Плывунность и тиксотропия. Сущность процессов, последствия

Оглавление

Введение 2
1. Тиксотропные свойства грунтов 3
1. Плывунность грунтов 8
2. Усиление грунтов 11
Заключение 14
Список использованных источников 16

Введение

Под нагрузкой поведение грунтов осложняется различными процессами. Для исследования таких процессов деформирования и разрушения грунтов разрабатываются различные теоретические и экспериментальные методы изучения грунтов.
По сравнению с конструкционными материалами прочность грунтов во много раз меньше, а деформируемость, наоборот, больше.
Массивы грунтов, которые являются основаниями сооружений, формируются в различных геолого-географических условиях, они постоянно испытывают воздействие различных природных процессов. Процессы, которые протекают в грунтах, могут изменять свойства и состояние грунтов, и протекают крайне медленно. При строительстве зданий и сооружений состояние грунтовых оснований нарушается и возникают новые процессы. Состояние и свойства грунтовых оснований могут меняться и при эксплуатации. Отсюда следует, что грунты обладают особыми свойствами и постоянно испытывают различные воздействия, которые изменяют их свойства и состояние.
Актуальность данной темы заключается в том, что нерациональное использование несущей способности грунтов, как правило, приводит к высокой стоимости строительства, а неправильный анализ свойств грунтов – к разрушению зданий при эксплуатации. Отсюда следует, что необходимо правильно и качественно исследовать механические свойства грунтовых оснований, а также найти наилучший конструктивный метод передачи нагрузок на грунт от зданий и сооружений.
Цель данной работы изучение физико-химических свойств грунтов.
Задачами рассматриваемой темы:
ознакомиться с тиксотропными и плывунными свойствами грунтов;
изучить методы усиления грунтов.
Тиксотропные свойства грунтовВ коллоидной химии под тиксотропными явлениями, или тиксотропией, понимается способность некоторых коллоидных систем разжижаться под влиянием механического воздействия и затем, когда это воздействие устранено, переходить в прежнее гелеобразное состояние. Аналогичные обратимые изменения довольно широко протекают в дисперсных преимущественно песчано-коллоидных и связных грунтах при неизменной их влажности и температуре. Разупрочнение этих грунтов под воздействием динамических нагрузок происходит в результате нарушения естественной структуры грунта и может выразиться в виде его разжижения и полной потери прочности. Тиксотропное упрочнение, проявляющееся при прекращении воздействия на грунт, обусловлено формированием новых структурных связей, увеличением их количества и прочности. Следовательно, тиксотропные явления в грунтах представляют собой обратимый изотермический процесс, который выражается, с одной стороны, разжижением и потерей несущей способности грунтов под влиянием механического воздействия, а с другой – последующим тиксотропным упрочнением [2].
Обе стороны этого явления требуют изучения, так как и тиксотропное разупрочнение, и тиксотропное упрочнение грунтов могут быть значительными и должны учитываться при проектировании сооружений.
О природе и механизме тиксотропных изменений высказывались различные точки зрения. Наиболее распространенная заключается в том, что в основе тиксотропных превращений лежит образование сетчатой структуры из удлиненных частиц, в ячейках которой иммобилизован весь объем дисперсионной среды. Частицы связываются между собой лиофобными концами, на которых или совсем отсутствует сольватная оболочка (первый случай) или она имеет минимальную толщину (второй случай), обеспечивающую проявления молекулярных сил между сближенными концами частиц.
По современным представлениям причина тиксотропных изменений в грунтах связывается с особенностями водно-коллоидных и коагуляционных связей между частицами грунта. Эти связи осуществляются за счет сил молекулярного притяжения частиц через водные оболочки, экранирующие эти слои [7]. Однако тончайшая прослойка жидкой среды между частицами в местах сцепления не только понижает прочность связи, но и обеспечивает ее легкую восстанавливаемость, полную обратимость и легкую подвижность. Поэтому коагуляционные связи часто называют тиксотропно-обратимыми. Грунты, прочность которых полностью обусловлена коагуляционными связями, после их нарушения со временем полностью восстанавливают первоначальную прочность [1].
У большинства грунтов структурные связи имеют смешанный характер. Разрушение их в подобных грунтах приводит к необратимому разрушению кристаллизационных связей и поэтому в результате последующего тиксотропного упрочнения первоначальная прочность восстанавливается лишь частично.
В настоящее время существует большое количество показателей для характеристики тиксотропных свойств грунтов [9]:
Время застудневания – время, необходимое для обратного перехода системы из золеобразного состояния в гелеобразное. Для каждой системы является достаточно определенным. Его величина изме няется в широких пределах: от нескольких секунд, когда искусственно разжиженная система застывает практически мгновенно, до нескольких суток и более. Чем меньше величина времени, тем более тиксотропна система.
Тиксотропный предел – отношение объема жидкости к объему твердой составляющей в смеси в момент, когда разжиженная глина, находящаяся в пробирке, свободно течет из нее при перевертывании сейчас же после встряхивания или взмучивания, и остается неподвижной в пробирке после минутного покоя. Чем больше величина тиксотропного предела, тем более тиксотропна система.
Предел затвердевания – процентное весовое содержание влаги при тех же условиях. Этот предел соответствует той влажности, выше которой глинистый грунт теряет способность к тиксотропным изменениям в данных условиях.
Все эти показатели являются очень условными и характеризуют лишь качественно одну из сторон тиксотропии. Они могут быть использованы только для сравнительной характеристики тиксотропных свойств грунтов.
Показателем, качественно характеризующим степень потенциальной способности грунтов к тиксотропному разупрочнению под влиянием вибрации, является зыбкость, характеризуемая показателем зыбкости, величина которого измеряется средним радиусом основания образца (в миллиметрах), деформированного на зыбкомере в течение 20 с.
Чем выше показатель зыбкости, тем меньшей прочностью характеризуются структурные связи грунта и тем выше его способность к тиксотропному разупрочнению. [6]
Величина показателя зыбкости позволяет установить степень потенциальной тиксотропности грунта, но этого недостаточно, чтобы утверждать возможность проявления тиксотропного разупрочнения грунта при заданной динамической нагрузке. Поэтому возможность тиксотропного разупрочнения всегда необходимо связывать с предполагаемыми конкретными нагрузками на него, так как даже сильно тиксотропный грунт при слабой вибрации, не разрушающей его структурные связи, не претерпевает тиксотропных изменений, продолжая оставаться потенциально тиксотропным.
В качестве показателя, количественно характеризующего способность грунтов к тиксотропному разжижению при воздействии на них динамических нагрузок, является предел структурной прочности при динамическом воздействии, который определяют путем испытания грунта шариковым штампом на вибростоле с регулируемыми параметрами колебаний или в вибросдвиговой установке [3].
К факторам, обусловливающим тиксотропные свойства грунтов, относят качественный и количественный состав их дисперсной фазы, форму частиц и их гидрофильность, состав и концентрацию электролита, находящегося в растворе, его рН и ряд других показателей. [2]
Одним из основных показателей, определяющих возможность тиксотропных изменений, является гранулометрический состав грунтов. Исследования показывают, что тиксотропные явления наблюдаются лишь в том случае, если в грунтах содержатся глинистые частицы (хотя бы в количестве 1,5–2 %). Отсюда становится понятным отсутствие способности к тиксотропным изменениям у чистых гравийно-галечниковых и песчаных пород и наличие четко выраженных тиксотропных свойств у связных грунтов, у которых они резко возрастают при увеличении содержания коллоидных частиц в глинистой фракции [1].
Огромное влияние на тиксотропные свойства грунтов оказывает минералогический состав их тонкодисперсной части, поскольку он, с одной стороны, определяет степень дисперсности грунтов, а с другой – характер их гидрофильности. Чем больше в грунтах содержится монтмориллонитовых частиц, тем выше их способность к тиксотропным изменениям при прочих равных условиях.
Тиксотропные свойства зависят от влажности грунтов. Наиболее характерны они для связных грунтов, имеющих пластичную или вязкотекучую консистенцию. Однако при интенсивном вибрационном воздействии на глинистые грунты с влажностью ниже предела раскатывания в них могут происходить тиксотропные изменения по типу гель-золь и далее по прекращении вибрации золь-гель. Следовательно, можно считать установленным, что тиксотропные изменения в глинистых грунтах могут происходить при их различных консистенциях и в достаточно большом интервале влажностей [7].
Тиксотропные изменения в грунтах достаточно широко представлены в природе и используются в строительстве и при ведении буровых работ. Так, динамическое воздействие на породу, такое как сейсмические толчки или движение поезда, может вызвать внезапное разжижение тиксотропного слоя и, если это произойдет на склоне, явиться причиной возникновения оползня (например, оползни в Норвегии, связанные с разжижением «голубых глин»). Многие случаи плывунности грунтов также объясняются их тиксотропными изменениями. Т
иксотропные явления наблюдаются при забивке свай, при действии на грунт динамической нагрузки от фундаментов, на которых размещены машины и т.д. При вибропогружении свай происходит резкое разупрочнение грунтов вблизи поверхности сваи и затем, после окончания погружения, тиксотропное упрочнение грунта. Оно ведет к частичному или практически полному восстановлению их первоначальной прочности и обусловливает, постепенное увеличение несущей способности свай [6].
Плывунность грунтов
Плывунностью называется способность водонасыщенных дисперсных грунтов переходить в подвижное состояние при вскрытии их горными выработками. Разжижение грунтов в этом случае происходит обычно под влиянием какого-либо динамического воздействия на массив грунтов. Разжиженный грунт, называемый плывуном, постоянно прибывает в горные выработки со дна и стенок, что затрудняет проведение горных работ или часто делает их просто невозможными без специальных мероприятий [5].
Плывунность не является свойством какого-то одного определенного типа грунта. В плывунное состояние в определенных условиях могут переходить и пески, и лессы, и глинистые породы. На практике чаще всего приходится сталкиваться с плывунностью песков, и особенно песков, содержащих некоторое количество коллоидных частиц. Впервые классификация плывунов была предложена в 1935 г. А.Ф. Лебедевым, который подразделил их на «истинные», или «активные», плывуны и «псевдоплывуны», или «пассивные» плывуны [8].
«Истинные» плывуны представляют собой песчаные водонасыщенные грунты, которые содержат коллоидные частицы, обусловливающие большую подвижность и обратимость их слабосвязанной структуры. Именно специфическими свойствами коллоидных фракций обусловлена плывунность этого типа грунтов. Разжижение «истинных» плывунов наступает в результате тиксотропного разупрочнения грунтов.
К «псевдоплывунам» отнесены обыкновенные тонкозернистые пески, переход в плывунное состояние которых связан с наличием определенного гидродинамического давления грунтового потока.
Породы, лишенные структурных связей между слагающими их частицами, являются плывунами первого типа. Они представляют собой пески, прочность которых обусловлена высоким внутренним трением. Переход их в плывунное состояние связан с резким уменьшением или потерей внутреннего трения при взвешивании частиц в воде. Движение разжиженного грунта вызвано гидродинамическим давлением, обусловленным воздействием фильтрационного потока или возникающего в порах при изменении структуры водонасыщенного песка, сопровождающегося изменением пористости.
Породы с конденсационно-коагуляционными связями, представляющие собой плывуны второго типа, являются более сложным и широко распространенным типом плывунных грунтов. Жесткие конденсационные связи, образуемые коллоидными компонентами при их высыхании, резко ослабляются в воде и переходят в связи иного типа – коагуляционные, для которых характерна зависимость их прочности от влажности. В определенном интервале влажностей, как было показано ранее, такие грунты проявляют способность к тиксотропным изменениям, что обусловливает их плывунность [8].
Плывуны второго типа представляют собой породы различного гранулометрического состава с коллоидными структурными связями. Среди них в зависимости от состава и специфики проявления плывунных свойств выделены [8]:
песчано-коллоидные плывуны;
пылевато-коллоидные плывуны;
плывунные глины.
Песчано-коллоидные плывуны характеризуются сравнительно большим диаметром входящих в их состав преимущественно кварцевых зерен и слабой связью между крупнодисперсными элементами грунта и их коллоидной частью.
Пылевато-коллоидные плывуны включают в себя водонасыщенные лессовые породы, для которых характерна высокая прочность связи между пылеватыми и глинистыми частицами. Благодаря этому тиксотропные свойства у плывунов этой группы в значительной степени усилены по сравнению с песчано-коллоидными плывунами.
Плывунные глины представляют третью группу плывунов второго типа. В формировании их прочности значительную роль играет сцепление. Переход грунтов этого типа в плывунное состояние возможен в определенном интервале влажности вследствие тиксотропного снижения их связности, причем только при условии, что скорость развития деформаций в плывунной толще больше скорости тиксотропного упрочнения, поскольку в противном случае плывунность может перейти в ползучесть. Плывунные глины – типичные тиксотропные грунты [8].
Плывуны второго типа переходят в плывунное состояние вследствие тиксотропного их разжижения, проявляющегося при динамических нагрузках на грунт. В связи с этим при изучении плывунов этого типа необходимо исследовать их тиксотропные свойства.
Переходя к характеристике состава и свойств плывунов, следует отметить, что плывуны первого типа, представляющие собой обычные пески, не требуют какого-либо специального описания. О некоторых особенностях плывунов второго типа, разжижение которых связано с тиксотропными изменениями при механическом воздействии на них, можно судить на основе данных, характеризующих их тиксотропные свойства. Наиболее специфичными среди плывунов второго типа являются песчано-коллоидные плывуны, которые характеризуются ниже.
Песчано-коллоидные плывуны по своему минералогическому составу могут быть довольно разнообразны, но они должны иметь эластичную структуру, которая образуется коллоидно-дисперсными минералами типа глауконита и монтмориллонита, гидроокисями алюминия и железа, органическими и органо-минеральными соединениями.
Для песчано-коллоидных плывунов характерно быстрое во времени развитие деформаций — уже через минуту после нагружения устанавливается постоянная скорость деформации. Деформации очень велики и особенно резко возрастают при нагрузках, близких к разрушающим. Песчано-коллоидные плывуны обладают наибольшей величиной деформаций по сравнению с другими породами при всех влажностях. Особенно опасны эти грунты при влажности, превышающей границу текучести [8].
Усиление грунтов
Борьба с плывучестью и тиксотропностью грунтов сложна и не всегда принятые меры дают желаемые результаты. В таких случаях приходится отказываться от устройств котлованов и применять свайный вариант фундаментов или подошву фундамента не доводить до слоя плывунных пород. В выборе метода борьбы важнейшее значение имеет вид плывуна.
Все способы борьбы с плывунами можно разделить на 3 группы [4]:
искусственное осушение плывунных пород в период строительства (открытая откачка воды из котлованов, иглофильтры и др.);
ограждение плывунов путем создания шпунтовых стен
закрепление плывунов путем изменения их физических свойств(силикатизация, цементация, замораживание и т. д.).
Для ложных плывунов применимы все способы борьбы. В борьбе с истинными плывунами можно использовать лишь ограждение, замораживание и электрохимическое закрепление. При проходке подземных выработок используют повышенное давление, уравновешивающее давление воды плывуна.
Наиболее современными и высокоэффективными считаются физико-химические методы усиления грунтов. Среди них выделяют следующие.
Силикатизация  - инъецирование грунтов основания растворами жидкого стекла. Раствор подается под давлением до 0,6 МПа в предварительно пробуренные скважины через перфорированные трубы. Метод используется для повышения прочности песков различной крупности, насыпных грунтов. В процессе силикатизации вокруг каждой скважины создается столб упрочненного основания диаметром до 2 м.
Цементация применяется для закрепления грунтов просадочного типа, водопроницаемых, трещиноватых скальных пород, лессов, крупного песка. Инъецирование грунтов производится водоцементным раствором (иногда с добавлением песка) под давлением до 10 МПа. В результате цементации раствор заполняет поры грунта, образуя новое, высокопрочное основание.
Смолизация предполагает инъецирование в грунты основания синтетических смол с отвердителями. Метод используется для усиления пылеватых, мелких песков, супесей и суглинков. Применяются вертикальный, горизонтальный и наклонный способы установки инъекторов.
Глинизация, или нагнетание глинистой суспензии, производится с целью снижения фильтрующих свойств песчаного основания. В результате проникновения глинистых частиц в поры грунта происходит его заиливание и тампонаж с созданием водоупорной зоны. Метод используется при небольшой скорости течения грунтовых вод, так как частицы глины могут выноситься потоком.
Битумизация также является способом снижения фильтрационных свойств грунта и применяется при высоких скоростях движения грунтовых вод. Существуют методы горячей и холодной битумизации. В первом случае в предварительно пробуренные скважины подается расплавленный битум, а во втором - битумная эмульсия. В обоих случаях результатом является создание водонепроницаемой зоны вокруг инъектора.
Термический способ используется для  усиления грунтов, обладающих просадочными свойствами. Суть метода состоит в сжигании топлива в предварительно пробуренной скважине. Для возможности горения топлива на глубине в скважину подается воздух. Устранение просадочных свойств грунта происходит под воздействием температуры от 400 до 800 градусов Цельсия. Каждая скважина позволяет произвести закрепление массива грунта диаметром до 2,5 м.
Основными конструктивными методами усиления являются следующие [4]:
грунтовые подушки. Метод заключается в замене слабонесущего грунта, расположенного под фундаментом на малосжимаемый. В качестве последнего используют песок, щебень, некоторые виды шлаков. При укладке грунт подвергается уплотнению во избежание его последующей осадки;
шпунтовые ограждения. Метод используется для предотвращения выпирания слабонесущего основания из-под фундамента. В этом случае по периметру фундамента на минимальном от него расстоянии монтируется ограждение из свайных конструкций. Сваи забиваются в слой плотного грунта, проходя насквозь через слабонесущий.
армирование. Способ позволяет повысить прочностные характеристики грунта и устранить просадочность. Армирование подразумевает внедрение в грунт дополнительных высокопрочных элементов, которые при совместной с ним работе обеспечат требуемые характеристики основания. В качестве армирующих элементов используются бетон, железобетон, грунтоцемент, цементно-песчаный раствор и другие.
противофильтрационные завесы. Метод применяется для предотвращения фильтрации подземных вод через грунт основания. Мероприятие осуществляется путем заливки тиксотропной суспензии в предварительно подготовленные скважины. Суспензия готовится на основе бетонитовой глины, которая способна поглощать воду в больших количествах, а после загустевания создавать водонепроницаемый экран.
Механические способы усиления грунтовых оснований представляют собой различные варианты их уплотнения. Различают два основных способа уплотнения: поверхностное и глубинное.
Поверхностное уплотнение производится при помощи трамбовок, катков, грузоуплотняющих машин, вибраторов. Данный способ, как правило используется при необходимости выполнить уплотнение на глубину до 1,5-2 м. Однако, применение тяжелых трамбовок и трамбующих машин позволяет уплотнять основание глубиной до 10 м. Существуют также методы вытрамбовывания котлована под фундамент трамбовками, имеющими форму самого фундамента.
Заключение

Свойства грунта – особенность, обуславливающая его различие или сходство с другими грунтами и проявляющаяся во взаимодействии с ними или с различными полями и веществами (например цвет, пластичность, электропроводность и др.). Существует бесчисленное множество свойств грунтов. Выделяют классы химических, физико-химических, физических и биотических свойств грунтов, отличающихся своей природой. 
Химические свойства характеризуют химические процессы в грунтах (т.е химические изменения, и их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами). Пример: реакции меняющие их химико-минеральный состав, в результате процессов окисления, восстановления, гидролиза, гидратации, растворения и т.д.; растворимость грунтов, химическая поглотительная способность, химическая агрессивность грунтов; 
Физико-химические - различные поверхностные явления и физико- химические процессы в грунтах, происходящие на молекулярном и микроуровне, но без явных химических превращений (адсорбционные свойства, диффузионные свойства, осмотические, капиллярные свойства, набухаемость, усадочность, водопрочность, размокаемость, размягчаемость и др). 
Физические свойства проявляются в результате действия на грунты различных физических полей: гравитационного, теплового, электрического, магнитного, гидродинамического, аэродинамического, радиационного, механического и др. 
Усиление грунтов основания выполняется в следующих случаях:
при необходимости восстановления корректной работы несущих элементов существующих зданий и сооружений;
при новом строительстве на площадке с плохими инженерно-геологическими условиями.
В первом случае работы, как правило выполняются в комплексе с усилением и ремонтом фундаментов и имеют ограничения в выборе методов (во избежание воздействия на рядом расположенные здания). При усилении грунтов на новой площадке выбор метода определяется только техническим и экономическим обоснованием.
Усиление грунтов позволяет использовать для нового строительства земельные участки, имеющие заведомо низкие инженерно-геологические показатели, а также территории, не подходящие для ведения сельского хозяйства (болота, насыпные грунты и прочие) и других видов деятельности. Современные высокотехнологичные способы повышения несущей способности оснований позволяют более рационально подходить к использованию застройщиком трудовых, территориальных и экономических ресурсов.
Список использованных источников

Ананьев, В.П. Специальная инженерная геология: Учебник / В.П. Ананьев, А.Д. Потапов, Н.А. Филькин. - М.: Инфра-М, 2017. - 320 c. ISBN 978-5-16-010407-2
Владимирская, А.Р. Почвоведение и инженерная геология: Учебное пособие / А.Р. Владимирская. - СПб.: Лань, 2016. - 258 c. ISBN: 978-5-8114-2007-0
Гальперин, А.М. Геология: Ч. IV. Инженерная геология / А.М. Гальперин, В.С. Зайцев. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2011. - 559 c. ISBN 978-5-98672-311-2
Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии): Учебник / Б.И. Далматов. - СПб.: Лань, 2012. - 416 c. ISBN 978-5-8114-1307-2
Добров, Э.М. Инженерная геология: Учебник / Э.М. Добров. - М.: Academia, 2016. - 271 c. ISBN 978-5-7695-6975-3
Заручевных, И.Ю. Механика грунтов в схемах и таблицах.Учебное пособие / И.Ю. Заручевных, А.Л. Невзоров. - М.: АСВ, 2015. - 164 c. ISBN 978-5-93093-528-8
Лолаев, А.Б. Инженерная геология и грунтоведение: Учебное пособие / А.Б. Лолаев. - Рн/Д: Феникс, 2016. - 160 c. ISBN: 978-5-222-27701-0
Малышев, М.В. Механика грунтов. (в вопросах и ответах): Учебное пособие / М.В. Малышев. - М.: АСВ, 2015. - 104 c. ISBN 978-5-4323-0059-1
Трофимов, В.Т. Инженерная геология России. Грунты России / В.Т. Трофимов. - М.: КДУ, 2011. - 672 c. ISBN: 978-5-98227-753-4