Изменение микроструктуры лессовых грунтов под воздействием динамических нагрузок
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.
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.
