Набухание глинистых грунтов

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Геологический факультет

Кафедра гидрогеологии и инженерной геологии

Курсовая работа по теме:

«Физический смысл процессов набухания глинистых грунтов, их практическое значение для инженерно-геологической оценки»

 

 

Руководитель: Доцент Курилович А.Э.

Выполнила: Неплюева Е.Н.

Воронеж- 2012 г.

Оглавление

Введение……………………………………………………

Глава 1. Теоретическое обоснование…………………….

1.1. Набухание глинистых грунтов………………………...

1.2. Пластичность глинистых грунтов……………………...

Глава 2. Методика проведения исследований…………….

2.1. Определение набухания глинистых грунтов…………..

2.3. Определение верхнего предела пластичности………….

2.4. Определение нижнего предела пластичности…………..

Глава 3. Расчётная часть……………………………………….

Глава 4. Анализ полученных результатов……………………

Заключение……………………………………………………..

Список используемой литературы...........................................

 

 

Введение

Развитие современной геологической науки в основном обуславливается потребностями человечества в различных полезных ископаемых, в качестве энергетических ресурсов и сырья для промышленности и необходимостью обеспечить геологической службой различные виды строительства и другие инженерные мероприятия и подразумевает активное воздействие на земную кору. Важнейшее место в ряду антропогенных факторов занимает строительная деятельность человека, охватывающая наиболее поверхностную часть земной коры – грунт.

Существует большое количество трактовок понятия грунт, связанное с разнообразием научных дисциплин, исследующих верхнюю часть земной коры. Грунты с наиболее общей точки зрения – это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека. При проведении инженерно-геологических изысканий и последующем проектировании и строительстве разнообразных объектов необходимо учитывать ряд свойств грунта, среди которых существенное значение имеют явления набухания и пластичности.

Целью данной курсовой работы является влияние на свойства грунта замачивания и высушивания при проведении инженерных строительств разнообразных объектов. Темой этой курсовой работы является изучение физического смысла процессов набухания глинистых грунтов и их практическое значение для инженерно-геологической оценки.

Глава 1. Теоретическое обоснование

Набухание глинистых грунтов

Под набухаемостью понимается способность дисперсных грунтов увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или растворами. Это свойство связано с гидрофильным характером тонкодисперсной части связных грунтов и большой их удельной поверхностью. Оно обусловлено в основном образованием в грунте слабосвязанной воды.

Набухание глинистых грунтов происходит в результате расклинивающего действия сольватных оболочек связанной воды, образующейся при гидратации глинистых минералов и тонкодисперсных органогенных и органо-минеральных частиц. Расклинивающему действию противостоят силы притяжения, обусловливающие структурные сцепления. Если последнее превышает или равно расклинивающему действию оболочек связанной воды, то набухание не происходит. Если же структурное сцепление меньше величины расклинивающего давления, то грунтовая система стремится перейти в равновесное состояние путем увеличения расстояния между частицами. В этом случае происходит набухание грунта. При этом в грунтовой системе развивается определенное давление, которое называется давлением набухания. Оно может быть обнаружено и измерено с помощью внешней нагрузки. Это давление будет равно той нагрузке, при которой увеличение объема грунта при гидратации наблюдаться не будет.

Ф. Д. Овчаренко (1961) показал, что в основе набухания лежит действие адсорбционных, осмотических и капиллярных сил,

определяющих напряжение, с которым вода удерживается в

структурированной системе. Роль осмотической составляющей подчеркивается многими исследователями. Причиной осмотических явлений, вызывающих набухание, является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде, окружающей грунт. Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации порового, то происходит набухание грунта. Роль этого явления проявляется по-разному в зависимости от минерального состава глинистых грунтов и наиболее ярко проявляется в монтмориллонитовых глинах.

Способность грунтов к набуханию характеризуют рядом показателей: 1) деформацией набухания (R_н), определяемой по относительному изменению объема или высоты при невозможности бокового расширения образца грунта после набухания и выражаемой в процентах или долях единицы; она определяется при свободном набухании грунта или набухании под нагрузкой;

2) влажностью набухания (W_Н), выраженной в процентах, соответствующей такому состоянию грунта, при котором прекращается процесс поглощения жидкости;

3) давлением набухания ( P_н), выраженным в МПа, которое развивается при невозможности объемных деформаций в процессе набухания грунта. По величине деформации свободного набухания и давлению набухания грунты подразделяются на виды (см. таблицу 1).

 

 

Классификация набухающих грунтовТаблица 1.

Виды грунтов	Величина деформации свободного набухания, %	Величина давлениянабухания, МПа
Ненабухающие Слабонабухающие Средненабухающие Сильнонабухающие	менее 4 4-10 10-15 более 15	менее 0,025 0,025—0,1 0,1—0,25 более 0,25

 

 

При изучении процесса набухания следует иметь в виду, что в ре­зультате взаимодействия воды с грунтовыми частицами хотя и наблю­дается увеличение объема грунта, но образовавшийся объем меньше простой суммы объемов грунта и воды, вступивших во взаимодействие. Это явление уменьшения суммарного объема в процессе взаимодейст­вия грунта и воды называется контракцией объема. Она опре­деляется как уменьшение объема в кубических сантиметрах, которое проявляется, когда 1 г сухого набухающего вещества вбирает п грам­мов воды. Контракция объема — вполне ощутимая величина. В част­ности, для почв она колеблется от 0,16 см³ (подзолистые почвы) до 1,60 см³ (чернозем) на 100 г. Для коллоидов, выделенных из аллюви­ального суглинка, контракция составляет 2,10, а для коллоидов, выде­ленных из обыкновенного чернозема — 7,35 см³ на 100 г.

Явление контракции объема грунт + вода можно объяснить обра­зованием связанной воды. При переходе свободной воды в связанном состоянии плотность ее увеличивается, а объем уменьшается. В ре­зультате общий объем системы грунт + вода тоже уменьшается. Чем больше образуется в грунте связанной воды, тем больше величина контракции объема.

Основными факторами, определяющими характер набухания грунтов, являются: 1) состав и строение грунта (минеральный и гранулометрический состав, состав обменных катионов, структурно-текстур­ные особенности, влажность и др.); 2) химический состав и концент­рация водного раствора, взаимодействующего с грунтом; 3) величина внешнего давления, под которым находится грунт.

Набухание характерно для связных грунтов. Супеси или совсем не проявляют набухания, или набухают очень слабо. Набуха­ние суглинков и глин возрастает в соответствии с увеличением содер­жания в них глинистых и особенно коллоидных частиц. Величина набухания воздушно - сухих образцов, сформированных из хвалынских глин, имеющих одинаковую начальную плотность, возрастала, поданным Ж. М. Рогаткиной (1968), от 0 до 37% в соответствии с увеличением содержания глинистых частиц от 1,5 до 88%. Сростом дисперсности грунтов помимо величины набухания увеличивается также время, необходимое для достижения максимальной величины набуха­ния.

Огромное влияние на набухание грунтов оказывает их минеральный состав и главным образом состав глинистых минералов. Минералы, имеющие подвижную кристаллическую решетку (например, группы монтмориллонита), обладают несравненно большей величиной набухания по сравнению с минералами, обладающими жесткой кристаллической решеткой (см. рис.1).

Набухание грунтов сильно изменяется в зависимости от состава обменных катионов, причем их влияние возрастает по мере увеличения емкости обмена. Грунты, у которых поглощающий комплекс насыщен преимущественно двух- и трехвалентными катионами, имеют ограничен­ное набухание. Наибольшее набухание отмечается у тяжелых глин, содержащих в обменном комплексе в значительном количестве одно­валентные катионы. По данным К. К. Гедройца, частицы диаметром меньше 0,25 мк, насыщенные Li+ и Na+, набухали до состояния желатинообразной массы, содержащей до 1000% воды к весу сухой навески.

Рисунок 1 Рисунок 2

Влияние обменных катионов на величину набухания обусловлено в первую очередь тем, что с изменением их состава происходит соот­ветствующее изменение степени дисперсности грунта благодаря различномуколичеству связанной воды, образующейся в диффузном слое мицеллы. В процессенабухания происходит диспергация грунта, что в свою очередь способствует дальнейшему развитию набухания.

Величина набухания тесно связана с количеством поглощенной воды (см. рис.2). Ее количество уменьшается с возрастанием началь­ной (естественной) влажности грунта. В связи с этим по мере увеличе­ния значения этого показателя набухание уменьшается. Так, образцы глины апшеронского яруса, отобранные в районе Мингечаурского водохранилища, при начальной влажности 6,2% имели величину объем­ного набухания 17,4% и влажность набухания 23,8%, а образцы с на­чальной влажностью в 13% - величину набухания 5% и влажность набухания 19,8%.

Периодическое изменение влажности оказывает большое влияние на набухание грунтов. При циклическом замачивании и высушивании глинистых образцов в каждом последующем цикле подсушивания -замачивания вследствие ослабления структурных связей увеличивается как степень набухания, так и давление набухания. Так, при естествен­ной влажности степень образцов хвалынских глин изменялась от 1 до 8%, а после многократного подсушивания — увлажнения при тех же значениях начальной влажности она возросла до 7,5—16%. Давление набухания в исследованных хвалынских глинах при естественной влаж­ности не превышало 0,5 МПа. В тех же грунтах после их циклического подсушивания увлажнении оно возрастало до 1,0 МПа и более (Рогаткина, 1966).

Величина набухания зависит от характера структурных связей: наибольшее набухание характерно для грунтов с коагуляционным типом контактов (см. рис.3). Нарушение естественной структуры грун­тов

Рисунок 3

способствует увеличению набухания. Наиболее резко оно возрас­тает у грунтов со смешанным и фазовым типами контактов.

Величина набухания глинистых грунтов зависит от характера их сложения. С увеличением плотности образцов слаболитифицированных глинистых грунтов деформация и давление набухания возрастали, причем эта зависимость часто имеет линейный характер. Это позволяет путем экстраполяции определить «начальную плотность набухания», при которой набуха­ние грунта исключается. Ее ве­личина неодинакова для глин раз­ного состава, влажности и сложе­ния. Так, для сарматских глин на­рушенной структуры она равна 0,95 г/см³, с ненарушенной струк­турой -

1,05 г/см³; для хвалынских глин эти величины соответст­венно равны 0,85 и 1,00 г/см³ (Сорочан, 1970).

Слоистые глинистые породы часто проявляют анизотропию в процессе набухания. Набухание, как правило, больше по направлению, перпендикулярному слоистости и основной трещиноватости.

Набухание глинистых грунтов также зависит от присутствия солей в растворах, циркулирующих в грунтах, концентрации и величины рН растворов. Химический состав воды в значительной степени определяет состав обменных катионов, а следовательно, и величину набухания грунтов. Кроме того, при наличии одних и тех же солей в природной воде величина набухания грунта будет изменяться в за­висимости от их концентрации. Чем больше содержание электролитов в воде, тем менее гидратированы ионы диффузного слоя грунтовых мицелл, тем меньше в грунте образуется связанной воды и, следова­тельно, тем меньше будет его набухание. Наиболее резко с ростом концентрации внешнего раствора уменьшается набухание Na-монтмориллонитовой глины. По В. С. Шарову (1935), набухание ее в 1 н. растворе NaCl в 10 раз меньше, чем в дистиллированной во­де. Максимум набухания этой глины отмечался при концентрации ра­створа NaCl 0,01 н.

Деформация набухания грунтов зависит от величины внешней пригрузки, действующей на грунт. Ее величина снижается по мере роста пригрузки и особенно сильно — в зоне малых напряжений. Если величина внешней пригрузки равна или больше давления набухания, то деформация набухания не проявляется.

Набухание грунтов является их важным свойством, которое необходимо учитывать при проведении строительных работ и эксплуатации инженерных сооружений. Строителям приходится иметь дело с явлением набухания грунта при вскрытии их выемками, котлованами и т. п., а также при сооружении плотин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия местности и увеличивается влажность пород за счет вновь поступающей воды. Грунты, сла­гающие дно и откосы котлованов и выемок, под действием вод (чаще всего атмосферных) могут не только набухать, но и размокать, в ре­зультате чего полностью нарушается их естественная структура. В США стоимость повреждений дорог, фундаментов, каналов и водо­хранилищ только за счет набухания глинистых грунтов достигает еже­годно 2,3 млрд. долларов, что значительно превосходит ущерб, наноси­мый наводнениями, ураганами и землетрясениями (Cromko. 1974).