Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное представление о структуре грунтов 10
1.1. Основные подходы к изучению структуры грунтов 10
1.2. Основные факторы, влияющие на изменения структурной прочности лессовых грунтов 14
Глава 2. Инженерно-геологическая характеристика лессовых пород Приобского плато 22
2.1. Распространение и особенности формирования лессовых пород Приобского плато 22
2.2. Химико-минералогический состав лессовых пород 26
2.3. Микроагрегатный и гранулометрический состав 29
2.4. Физико-механические свойства 34
Глава 3. Исследование структурной прочности лессовых грунтов Приобского плато 40
3.1. Особенности методики экспериментальных исследований 40
3.2. Изучение структурной прочности лессовых грунтов в условиях одноосного сжатия 48
3.3. Результаты исследований структурной прочности лессовых грунтов 53
3.3.1. Характеристика структурной прочности лессовых грунтов 53
3.3.2. Установление связи между структурной прочностью и физико-механическими свойствами лессовых грунтов 54
Глава 4. Исследование изменений микроструктуры лессового грунта в условиях компрессионных испытаний 60
4.1. Методика исследований, приборы и оборудование 60
4.2. Исследование изменения микроструктурных характеристик лессового грунта при компрессионном уплотнении 72
4.2.1. Исходное микростроение грунта 72
4.2.2. Микроструктура лессового грунта при компрессионном уплотнении 76
Глава 5. Практическое использование результатов исследований... 84
5.1. Рекомендации по расчету осадок оснований с использованием структурной прочности лессовых грунтов 84
5.2. Рекомендации по разработке региональной инженерно-геологической классификации лессовых грунтов Приобского плато 89
Заключение 91
Литература 94
Приложения
- Основные факторы, влияющие на изменения структурной прочности лессовых грунтов
- Химико-минералогический состав лессовых пород
- Изучение структурной прочности лессовых грунтов в условиях одноосного сжатия
- Исследование изменения микроструктурных характеристик лессового грунта при компрессионном уплотнении
Введение к работе
Актуальность проблемы. Все возрастающие темпы строительства, освоение новых территорий, реконструкция зданий и сооружений, возведение объектов повышенной этажности, сложной конфигурации в плане с разнообразными видами техногенных нагрузок на грунты основания, приводят к нарушению природного равновесия и образованию новой системы, которая в дальнейшем положительно или отрицательно влияют на окружающую среду. Надежное прогнозирование изменений геологической среды под влиянием техногенных нагрузок возможно только на основании результатов комплексных исследований грунтов и, в первую очередь, их прочностных и деформационных свойств, характерных для определенного вида грунтов.
Одной из особенностей лессовых грунтов Приобского Плато юга Западно-Сибирской плиты, является преобладание на указанной территории I типа грунтовых условий по просадочности, что диктует необходимость изучения их структурно-текстурных особенностей с учетом специфики региона.
Несмотря на многочисленные исследования, выполненные в данной области, до настоящего времени остаются не решенными проблемы не только влияния различных факторов на величину структурной прочности лессовых грунтов, но и недостаточно четко определяется нижняя граница сжимаемой толщи грунтов в основании сооружений, ее расчет ведется без учета структурных особенностей грунтов региона.
Целью работы является комплексное изучение структурной прочности лессовых грунтов Приобского плато как интегрального показателя деформируемости и устойчивости грунтовых оснований.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести комплексные инженерно-геологические исследования и выявить особенности формирования структурной прочности лессовых грунтов региона;
- с применением растрового электронного микроскопа изучить структуру лессовых грунтов и ее изменение при их деформировании в условиях компрессионного сжатия;
- провести экспериментальные исследования и установить влияние состава, состояния и физико-механических свойств лессовых грунтов на их структурную прочность;
- разработать региональную инженерно-геологическую классификацию лессовых грунтов и рекомендации по использованию структурной прочности при определении величины сжимаемой зоны при расчете осадок грунтовых оснований.
Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на полевых, лабораторных и теоретических исследованиях лессовых грунтов Приобского плато (на примере г. Барнаула), проведенных автором в течение нескольких лет.
Деформационные и прочностные характеристики лессовых грунтов определялись с использованием автоматизированной системы инженерно - строительных изысканий АСИС-18/4, а так же по стандартным методикам на компрессионных приборах КПр1 системы «Гидропроект» и в односрезном плоскостном приборе ГГП - 30.
Микроструктурные характеристики лессового грунта изучались на комплексе растровой электронной микроскопии РЭМ-микро ЭВМ.
Обработка результатов экспериментальных исследований, изменения прочностных и деформационных характеристик, а также уравнения регрессии и корреляционные зависимости структурной прочности получены с использованием программ «Microsoft Excel» , «Mathcad - 2006» и «Microcal Origin. Version: 3,5» Microcal Software. Inc.
Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период с 1999 по 2007 гг.
Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ им. И.И. Ползунова по научно - исследовательской работе «Разработка концептуальных положений мониторинга изменения свойств грунтов оснований с учетом техногенных воздействий» (УДК 624.157.31 № госрегистрации 0120.0503514) и по программе «Ползуновские гранты» по теме «Расчет осадки фундаментов зданий и сооружений с учетом изменений структурной прочности лессовых оснований» (2006 г.) Все исследования, выводы выполнены и получены на основе личного участия автора.
Автором получены корреляционные зависимости между структурной прочностью лессовых грунтов и их физико-механическими свойствами. На основании проведенных исследований разработана инженерно-геологическая классификация лессовых грунтов региона и даны рекомендации по учету структурной прочности при проектировании оснований зданий и сооружений.
Научная новизна:
- впервые на основе экспериментальных и теоретических исследований дана комплексная оценка структурной прочности лессовых грунтов региона;
- выявлены корреляционные зависимости между структурной прочностью и физико-механическими характеристиками лессовых грунтов;
- разработана региональная инженерно-геологическая классификация лессовых грунтов;
- впервые для региона даны рекомендации по использованию структурной прочности при расчетах сжимаемой толщи для оценки осадок грунтовых оснований.
Реализация и практическая ценность работы. Полученные результаты исследования по оценке структурной прочности грунтов имеют важное практическое значение и используются при обосновании границы сжимаемой толщи при проектировании фундаментов, возводимых на лессовых грунтах. Результаты исследований используются в Алтайском государственном техническом университете им И.И. Ползунова при чтении лекций для студентов строительно-технологического факультета по дисциплинам «Основы научных исследований»; «Механика грунтов» и при выполнении курсового и дипломного проектирования.
На защиту выносятся:
1. Выявленные особенности состава и состояния лессовых грунтов, оказывающие наибольшее влияние на их структурную прочность, влажность, плотность, пористость, удельное сцепление.
2. Закономерности изменения структуры лессовых грунтов, выявленные в процессе их деформирования в условиях компрессионного сжатия.
3. Региональная инженерно - геологическая классификация лессовых грунтов, разработанная с использованием структурной прочности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия» (г. Барнаул, 1999), на региональной научно-практической конференции «300 лет горногеологической службе России: история горно-рудного дела, геологическое строение и полезные ископаемые Алтая» (г. Барнаул, 2000), на 59 - ой научно-технической конференции «Научно-техническое творчество молодежи» (г. Барнаул, 2002), на Международной научно-практической конференции «Гуманизм и строительство, природа, этнос и архитектура» (г. Горноалтайск, 2003), на 11 - ом Всероссийском слете студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса «Ползуновские гранты» (г. Владимир, 2006) и на 3-х научных семинарах кафедры «Основания, фундаменты, инженерная гео-лоия и геодезия» АлтГТУ г. Барнаул, 1999 - 2006).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 118 страниц, в том числе 18 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 135 наименований и 5-ти приложений.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Г.И. Швецову, сотрудникам Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова за помощь, деловые советы, консультации и дискуссии: И.В. Носкову, Б.М. Черепанову, Т.А. Гор- буновой, Е.И. Вяткиной, Б.Ф. Азарову, Н.Я. Тейхреб, И.В. Карелиной, И.А. Корнееву.
Основные факторы, влияющие на изменения структурной прочности лессовых грунтов
В процессе инженерного воздействия в грунтах возникают различные инженерно-геологические явления, закономерно связанные с их геологоге-нетическими особенностями и условиями формирования, осложняющие строительство и эксплуатацию сооружений. Это вызывает необходимость совершенствовать методику оценки совокупности свойств грунтов и ожидаемого деформационного поведения их при антропогенном воздействии. Особенно это важно при строительстве на наиболее сложных, дисперсных грунтах, к которым относятся лессовые грунты [1,3,8,15,44,132].
В.Д. Ломтадзе под структурной прочностью понимает начало сжатия глинистых пород, которое предопределено многими факторами, связанными с геологической историей образования глинистых пород и их существования в земной коре [68].
В дисперсных материалах, к которым относятся и лессовые грунты, физические и механические свойства зависят от прочности связей между отдельными минеральными частями. Структурные связи рассматриваются специалистами в области инженерной геологии как неотъемлемая часть структуры, а следовательно, и структурной прочности. Значительный вклад в исследование этого вопроса внесли И.В. Попов, Е.М. Сергеев, А.К. Ларионов, Г.И. Швецов, В.И. Осипов и др. [52, 63,64,67,103,128].
При инженерной деятельности человека горные породы подвергаются различным воздействиям. Главное место среди них занимают механические воздействия от статических и динамических нагрузок, создаваемых сооружениями. При этом химико-минералогический состав пород практически не изменяется, зато строение грунта претерпевает разнообразные изменения.
На необходимость изучения структурной прочности глин при оценке их прочностного и деформационного поведения впервые обратили внимание К. Терцаги в 1925 г. и М.М.Филатов в 1936 г. При строительстве различных сооружений на грунты чаще всего воздействуют внешние давления порядка до 0,3 МПа. Нагрузки в таком диапазоне в лабораторных условиях традиционно моделируются компрессионными испытаниями грунта.
Компрессионное уплотнение представляет собой процесс, при котором происходит изменение структурной системы грунтов, направленное на уменьшение размера пор, снижение общей пористости, повышение степени ориентации структурных элементов в плоскости, перпендикулярной направлению прилагаемой нагрузки [54]. Н.Н. Комиссарова выявила, что в ходе сжатия разрушение макроагрегатов на первом этапе нагружения не возникает. Это обусловлено высокой прочностью макроагрегатов и если давление не превосходит их структурную прочность, то прочность индивидуальных контактов в грунте не изменяется. При дальнейшем увеличении давления структурные связи ионно-электростатической природы ослабляются, вплоть до разрушения. Однако происходящее при сжатии сближение частиц ведет к нарастанию прочности грунта за счет увеличения сил механического сцепления и роста дальнодействующих молекулярных сил [66].
Это хорошо иллюстрируется компрессионными кривыми глинистых грунтов ненарушенной структуры, имеющими два участка: первый горизонтальный - до давлений, не превосходящих структурной прочности грунта pstn отличающийся незначительным изменением коэффициента пористости при росте вертикальной нагрузки, и второй - криволинейный со значительными изменениями коэффициента пористости, что указывает на уплотнение грунта под нагрузкой, превосходящей структурную прочность. Основными факторами, влияющими на величину структурной прочности, являются состав, состояние, влажность, плотность, коэффициент пористости и структурные особенности породы [13, 56]. Главным фактором, контролирующим деформационное и прочностное поведение лессовых грунтов, является характер структурных связей, от которых зависит не только величина сжимаемости, но и характер этого процесса.
Делювиально-пролювиальные отложения Приобского плато имеют ярко выраженную скелетную микроструктуру с коагуляционно - кристаллизационными контактами [128, 130]. По данным В.И.Осипова [81] график сжимаемости таких грунтов характеризуется наличием четко выраженной точки перегиба, соответствующей пределу структурной прочности и равной десятым долям МПа.
По данным, получаемым при компрессионных испытаниях, рассчитывают значение модуля деформации лессовых пород (Е), величина которого находится в широком диапазоне, что обусловлено влиянием влажности и структурных особенностей. Наиболее высокие значения Е в агрегативных грунтах с малой активной пористостью и маловлажных. В сильно влажных разностях с зернисто-пленчатой или зернисто-агрегативной структурой величина Е понижается до 7-5 МПа. Наименьший модуль деформации Е = 2-3 МПа присущ зернисто-пленчатым лессовым породам с высокой активной пористостью и влажностью.
Химико-минералогический состав лессовых пород
Инженерно-геологические свойства лессовых пород во многом определяются структурными и минералогическими характеристиками. Большое внимание уделяется минералогическому составу лессовых пород, при этом основной акцент делается на количественную оценку минералов, на их связь с генетическими особенностями исследуемых пород.
В основу классификации минералов лессовых пород исследователями чаще всего принимаются такие характеристики, которые позволяют рассматривать эти породы в естественноисторическом развитии. В соответствии с этим принципом все минералы лессовых пород разделяются на кластоген-ные, высокодисперсные и типоморфные [128].
Поданным Ф.Н.Никитенко [76], Т.А.Горбуновой [25] у лессовых пород Приобского плато легкая фракция составляет 93-98 % от веса пробы и представлена, в основном, кварцем, полевыми шпатами (ортоклазом, плагиоклазом и реже - микроклином).
В лессовых породах Приобского плато аллювиального, аллювиально-пролювиального флювиогляциального типа практически отсутствуют тонкокристаллические карбонаты. В то же время в современных голоценовых лессовых покровах распространены вторичные карбонаты в виде рассеянных тонкозернистых кристаллов. Одновременно в горизонтах среднего плейстоцена имеют место первичные карбонаты и вторичные в виде куколок, корочек и др.
Тяжелая фракция кластогенных минералов с размерами частиц ее 0,05мм представлена в лессовых породах, в основном, зернами эпидота, роговой обманки, циркона, содержание их составляет 1,5...2,0 % в суглинках и 3,5 % в супесях [76].
По данным Г.И. Швецова гидрослюда встречается практически во всех суглинках и супесях. В несколько меньшем количестве распространен каолинит. Монтмориллонит имеет распространение в покровных суглинках на глубине более 3-5 м, в аллювиальных суглинках террас, в деградированных суглинках среднего плейстоцена. В нижнеплейстоценовых отложениях монтмориллонит имеет меньшее распространение, чаще встречается гидрослюда.
Более древние в стратиграфическом положении лессовые породы большей степени подверглись выветриванию, поэтому в выветрившихся породах практически не прослеживаются свежие зерна полевых шпатов, уменьшается содержание гидрослюд и увеличивается количество монтмориллонита [4].
Исследуя генетические и инженерно-геологические особенности лессовых пород региона, В.С.Арефьев [3] приходит к выводу, что эти породы являются первичными отложениями различных циклов осадконакопления, притерпевших процессы диагенеза. При этом важнейшим фактором в восстановлении просадочных свойств является промерзание и оттаивание, а также сублимация льда, в результате чего часть пор оказалась свободной от гравитационной воды [106]. Валовый состав лессовых пород характеризуется следующими значениями отдельных компонентов (в %): SiCb - 60,18-72,3; AI2O3 - 10,8-21,4; Fe203-3,7-7,5; CaO-1,30-8,9; MgO-0,6-2,8. Как видно, валовый химический состав характеризуется высоким содержанием SiC 2 . Величина кремнекислого коэффициента К = SiCV AI2O3 изменялся в пределах 3,2-5,7 при среднем значении 4,8-5,1. Как известно, наиболее высокие значения этого коэффициента (К = 7-7,4) характерны для районов с высокой влажностью, а низкие - для засушливых областей (К = 3,2-4,0). По данным Т.А. Горбуновой и B.C. Арефьева водородный показатель - pH , для лессовых пород территории г. Барнаула несколько увеличивается с глубиной - с 7,2 до 7,6 ( глубина от 2 до 10 м). По величине сухого остатка судят о степени засоления грунтов, минимальном содержании легко- и сред-нерастворимых солей. Для лессовых пород Барнаула характерно карбонатно-магниево-сульфатное засоление. С глубиной у лессовых пород Приобского плато степень засоления увеличивается [3]. Главными обменными катионами являются Са , SO , Mg"14". Содержание Са"14" у лессовых пород территории г. Барнаула составляет (0,011 - 0,02) % [24].
По мнению Е.М.Сергеева [106] и В.П.Ананьева для понимания генезиса и просадочности большое значение имеет химико-минералогический состав. Предрасположенность покровных лессовых пород Приобского плато к просадке обусловлено наличием в них глинистых частиц гидрослюдистого и каолинитового составов. И наоборот, наиболее интенсивное распространение монтмориллонита в более глубоких слоях лессовых пород обусловливает их непросадочность [106]. Наличие первичных и вторичных карбонатов у лессовых пород Приобского плато свидетельствует о микроагрегативности, поскольку карбонаты входят в состав глобул. Это подтверждается и результатами исследований Г.И. Швецова, Е.И. Вяткиной [15].
Изучение структурной прочности лессовых грунтов в условиях одноосного сжатия
Одной из актуальных проблем современной инженерной геологии является изучение закономерностей формирования и деформируемости лессовых грунтов в основаниях зданий и сооружений. Хотя в настоящее время накоплен большой объем данных в этой области, (что позволяет не только уточнять теоретические схемы расчета осадок, но и оценивать достоверность информации получаемой при изысканиях) продолжаются исследования действительного поведения грунтов под нагрузкой.
Так существующие нормативы дают противоречивые рекомендации относительно условия на нижней границе сжимаемой толщи грунта при расчете осадок фундаментов, что позволяет утверждать о необходимости более глубокого изучения проблемы расчетов деформаций фундаментов и определения прочностных и деформационных характеристик грунтов [16]. Одним из перспективных направлений в данной проблеме является учет структурной прочности грунтов основания.
Для определения структурной прочности pstr испытание грунта проводилось методом компрессионного сжатия. Для более точного построения компрессионных кривых все ступени давления р принимались равными 0,0025 МПа. На каждой ступени нагружения образца грунта снимались отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций в следующей последовательности: первый отсчет — сразу после приложения нагрузки, затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом 1 ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца. За критерий условной стабилизации деформации принималась скорость деформации образца, не превышающая 0,01 мм за по-следние 16 ч — для глинистых грунтов (супесей и суглинков). В процессе испытаний велись рабочие журналы. По полученным данным строились компрессионные кривые - графики e=f(p).
Анализу подвергалось более 250 компрессионных кривых лессовых суглинков и супесей при различных коэффициентах пористости. Все компрессионные кривые имели идентичное очертание - криволинейное с начальным участком, отличающимся незначительным приращением деформаций с ростом вертикальных давлений.
Указанные особенности компрессионных кривых лессовых грунтов отличались в работах Ю.М. Абелева [1], Г.И Швецова [133]. Они обусловлены наличием у лессовых грунтов прочных структурных связей. Пока внешняя нагрузка воспринимается скелетом грунта, деформации образца незначительные. Как только действующее давление превышает прочность структурных связей - структурную прочность грунта, деформации образца увеличиваются.
Математическая аппроксимация компрессионных кривых выполнялась на основе статистического обобщения результатов компрессионных испытаний твердых, полутвердых, тугопластичных лессовых суглинков и твердых и пластичных супесей. В основу статистического обобщения экспериментальных данных было положено отыскание корреляционных зависимостей начального коэффициента пористости от действующего давления Р в диапазоне 0,0 - 0,3 МПа. Все уравнения описывались степенной зависимостью с коэффициентом корреляции R близким к 1 (от 0,94 до 0,99). Полученные корреляционные уравнения использовались для определения точек перегиба графиков е = f(p),T.e. предела структурной прочности лессовых грунтовpstr. Для этого брали вторую производную полученных корреляционных уравнений и приравнивали ее к 0, после чего были получены корни решений этих дифференциальных уравнений. Первый корень соответствует величине/?»,.. Рассмотрим примеры вычисления структурной прочности -pstr, 1 .Компрессионные кривые для твердых лессовых суглинков с коэффициентом пористости 0,76, удельным сцеплением 0,022 МПа и плотностью 1,67 гр/см описываются следующим уравнением регрессии величина достоверности аппроксимации равна 0,9824
Используем полученное корреляционное уравнение для определения точек перегиба е =/(р),т.е. предела структурной прочности лессовых грунтов - pstr. Для этого возьмем вторую производную и приравняем ее к 0. Воспользуемся программой «Mathcad 2006 ».
Исследование изменения микроструктурных характеристик лессового грунта при компрессионном уплотнении
Анализируя РЭМ-изображения и результаты количественного анализа микроструктуры лессового грунта естественного сложения (эталонное состояние грунта) можно отметить следующее.
Структура грунта однородная, с рыхлым равномерно пористым "скелетом" (рисунок 4.2). Сложена зернами и глинисто-пылеватыми агрегатами округлой формы, имеющими сложное строение, 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, через которые происходит контактирование твердых структурных элементов. Связь между структурными элементами, в основном, коагуляционно-цементационного типа.
Как следует из РЭМ-фотографий и результатов количественного анализа микроструктуры (рисунок 4.3, таблица 4.5), общая пористость грунта составляет 48,5 %, а поровое пространство на 85,0% состоит из межзернистых и межмикро-агрегатно-зернистых микропор изометричной формы. Среди пор этого типа можно выделить: крупные со средним эквивалентным диаметром 36,4 мкм и площадью 1040 кв.мкм; мелкие со средним эквивалентным диаметром 4,8 мкм, площадь 18,1 кв.мкм (рисунок 4.3, а). численная категория пор в общей пористости анализируемого грунта. Плотность вероятности таких пор максимальна и имеет значения от 4.41 до 0,08 (рисунок 4.3, а). Общий периметр всех пор составляет 5,546x106 мкм, а средний периметр равен 2,497 мкм. Все это в целом позволяет отнести микроструктуру лессового грунта природного сложения к скелетному типу [82, 87]. Величина структурного коэффициента составляет 9,73.
Для определения изменений в грунте при постепенном увеличении нагрузки от Р =pstr = 0,024 МПа (рисунок 4.4.) до нагрузки значительно превышающей pstr проведем анализ микроструктурных исследований. Микроструктура грунта естественной влажности после уплотнения нагрузкой Р =pstr (рисунок 4.4) однородная, основным типом твердых структурных элементов, как и в грунте естественного сложения, являются зерна и глинисто-пылеватые агрегаты (глобулы) круглой формы средним размером 10-45 мкм. глинистое вещество располагается на поверхности глобул в виде глинистых рубашек, через которые происходит контактирование твердых структурных элементов.
Как следует из РЭМ-фотографий и результатов количественного анализа микроструктуры (таблица 4.5), общая пористость грунта в плоскости, перпендикулярной приложению нагрузки, снизилась до 47,94%, а основная часть порового пространства по-прежнему представлена крупными межмикроаг-регатными и межзерновыми порами, максимальный диаметр которых снизился до 467мкм, а средний диаметр уменьшился до 0,331 мкм. Практически не возросло количество ультрамикропор и тонких микропор.
После приложения нагрузки равной структурной прочности грунта -0,024 МПа (рисунок 4.4) существенных изменений микроструктуры по сравнению с образцами эталонного (начального) (рисунок 4.2) лессового грунта не происходит. Микроструктура грунта однородна с рыхлым равномерно пористым скелетом, сложена округлыми глинисто-пылеватыми агрегатами. После увеличения нагрузки до 0,1 МПа микроструктура грунта (рисунок 4.5) однородная основным типом твердых структурных элементов являются зерна и глинисто-пылеватые агрегаты (глобулы) со средним размером 10-45 мкм глинистое вещество располагается на поверхности глобул в виде глинистых рубашек, через которые происходит контактирование твердых структурных элементов
