Введение к работе
Актуальность проблемы. Сложность поведения лессовых грунтов в процессе их жсплуатации в качестве оснований для зданкй и сооружений вызывает необходимость их комплексного изучения полевыми и лабораторными методами. Возникает необходимость в отьсканин взаимосвязи прочностных и деформационных свойств лессовых пород с закономерностями внутренних процессов в грунте и более объективной оценки их в инженерно-геологических целях.
При инженерно-геологическом изучении лессовых пород в настоящее время значительное внимание уделяется их структурно-текстурным особенностям, с одной стороны, отражающим условия их формирования, а с другой - определяющим их физико-механические и другие свойства. В качестве количественных показателей структуры в инженерной геологии использовались, в основном, размер зерен, величина пористости и, реже, прочность структурных связей. В последнее время в практике инженерно-геологических исследований широко применяются сканирующие электронные микроскопы, позволяющие количественно оценивать на мезо- и микроуровне как текстурные признаки грунтов, так и их морфометрические особенности.
Существующие расчетные модели по проектированию зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах не учитывают специфику инженерно-геологического строения лессовых пород, их микроструктурные особенности и динамику их изменения под влиянием различных техногенных воздействий.
Основными механическими воздействиями, имеющими наибольшее распространение при строительстве зданий и сооружений, являются статические (уплотнение грунтов фундаментами) и динамические (уплотнение грунтов трамбовками) воздействия, а также замачивание лессового грунта, находящегося в напряженном состоянии. Они обусловливают существенные изменения микроструктуры лессовых пород, сопровождающееся разрушением структурных элементов, а при динамическом уплотнении помимо этого идет формирование ориентированной микроструктуры.
Степень и характер микроструктурных изменений под влиянием механических воздействий тесно взаимосвязаны с гранулометрическими, химико-минералогическими и физико-механическими характеристиками грунта. Кроме того, разнообразие лессовых пород требует изучения их микроструктуры с учетом специфических региональных особенностей.
Целью работы является изучение микроструктурных особенностей лессового просадочного грунта Приобского плато (г. Барнаул), их изменение под влиянием статических и динамических механических воздействий, получение корреляционных зависимостей деформационных и прочностных характеристик от морфометрических параметров микроструктуры грунта и его гранулометрического состава.
В работе решались следующие задачи:
1. Проведение исследований изменения микроструктуры лессового
просадочного грунта естественной влажности и в состоянии полного во-
донасыщения при различных ступенях компрессионного уплотнения в двух
взаимно перпендикулярных направлениях - параллельно и перпендикулярно
приложению нагрузки.
2. Исследование микроструктурных изменений лессового просадочно
го грунта и получение количественных морфометрических характеристик
при различных схемах сдвиговых испытаний:
неконсолидированный сдвиг при естественной влажности и плотности грунта с вертикальной нагрузкой 0,3 МПа для анализа микроструктурных изменений на различных стадиях сдвигового деформирования;
консолидированный сдвиг при естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения грунта после предварительного уплотнения образцов нагрузками, равными вертикальной нагрузке при сдвиге.
-
Определение изменений гранулометрического и микроагрегатного состава грунта после компрессионных и сдвиговых испытаний.
-
Анализ изменений микроструктуры и физико-механических характеристик лессового грунта после уплотнения трамбовками обычного и повышенного веса на различных горизонтах уплотненной толщи.
-
На основе полученных данных составить корреляционные зависимости:
между дисперсностью и морфометрическими характеристиками микроструктуры (общим периметром и общей площадью пор) грунта естественной влажности и водонасыщенного грунта;
между плотностью сухого грунта и общей плотностью пор образцов различной степени влажности;
между модулем деформации, микроагрегатным составом и морфометрическими характеристиками микроструктуры, отражающими общую пористость грунта естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения.
Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях морфометрических и геометрических признаков микроструктуры лессового просадочного грунта при различных механических воздействиях - статических (компрессионные и сдвиговые деформации) и динамических (уплотнение трамбовками различной массы).
Микроструктурные характеристики при статическом воздействии на грунт изучались с помощью комплекса растровой электронной микроскопии РЭМ-микроЭВМ. Для каждого образьца определялись количественные показатели микроструктуры в двух взаимно перпендикулярных направлениях (параллельно и перпендикулярно прикладываемой нагрузке), а также характеристики гранулометрического и микроагрегатного состава грунта различной влажности. Одновременно рассчитывались деформационные, проч-
ностные и физико-механические характеристики по стандартным методи
кам. :,<.: '.
Изучение микроструктурных особенностей грунта при динамических воздействиях (уплотнение трамбовками различного веса) выполнялось по всей глубине уплотненной толщи с одновременным определением физико-механических, прочностных и деформационных характеристик грунта.
Корреляционные зависимости морфометрических параметров микроструктуры, микроагрегатного состава и деформационных характеристик и получение уравнений регрессии выполнено с помощью ЭВМ.
Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период 1992-:1997 гг. Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета по разработке проблемы "Исследование закономерностей деформирования лессовых оснований на территории Верхнего Приобья" (тема № 9.91) и "Совершенствование методов устройства и расчета оснований й фундаментов на лессовых проса-дочных грунтах юга Западной Сибири" (тема № 3.3.1.1). Автором создана база данных по изменению морфометрических и геометрических характеристик микроструктуры, а также гранулометрического состава лессового грунта региона под влиянием статических (компрессионное уплотнение и сдвиг) и динамических (уплотнение трамбовками различной массы) воздействий. Получены уравнения регрессии для расчета физико-механических характеристик грунта по данным микроагрегатного состава и морфометрическим параметрам пористости грунта.
Научная новизна. Экспериментальные и теоретические исследования позволили впервые дать оценку деформируемости лессового просадочного грунта как единства механических (осадка, просадка) и структурных (микроструктура) процессов. Установлено, что под воздействием компрессионного уплотнения происходит уменьшения размеров межагрегатных и внутриагрегатных пор с одновременным увеличением числа ультрамикро-пор и тонких микропор. Увеличение плотности лессового грунта в процессе передачи компрессионной нагрузки происходит не только в следствие сближения частиц при их перекомпоновке, но и в результате их разрушения. Все это позволяет говорить о переходе исходной скелетной микроструктуры грунта в более плотную и тонкодисперсную микроструктуру скелетно-матричного типа (по В.И.Осипову).
Замачивание лессового просадочного грунта в условиях напряженного состояния (Р = 0,3 МПа) приводит к одновременному распаду неводостойких структурных связей и агрегатов грунта и механическому разрушению агрегатов. Это ведет к формированию новой, более однородной, плотной и тонкодисперсной матричной микроструктуры.
Микроструктурный анализ образцов лессовой породы, компрессионно уплотненных при естественной влажности и в состоянии полного водонасы-
щения, по двум взаимно перпендикулярным направлениям показал постепенную трансформацию пор изометричной формы в анизометричные эллип-сообразные и вытянутые. Этот обусловлено частичной переориентацией твердых элементов грунта в направлении, перпендикулярном приложению вертикальной нагрузки.
Микроструктурные исследования лессового грунта на различных этапах сдвигового деформирования (на стадии затухающего, установившегося и прогрессирующего скольжения) позволили получить схему сдвига, характерную для лессового грунта региона. Степень переориентации элементов грунта под действием сдвигающей нагрузки увеличивается по мере возрастания величины т и достигает максимального значения на завершающей стадии сдвига.
Анализ микроструктурных изменений лессового грунта при консолидированном позволяет установить, что микроструктурная перестройка грунта захватывает тем меньший объем, чем плотнее и прочнее испытываемый образец При этом величина микродефектов грунта уменьшается и накопление локальных дефектов захватывает меньший объем по мере роста плотности образца. Под действием сдвигающей нагрузки происходит разрушение глинисто-пылеватых агрегатов, содержание первичных минеральных зерен практически не меняется.
С возрастанием величины предварительного уплотнения и нормальной нагрузки на образцы при сдвиге коэффициент анизотропии и объем пор анизометричной формы увеличивается. Наибольшая степень переориентации элементов отмечается в более плотных образцах грунта и наибольшем значении т.
Выявлено коренное изменение микроструктуры лессового грунта под влиянием уплотнения трамбовкой массой Ют: происходит расплющивание и максимальное сближение элементарных частиц грунта, сопровождающееся процессом частичного и полного разрушения агрегатов и микроагрегатов; формируется новая матричная структура, отличающаяся от природной минимальной и относительно однородной пористостью массы взаимно заклинившихся элементарных частиц, получающих наиболее плотную упаковку. Это приводит к устранению просадочных свойств лессового основания и увеличению его прочностных и деформационных характеристик. Под влиянием уплотнения лессового грунта трамбовкой массой 3,2 т не происходит принципиального изменения структуры грунта глубже 0,5 и не достигается получение уплотненной зоны необходимой мощности.
Исследование грунта на мнкроуровне позволило проследить при трамбовании динамику изменения основных структурных элементов лессового грунта - пористости, песчано-пылеватых частиц и глинистого материала, на различных горизонтах уплотненной толщи.
На основе анализа корреляционных зависимостей получены уравнения регрессии взаимосвязи: микроагрегатного состава лессового грунта различной влажности с морфометрическими характеристиками микроструктуры -
общим периметром и общей площадью пор; плотности сухого грунта и общей площадью пор; между модулем деформации, общей площадью пор и содержанием основных структурных элементов грунта - микроагрегатами.
Реализация и практическая ценность работы. На основании теоретических; натурных и микроструктурных исследований отработана технология уплотнения лессового просадочного грунта трамбовкой массой 10 тонн. Получено решение расширенного Технического Совета АО "Алтайгражданпроект", АО "АлтайТИСИЗ" и кафедры "Оснований, фундаментов, инженерной геологии и геодезии" АлтГТУ о возможности замены свайных фундаментов на фундаменты на уплотненном основании. По данной методике ведется строительство 9-этажного жилого дома в г. Барнауле.
Полученная база данных по изменению морфометрических параметров микроструктуры, гранулометрического и микроагрегатного составов грунта при различных механических воздействиях будет использована для разработки варианта механической модели, учитывающей структурно-текстурные особенности лессовых пород Верхнего Приобья.
На защиту выносятся:
-
Изменение микроструктуры лессового просадочного грунта Приобского плато (г. Барнаул) под влиянием компрессионного уплотнения грунта естественной влажности и замоченного. Динамика изменения морфометрических и геометрических параметров микроструктуры, а также ее гранулометрического и микроагрегатного состава при различной величине компрессионного давления.
-
Результаты микроструктурных исследований лессового грунта при неконсолидированном сдвиге. На основе количественных данных параметров микроструктуры и гранулометрического состава получена схема поведения лессового грунта на различных этапах сдвигового деформирования.
-
Влияние плотности и влажности грунта на структурные изменения в зоне сдвига на стадии прогрессирующего скольжения при консолидированном срезе.
-
Динамика изменения основных структурных элементов лессового грунта, уплотненного трамбовками массой 3,2 и 10 т, на различных горизонтах уплотненной толщи.
-
Корреляционные зависимости физико-механических характеристик, морфометрических параметров микроструктуры и микроагрегатного состава лессового просадочного грунта.
Практическое значение работы состоит в том, что в ней разработаны основы комплексного подхода к оценке деформируемости лессового грунта на основе изучения его микроструктурных особенностей при естественной плотности и влажности, в уплотненном и замоченном состоянии.
В диссертационной работе предложены формулы для определения физико-механических характеристик лессового грунта по морфометрическим параметрам его микроструктуры, которые могут быть использованы при
разработке варианта механической модели, учитывающей структурно-текстурные особенности Лесковых* пород.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на.научных семинарах кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета (1992-97 гг.), на международной научно-практической конференции "Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство" (Барнаул, 1996), на Казахстанской национальной геотехнической конференции "Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы" (Акмола, 1977).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав и основных выводов. Работа изложена на страницах и содержит
SO рисунка и ЗЄ таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Г.И.Швецову, д.г.-м.н. В.Н.Соколову, сотрудникам Алтайского государственного технического университета за помощь, деловые советы, консультации и дискуссии: Т.А.Горбуновой, С.Б.Пильбергу, Б.Ф.Азарову, С.Г.Камаеву, И.В.Носкову, Б.М.Черепанову, И.В.Карелиной.
