0,176

0,947

0,539

0,171

0,931

0,545

0,135

0,904

0,525

0,152

0,902

0,546

0,191

0,917

0,509

0,127

0,866

0,478

водонасыщенный грунт

Коэффициент анизо-

тропии пор К_а, %

3,1

1,9

5,1

4,4

6,2

4,2

7,1

Коэффициент формы пор К_f, %:

минимальный

максимальный

среднее значение

0,195

0,935

0,582

0,164

0,917

0,502

0,153

0,939

0,464

0,165

0,922

0,541

0,164

0,945

0,472

0,134

0,942

0,484

0,174

0,889

0,460

Примечание: ^, // - микроструктурные данные определены по сечению, соответственно пер-

пендикулярному и параллельному направлению приложения компрессионной

нагрузки.

Коэффициент анизотропии увеличивается с 3,1% до 7,1% с одновременным уменьшением значений коэффициента формы, что показывает процесс формирования анизометричных эллипсовидных и щелевидных пор. Очевидно, это происходит в результате поворота частиц грунта в положение, перпендикулярное давлению.

Данные по изменению микроструктурных характеристик лессового грунта при его замачивании под нагрузкой напрямую связаны с изменениями его физико-механических показателей. Отмеченное по результатам количественного анализа снижение общей пористости и размеров всех категорий пор грунта, а также переход скелетной структуры в более плотную матричную являются причиной изменения таких показателей как плотность сухого грунта и коэффициент пористости. По сравнению с грунтом в естественном состоянии уплотненный водонасыщенный грунт имеет более высокие значения плотности сухого грунта и коэффициента пористости: r_d = 1,373 г/см³ и е = 0,973 - для грунта природного сложения и r_d= 1,543 г/см³ и е = 0,743 - для уплотненного водонасыщенного грунта.

В целом проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Под воздействием компрессионного уплотнения микроструктура лессового грунта претерпевает значительные изменения. Происходит снижение общей пористости грунта за счет уменьшения размеров межагрегатных и внутриагрегатных пор. Одновременно идет увеличение числа ультрамикропор и тонких микропор. Это является следствием частичного разрушения основных твердых структурных элементов грунта - агрегатов и глобул за счет больших напряжений, возникающих на их контактах при сжатии грунта без возможности бокового расширения. Увеличение плотности лессового грунта в процессе передачи компрессионной нагрузки происходит не только вследствие сближения частиц при их перекомпоновке, но и в результате их разрушения.

Все отмеченные микроструктурные изменения в лессовом грунте позволяют говорить о переходе исходной скелетной микроструктуры грунта под действием компрессионного уплотнения (при Р = 0,3 МПа) в более плотную и тонкодисперсную микроструктуру скелетно-матричного типа (по В.И. Осипову).

2. Замачивание лессового просадочного грунта под давлением Р = 0,3 МПа приводит к коренному изменению его микроструктуры. Под действием компрессионной нагрузки и увлажнения происходит одновременно процесс распада неводостойких структурных связей и агрегатов грунта и механического разрушения твердых структурных элементов на более мелкие.

Замачивание лессового грунта, находящегося в напряженном состоянии, приводит к формированию новой, более однородной, плотной и мелкодисперсной матричной микроструктуры.

3. Анализ геометрических параметров микроструктуры образцов, компрессионно уплотненных при естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения, по двум взаимно перпендикулярным направлениям показал постепенную трансформацию (хотя и не интенсивную) пор изометричной формы в анизометричные эллипсообразные и вытянутые. Этот процесс обусловлен частичной переориентацией твердых элементов грунта в направлении, перпендикулярном приложению вертикальной нагрузки. Особенно отчетливо это наблюдается при больших ступенях нагрузки (Р = 0,3 МПа) в грунте естественной влажности, о чем говорит рост степени преимущественной ориентации пор и частиц грунта (К_а) по мере увеличения компрессионной нагрузки от 0,1 до 0,3 МПа.