ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЛЕССОВОГО

ПРОСАДОЧНОГО СУГЛИНКА ПРИ ПЛОСКОСТНОМ СРЕЗЕ

Е.И. Вяткина

Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова

Результаты исследований различных авторов убедительно показывают, что при сдвиговых деформациях в глинистых грунтах происходят существенные структурно-текстурные изменения, которые с одной стороны иллюстрируют процессы, происходящие в грунте, а с другой - объясняют на микроструктурном уровне причины того или иного деформационного поведения глинистого грунта. Кроме того, разнообразие лессовых грунтов требует изучения их прочностных и деформационных свойств с учетом специфических региональных особенностей.

Исследования выполнялись на образцах лессового просадочного суглинка верхней краснодубровской подсвиты г. Барнаула (Q₃krd₃). Суглинки желто-бурого цвета, макропористые, пылеватые, 1 типа по просадочности.

Анализ изменения микроструктуры грунта при консолидированном сдвиге при естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения выполнялись для изучения влияния величины нормального давления (s) и нагрузки при предварительном уплотнении (Р) на структурные изменения в лессовом грунте при сдвиговых деформациях.

Микроструктурный анализ выполнялся на образцах, отобранных в стадии прогрессирующего скольжения при нормальном давлении 0,1, 0,2 и 0,3 МПа и предварительном уплотнении грунта нагрузками, действующими при сдвиге.

Образцы для микроструктурных исследований отбирались из краевой и центральной частей колец в плоскости сдвига и вне ее. Изменение дисперсности грунта в зоне сдвига определялось гранулометрическим анализом.

РЭМ-изображения грунта естественной влажности и водонасыщенного в плоскости сдвига при нормальном давлении 0,1-0,3 МПа приведены на рис. 1 и 2. При небольших увеличениях (х50) выполнялся обзорный визуальный анализ структуры образца. Из полученных данных видно, что при различных нагрузках уплотнения и последующем сдвиговом деформировании в образцах отсутствует отчетливо выраженная плоскость сдвига. Однако, при больших увеличениях (х3000) наблюдаются локальные трещины, полости и частицы грунта, ориентированные параллельно или под углом к направлению сдвигающей нагрузки.

Анализ структуры порового пространства (табл. 1) показал, что в районе плоскости сдвига произошло увеличение общей пористости до 3% по сравнению с общей пористостью образца, причем величина этого показателя уменьшается с возрастанием нормальной нагрузки и равна для грунта естественной влажности при s = 0,1 МПа - 45,3%, s = 0,2 МПа - 44,7% и s = 0,3 МПа - 43,5%; для водонасыщенного грунта соответственно 44,3%, 42,6% и 41,9%.

При анализе отдельных морфометрических показателей пористости (общего и среднего периметра пор, среднего диаметра и средней площади пор) также отмечается тенденция их уменьшения с возрастанием нормальной нагрузки и увеличение их по сравнению с аналогичными показателями вне зоны сдвига. Следует отметить, что при сдвиге водонасыщенного грунта отмечается увеличение максимальных диаметров пор с одновременным ростом числа крупных микропор (d = 10-100 мкм) и макропор (d > 100 мкм). Очевидно это можно объяснить тем, что с увеличением величины предварительного уплотнения и нормального давления при сдвиге микроструктурная перестройка грунта захватывает тем меньший объем, чем плотнее и прочнее испытываемый образец, т. е. чем выше давление.

Диаметр ультрамикропор и тонких микропор в зоне сдвига изменился очень незначительно, однако их количество возрастает почти в 2 раза.

Данные гранулометрического и микроагрегатного анализов грунта из зоны сдвига (табл. 2.) показывают, что под действием сдвигающего усилия происходит разрушение твердых структурных элементов. Так, содержание крупных агрегатов (d > 250 мкм) в образцах естественной влажности по данным микроагрегатного анализа при всех нормальных нагрузках уменьшилось в 3-5 раз по сравнению с их количеством до начала сдвига, а у водонасыщенного грунта в 4-10 раз.

а) б) в) г)

д)

Рис. 1. РЭМ-фотографии лессового грунта, увеличение снимков х50:

а) естественного сложения (эталонный образец);

б) естественной влажности при консолидированном сдвиге при

нормальном давлении 0,1 МПа;

в) то же при нормальном давлении 0,2 МПа;

г) то же при нормальном давлении 0,3 МПа;

д) локальные микротрещины и разрывы, увеличение снимков х3000

Таблица 1 Результаты количественного анализа пористости лессового грунта при консолидированном сдвиге

		После консолидированного сдвига при нормальном давлении
Наименование показателя	Природное сложение	грунт естественной влажности			водонасыщенный грунт
		0,1 МПа	0,2 МПа	0,3 МПа	0,1 МПа	0,2 МПа	0,3 МПа
Пористость, %	48,51	45,3	44,7	43,5	44,3	42,6	41,9
Общая площадь пор, кв. мкм	1093490	977548	975090	963226	903719	898141	870869
Общий периметр пор, 10^6 мкм	5,546	6,394	6,005	5,909	5,102	5,812	4,938
Средний диаметр пор, мкм	0,340	0,199	0,187	0,190	0,255	0,195	0,178
Средняя площадь пор, кв. мкм	0,767	0,345	0,311	0,212	0,250	0,180	0,177
Средний периметр пор, мкм	2,497	2,473	2,382	2,347	1,506	1,468	1,312
Коэффициент анизотропии пор Ка, %	3,1	9,3	11,0	17,6	8,9	10,6	11,5

а) б) в)

г)

Рис. 2. РЭМ-фотографии лессового водонасыщенного грунта при консолидированном

сдвиге, увеличение снимков х50:

а) при нормальном давлении 0,1 МПа;

б) при нормальном давлении 0,2 МПа; в) при нормальном давлении 0,3 МПа;

г) локальные микротрещины и разрывы, увеличение снимков х3000

Результаты гранулометрического анализа показывают, что дисперсность первичных песчаных и пылеватых зерен практически не изменилась по сравнению с эталонными образцами. Это объясняется значительной устойчивостью этих компонентов грунта к механическому разрушению по сравнению с менее прочными агрегатами.

Происходящая при сдвиге переориентация структурных элементов грунта иллюстрируется увеличением коэффициентов анизотропии пор (К_а) и данными по распределению пор по форме в районе зоны сдвига (К_f) (табл. 3). С возрастанием величины нормального давления К_а и объем пор анизометричной формы также увеличивается. Это объясняется тем, что с ростом плотности образцов при повышении уплотняющей нагрузки увеличивается связность грунта и сопротивление его сдвигу. Это, в свою очередь, влияет на степень переориентации элементов грунтовой системы относительно направления сдвига. Наибольшую переориентацию испытывают частицы в более плотном грунте и наибольшем значении сдвигающего усилия t, где наибольшее время воздействия сдвигающего напряжения на твердые элементы структуры грунта.

Следует отметить, что абсолютные величины коэффициента анизотропии при сдвиге водонасыщенного грунта меньше, чем у грунта естественной влажности. Возможно это объясняется утолщением гидратных пленок вокруг частиц водонасыщенного грунта и повышенной влажностью в зоне сдвига, что позволяет твердым структурным элементам "скользить" под действием сдвигающей нагрузки с меньшим углом разворота в плоскости сдвига, чем в образцах естественной влажности.

Анализ данных о распределении пор по фактору формы показывает, что с увеличением плотности образцов возрастает число пор анизометричной формы не зависимо от степени влажности грунта. Это еще раз подтверждает, что с увеличением плотности грунта и величины сдвигающей нагрузки возрастает объем структурных элементов, ориентированных в плоскости сдвига.

В целом проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

Таблица 2 Результаты гранулометрического анализа и коэффициенты микроагрегативности лессового грунта после консолидированного сдвига

Характеристика	Вид	Содержание частиц (%) диаметром (мм)						Коэффициенты микроагрегативности
грунта	анали-за	1-0,25	0,25-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	0,005-0,001	< 0,001	К^кп	К^мп	К^кпл	К^мпл	К^кг	К^мг
грунт естественной влажности
Лессовый суглинок после консолидированного сдвига при s = 0,1 МПа	гран. микр.	1,5 3,9	30,2 56,7	42,8 34,5	5,8 2,1	9,2 1,9	10,5 0,9	-2,4	-26,5	8,3	3,7	7,3	9,6
То же, s = 0,2 МПа	гран. микр.	1,5 3,5	29,8 55,3	36,6 35,7	6,7 2,1	13,0 2,4	12,4 1,0	-2,0	-25,5	0,9	4,6	10,6	11,4
То же, s = 0,3 МПа	гран. микр.	1,4 2,3	28,9 53,9	35,5 35,2	7,1 2,8	14,0 3,6	13,1 2,2	-0,9	-25,0	0,3	4,3	10,4	10,9
водонасыщенный грунт
Лессовый суглинок после консолидированного сдвига при s = 0,1 МПа	гран. микр.	1,6 3,2	25,1 51,5	44,6 37,9	6,2 3,5	10,6 2,8	11,9 1,1	-1,6	-26,4	6,7	2,7	7,8	10,8
То же, s = 0,2 МПа	гран. микр.	1,1 2,6	25,5 49,9	38,9 36,1	10,2 3,7	11,8 4,5	12,5 3,2	-0,5	-24,4	2,8	6,5	7,3	11,3
То же, s = 0,3 МПа	гран. микр.	0,8 1,3	23,9 47,5	37,6 36,3	11,0 4,9	12,1 5,3	14,6 4,7	-0,5	-23,6	1,3	6,1	6,8	9,9

Примечание: коэффициенты агрегативности рассчитаны по содержанию соответствующих фракций:

К^кп и К^мп - крупно- и мелкопесчаной; К^кпл и К^мпл - крупно- и мелкопылеватой;

К^кг и К^мг - крупно- и мелкоглинистой.

С ростом уплотняющей нагрузки перед сдвигом (Р) и срезе грунта при аналогичном вертикальном давлении (s) микроструктурная перестройка грунта захватывает тем меньший объем, чем плотнее и прочнее испытываемый образец, т. е. чем выше давление. При этом величина микродефектов грунта (пор и трещин) как естественной влажности, так и водонасыщенного уменьшается и накопление локальных дефектов захватывает меньший объем по мере увеличения плотности образцов.

Изменение дисперсности грунта в районе зоны сдвига показывает, что под действием сдвигающей нагрузки происходит разрушение глинисто-пылеватых агрегатов, а содержание первичных песчаных и пылеватых зерен практически не меняется.

С возрастанием величины предварительного уплотнения и нормальной нагрузки на образцы при сдвиге коэффициент анизотропии (К_а) и объем пор анизометричной формы увеличиваются. Наибольшая степень переориентации элементов отмечается в более плотных образцах грунта и наибольшем значении t.

Абсолютные величины К_а при срезе водонасыщенного грунта меньше, чем в образцах естественной влажности. Следовательно, утолщение гидратных пленок вокруг частиц водонасыщенного грунта позволяет твердым структурным элементам “скользить” под действием сдвигающей нагрузки с меньшим углом поворота в направлении действия t.

Таблица 3 Изменение коэффициента анизотропии (К_а) и коэффициента формы пор (К_f) лессового грунта при консолидированном сдвиге

Наименование	После консолидированного сдвига при вертикальном давлении s
показателей	грунт естественной влажности			водонасыщенный грунт
	0,1 МПа	0,2 МПа	0,3 МПа	0,1 МПа	0,2 МПа	0,3 МПа
Коэффициент анизотропии пор Ка, %	9,3	11,0	17,6	8,9	10,6	11,5
Коэффициент формы пор Кf, %: минимальный максимальный средний	0,180 0,952 0,531	0,158 0,945 0,568	0,000 0,971 0,505	0,138 0,915 0,504	0,121 0,902 0,505	0,139 0,977 0,431