Особенности набухающих грунтов

Под набуханием понимается способность дисперсных грунтов увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой и растворами.

К набухающим грунтам, в соответствии с ГОСТ 25 100–2011,следует относить глинистые грунты, которые при замачивании водой или другой жидкостью увеличиваются в объеме и имеют относительную деформацию набухания без нагрузки еsw > 0,04. Набухающие грунты следует подразделять на разновидности в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2 — Классификация грунтов по степени набухания по ГОСТ 25 100–2011

Набухающие грунты при высыхании дают усадку, величина которой зависит от факторов, влияющих на набухание, и возрастает с увеличением склонности грунта к набуханию.

Основными факторами, определяющими способность грунта к набуханию, являются (СП.11−105−97):

1) Химико-минеральный и гранулометрический составы.

Пески и супеси или совсем не проявляют набухания, или набухают очень слабо. Набухание суглинков и глин возрастает в соответствии с увеличением содержания в них глинистых и особенно коллоидных частиц. (Мащенко, 2014) Огромное влияние на набухание грунтов оказывает их минералогический состав и главным образом состав глинистых минералов. Минералы, имеющие подвижную кристаллическую решетку, например, группы монтмориллонита (рис.5) обладают несравненно большей величиной набухания по сравнению с минералами, обладающими жесткой кристаллической решеткой, например, группы каолинита (рис. 6).

Рис. 5. Схема кристаллической решетки монтмориллонита. (Глинистые минералы как дисперсная фаза буровых растворов. URL: http://refdb.ru/look/2 635 803.html (дата обращения: 13.02.2016))

Кристаллическая решетка монтмориллонита состоит из октаэдрического алюмокислородного слоя, заключенного между тетраэдрическими кремнекислородными слоями, вершины которых повернуты к внутреннему слою.

Верхние и нижние плоскости элементарных пакетов монтмориллонита покрыты атомами кислорода, поэтому связь между пакетами слабая (действуют лишь ванн-дер-ваальсовые или межмолекулярные силы).

В этой связи молекулы воды или других полярных жидкостей могут свободно проникать между пакетами монтмориллонита и раздвигать их. (Заливин, 2012).

Каолинит имеет двухслойную кристаллическую решетку. В алюмокислородном слое значительная часть атомов кислорода замещена группами ОН-. Атомы кислорода и гидроксил ионы смежных соприкасающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью типа О — Н, которая препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки. (Заливин, 2012).

Рис. 6. Схема кристаллической решетки каолинита. (Глинистые минералы как дисперсная фаза буровых растворов. URL: http://refdb.ru/look/2 635 803.html (дата обращения: 13.02.2016))

2) Структурно-текстурные особенности.

На набухание глинистых пород немалое влияние оказывают структурно-текстурные особенности глинистых пород: тип структуры, структурные связи, ориентированность и сложность их текстуры.

Прочные структурные связи между частицами препятствуют набуханию глинистых грунтов. Поэтому среди глин природного сложения наиболее сильно набухают грунты с коагуляционными и переходными связями, а менее сильно — со смешанными структурами. Слоистые глинистые породы часто проявляют анизотропию в процессе набухания. Набухание, как правило, больше по направлению, перпендикулярному слоистости и основной трещиноватости. (Дистанционное обучение КФУ. URL: http://zilant.kpfu.ru/ (дата обращения: 13.11.2015)).

3) Состав обменных катионов.

При 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+ > NH4+ > К+ > Mg2+ > Са2+ > Аl3+ > Fe3+.

Чем ниже валентность катиона и меньше его радиус, 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. (Дистанционное обучение КФУ. URL: http://zilant.kpfu.ru/kek/gidrogeo/nabuh₂.php2015 (дата обращения: 13.11.2015)).

4) Влажность и плотность.

На характер и величину набухания глинистых грунтов оказывает влияние их начальная плотность и влажность, а точнее — исходное соотношение компонент грунта. (Трофимов, 2005) Да нет да нет да нет.

• — 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, наоборот, уплотняются за счет гидратации и проявления сил капиллярной связности, «стягивающих» частицы и агрегаты друг с другом.
• — Глина при исходной пористости около 60% практически не набухает и не меняет свою пористость в процессе гидратации. Но в плотном сложении (при n = 50%) эта же глина проявляет существенное набухание.

Для высокодисперсных монтмориллонитовых глин отмечается набухание при любой их исходной плотности (пористости).

5)Химический состав и концентрация водного раствора, взаимодействующего с грунтом.

Процесс набухания носит осмотический характер. Причиной, вызывающей набухание, является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде, окружающей породу. Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации раствора, находящегося в порах породы, происходит набухание породы. (Трофимов, 2005) Химический состав воды в значительной степени определяет состав обменных катионов, а следовательно, и величину набухания грунтов.

6) рН внешнего раствора.

При больших концентрациях растворов кислот и щелочей происходит разрушение алюмосиликатных соединений глинистых минералов, и их набухаемость в этом случае связана с появлением химических новообразований. (Трофимов, 2005).

На рисунке 7 видно, что и в кислой, и в щелочной выявляются максимумы набухания, соответствующие рН=3 (для НСl) и рН =11 (для NaOH). (Дистанционное обучение КФУ. URL: http://zilant.kpfu.ru/kek/gidrogeo/nabuh₂.php2015 (дата обращения: 13.11.2015)).

7) Величина внешнего давления на грунт.

Деформация набухания грунтов зависит от величины внешнего давления, действующей на грунт. Деформация набухания снижается по мере роста давления и особенно сильно — в зоне малых напряжений. Если величина внешнего давления равна или больше давления набухания, то деформация набухания не проявляется. (Мащенко, 2014).

Набухающие грунты в соответствии с ГОСТ 24 143–87 следует характеризовать:

• -давлением набухания рsw — давлением, возникающем при невозможности объемных деформаций в процессе замачивания и набухания грунта;
• -влажностью набухания щsw — влажностью, полученной после завершения набухания грунта и прекращения процесса поглощения жидкости;
• -относительной деформацией набухания при заданном давлении (в том числе при р=0) еsw — относительным увеличением высоты образца после набухания;

Согласно ГОСТ 24 143–87 характеристики набухания грунта следует определять по относительной деформации в условиях, исключающих возможность бокового расширения при насыщении грунта водой или химическим раствором.

Испытание для определения характеристик набухания следует производить до прекращения поглощения образцом грунта воды (или раствора). Свободное набухание определяется испытанием одиночного образца грунта. Набухание под нагрузкой и давление набухания определяется испытанием серии образцов-близнецов, вырезаемых из одного монолита путем обжатия их давления и последующего водонасыщения. Величины ступеней давления набухания и их грунта количество должны быть определены заданием и программой исследований.

Для испытываемых грунтов должны быть определены плотность (объемный вес), плотность минеральной части (удельный вес), влажность, границы текучести и раскатывания по ГОСТ 5180–84 и гранулометрический состав по ГОСТ 12 536–79.

Образцы грунта природного сложения для испытаний свободного набухания следует вырезать из монолита кольцом. Для определения свободного набухания надо поместить кольцо с образцом в ПНГ (рис.8) далее следует налить жидкость в ПНГ и наблюдать за развитием деформаций во времени, записывая показания индикаторов.

При определении набухания под нагрузкой и давления набухания образец помещают в компрессионные приборы (рис.9). Ступени давления при определении набухания грунта под нагрузкой и давления набухания должны быть: на первом компрессионном приборе — около 0,0025 МПа (0,025 кгс/см2), что соответствует давлению от массы штампа и смонтированного на нем измерительного оборудования; на втором — 0,025 МПа (0,25 кгс/см2); на третьем — 0,05 МПа (0,5 кгс/см2); на четвертом — 0,1 МПа (1 кгс/см2) и далее с интервалом 0,1−0,2 МПа (1−2 кгс/см2) на каждый прибор до необходимых пределов. После нагружения образов грунта в компрессионных приборах их следует выдержать до условной стабилизации деформаций, после чего образцы надлежит замочить.

Как при свободном набухании, так и в компрессионных приборах после замачивания образцов следует регистрировать 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 (д), превышающую 0,001. (ГОСТ 24 143−87).