Разжижение грунтов. 
Грунтоведение

При действии внешних динамических нагрузок, возникающих под влиянием техногенных факторов, землетрясений и волноприбойных явлений, в водонасыщенных дисперсных грунтах могут развиваться специфические явления, выражающиеся в потере прочности грунта (разжижении), а затем, после прекращения воздействия, в постепенном ее восстановлении.

В истории известны катастрофы, связанные с тем, что абсолютно надежные песчаные грунты на короткий промежуток времени превращались в зыбуны. 7 июня 1692 года на Порт-Ройял (Ямайка) обрушилось сильнейшее землетрясение, и под поверхностью песков остались две трети города и более 2000 жителей… По прошествии трех веков исследования показали, что мощные толчки землетрясения спровоцировали возникновение колебаний песчинок, сцепление между ними уменьшилось, песок потерял плотную структуру и обрел текучесть. Среди печально известных районов на побережье Великобритании числится залив Моркембе-Бей, где в течение ряда лет нашли свою гибель более 150 человек. У Дуврских утесов за скалистым мысом Саут-Форленд находятся Гудвинские пески. Хроники утверждают, что здесь покоятся боевые триремы Юлия Цезаря, останки кораблей викингов, галеоны «Непобедимой армады», эскадра адмирала Бьюмонта. пиратские суда, английские фрегаты XVIII века, танкеры, сухогрузы и подводные лодки. В индийских пустынях, в районах Гадрамаута, встречаются зоны, где тяжелый лом моментально тонет, погружаясь на глубину, превосходящую 100 метров [116].

Разрушения в Ниигата (Япония) в 1964 г., в Бора-Пик (США) в 1983 г., в Бхаи, в Ахмедабаде в 2001 г., вызванные разжижением грунтов во время землетрясений, вновь привлекли интерес ученых. Исследования показали, что подобное явление наблюдалось не только в водонасыщенных песчаных грунтах, но и в гравелистых.

Разжижением грунта называется его переход в текучее состояние вне зависимости от причины такой трансформации и величины последующих деформаций. Динамическое разжижение — переход водонасыщенных дисперсных грунтов в текучее состояние в результате разрушения структурных связей под действием волн напряжений разного типа.

По своему смыслу термин «разжижение» характеризует всего лишь одну из стадий поведения грунта в динамических условиях, тем не менее, он обычно используется для характеристики всего явления в целом. Исходя из этого, под разжижением понимается явление полной или частичной потери грунтом несущей способности иод влиянием динамической нагрузки и переход его в текучее состояние, возникающее в результате разрушения структуры грунта и сопровождаемое постепенным восстановлением его структуры и прочности при снятии динамического воздействия. В основе этого явления лежит сложный трехстадийный процесс, включающий: а) разрушение исходной структуры грунта; б) переход грунта в разжиженное состояние; в) восстановление структуры и постепенное упрочнение системы (рис. 8.90). Поскольку все выделяемые стадии взаимно связаны между собой, то большинство исследователей, изучавших явление динамической устойчивости дисперсных грунтов, называли его разжижением.

Разжижение песчаных грунтов заключается в том, что с ростом частоты колебаний они начинают «течь», как вязкая жидкость, после преодоления определенного порога колебаний по частоте. До разжижения, при меньшей частоте колебаний до этого порога, проявляется виброползучесть. Чаще всего разжижаются водонасыщенные мелкие и пылеватые пески, су;

неси. Чем больше пористость грунта, тем при меньших динамических воздействиях начинается разжижение. Причина катастроф заключается в резком повышении порового давления при сейсмических нагрузках в грунтах, что приводит к деформациям сдвига и объемным деформациям. Рассеивание давления у поверхности грунта и осаждение частиц ведет к резким осадкам сооружений. Аналогично действуют волновые воздействия в донных и прибрежных грунтах, динамические нагрузки при бурении скважин, вызывающие прихваты.

Рис. 8.90. Разжижение грунтов:

а рыхлый водонасыщенный песок с крупными порами до землетрясения: б сейсмический толчок: в — момент разжижения — связи между частицами разорваны, и они находятся во взвешенном состоянии: г — уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц (9}

Вибрация во время динамических воздействий уменьшает силы междучастичного трения и сопротивление сдвигу. Сильные импульсные воздействия могут вызвать дополнительные осадки. При определенной частоте колебаний в сыпучих грунтах трение частиц может так уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при малом количестве воды в нем. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, в которых находилась, поэтому возникает норовое противодавление, уменьшающее сопротивление сдвигу.

При динамических воздействиях в основном уменьшаются межчастичные силы трения, а в меньшей степени — угол внутреннего трения, который будет уменьшаться вследствие разрыхления грунта, то есть увеличения его пористости. При ускорениях колебаний до одного «?», как показали опыты, угол внутреннего трения практически не изменялся. Удельное сцепление после действия динамических нагрузок также может уменьшиться, однако, как правило, незначительно, но для этого нужны достаточно интенсивные динамические воздействия, разрушающие цементационные связи. Причиной слабого уплотнения маловлажных глинистых грунтов является наличие большой связности у частиц и, как следствие, относительно высокая прочность агрегатов частиц грунта.

Отсутствие в грунте напряжений именно переменного знака исключает возможность разжижения песчаных грунтов. Статическая нагрузка не только снижает возможность разрушения структуры грунта, но и уменьшает уплотняемость несвязных грунтов при динамической нагрузке.

Обобщение многочисленных экспериментальных данных, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, позволяет считать, что несмотря на внешнюю схожесть, динамические явления, развивающиеся в дисперсных грунтах (начиная от чистых песков и кончая глинами), принципиально различны по своей природе. Рассмотрение этих явлений на микроуровне позволяет выделить и физически обосновать различия между механизмами тиксотропного, гравитационного и плывунною разжижения дисперсных грунтов.

В основе тиксотропии лежат процессы коагуляционного структурообразования. развивающиеся при определенном балансе сил притяжения и отталкивания между частицами и формировании вторичного потенциального минимума на энергетической кривой взаимодействия. Максимальное развитие тиксотропных свойств возможно при определенном энергетическом состоянии глинистых частиц, характеризующемся оптимальным сочетанием стабилизированных (преобладание сил отталкивания) и нестабилизированных (преобладание сил притяжения) участков поверхности частиц. Наличие энергетически неоднородных участков обусловливает направленную коагуляцию частиц в тиксотропных системах (по типу базис-скол и скол-скол) и формирование диспергированно-флоккулированной структуры (рис. 8.91,1), способной легко разрушаться в динамических условиях и постепенно увеличивать свою прочность при снятии внешнею воздействия. Разжижение типично тиксотропных систем при отсутствии внешних статических нагрузок идет без изменения порового давления, а восстановление их прочности носит обратимый характер и не сопровождается изменением влажности и плотности.

Развитие тиксотропных явлений зависит от дисперсности и состава глинистых минералов грунта, а также физико-химических факторов (состава обменных катионов, концентрации солей в поровом растворе, pH, температуры), определяющих энергетическую неоднородность поверхности глинистых минералов, характер ее стабилизации гидратными пленками и величину дальнего потенциального минимума.

Развитие тиксотропии в чистом виде характерно для высокодисперсных слабоуплотненных и высоковлажных глинистых грунтов (большинства глин и тяжелых пылеватых суглинков), а также глинистых паст и суспензий. У средних и некоторых легких пылеватых суглинков наряду с тиксотропными явлениями развиваются гравитационные процессы при явном преобладании первых. Поэтому разжижение таких грунтов в динамических условиях сопровождается их незначительным уплотнением и появлением порового давления.

Рис. 8.91. Modeли мелкоячеистой диспергированно-флоккулированной (I), крупноячеистой агрегированно-флоккулированной (II) и диспергированной (III) структур: а. в. д для монтмориллонитовых и смешанослойных глин:

б, г. е — для каолинитовых. гидрослюдистых и хлоритовых глин [88]

Разжижение чистых песков связано с наличием в нем контактов механической природы и действием гравитационных сил. Это явление характерно для песков, имеющих относительную плотность сложения D < 1, динамическое воздействие на которые приводит к их уплотнению, отжатию части норовой воды и изменению норовою давления. При этом динамическая устойчивость песков определяется их состоянием (плотностью, влажностью), структурными особенностями (дисперсностью, однородностью, формой и характером поверхности зерен), наличием внешней статической нагрузки, а продолжительность нахождения в разжиженном состоянии и скорость восстановления прочности — коэффициентом фильтрации и условиями дренирования отжимаемой воды. Момент разрушения структуры песка и ее полного восстановления четко фиксируется по появлению и исчезновению порового давления. Прочность вновь образованной структуры всегда выше прочности исходной структуры.

Плывучестью называется способность дилатантно-тиксотропных (пылеватых связных и несвязных грунтов, проявляющих при динамическом нагружении и степени влажности более 0.5 одновременно уплотнение, сопровождающееся отжат нем норовой влаги, и слабо выраженные тиксотропные свойства) и некоторых квазитиксотропных грунтов (связных грунтов с преимущественно коагуляционными структурами, проявляющих при динамическом воздействии разупрочнение и последующее восстановление прочности в покое при неизменных объеме и влажности, в основе которых лежат тиксотропные явления. осложненные дополнительными эффектами преобразования структурных связей и норового пространства) к быстрому разжижению при небольшой интенсивности динамической нагрузки, связанной с особенностями их структуры (смешанной и метастабильной коагуляционной соответственно).

Плывунные явления — наиболее сложные по своей природе и обусловлены одновременным развитием процессов коагуляционного структурообразования и гравитационного уплотнения. Эти явления характерны для «переходных» (от чистых песков к глинам) разностей грунтов, таких как пылеватые пески, супеси и некоторые разности легких суглинков и связаны с разрушением в динамических условиях как коагуляционных, так и механических контактов. Причем специфический состав этих грунтов способствует взаимному усилению разрушения обоих видов контактов. Поэтому плывунные грунты в разжиженном состоянии обладают минимальной вязкостью (меньшей, чем у разжиженных глин или песков) и наибольшей подвижностью среди всех дисперсных грунтов. Наличие глинистых частиц препятствует быстрому развитию уплотнения системы, что наряду с низкими коэффициентами фильтрации пылеватых песков и супесей обусловливает вторую важную особенность плывунных систем — способность их к длительному нахождению в разжиженном состоянии после прекращения динамического воздействия. Обе специфические особенности плывунных грунтов делают их наиболее опасными в динамическом отношении. Развитие плывунных явлений сопровождается медленным уплотнением грунта после снятия внешнего воздействия, небольшой его водоотдачей и постепенным снижением порового давления. При этом идет наращивание прочности, которое может носить неравномерный характер, связанный с различной интенсивностью развития тиксотропного и гравитационного упрочнения.

На плывунные свойства исключительно большое влияние оказывает состояние глинистого вещества. Наличие глинистых минералов в диспергированном виде повышает плывунные свойства за счет его «смазывающих» свойств на контактах песчаных зерен и снижения фильтрационной способности. Нахождение глинистого вещества в диспергированнофлоккулированном и адсорбированном (на поверхности песчаных зерен) состояниях снижает плывунные свойства грунта. Развитию плывунных свойств грунта способствует повышение степени стабилизации глинистых частиц за счет физико-химических факторов (преобладание одновалентных катионов в обменном комплексе, низкая концентрация норовою раствора, щелочная среда), присутствие высокомолекулярной органики и деятельность микроорганизмов [88].

Вероятность разжижения песков при динамических нагрузках можно определить при динамическом зондировании через условное динамическое сопротивление р — сопротивление грунта погружению зонда при забивке его падающим молотом или вибромолотом (табл. 8.84).

Таблица 8.84.

Вероятность разжижения песков при динамических нагрузках [109]

Для более точной оценки опасности разжижения используются экспериментальные методы определения устойчивости грунта в динамических приборах трехосного сжатия в условиях природного напряженно-деформированного состояния и его изменения при пульсациях давления, моделирующих динамические воздействия. Прибор позволяет создать различные комбинации осевых и объемных нагрузок при заданных условиях дренирования. При отсутствии в настоящий момент общероссийских нормативов по определению динамических деформационных характеристик грунтов рекомендуются американские стандарты ASTM: D 3999−91, D 4015−91 [113].

В процессе лабораторных динамических исследований на разжижение следует определять: критический порог, свидетельствующий о начале разжижения грунта, — достижение относительной осевой деформации образца 5%; критическую относительную амплитуду воздействий (динамической нагрузки) — величину относительной амплитуды напряжения, при превышении которой образец выдерживает менее 10 000 циклов нагрузки [113].

Метод экспериментального определения пороговых, или критических, ускорений колебаний основан на выполнении требования:

где а — максимальное действующее ускорение колебаний;? — критическое ускорение колебаний.

Критическое ускорение колебаний является природным свойством грунта и определяется по результатам испытаний грунта на вибростоле как ускорение, при котором не возникает дополнительных поровых давлений или деформаций грунта. При выполнении указанного условия дальнейшие исследования динамической устойчивости грунта не требуются.