Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ теоретических подходов, методов и конструктивно-технологических решений по усорению осадок земляного полотна на слабыхгрунтах 13
1.1. Анализ теоретических основ и опыта применения методов и технологий ускорения осадок земляного полотна на слабых грунтах 13
1.2. Анализ современных представлений о механизмах и моделях процессов консолидации грунтов 22
1.3. Исследование особенностей структурно-физических характеристик грунтов при статическом и динамическом нагружениях 37
1.4. Цель и задачи исследования 57
ГЛАВА 2. Разработка методов моделирования и расчета процессов консолидации связных грунтов при создании технологии с управляемыми кинетическими характеристиками 60
2.1. Общие принципы моделирования связных грунтов 60
2.2. Разработка математической модели консолидации связного грунта при вибрационном воздействии 66
2.3. Разработка гидродинамической модели и методов аналитического описания процессов консолидации глинистых грунтов 79
2.4. Опытная реализация математической гидродинамической модели в задачах консолидации связного грунта 93
2.5. Анализ параметров интенсивности осадок грунтов 104
Выводы по главе 2 107
ГЛАВА 3. Инженерное моделирование и расчет параметров виброконсолидации связных грунтов с использованием термодинамических методов 109
3.1. Исследование процессов консолидации и механизмов структурных превращений в связных грунтах с помощью анализа энергетического фактора вибрационного воздействия 109
3.2. Инженерное моделирование и расчет параметров виброконсолидации связных грунтов 130
3.3. Исследование эффективности и механизмов затухания виброуплотнения связных грунтов 144
Выводы по главе 3 147
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования виброуплотнения грунтов 150
4.1. Методы создания и состав характеристик образцов грунтов 150
4.2. Обоснование и выбор оборудования для проведения вибрационных исследований 155
4.3. Проведение статических испытаний уплотнения грунтов 158
4.4. Исследование порового давления в образцах грунта 167
4.5. Проведение испытаний виброуплотнения грунтов на искусственных образцах 172
4.6. Проведение испытаний виброуплотнения реальных грунтов 187
4.7. Параметрическое выражение для коэффициента структурной податливости 190
Выводы по главе 4 197
ГЛАВА 5. Исследование механизмов и разработка научных основ динамической консолидации грунтов 198
5.1. Обобщённые физическая и физико-химическая модели динамической консолидации связного грунта 198
5.2. Разработка модели структуры рыхлосвязанной воды в связных грунтах 208
5.3. Обобщения по методам аддитивного моделирования 222
5.4. Обоснование аналитической записи закона уплотнения грунтов с помощью аппроксимации экспериментальных данных 224
5.5. Закономерности динамической консолидации связного грунта 234
5.6. Изучение процессов разрушения агрегатов методами лазерной дифрактометрии 248
Выводы по главе 5 250
ГЛАВА 6. Разработка опытно-промышленной технологии ускорения осадок земляного полотна 251
6.1. Инженерное моделирование и обоснование параметров технологической системы « безопасный слой отсыпки - слабое основание» 251
6.2. Временные параметры консолидации неидеального (реального) слоя связного грунта 266
6.3. Исследование псевдостабильных состояний связных грунтов 269
6.4. Консолидация многослойного грунтового основания 273
6.5. Отработка методов подготовки связных грунтов к уплотнению в условиях опытно-промышленной технологии с учетом состояния грунтов 278
6.6. Отработка опытно-промышленной технологии ускоренной консолидации слабого основания 281
6.7. Методы мониторинга природного основания при использовании комплексной технологии 295
6.8. Исследование адекватности методов аддитивного моделирования и разработка структурной схемы технологии интенсивной консолидации основания земляного полотна 298
Выводы по главе 6 310
ГЛАВА 7. Определение экономической эффективности применения новой технологии ускорения осадок земляного полотна на слабых грунтах 312
7.1. Выбор технических критериев эффективности технологии интенсивной консолидации грунтов основания 312
7.2. Исследование пределов применимости технологии интенсивной консолидации с учетом конструктивных взаимодействий в системах «земляное полотно - слабое основание» и «безопасный слой - слабое основание» 313
7.3. Классификация конструктивно-технологических решений обеспечения устойчивости природного основания на основе критериев технико-экономической эффективности 322
7.4. Принципы расчета дохода и эффективности дорожных проектов 323
7.5. Определение сравнительной экономической эффективности
применения технологии интенсивной консолидации 325
Выводы по главе 7 331
Основные результаты и выводы 333
Библиографический список
- Анализ современных представлений о механизмах и моделях процессов консолидации грунтов
- Разработка гидродинамической модели и методов аналитического описания процессов консолидации глинистых грунтов
- Исследование эффективности и механизмов затухания виброуплотнения связных грунтов
- Проведение испытаний виброуплотнения грунтов на искусственных образцах
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность темы обоснована современными научными исследованиями, практикой расчета дорожных конструкций и требованиями технических регламентов по безопасности инженерных сооружений, выполнение которых для земляного полотна на слабых (связных, переувлажненных глинистых) грунтах всегда является новой научно-практической проблемой.
Развитие конструкций и строительных технологий, применяемых при
возведении земляного полотна автомобильных дорог, связано с применением
системных комплексных научных, методических и технологических
исследований. Особенно актуальным это становится в районах
распространения слабых грунтов, в первую очередь, в Нечерноземье и Западной Сибири.
Одной из причин повышенной деформации земляного полотна на всех
стадиях его жизненного цикла (проектирование, строительство,
эксплуатация) является недостаточный учет процессов изменения
физических и механических характеристик слабого основания. Такие участки автомобильных дорог имеют многолетние деформации и, как следствие, повышенные расходы на содержание и ремонт.
Длительная продолжительность процесса и незавершенная осадка
оснований непосредственно влияют на динамику состояния насыпей во
время эксплуатации. Необходима новая методология разработки
конструктивно-технологических решений при проектировании и
строительстве земляного полотна, которая позволит существенно сократить продолжительность осадки и обеспечит достижение таких уровней, при которых будет обеспечена стабильная эксплуатация как самого основания, так и земляного полотна.
Сокращение длительности осадок земляного полотна на слабых грунтах позволит значительно сократить сроки возведения автомобильных дорог, снизить их стоимость, повысить качество, надежность и долговечность.
Поставленная проблема актуальна и с теоретико-методических позиций исследования физических и механических процессов консолидации связных грунтов при различных видах воздействия – динамическом, статическом и комплексном. Теоретическое обоснование связано с необходимостью создания структурно-физических, физико-химических, термодинамических моделей поведения связных и несвязных грунтов.
Объект исследования: земляное полотно на слабом основании из переувлажненных глинистых грунтов (связных грунтов).
Цель работы: создание теоретических основ, разработка методов и
технологий интенсивной осадки земляного полотна на слабых грунтах с
управляемыми кинетическими характеристиками, обеспечивающими
сокращение срока строительства и заданные эксплуатационные
характеристики основания земляного полотна.
Задачи работы:
1. Исследовать процессы консолидации грунтов основания земляного
полотна с управляемыми кинетическими характеристиками.
2. Разработать критерии и методы оценки уровня консолидации
грунтов основания земляного полотна.
3. Установить закономерности изменения показателей консолидации
связных грунтов при динамическом воздействии.
4. Разработать модели природного основания как естественной среды,
находящейся под воздействием строительной нагрузки и при этом
сохраняющей взаимодействие с пограничными средами.
-
Разработать концепцию и механизмы ускоренной консолидации грунтов, позволяющие сформировать новые эффективные технологии воздействия на слабые грунты.
-
Разработать новую технологию, позволяющую ускорить осадки дорожного земляного полотна на слабых грунтах.
7. Разработать перспективные методы мониторинга основания
земляного полотна в условиях применения новой технологии ускорения
консолидации грунтов природного основания.
Методы исследования. При решении поставленных задач
использовались методы физического и инженерного моделирования, методы математического анализа. Для обработки и анализа экспериментальных данных использовались статистические и вероятностные методы.
Достоверность результатов. Обоснованность научных положений,
рекомендаций и выводов подтверждается правомерностью принятых
исходных данных и предпосылок, использованием общепринятых методов
моделирования с привлечением классических методов теории механики
грунтов, практической реализацией конструктивно-технологических
решений, ускоряющих осадку земляного полотна автомобильных дорог.
Достоверность результатов подтверждается экспериментальными исследованиями параметров, влияющих на скорость и процесс осадки земляного полотна. Подтверждено соответствие выдвинутых в работе гипотез с реальными физическими процессами, возникающими в процессе осадки земляного полотна на слабом основании.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена положительными результатами их внедрения в научных, проектных и строительных организациях транспортного строительства, в том числе при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы оценки
состояния слабых грунтов при техногенном воздействии и новая технология,
включающая структурно-физические, гидродинамические и физико-
химические методы ускоренной консолидации грунтов основания земляного полотна.
1. Разработаны механизмы структурно-физического,
гидродинамического и физико-химического уплотнения связных грунтов при
обработке их методами динамического, статического и электрофизического воздействия.
2. Разработан метод аддитивного моделирования грунтов как
многофункциональный инструмент, позволяющий воспроизводить сложное и
многообразное поведение грунтов в процессах их нагружения. Метод
аддитивного моделирования грунтов построен по принципу иерархии
нарастающей сложности и включает инструменты и подходы
междисциплинарной методологии:
модель хаотичной плотнейшей упаковки частиц грунта; модель иерархии микроструктуры связного грунта; модель порового пространства связного грунта; термодинамическая и энергетическая модель; гидродинамическая модель; физико-химическая модель связного грунта; модель уплотнения связного грунта за счет эффекта понижения коэффициента поглощения волн; расчетная балансовая модель удаляемой водной компоненты; модель рыхлосвязанной воды; модели и численные критерии структурной податливости связного грунта; модель управления фильтрационной проницаемостью с помощью активизации поровой структуры связного грунта; обобщенная динамическая модель связного грунта.
3. Установлено, что уплотнение грунтов может происходить до
некоторого предельного состояния, которое отвечает максимальной по
плотности упаковки структурно-физических элементов грунта.
-
Разработан новый оценочный параметр – коэффициент структурной податливости, с использованием которого составлены аналитические соотношения динамической консолидации связных грунтов.
-
Установлены закономерности изменения показателей консолидации грунтов от параметров динамического воздействия применительно к широкой гамме слабых грунтов.
6. Показано, что в связных грунтах транспорт отжимаемой воды
осуществляется по активным крупным порам, тогда как тонкие капиллярные
поры не пригодны для транспорта воды. Уточнена теория фильтрационной
консолидации грунтов природного основания.
7. Показано, что в связных грунтах имеют место эффекты
псевдостабилизации, которые препятствуют уплотнению грунта до заданного
уровня и представляют собой контролирующий фактор консолидации.
8. Предложена методология исследований вибрационных свойств
грунтов, позволяющая разделить тонкие частотные характеристики.
Показано, что позитивным фактором консолидации связного грунта при
динамическом воздействии является эффект понижения коэффициента
поглощения волн в грунте по мере увеличения его плотности.
9. Разработаны основы инженерного моделирования и расчета
параметров виброконсолидации связных грунтов с использованием
термодинамических методов.
10. Разработаны научные основы технологии ускоренной консолидации
слабого природного основания при динамическом, статическом и
электрофизическом воздействии.
Практическая значимость работы. Результаты диссертации
предназначены для проектных и строительных организаций с целью разработки и реализации новых конструктивно-технологических решений земляного полотна автомобильных дорог, позволяющих ускорить его осадку на слабых грунтах.
Совокупность научных идей и практических результатов исследований составляет новое направление в области проектирования и строительства автомобильных дорог в районах распространения слабых грунтов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Механизмы структурно-физического, гидродинамического и физико-
химического уплотнения слабых грунтов основания земляного полотна.
2. Научные основы технологии ускоренной консолидации слабого
природного основания при динамическом, статическом и электрофизическом
воздействии.
3. Метод аддитивного моделирования грунтов и процессов ускоренной
консолидации как многофункциональный инструмент, позволяющий
воспроизводить сложное и многообразное поведение грунтов в процессах их
нагружения.
-
Модели фильтрационной консолидации грунтов природного основания, учитывающие механизмы движения рыхлосвязанной воды по активным (крупным) порам и эффект псевдостабилизации.
-
Положение, согласно которому уплотнение грунтов может происходить до некоторого предельного состояния, которое отвечает максимальной по плотности упаковке структурных физических элементов грунта.
-
Методы исследований вибрационных свойств грунтов, позволяющие разделить тонкие частотные характеристики вибрационного воздействия.
-
Экспериментальные методы и программы ускоренной консолидации слабого основания земляного полотна с применением нового лабораторного оборудования.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:
при разработке «Рекомендаций по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях»;
при проектировании и строительстве земляного полотна подходов к мостовому переходу через р. Каму в Пермском районе Пермской области;
при проектировании и строительстве вторых путей железнодорожной линии Сургут – Нижний Тагил.
при проектировании и строительстве автомобильной дороги Былым – Актопрак в Кабардино-Балкарской Республике.
при реконструкции автомобильной дороги II категории Владикавказ – Ардон – Чикола – Лескен в Республике Северная Осетия – Алания.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на конференциях и семинарах:
Научно-техническая конференция «Безопасность движения поездов» (МИИТ, Москва, 2003 – 2004 гг.).
Международная конференция по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчёта и инженерная практика» (Дом Архитектора, Санкт-Петербург, 2005 г.).
Семинар компании ООО «Маккаферри СНГ» (Дом Знаний, Москва, 2005 г.).
На заседаниях кафедры «Организация, технология и управление строительством» (МИИТ, Москва, 2004 – 2006 гг.).
Научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (МИИТ, Москва, 2005 г.).
I Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий» (Москва, 2010г.).
VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2010г.).
II международная научно-практическая конференция «Проблемы и возможности современной науки» (Тамбов, 2011г.).
На заседаниях кафедры «Инженерная геология и геотехника» (МАДИ, Москва, 2012 – 2013 гг.).
На заседаниях кафедры «Изыскания и проектирование дорог» (МАДИ, Москва, 2013 – 2014 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе 29 по Перечню ВАК, получено 4 патента на изобретение. Результаты работы автора отражены в «Рекомендациях по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях».
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка и 3-х приложений. Общий объем работы составляет 363 страницы машинописного текста, в том числе 35 таблиц и 173 рисунка.
Анализ современных представлений о механизмах и моделях процессов консолидации грунтов
В разделе 1.1 были рассмотрены практические аспекты известных методов консолидации грунтовых элементов, в то же время вопросы научного обоснования этих методов и потенциал их развития применительно к слабым грунтам требует отдельного исследования. Принципиальная позиция настоящей работы состоит в том, что при решении задачи создания технологии консолидации грунтов с управляемыми кинетическими параметрами необходимо глубокое понимание процессов формирования структуры и свойств этих грунтов.
В механике грунтов выбор адекватных теоретических моделей работы грунта под нагрузкой относится к числу базовых задач. К настоящему времени известно множество физических моделей, разработанных на основе обобщения экспериментальных данных. Аналитические решения в общем виде недостижимы, поэтому для упрощения задач вводят различного рода допущения.
Теоретические основы процессов консолидации грунтов заложены в работах зарубежных и отечественных ученых Терцаги К., Дарси А., Герсеванова Н.М., Флорина В.А., Маслова Н.Н., Цытовича Н.А., Зарецкого Ю.К., Ломбардо В.Н., Вялова С.С., Абелева М.Ю., Трофимова В.Т., Доброва Э.М., Вознесенского Е.А., Далматова Б.И., Ухова СБ., Тер-Мартиросяна З.Г., Алексеева СИ. и др.[1, 4, 20-23, 26, 41-46, 88, 89, 140, 199,200, 206,210, 217, 218].
Особенно хотелось бы выделить работы Маслова Н. Н. и в целом его школы Эти работы в настоящее время широко используются в дорожном строительстве. Представление о консолидации грунтов в работах Маслова Н.Н., Вознесенского Е. А., Доброва Э. М., Тер-Мартиросяна З.Г. основаны на исследовании динамического и статического воздействия на грунты.
Актуальными практическими и теоретическими задачами в настоящей работе являются стабилизационные процессы консолидации связных грунтов и комплекс вопросов экспериментальных и модельных исследований консолидации связных грунтов.
Таким образом, этап перехода моделирования грунтов от физико-механического подхода до физико-химического и волнового показывает, что необходимо не только совершенствование методологии моделирования, но и углубление представлений о свойствах, структуре грунтов и их взаимосвязи.
Грунты представляют собой древнейший и наиболее распространенный строительный материал, широко используемый в дорожном строительстве, при возведении зданий и сооружений. Особенность грунтов заключается в том, что они применятся в состоянии in-sity или после некоторых весьма ограниченных по типу технологических обработок [65]. По сравнению с материалами искусственной природы для природных грунтов не применяются такие методы, как термообработка, синтез, спекание и др., что в сочетании с исключительным разнообразием свойств природных грунтов предопределяет фундаментальное отличие этих грунтов от материалов искусственной природы [52].
В этой связи представляет интерес проследить трансформацию принципов моделирования грунтов как одного из главных инструментов исследования [65].
Необходимо отметить, что задача исследования кинетических факторов (скорость изменения степени консолидации во времени) консолидационных процессов глинистых грунтов природного основания мало изучена как в теоретическом, так и экспериментальном плане. Теоретические факторы кинетики консолидации состоят в описании механизмов процессов уплотнения грунтов природного основания, раскрывающих структурные (микроструктурные) особенности строения глинистых сред, затрудняющих консолидацию при использовании традиционных методов.
Экспериментальные факторы кинетики консолидации заключаются в построении таких эффективных приемов, которые на основе теоретических знаний о механизмах уплотнения грунтов природного основания позволяют добиваться быстрой и воспроизводимой их консолидации.
Задачи управления кинетическими факторами консолидации, обеспечивающие резкое сокращение периода выдержки и высокие эксплуатационные показатели природного основания со слабыми грунтами, будут рассмотрены в следующих главах.
Разработка гидродинамической модели и методов аналитического описания процессов консолидации глинистых грунтов
На основании данных, представленных в первой главе, можно указать на ряд положений, которые должны быть положены в основу моделирования связных грунтов: - грунты представляют собой совокупность систем, для описания которых необходимо использование аддитивного междисциплинарного моделирования и адекватной методологии, объединяющих такие дисциплины, как инженерная геология, механика грунтов, материаловедение, физическая и коллоидная химия, неорганическая химия, физика твердого тела, кристаллография, гидродинамика, методы исследования структур и другие дисциплины; для моделирования грунтов при разработке принципов их динамического поведения необходимо использование большого числа моделей и объединенных системных подходов аддитивного моделирование грунтов.
Аддитивное моделирование грунтов (АМГ) - иерархически построенная совокупность взаимоувязанных и взаимодополняющих междисциплинарных моделей и методов исследования свойств и структуры грунтов, позволяющая изучать тонкие структурно-физические превращения в грунтах, определяющих природу поведения связных грунтов при однотипных и многотипных воздействиях.
Необходимость использования АМГ определяется следующими обстоятельствами, связанными с поставленной целью работы, созданием принципиальных основ, разработкой методов и технологий консолидации грунтов природного основания с управляемыми кинетическими характеристиками, обеспечивающими резкое сокращение периода выдержки.
Принцип аддитивного моделирования грунтов - от простого к сложному - далеко не новый, и в исследованиях грунтов использовался такими авторами, как Сергеев Е.М., Осипов В.И., Соколов В.Н., Еремеев В.В., Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. и др. Вместе с тем, необходимо отметить, что в нашем случае АМГ опирается на широкую совокупность взаимосвязанных и взаимодополняющих методов междисциплинарного характера, что позволяет всесторонне изучить сложные процессы в связных и несвязных грунтах.
Еще один принцип аддитивного моделирования грунтов состоит в исследовании широкой гаммы грунтов, в которую входят: - исскуственные и естественные (природные, ненарушенные) грунты; - связные и несвязанные грунты в полном диапазоне связности - пески, супеси, суглинки и глины. Указанные принципы аддитивного моделирования грунтов практически не апробированы в теоретическом и практическом грунтоведении. Использование этих принципов позволяет исследовать механизмы структурных превращений в грунтах, и открывает возможности для управления свойствами грунтов.
Как показано выше (глава 1), анализ известных методов и технологий ускорения консолидации грунтов природного основания указывает на преобладание эмпирических подходов, тогда как контролирующие механизмы, определяющие кинетику процессов уплотнения грунтов, естественного сложения, исследованы фрагментарно. Под контролирующими механизмами понимаются структурно-физические, физико-химические, гидродинамические и другие факторы, ответственные за процессы уплотнения грунтов.
В отечественной и зарубежной практике наиболее распространенными технологиями ускорения консолидации связных грунтов являются вибрационные методы с использованием виброкатков и динамическая консолидация с применением тяжелых падающих грузов. Анализ указанных методов в плане исследования контролирующих механизмов ускорения уплотнения показывает, что существует большое число нерешенных вопросов, связанных с учетом микроструктурных и физико-химических особенностей связных грунтов.
Для раскрытия предлагаемого нами подхода необходимо сделать ряд замечаний. Грунты представляют собой многоуровневые иерархические системы (МИС), в которых сочетаются такие сущности грунтов (рис. 2.1): - как материалов (грунт-мат), признаками которых являются химическая пространственная связанность, целостность и физико механическая устойчивость по отношению к внешним воздействиям, характеризуемые упругими и прочностными параметрами; - по указанным выше критериям песок не является материалом, поскольку между песчинками нет химической связи; - связные грунты могут быть отнесены к материалам, поскольку в их составе есть глинистая компонента, придающая грунту пространственную связность; - песок, как и связные грунты, представляет собой сплошную среду (грунт-сплошная среда) — более общую сущность, чем материалы; - грунт как массив (грунт-мае) — техногенная или природная масса грунта, рассматриваемая в промышленных строительных объемах. Материаловедение - одна из базовых научных дисциплин, примененная автором в настоящей работе. Она является наиболее глубоко разработанным универсальным инструментом, позволяющим: - исследовать структуру грунта на всех уровнях- от микро- до макросостояний;
Исследование эффективности и механизмов затухания виброуплотнения связных грунтов
На основе анализа результатов работ по созданию математической гидродинамической модели связного грунта можно сделать несколько существенных замечаний: формулы (2.22) и (2.29) указывают на крайне высокую роль в процессах консолидации диаметра транспортных пор - при соотношении диаметров пор 1:10 их пропускная способность различается в 10 000 раз, что ставит как первоочередную задачу организации в грунте крупных транспортных пор; вопросы гидродинамического сопротивления, физико-химического взаимодействия жидкой и твердой фаз грунта мало перспективны для теоретического рассмотрения по причине своей сложности и многофакторности, что делает целесообразной постановку задачи экспериментального исследования этих вопросов; - развитие и совершенствование математической гидродинамической модели глинистого грунта может быть проведено с использованием сочетания экспериментальных и теоретических подходов. Для случая вибрационного погружения будут. выполнены дополнительные модельные исследования. В данном тесте приводятся предварительные данные.
Предполагается, что при вибрационном воздействии может иметь -место разрушение рыхлых агрегатов, чего не удается достичь при статическом воздействии (рис. 2.14 и 2.15). В результате имеет место значительное увеличение открытой и активной пористости.
Это можно показать на следующем примере. Рассмотрим образец глинистого грунта, в котором пористость распределена равномерно между областями: - микроагрегаты - 33,3 об.%; рыхлые агрегаты без учета пористости микроагрегатов — 33,3 об.%; пространства между рыхлыми агрегатами - 33,3 об.%.
В случае статического воздействия открытая пористость составляет 33,3 об.% (пространства между рыхлыми агрегатами), причем на этот объем приходятся как транспортные, так и тупиковые поры. Если принять доли тех и других пор равными, то объем транспортных пор составит 16,65 об.%. С учетом того, что в глинах присутствует большое число тонких пор, мало перспективных с точки зрения транспорта воды (глава 1), эффективный транспорт воды осуществляется крупными транспортными порами, на долю которых приходится менее 5 % всего объема пор.
В случае динамического воздействия за счет вскрытия рыхлых агрегатов происходит значительное увеличение открытой пористости и эффективных крупных транспортных пор.
Эти положения являются предметом исследования в экспериментальной части работы. Методы вскрытия рыхлых агрегатов, а также вопросы изучения механизмов возникновения тупиковых пор и способы перевода этих пор в транспортные (электрофизическое воздействие) будут описаны в последующих главах.
Таким образом, на основании представленных данных можно заключить, что различие в поведении глинистого грунта при статическом и вибрационном воздействии состоит в том, что во втором случае имеет место значительное увеличение открытой пористости вследствие преобразования микроструктуры грунта. Общая классификация пор глинистого грунта включает позиции [74,68]: - общая пористость - совокупность всех видов пор; - открытая пористость; - закрытая пористость; - транспортные поры; - тупиковые поры; - крупные (эффективные), средние и тонкие поры.
С точки зрения исследования механизмов консолидации можно отметить, что понятие пористость не вполне корректно по отношению к водонасыщенному глинистому грунту, поскольку жидкая фаза в нем, располагаясь в свободных от твердой фазы промежутках, имеет постоянные и быстро восстанавливаемые химические связи с твердой фазой, и, таким образом, задача удаления из глинистого грунта части жидкой фазы может трактоваться как экстракция фаз [21, 22]. Таким образом, в строгом понимании поры как свободного от твердой и жидкой фаз пространства в водонасыщенном связном грунте отсутствуют, а пористость в общепринятом смысле представляет собой области расположения жидкой фазы. Интерпретация процессов консолидации грунта в терминах экстракции фаз подчеркивает физико-химическую и химическую природу консолидации связного грунта. Вместе с тем, для простоты изложения используется традиционная трактовка порового пространства. Классификация еидое пер грунта Анализ гидродинамического аспекта консолидации Обоснование расчетных параметров модели Аналитические ирасчетные процедуры Перспективы развития математической гидродинамической модели могут состоять в следующем: - с точки зрения развития представлений о структуре порового пространства связного грунта перспективны исследования с применением методов лазерной дифрактометрии, позволяющей получить данные о гранулометрическом составе твердой и жидкой фаз с учетом их пространственной локализации; - следующим шагом после выполнения исследований методом лазерной дифрактометрии может стать экспериментальное изучение гидродинамических характеристик связных грунтов в зависимости от степени их уплотнения; на основе указанных выше исследований могут быть продолжены работы по моделированию грунтов.
Проведение испытаний виброуплотнения грунтов на искусственных образцах
Наложение на систему вибрационного поля сопровождается более глубоким разрушением структуры, но в то же время приводит к нарушению ориентации кинетических единиц течения, что уже само по себе является потенциальным фактором некоторого дополнительного возрастания вязкости после прекращения вибрации. Наряду с этим вибрация приводит к тому, что вероятность столкновения частиц и преодоления энергетического барьера резко возрастает. При этом, поскольку поверхность частиц, образующих пространственную сетку коагуляционнои структуры, в энергетическом отношении весьма неоднородна, при взаимном перемещении частиц при вибрации возрастает вероятность возникновения прочных связей по энергетически наиболее активным лиофобным участкам макромозаичной поверхности частиц. Этому процессу способствует повышение частоты и длительности вибрирования системы. После прекращения вибрации дезориентация частиц и образование прочных коагуляционных контактов по наиболее лиофобным участкам приводят к ускоренному тиксотропному восстановлению структуры и росту вязкости в потоке до уровня, превышающего равновесный до вибрации. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем глубже разрушена вибрацией структура системы.
Таким образом, вибрация ускоряет как процесс разрушения коагуляционнои структуры, так и ее восстановления. Эффект «вибрационного упрочнения» позволяет создавать структуры, устойчивые к импульсным механическим воздействием, т.е. повысить агрегативную устойчивость систем, например, при той же вибрации.
Эффект временного упрочнения структуры в потоке после вибрации полностью исчезает в системах с ПАВ. Это означает, что экранирование поверхности частиц с монослоем ПАВ исключает проявление факторов, которые явились причиной ускоренного тиксотропного восстановления структуры в потоке и ее временного упрочнения.
Можно отметить, что описанные эффекты структурообразования в дисперсной модельной системе СаВ хорошо согласуются с принципами моделирования связного грунта как при гидродинамическом подходе, так и при использовании модели поликристалла (главы 1и 2).
В [209] приводится такое объяснение влияния вибрации на процесс сдвигового деформирования системы - вибрация ведет к возникновению более однородной структуры во всем объеме, которая, вместе с тем, становится менее прочной вследствие ослабления контактов между частицами. В результате ослабления связей между структурными элементами при вибрации происходит разрушение крупных микроагрегатов и распределение сдвиговых напряжений становится более равномерным, ускоряются релаксационные процессы, что облегчает взаимную переориентацию частиц и микроагрегатов. В такой системе после разрыва отдельных структурных связей происходит их быстрое тиксотропное восстановление. В результате устраняются разрывы сплочённости в деформируемой структуре и исчезает ориентация твердообразных слоев суспензии, разделенных прослойками жидкой среды, в направлении сдвига. Прекращение вибрационного воздействия приводит к быстрой фиксации существующей пространственной структурной сетки за счет упрочнения коагуляционных контактов преимущественно по лиофобным участкам поверхности частиц, что обуславливает резкий рост напряжения сдвига суспензий.
Представленная выше интерпретация близка к тем механизмам структурообразования в связных грунтах, которые приводятся в настоящей главе и в главах 1 и 2. Вместе с тем, можно указать и на некоторые подходы, которые отличают предлагаемые автором диссертации модели от положений упомянутых работ [207-209]. В процессах консолидации связных грунтов особое значение имеют структура порового пространства и возможность эффективного транспорта жидкой фазы из внутренних частей грунта к поверхности.
В соответствии с описанными выше механизмами структурных превращений в связных грунтах при вибрационном воздействии можно сделать вывод: энергия вибрации расходуется на создание новых поверхностей, а также на активизацию хаотического движения частиц и молекул грунта, что может приводить к росту температуры. В ходе этого имеют место: изменение фракционного состава грунта, разрушение крупных рыхлых агрегатов на более мелкие микрочастицы, отделение рыхлосвязанной воды в оболочке гидратированной частицы и переход воды в свободное состояние. В основе микроструктурных преобразований лежат процессы атомарного уровня: - изменение распределения плотности химических связей по их энергии за счет разрушения слабых связей, но при сохранении сильных связей кривая распределения становится более узкой (дисперсия снижается), а «мода» смещается в сторону более прочных связей; - в результате разрыва слабых связей образуется большое число новых оборванных ненасыщенных связей с активными группами на концах; - вновь образованные частицы воды могут иметь ультратонкие размеры в несколько единиц и десятков нанометров, эти частицы характеризуются максимально высокой скоростью передвижения по объему грунта.
Описанное состояние грунта с точки зрения способности к уплотнению обладает высоким показателем коэффициента структурной податливости у (глава 2), что выражается в потенциально высокой скорости консолидации. После прекращения вибраций грунт представляет собой термодинамически неустойчивую систему, которая в силу принципа минимизации свободной энергии переходит в более устойчивое состояние путем образования рыхлых коагуляционных структур. В ходе этого процесса происходит снижение свободной энергии Гельмгольца [42,118,163,204] за счет уменьшения общей поверхности частиц грунта.
