Упрочнение намытых песков

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ

Изучение процесса упрочнения намытых песков было продолжено на одной из приволжских промышленных площадок, где пески мощностью в среднем 5,5 м (от 2 до 11 м) покрывают территорию в 1 кв. км. Намыв ее осуществлялся отдельными картами в течение 6 лет. К началу исследований давность их намыва составляла от 1 года до 5-6 лет. Намытые пески - кварцевые, преимущественно среднезернистые. Содержание глинистой фракции не превышает 0,3%, пылеватой - 2—7%. Коэффициент неоднородности меньше 3. Грунтовые воды типа верховодки отмечены местами на глубине 3,5-5 м от поверхности созданного после намыва рельефа. Естественная влажность песков, как правило, -4—6%.

Начальная плотность песков в процессе укладки на всех картах, по условиям технологического процесса, была примерно одинаковой, поэтому их конечная плотность после завершения уплотнения колебалась в основном в пределах 1,49-1,58 г/см², составляя в среднем 1,55-1,56 г/см³.

Основной химический компонент песков - кремнекислота (92- 95%). Содержание полуторных окислов (3-7%), окиси железа (0,15— 1,0%) и окиси алюминия (3-6%) повышается с уменьшением крупности зерен песка.

Полевыми исследованиями было установлено, что пески, давность намыва которых составляла несколько лет, обладают более высокими прочностными и деформационными свойствами по сравнению с недавно намытыми песками при той же плотности, влажности и составе. В процессе исследований удалось проследить за формированием упрочнения намытого песчаного массива во времени. Изучение этого явления велось несколькими методами (штампами, динамическим зондированием, вращательным срезом и др.). Помимо изучения намытых песков ненарушенного сложения в опытных шурфах проводились повторные испытания песка после нарушения его структуры путем перелопачивания и последующей укладки и уплотнения (до первоначальной плотности).

Испытания намытых песков динамическим зондированием указывают на связь между прочностью N и временем упрочнения. При анализе причин изменения N во времени в числе прочих был рассмотрен вопрос о возможной зависимости подмеченной закономерности от увеличения плотности песков. Однако сопоставление значений N с объемным весом скелета (по данным зондирования 12 скважин) позволяет сделать вывод о том, что связь между указанными величинами отсутствует.

Выявить эту связь удается лишь в первые 5-6 месяцев после намыва, так как в дальнейшем происходящие в песках процессы упрочнения затрудняют ее установление. Выделение частей, соответствующих плотности и структурной связности песка, из значений N в целом представляется на данном этапе неразрешимой задачей, если учесть, что упрочнение не происходит равномерно по всей толще намытого песка, а зависит от множества факторов, в частности, от характера укладки песка при намыве, влажности и особенностей состава.

Говоря об интерпретации результатов динамического зондирования, нельзя не отметить также, что при переходе в процессе зондирования к водонасыщенным пескам наблюдалось заметное снижение значений N . По данным 6 параллельных испытаний, отношение N для песков, залегающих ниже уровня грунтовых вод (W =3-5%), к водонасыщенным изменяется от 1,21 до 1,39.

Несмотря на то, что по результатам зондирования ясно усматривается зависимость W от времени упрочнения, статистическая обработка данных в предположении о наличии прямой или параболической связи между указанными параметрами не согласуется с физической сущностью явления упрочнения.

Испытания штампами показали, что сжимаемость песков находится в непосредственной зависимости от давности их намыва.

Пески, время упрочнения которых к моменту исследования составляло 5,5 лет, испытаны до удельного давления 6,5-7,5 кг/см², причем эта нагрузка ни в одном из опытов не оказалась критической. В песках, давность образования которых составляла 3,5-4,5 лет и испытанных до того же удельного давления 6,0-7,5 кг/см², пропорциональная зависимость осадки от нагрузки сохранялась до 3,0-6,0 кг/см², При возрасте песков 0,5-2,5 лет удалось достигнуть максимального удельного давления лишь в 3,0-5,0 кг/см² при больших величинах осадок. С увеличением давности намыва существенно возрастают также значения модуля деформации.

ПРИЧИНЫ УПРОЧНЕНИЯ НАМЫТЫХ ПЕСКОВ

Более высокая компактность частиц, достигаемая при уплотнении песчаного осадка, влечет за собой некоторое увеличение первичного сцепления (силы Ван-дер-Ваальса), мало отражающегося на прочности осадка, а возникновение связей между частицами при неизменном расстоянии между ними приводит к существенному повышению прочности песков за счет сцепления упрочнения.

Выяснение причин возникновения структурных связей в песках представляет собой сложную задачу, которую, видимо, можно полностью решить лишь после проведения всесторонних и специальных исследований на базе современных достижений физической и коллоидной химии, петрографии и других смежных наук. Поэтому мы видим свою цель в том, чтобы на основе уже имеющихся данных и проведенных нами некоторых экспериментальных работ обратить внимание исследователей на некоторые факторы, способствующие этому явлению.

В геологии, в частности инженерной геологии, долгое время считалось, что обычные пески полностью лишены каких-либо структурных связей. Только в середине 50-х годов прошлого века, В.А. Дуранте своими оригинальными опытами на аллювиальных, не обладающих внешними признаками цементации песках поколебал это представление. Он показал, что сопротивление природных песков (с ненарушенной структурой) забивке зонда значительно больше, чем тех же песков, но после нарушения их структуры (при неизменной плотности и влажности). Наличие структурных связей в песках повышало их прочность, при механическом разрушении связей сопротивление зондированию снижалось.

Вопрос о природе прочности не только песчаных, но и других пород все еще далек от окончательного решения. В соответствии с современными воззрениями в сцементированных породах, имеющих вид твердых тел, жесткие связи носят характер ионного взаимодействия, имеющего электрическую природу. Они возникают в природных условиях в результате цементации породы теми или иными веществами. Структурное сцепление связано с конденсационной структурой (срастание, выкристаллизовывание кристаллов и т. д.), возникающей при определенных физико-химических условиях. Жесткие структурные связи, будучи нарушенными, уже не восстанавливаются, являясь необратимыми (известняк, песчаник и др.).

И.Я. Денисовым и П.А. Ребиндером было дано объяснение причины связности глинистых грунтов, основанное на выводе И.В. Гребенщикова о том, что на поверхности силикатов при их растворении возникают коллоидные оболочки кремнегеля. Связность глинистых пород не может быть объяснена склеивающим действием тонких пленок воды (Антипов-Каратаев, .1943), тогда как образование пленок кремнегеля обусловливает возможность цементации частиц осадка различной крупности. Наибольшее проявление действия коллоидных пленок кремнекислоты достигается в присутствии электролитов особенно тяжелых металлов. Клеющая способность их сохраняется в широком диапазоне влажности. При уменьшении влажности (в процессе дегидратации) коллоидные пленки повышают свою жесткость. Повышение ее приводит к ослаблению связности, а следовательно, и к понижению прочности пород, ввиду разжижения геля. Подобное же действие на пленки оказывает понижение концентрации электролитов в грунтовых водах.

Материал, необходимый для склеивания частиц, вода может извлечь из поверхностного слоя самих частиц. Для определения содержания кремнезема в песках был использован метод водных вытяжек. Было испытано 15 образцов среднезернистых волжских песков, основной химический компонент которых - двуокись кремния SiO₂ (92-95%). Считалось, что наиболее подвижные, а следовательно, и активные формы SiO₂ расположены на поверхностях кварцевых зерен или в непосредственной близости от них. Выявление двуокиси кремния производилось в 5%-ном КОН, а также реагентом Тамма. Наиболее подвижные формы SiO₂ выделялись замачиванием песков в воде в течение 1-15 суток. При рассмотрении результатов исследований обращает на себя внимание резкое повышение содержания аморфной SiO₂ во фракции <0,1 мм по сравнению с песком в целом или с более крупными фракциями. Сравнение содержания водно-растворимой SiO₂ в исходном образце и в том же образце, но после 5-суточного его замачивания показывает ее прирост для песка в целом на 14-41,4%. Для мелких фракций (< 0,1 мм) различие еще больше: против 1,07 и 0,98 мг/100 г в исходных образцах после 5- суточного замачивания имеем соответственно 5,00 и 3,67 мг/100 г. Некоторые образцы фракции >0,25 мм были разделены на две части, одна из которых замачивалась в дистиллированной воде, другая - в волжской воде. Прирост в 28 и 36% SiO₂, по-видимому, может быть объяснен активностью природной воды, насыщенной органическими соединениями.

Характер изменения поверхностей зерен кварца (крупнозернистый окатанный и полуокатанный песок нижневолжских отложении Михайловского месторождения КМА) при воздействии на них жидкостей изучался с помощью электронного микроскопа. Песчинки, состоявшие из полупрозрачного, или почти прозрачного кварца, растирались и в приборе рассматривались свежие сколы кварца, подвергшиеся воздействию дистиллированной воды или растворов 0,1 А КОН и 0,1 N H₂SO₄ в течение 5 и 10 суток. Эти опыты показали, что строение поверхности некоторых частиц, несмотря на очень малый срок воздействия, изменилось, другие же частицы затронуты растворением очень слабо, что, видимо, может быть объяснено несовершенством кристаллической структуры песчинок кварца. На отдельных участках кварца видны следы расщепления поверхности тонких сколов, которые перпендикулярны контуру, а также вуаль вокруг частиц. На расщепленной поверхности некоторых частиц наблюдалось доращивание нитеобразных окончаний.

Несмотря на то, что результаты этого эксперимента трудно сопоставимы между собой, ввиду различной влажности испытываемых образцов (плотность одинаковая), опыты в целом свидетельствуют о повышении прочности песка за счет возникновения структурных связей между поверхностями его частиц в процессе воздействия на них воды или водных растворов. Уже само сохранение песком формы столбика при выдавливании из цилиндров говорит о возникновении в нем структурных связей, обусловивших возможность проведения подобного эксперимента.

Рис. 1. Изменение показателей зондирования во времени

< Назад