Набухаемость и усадочность грунтов.

Набухаемость — это способность грунтов увеличивать свой объем иразвивать давление набухания в процессе их гидратации или взаимодействияс химическими растворами.Набухание наиболее выражено в слабосцементированных переуплотненных глинистых грунтах, формирующихся в условиях засушливого климата и содержащих глинистые минералы с раздвижной кристаллической решеткой (типа монтмориллонита), а также органические вещества. Оно в основном характерно для грунтов с коагуляционнымии переходными типами контак­тов. У всех набухающих грунтов после замачивания наблюдаются уменьшение плотности, переход из твердой и полутвердой консистенции в пластичную, снижение в несколько раз прочностных характеристик.

Согласно К.Норришу, различают две стадии набухания: внутрикристал-лическое и макронабухание. На стадии внутрикристаллического набухания изменения объема грунта не происходит; при этом грунт лишь гидратируетсядо влажности, близкой к максимальной гигроскопической (p/ps = 0,9) с об­разованием прочносвязанной воды. На стадии макронабухания происходит основное изменение объема и рост пористости системы за счет «осмотичес­кого давления», создаваемого избыточной активной концентрацией «отдис-социированных» с поверхности частиц обменных ионов.Минеральный состав является одним из важнейших внутренних фак­торов набухания. Влияние состава глинистых грунтов на процесс набухания связано главным образом с величиной их удельной поверхности, а также количеством и видом обменных ионов, т.е. с величинами их поверхностной и ионной активности.

К внешним факторам набухаемости грунтов относятся внешнее (ог­раничивающее) давление и температура.

Усадочностью грунтов называется их способность уменьшать свой объем в процессе дегидратации (обезвоживания). Это свойство наиболее характерно для дисперсных грунтов с коагуляционными структурными связями — глин, 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.

Среди факторов, влияющих на усадку грунтов, выделяют внутренние и внешние. К внутренним относятся: химико-минеральный состав грунта, структурно-текстурные особенности, начальная плотность-влажность, состав и концентрация электролита порового раствора, обменные катионы.Однако величина усадки глинистых грунтов, сложенных минералами с одинаковой формой кристаллов, может сильно различаться в зависимости от степени совершенства их кристаллических реше­ток. Чем более они совершенны и чем меньше в них изоморфных замещений, тем меньше величина усадки.

Одним из основных факторов, определяющих наиболее общие черты де­формационного поведения глинистых грунтов, является характер их струк­турных связей.

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. Нарушение природных связей, как правило, приводит к интенсификации процессов набухания—усадки.В процессе усадки в грунте возникают различные напряжения, действующие на контактах частиц. Вследствие неравно­мерности их действия в грунте возникают трещины, называемые трещинами усадки.

Усадка грунтов зависит от исходного соотношения твердой, жидкой и газовой компонент грунта. В процессе усадки соотношение этих компонент закономерно меняется. Усадка грунтов может возникать не только при сушке, но при любом механизме их обезвоживания. Например, под действием осмотического обезвоживания грунта может возникать так называемая концентрационная усадка внешним факторам усадочности грунтов относятся цикличность усадки—набухания, внешнее (ограничивающее) давление, температура (режим сушки), внешние поля, включая техногенные и др. У грунтов природного сложения на усадку влияет цикличность увлажне­ния-высушивания. Циклический характер увлажнения—обезвоживания, часто встречаемый в природе, приводит к резкому увеличению усадки грунтовка.

Водопрочность грунтов.

Водопрочностью (или водоустойчивостью) грунтов называют их спо­собность сохранять свою механическую прочность и устойчивость в водной среде.

В соответствии с этим водопрочность грунтов ха­рактеризуют поихразмокаемости, размягчаемости и размываемости.

Размокаемостью называется способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу с полной потерей прочности. Размокание грунтов происходит в результате посте­пенного ослабления неводостойких структурных связей междуэлементарны­ми частицами или агрегатами грунта в процессе их гидратации. Способностью к размоканию обладают дисперсные грунты, а также слабосцементированные осадочные и искусственные грунты с растворимым, неводостойким или глинистым цементом.Размокаемость также зависит от характера сложения грунтов. Макропори­стые, легко водопроницаемые и обладающие обычно слабым структурным сцеплением грунты имеют большую скорость размокания. Наоборот, тонко­пористые, мало водопроницаемые и плотные грунты с повышенной величиной структурного сцепления отличаются большой водопрочностью и медлен­ным размоканием. Наличие в грунтах макро- и микротрещин способствует их размоканию. Грунты с нарушенным сложением характеризуются гораздо боль­шей скоростью размокания по сравнению с породами ненарушенной структуры, поскольку первые отличаются от вторых меньшей связностью.

Определенное влияние на размокание оказывает и защемленный воздух в порах грунта. При быстрой гидратации грунта (например, опускании образца в воду) значительная часть воздуха оказывается защемленной в порах впитываемой водой. Если давление сжатого воздуха в порах превышает прочность контактов на разрыв, то сжатый воздух разрушает грунт и пузырьки выходятнаружу. Именно такой процесс характерен для размокания лёссов и лёссовидных грунтов.

Размягчаемостью грунтов называется способность скальных грунтов снижать свою прочность при взаимодействии с водой. 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. Но поскольку скальные грунты имеют высокую начальную прочность, то при гидратации они не теряют полностью несущую способность и не размокают в воде.

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. В зависимости от характера и направления водного воздействия различают

• поверхностную размываемость грунта, обусловленную действием теку­чих вод вдоль поверхности грунта (по касательной). Поверхностный размыв грунтов происходит при действии текучих вод на склонах (плоскостная эрозия), а также вдоль постоянных водотоков, напри­мер речных (боковая и донная эрозия).Поверхностная размываемость грунтов зависит от большого числа взаи­модействующих и взаимосвязанных факторов, главнейшими из которых яв­ляются состав и характер структурных связей в грунте.Наиболее подвержены размыву связные грунты. Их размыв происходит в результате динамического воздействия водного потока на отдельные частицы и их агрегаты, которое вызывает разрушение структурных связей этих частиц и агрегатов с грунтовым массивом и последующий их отрыв от массива.

• лобовую (волновую) размываемость грунта, обусловленную фронтальным действием воды на грунт. Волновой (лобовой) размыв грунтов происходит при фронтальном действии воды на грунтовый массив. Он широко распространен в природе в зоне действия прибоя по берегам морей, озер, водохранилищ.

• суффозионнуюразмываемость грунта, обусловленную выносом частиц компонентов грунта из массива движущимся водным потоком. Механизм суффозионного размыва, который иногда называют также фильтрационной водопрочностью грунтов, состоит в гидромеханическом воздействии на частицы, ослаблении структурных связей и выносе отдельных частиц из грунта вместе с фильтрационным потоком.Контактная суффозия происходит на границе (контакте) двух плас­тов грунта с разным гранулометрическим составом, когда более мелкие час­тицы из одного пласта суффозионно выносятся и аккумулируются в сосед­нем, более грубодисперсном пласте.Внутрипластовая суффозия выражается в отрыве и переносе более мелких частиц в порах внутри одного и того же слоя грунта. Она может сопро­вождаться выносом частиц из этого слоя или осуществляться без такового в пределах данного слоя грунта.