Изменение микроструктуры лессовых грунтов под воздействием динамических нагрузок

И.В.Карелина, к.т.н., доц., М.А. Гумиров, к.т.н., доц.,
В.Б. Маркин, д.т.н., проф., Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Основными механическими воздействиями, имеющими наибольшее распространение при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых грунтах, являются статические и динамические воздействия, а также замачивание находящегося в напряженном состоянии грунта. Они обуславливают существенные изменения микроструктуры лессовых пород: разрушение структурных составляющих элементов, формирование новой микроструктуры (при динамическом уплотнении) и т.п.

Сложность поведения лессовых грунтов юга Западной Сибири в процессе их эксплуатации в качестве оснований зданий и сооружений вызывает необходимость их изучения на количественном микроструктурном уровне для объективной оценки прочностных и деформационных свойств с закономерностями внутренних процессов в грунте с учетом региональных особенностей юга Западной Сибири.

При исследовании изменения микроструктуры лессового просадочного грунта под воздействием уплотнения тяжелой трамбовкой массой 7 т была выбрана опытная площадка в юго-западной части города Барнаула, в квартале 2001. Размер опытной площадки составил 9+9 метров. В геоморфологическом отношении район расположен на Приобском плато с превышением дневной поверхности над урезом левобережья р. Обь от 50 до 60 м. Грунтовые воды в районе экспериментальной площадки в пределах выработок глубиной до 20 м не обнаружены.

Основанием зданий и сооружений в пределах этой территории являются суглинки и супеси. Суглинки относятся к группам I типа по просадочности. При замачивании под давлением, равным природному, просадка их практически близка к нулю. При замачивании под нагрузкой 0.3 МПа суглинки проявляют просадочные свойства.

После уплотнения площадки тяжелой трамбовкой массой 7 т, отбирались образцы грунта через каждый метр до глубины 6 м. Микроструктурные особенности оценивались для каждой из этих групп по глубинам.

Учитывая универсальность растрового электронного микроскопа при исследовании твердых тел [1], которая вытекает из обширного множества взаимодействий электронов пучка внутри образца как информации о природе объекта (формы, состава и т.д.), образцы грунта готовились для этого вида микроскопа.

График изменения средней площади элементов по глубине

Подготовка образцов грунта к электронно-микроскопическим исследованиям выполнялась в вакуумном универсальном посту ВУП-5 в условиях мгновенного замораживания при температуре жидкого азота и сублимирования при глубоком вакууме.

В связи с тем, что при одном фиксированном увеличении РЭМ-изображения невозможно охватить весь диапазон структурных элементов глинистой породы как полидисперсной системы, РЭМ-фотографии выполнялись с увеличением от 50 до 3000 раз, т.е. перекрывающие весь диапазон встреченных размеров элементов грунта. Обработка результатов морфометрических и геометрических характеристик выполнялась с использованием разработанного программного комплекса Promik по образцам грунта с увеличением +350 и +1000 для исключения статистически недостоверной информации при определении размеров элементов изображения. В результате компьютерного анализа по программе Promik [2] были получены количественные данные морфометрических и геометрических характеристик лессового просадочного грунта по двум группам: порового пространства и частиц – глобул, микроагрегатов, зерен и т.п. Все результаты были сведены в таблицы данных микроструктурной обработки РЭМ-изображений, по которым были построены графики зависимости средней площади элементов и вероятности максимальной ориентации от глубины (рис. 1, 2).

Результаты обработки РЭМ"изображения грунта по частицам

По результатам компьютерного анализа частиц лессового грунта можно проследить изменение структуры грунта, в зависимости от глубины уплотняемой толщи, от матричного на глубине 1–2 м до скелетного на глубине 4–6 м типа. До глубины 2 м среднее значение площади частиц остается на одном и том же уровне – структура грунта представляет собой сплошную массу – однородную тонкодисперсную матрицу: воздействие динамических импульсов при уплотнении трамбовкой привело к разрушению частиц на более мелкие элементы – глобулы, агрегаты. Их число среди общего количества составляет около 80%.

Очертания частиц на глубине 1–2 м имеют довольно изрезанную неправильную форму – это результат частичного разрушения элементов структуры грунта. На это же указывает слабая ориентация частиц – Pmax ор. = 0.130–0.321. Начиная с 3 м происходит постепенное увеличение значения средней площади элементов. Среди общего числа элементов мелкие частицы занимают по-прежнему лидирующее положение – около 80%, но их размеры увеличились. Поверхность частиц остается изрезанной, но форма их становится все более близкой к окружности – Pmax ор. = 0.145–0.151. Вследствие этого строение грунта претерпевает медленный возврат к своему природному строению – скелетной структуре. Глубину 3 м при этом можно рассматривать как некий переходный этап, на котором строение микроструктуры грунта можно оценить как скелетно-матричную.

С увеличением глубины с 4 до 6 м структура грунта все более приближается к природному сложению – сказывается постепенное прекращение влияния трамбовки массой 7 т на дробление частиц лессового грунта. В образце встречается большое количество мелких элементов, но с увеличением глубины растут их размеры.

Возрастает вероятность увеличения площади частиц, занимающих промежуточное значение между мелкими и крупными – это глинисто-пылеватые агрегаты и зерна. Твердые структурные элементы с увеличением глубины становятся все более рыхлыми и округлыми – Pmax ор. = 0.13–0.095. Эти количественные показатели позволяют отнести структуру грунта на глубине 4–6 м к скелетному типу (по В.И. Осипову) [3].

Результаты обработки РЭМ"изображения грунта по порам

До глубины 3 м средний диаметр пор не превышает 3.5 мкм. Среди общего количества число мелких пор велико – по доле суммарных площадей они занимают лидирующее положение. Это объясняется тем, что грунт приобрел более плотную структуру. Начиная с глубины 3 м, элементы порового пространства начинают постепенно увеличиваться в размерах (рис. 1) и увеличивается величина вероятности суммарной площади крупных элементов.

Вероятность максимальной ориентации пор резко снижается почти до глубины 3 м (рис. 2), а далее наблюдается постепенное уменьшение этого показателя с увеличением процентного содержания не ориентированных пор. Все это говорит о постепенном прекращении влияния уплотнения трамбовкой массой 7 т с глубины 3 м. При этом микроструктура лессового грунта на глубине 3 м может рассматриваться как переходный этап между двумя наблюдаемыми структурами: матричной и скелетной.

Проведенные микроструктурные исследования по уплотнению лессового просадочного грунта трамбованием позволяют сделать следующие выводы:

1. Уплотнение лессового грунта тяжелыми трамбовками массой 7 тонн приводит к коренному изменению его микроструктуры. Под действием динамической нагрузки происходит максимальное сближение частиц грунта, сопровождающееся процессом частичного и полного разрушения агрегатов и микроагрегатов. В результате максимального уплотнения формируется новая матричная структура, отличающаяся от природной минимальной и относительно однородной пористостью массы взаимно заклинившихся частиц, получивших наиболее плотную упаковку и увеличение числа контактов между ними. Это приводит к устранению просадочных свойств лессового основания и повышению его прочностных и деформационных характеристик.

2. Исследование уплотненного грунта на микроуровне позволило проследить динамику изменения основных структурных элементов лессового грунта – песчано-пылеватых частиц, глинистого материала и пористости на различных горизонтах уплотненной толщи.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: в 2-х кн.; Пер. с англ. / Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П и др. – М.: Мир, 1984.

2. Карелина И.В., Гумиров М.А., Швецов Г.И. Компьютерная обработка РЭМ-изображений микроструктуры лессовых грунтов // Ресурсо- и энергосбережение как моти- вация творчества в архитектурно-строительном процессе. Труды годичного собрания РААСН 2003. / Ред. кол.: В.М. Бондаренко (отв. ред.) и др. – Казань, КГАСА, 2003. – c. 487–489.

3. Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород / Под ред. академика Е.М. Сергеева – М.: Недра, 1989.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2009, стр.43