Набухание грунтов. 
Грунтоведение

Набуханием грунтов называется их способность увеличивать свой объем и развивать давление набухания в процессе гидратации или взаимодействия с химическими растворами. Свойство набухания-усадки в основном характерно для грунтов с коагуляционными и переходными типами контактов. К набухающим грунтам [34] следует относить глинистые грунты, которые при замачивании водой или другой жидкостью увеличиваются в объеме и имеют относительную деформацию набухания без нагрузки еsw > 0,04. Набухаемость наиболее ярко проявляется у представителей группы смектитов и в гидрослюдах. а также у некоторых видов шлаков (например, шлаков электроплавильных производств) и у обычных пылевато-глинистых грунтов (ненабухающих при водонасыщении). если они замачиваются химическими стоками или технологическими растворами различных производств (особенно растворами солей, кислот, щелочей). У всех набухающих грунтов после замачивания наблюдаются уменьшение плотности, переход из твердой и полутвердой консистенции в пластичную, снижение в несколько раз прочностных характеристик. При нарушении природного сложения набухающего грунта (например, при использовании его в качестве грунта обратной засыпки) величина свободного набухания может увеличиваться до 1,5−2 раз [111].

Набухание свободное характеризуется следующими основными показателями:

• • относительной деформацией (или степенью) набухания e_sw;
• • влажностью свободного набухания (iy_w);
• • давлением набухания (p_sw) [111].

Кинетика набухания характеризуется скоростью набухания (v_sw) и периодом набухания (t_sw) [50].

Относительная деформация набухания. или степень набухания (е,_м-). равна отношению абсолютной деформации образца, свободно набухшего в условиях невозможности бокового расширения (АЛ), к первоначальной высоте образца с исходной (природной) влажностью «v; измеряется в %, или д. ед.:

(5.10).

Различают относительную деформацию набухания при нагрузках Єц*р и при свободном набухании e_vh грунта, полученном в приборе ПП1, когда пренебрегают давлением от массы штампа и измерительного оборудования, не превышающем 0,006 МПа (0,06 кгс/см²).

Согласно классификации грунтов [34], глинистые грунты подразделяются по величине относительной деформации свободного набухания на четыре разновидности (табл. 2.3) — от ненабухающих (e_sw < 0,04) до сильнонабухающих (e_sw > 0,12).

Влажность свободного набухания (v_w) — это конечная влажность образца, полностью набухшего без возможности бокового расширения и какого-либо внешнего ограничения (без давления на образец); измеряется в %. При набухании грунта под внешним давлением определяется конечная влажность набухшего образца, соответствующая определенному давлению.

Давление набухания (p_SK) — это давление, которое грунт оказывает на внешнее ограничение в процессе своего набухания. Численно оно равно противодавлению, при котором e_sw = 0; измеряется в МПа.

Скорость набухания (r_w) определяется как отношение Ae_sw /At и является переменной величиной в процессе набухания. При оценке Ae_xw в долях единицы скорость набухания измеряется вс ¹ или мин⁴.

Периодом набухания (/,") называется время, в течение которого завершается процесс набухания образца грунта и скорость становится равной нулю; измеряется в единицах времени [50].

Все эти показатели могут быть получены при лабораторных испытаниях набухающих грунтов на приборах А. М. Васильева, компрессионных приборах (см. п. 8.3.2.2) или в стабилометрах.

Определение характеристик свободного набухания [32]. Характеристики набухания определяют по результатам испытаний образцов грунта в приборах свободного набухания (ПНГ) при насыщении грунта водой или химическим раствором. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образцы грунта природного сложения для определения характеристик свободного набухания, набухания под нагрузкой и усадки следует вырезать из одного монолита грунта. Свободное набухание определяют испытанием одиночного образца грунта.

Образец грунта для определения свободного набухания должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 50 мм и начальное отношение диаметра к высоте 2,5−3,0. Не допускается использовать для испытаний глинистые грунты, содержащие крупнообломочные включения размерами зерен более 5 мм.

Образцы грунта при испытании на набухание следует заливать грунтовой водой, взятой с места отбора грунта, водной вытяжкой или водой питьевого качества. В случаях, определяемых программой исследований, допускается применение дистиллированной воды и искусственно приготовленных растворов заданного химического состава. Испытание для определения характеристик набухания производят до прекращения поглощения образцом грунта воды (или раствора).

В состав прибора для определения свободного набухания грунтов (ПНГ, рис. 5.9) должны входить: основание прибора, рабочее кольцо, вкладыш-шаблон (для выдавливания части образца из рабочего кольца), обеспечивающий высоту образца в кольце не менее 10 мм, перфорированный верхний штамп, перфорированный поддон, ванночка для жидкости, устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта. Конструкция ПНГ должна обеспечивать: неподвижность рабочего кольца при испытании; подачу воды к образцу снизу и отвод ее; величину вертикального давления от штампа, измерительного оборудования, расположенного на нем, и других неуравновешенных деталей не более 0,0006 МПа.

Рис. 5.9. Приборы для определения набухания грунтов (ПНГ) и схема прибора.

Для тарировки ПНГ в рабочее кольцо следует заложить два бумажных фильтра, установить устройство для измерения вертикальных деформаций образца, замочить фильтры и зарегистрировать деформацию А. Для данной партии фильтров тарировочную поправку принимают как среднее арифметическое значение деформаций трех нар фильтров.

При определении свободного набухания часть образца с помощью вкладышашаблона выдавливают из рабочего кольца и срезают ножом так, чтобы высота оставшегося образца была нt менее 10 мм. Образец грунта в рабочем кольце покрывают с двух сторон фильтрами и помещают в ПНГ, устанавливают устройства для измерения вертикальных деформаций образцов, записывают начальные показания устройств.

Характеристики набухания глинистого грунта нарушенного сложения следует определять на образцах с заданными значениями плотности и влажности.

При определении свободного набухания в ПНГ подают жидкость снизу образца и регистрируют развитие деформаций во времени по показаниям индикаторов деформаций. После замачивания образцов регистрируют деформации через 5, 10,30,60 мин, далее через 2 ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до достижения условной стабилизации деформаций. В случае отсутствия набухания замачивание производят в течение трех суток.

За начало набухания следует считать относительную деформацию с, превышающую 0,001. За критерий условной стабилизации деформаций свободного набухания грунтов следует принимать деформацию не более 0,01 мм за 16 ч.

После завершения набухания образца грунта необходимо: слить жидкость из прибора, кольцо с влажным грунтом (без фильтров) взвесить, произвести контрольное измерение высоты образца грунта в кольце и определить влажность грунта.

По результатам испытаний грунта в ПНГ или в компрессионных приборах (см. п. 8.3.2.2) вычисляют:

• • абсолютную деформацию грунта (Д/г), мм, как разность среднеарифметических значений конечных (//,) и начальных (/го) показаний индикаторов деформаций за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора и фильтров при набухании Д;
• • относительную деформацию образца с точностью 0,001, где И — начальная высота образца.

Набухание глинистых грунтов является сложным процессом, теоретическая обоснованность которого даст возможность направленно регулировать это свойство и бороться с отрицательными его последствиями при строительстве сооружений. Согласно К. Норришу, различают две стадии набухания: внутрикристаллическое и макронабухание. На стадии внутрикристаллического набухания изменения объема грунта не происходит, при этом грунт лишь гидратируется до влажности, близкой к максимальной гигроскопической с образованием прочносвязанной воды. На стадии макронабухания происходит основное изменение объема и рост пористости системы за счет «осмотического давления», создаваемого избыточной активной концентрацией «отдиссоциированных» с поверхности частиц обменных ионов (катионов) или противоионов ДЭС в условиях низкой концентрации взаимодействующего с грунтом раствора электролита [50].

Набухание грунтов зависит от многих факторов — минерального, гранулометрического и химического состава грунта, природной влажности и плотности сложения, состава и концентрации взаимодействующего с грунтом раствора, величины внешнего давления на грунт. Набухание обусловлено капиллярными, осмотическими и адсорбционными процессами поглощения влаги грунтом, среди которых основную роль играют осмотические процессы. Благодаря им при гидратации постепенно увеличивается влажность грунта, возрастает толщина водных пленок вокруг частиц и одновременно растет толщина ДЭС, что приводит к проявлению сил расклинивающего давления между частицами (главным образом за счет ионно-электростатической составляющей), вызывающих разрушение структурных связей между ними, их разъединение и увеличение объема системы в целом. В набухших грунтах преобладают коагуляционные контакты.

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. Чем выше удельная поверхность глин и глинистых минералов, больше их емкость обмена и «степень диссоциации» обменных ионов, тем выше набухаемость таких грунтов. Следовательно, по способности глинистых минералов к набуханию их можно расположить в ряд: монтморипонитовые > гидрослюдистые > каолинитовые. Мри близких величинах удельной поверхности и емкости обмена набухаемость глинистых грунтов определяется валентностью обменных катионов и величиной их радиуса. Для второй стадии набухания характерен ряд ионов по влиянию на набухаемость глин: Li⁺ > Na⁺ > NH/ > К⁺ > Mg²⁺ > Са²⁺ > Al³⁺ > Fe³⁺.

Таким образом, чем ниже валентность катиона и меньше его радиус при одной и той же валентности, тем менее значительно его взаимодействие с поверхностью минерала, больше «диссоциация» и выше «осмотическое» набухание грунта в целом. Роль обменных катионов возрастает при набухании минералов с раздвижной кристаллической решеткой (типа монтмориллонита), обладающих внутрикристаллическим набуханием и большой емкостью обмена [50].

Структурно-текстурные особенное™ глин также сильно влияют на набухаемость, прежде всего через дисперсность и характер структурных связей. Наибольшая набухаемость характерна для высокодисперсных глин, тогда как супесям и легким суглинкам набухаемость вообще не присуща. Набухаемость растет с увеличением содержания в грунте частиц глинистой и коллоидной фракции. В табл. 5.8 приводится классификация грунтов по набуханию в зависимости от показателей консистенции и содержания коллоидных частиц.

Таблица 5.8.

Классификация грунтов по набуханию в зависимости от показателей консистенции [127]

Прочные структурные связи между частицами препятствуют набуханию глинистых грунтов. Поэтому среди глин природного сложения наиболее сильно набухают грунты с коагуляционными и переходными контактами, а менее сильно — с фазовыми. Литифицированные глины с фазовыми контактами — аргиллиты, глинистые мергели и другие — вообще теряют способность набухать в естественном сложении. Интересно отметить, что в среднем глинистые грунты набухают до влажности (w_w), меньшей, чем влажность их предела текучести (нъ).

Установлено, что начальная скорость набухания (в первые два часа) выше у менее дисперсных глин (гидрослюдистых, каолинитовых), но затем она падает и становится меньше скорости набухания более дисперсных глин (монтмориллонитовых). В соответствии с этим период набухания более дисперсных глин выше, чем менее дисперсных. Кинетика набухания зависит и от начальной влажности глинистых грунтов. В начальный период (до 1…5 часов) быстрее набухают более влажные глины, но затем скорость их набухания падает и становится меньше скорость набухания менее влажных глин. Таким образом, увеличение влажности влияет на кинетику набухания так же, как и снижение дисперсности.

Глинистые грунты, находящиеся в рыхлом нарушенном сложении и имеющие высокую начальную пористость (70…85%) и низкую влажность (воздушно-сухой порошок), при взаимодействии с водой не набухают, а уплотняются за счет гидратации и проявления сил капиллярной связности, «стягивающих» частицы и агрегаты друге другом. Глина при исходной пористости около 60% практически не набухает и не меняет свою пористость в процессе гидратации. В плотном сложении (при п = 50%) эта же глина проявляет существенное набухание, особенно в диапазоне влажности от w_p до н^.Такое поведение при гидратации характерно для глин каолинитового и частично иллитового состава с невысокой дисперсностью и гидрофилыюстыо. Для высокодисперсных монтмориллонитовых глин отмечается набухание при любой их исходной плотности (пористости) [50].

При изысканиях при анализе геологической обстановки необходимо учитывать следующие особенности набухающих и усадочных грунтов:

• а) к набуханию при увлажнении и усадке при подсыхании склонны вес глины и суглинки, но эта способность проявляется только при определенных условиях. Более подвержены усадке и набуханию высокодисперсные глины средней и высокой степени нотификации, обладающие обратимыми коагуляционными и стабилизационными структурными связями. Как правило, содержание в них частиц мельче 0,005 мм превышает 40…60%, плотность — более 1,5… 1,7 г/см³, влажность — менее 0,20…0,30, число пластичности составляет 0,28, границы раскатывания и текучести соответственно превышают 0.27 и 0,55. В составе этих глин присутствуют минералы групп гидрослюд, монтмориллонита и бейделлита;
• б) набухают грунты средней плотности и плотные с влажностью, меньшей влажности полной влагоемкости;
• в) полнее набухание проявляется при нарушении природного сложения глинистых грунтов. например при разработке земляных карьеров и укладке в насыпи;
• г) основная масса покровных отложений, венчающих геологические разрезы, имеет четвертичный возраст. Перекрытые ими дочетвертичные глинистые породы должны набухать сильнее в силу более высокой плотности, меньшей влажности, разгрузки при вскрытии грунтов в выемках и разрушения структурных связей при выветривании. Наиболее интенсивно процессы набухания-усадки протекают в зонах переменного температурно-влажностного режима, например в откосах насыпей;
• д) глины, вмещающие, перекрывающие и подстилающие пласты водоносных песков, не размягчаются подземными водами, а как бы консервируются; подземные воды не влияют на склонность коренных глин к набуханию;
• е) более склонны к усадке и набуханию морские и озерные глины палеогена, неогена и четвертичной системы, особенно мелководных фаций, и элювий-делювий этих пород; сильно набухают хвалынские, бакинские, апшеронские, киммерийские, аральские, мэотические, сарматские, майкопские глины и их элювий-делювий [96].