Какой грунт обладает тиксотропными свойствами

Тиксотропные превращения относятся к физико-химическим явлениям, связанным с механическими воздействиями на грунты. В результате таких воздействий — встряхивания, перемятая, вибрации и т. п. — возникают два следующих друг за другом процесса — разупрочнение и упрочнение. Процессы разупрочнения являются следствием механических воздействий, протекают весьма быстро. По прекращении внешнего воздействия немедленно начинается обратный процесс — упрочнение грунта. Упрочнение — процесс более медленный и протекает с неодинаковой скоростью. В первое время это восстановление идет сравнительно быстро, а затем замедляется. Для учета явлений тиксотропии при проектировании земляного полотна необходимо знать, при каких грунтах, их состояниях и характерах механических воздействий тиксотропное разупрочнение становится особенно опасным, а также является ли процесс упрочнения полностью обратимым, т. е. идет ли он до конца, а если и идет, то через какое время можно рассчитывать на полное восстановление первоначальных свойств грунтов. К сожалению на современной стадии исследований еще нельзя исчерпывающе ответить на поставленные вопросы, тем не менее имеющийся материал позволяет дать некоторые рекомендации.
Г. Фрейндлихом было установлено, что тиксотропия проявляется в грунтах, у которых содержание глинистых частиц превышает 2%. Высказывается мнение, что потенциально тиксотропными являются все глинистые грунты, но для конкретного проявления тиксотропии необходимы определенные условия и, в первую очередь, достаточно интенсивные внешние воздействия. Очевидно, что в расчет должна приниматься не только склонность грунтов к тиксотропным превращениям, но и размер этих превращений. При этом не должны допускаться такие превращения, при которых снижение прочности и сопротивляемости деформированию становится уже опасным.
Исследования позволяют полагать, что склонность грунтов к тиксотропии определяется его природой, состоянием, а также интенсивностью и характером внешних воздействий. Под природой грунтов, в первую очередь, понимается их гранулометрический состав и минералогический состав глинистой фракции.
Большинство исследователей полагает, что склонность грунтов к тиксотропии зависит от содержания в них глинистых частиц. При этом чем большее количество этих частиц грунт содержит, тем меньше его склонность к тиксотропному понижению прочности. А. И. Лагойский это объясняет тем, что при малом содержании глинистых частиц имеется относительно небольшое число связей между грунтовыми частицами и агрегатами. При большом же количестве глинистых частиц образуется жесткий каркас, который уже труднее поддается разрушению, хотя потенциальные возможности для этого и возрастают.

Для определения не только качественной, но и количественной стороны влияния содержания в грунтах глинистых частиц на тиксотропные превращения были поставлены опыты. Исследовалось тиксотропное разупрочнение при одиночном ударном сотрясении грунта и при вибрационных нагрузках (рис. 17). Тиксотропное разупрочнение при одиночном ударе оценивалось по изменению скорости прохождения ультразвуковой волны. При этом был принят следующий показатель:

где v1 и v2 — скорости прохождения ультразвуковой волны, измеренные соответственно до и после удара.
При вибрационном воздействии для этой цели был принят показатель

где Е01 и E02 — модули деформации грунта, измеренные до вибрации и во время вибрационного воздействия.
Из рис. 17 можно заключить, что наибольшим тиксотропным превращениям подвержены супесчаные грунты с содержанием глинистых частиц 3—7%, а также пылеватые грунты. При вибрационных воздействиях сопротивляемость грунта внешним нагрузкам может быть утрачена на 60 и даже 90%. Таким образом, при неблагоприятных условиях может произойти практически полная потеря сопротивляемости этих грунтов внешним нагрузкам. Приведенные данные относятся к грунтам, влажности которых превосходят оптимальные значения (W=1,2/1,3W0).
С повышением содержания в грунтах глинистых частиц их склонность к тиксотропным превращениям, в общем, уменьшается. Однако при некотором количестве глинистых частиц интенсивность тиксотропных превращений снова возрастает. В данном случае это относится к глинистому грунту, содержащему 26% глинистых частиц; подобное явление наблюдалось в опытах, проведенных Г. И. Жинкиным и Л. П. Зарубиной, где таким грунтом оказался тяжелый суглинок с содержанием глинистых частиц 20%.
Из рис. 17 видно, что вибрационные воздействия более опасны, чем одиночные удары. При ударах с увеличением содержания в грунтах глинистых частиц тиксотропное разупрочнение монотонно убывает и потому для суглинков и особенно тяжелых оно практически уже не является опасным. Вибрационные воздействия могут быть опасными и для тяжелых грунтов.
По-видимому, минералогический состав глинистой фракции грунтов не оказывает решающего влияния на степень тиксотропного разупрочнения грунтов. Некоторые исследователи считают, что у монтмориллонита способность к тиксотропным превращениям выражена сильнее, чем у каолинита и гидрослюд. Имеется также мнение, согласно которому наибольшие тиксотропные превращения соответствуют каолинитовым грунтам, а наименьшие — монтмориллонитовым. Гидрослюда занимает промежуточное положение.
На тиксотропные превращения оказывают влияние плотность грунтов. Опыты позволили заключить, что наибольшим тиксотропным превращениям подвержены грунты, плотность которых находится в диапазоне (0,85—0,93)δmax. У более рыхлых и более плотных грунтов склонность к тиксотропным превращениям заметно уменьшается. Большое влияние на тиксотропные превращения оказывает влажность грунта (рис. 18). При влажности менее оптимальной и равной ей тиксотропные превращения наблюдаются только у супесей. С повышением влажности сверх ее оптимального значения интенсивность тиксотропных превращений заметно и непрерывно возрастает.

При вибрационных нагрузках большое значение имеет частота колебаний. Изменяя постепенно частоту колебаний от нуля до нескольких сот герц и сохраняя неизменной интенсивность встряхивания грунта, которая в общем характеризуется амплитудными значениями ускорений его частиц, можно выделить два значения частот колебаний, при которых наблюдаются аномальные явления.
При размещении возбудителя колебаний с массой 2 т на насыпи при какой-то определенной для данных условий частоте колебаний, которая обычно находится в пределах 12—28 Гц, амплитуда колебаний возбудителя увеличивается и, кроме того, наблюдаются заметные сотрясения всего грунта с передачей этих сотрясений на значительные расстояния. Таким образом, при этих частотах наблюдается явление, сходное с тем, которое возникает при резонансных колебаниях упругих систем. Ввиду того, что грунт представляет собой систему с большим сопротивлением, где колебания затухают весьма быстро, то это явление, в отличие от резонансных упругих систем, можно назвать квазирезонансным. Интересно отметить, что при квазирезонансных частотах больших изменений в состоянии и свойствах грунта не происходит. Практически не происходят также и тиксотропные изменения грунтов. При таких колебаниях грунт представляет собой систему с относительно небольшим затуханием колебаний, вследствие чего они передаются на дальние расстояния.
Вторая характерная для данного вида и состояния грунта частота обусловливает локализацию колебательных движений в сравнительно небольшой зоне, но зато объем грунта, расположенный в этой зоне, претерпевает интенсивные тиксотропные превращения, которые сопровождаются обильным влаговыделением и, по существу, спонтанным уплотнением грунта, происходящим при весьма небольшой нагрузке, измеряемой в десятых, а иногда и в. сотых долях кгс/см2. Это явление, так же как и предыдущее, наблюдается лишь при грунтах, плотность которых находится в диапазоне (0,85—0,93) δmax.
Интенсивные тиксотропные превращения наблюдаются не при какой-то определенной частоте колебаний, а в широком интервале частот. Этот интервал оказался равным 175—300 Гц. Он относится к влажности грунта (1,0—1,3)W0. He было обнаружено-также явной зависимости этого интервала от гранулометрического состава грунтов. Возможно, что он находится в зависимости от нагрузки.
Наиболее опасны для устойчивости земляного полотна частоты, при которых происходят интенсивные тиксотропные превращения грунтов. Однако эти частоты велики и возникают весьма редко. Очевидно, их целесообразно создавать при уплотнении грунтов, что приведет к получению требуемой плотности при наименьших затратах механической работы.
В период эксплуатации дорог частота приложения внешней нагрузки, близкой к квазирезонансной, может возникнуть лишь только случайно, поэтому в большинстве случаев приходится иметь дело с нагрузками, при которых возникают частоты колебаний, по своей численной величине меньше квазирезонансных, либо несколько превышающие их.
Воздействие на грунты земляного полотна динамических нагрузок, вызывающих колебательные движения грунта, не исследовалось. По этому вопросу имеются некоторые данные, относящиеся к железным дорогам. Если земляное полотно возведено из увлажненных глинистых грунтов, при проходе груженого поезда с общей массой 4500—4800 т возникающие вибрации могут снизить модули сдвига грунтов на 45—48%. При проходе с той же скоростью (70 км/ч) порожнего поезда модуль уменьшается уже на 15—20%, а при пассажирском, т. е. более легком составе — на 8—16%. Таким образом, имеется зависимость тиксотропных превращений грунтов от интенсивности воздействия, которая в данном случае определяется массой движущегося поезда. По-видимому, такое же явление происходит и на автомобильных дорогах при движении автомобилей. Очевидно, что возникновению вибраций в грунтах способствуют колебательные движения подрессоренных масс и общей массы автомобиля в результате упругости рессор и шин. Возникновению таких колебаний способствуют неровности дорожного покрытия.
Большой практический интерес представляет восстановление первоначального состояния грунта, т. е. процесс тиксотропного упрочнения. Оказалось, что после прохода поезда этот процесс идет до конца, т. е. начальные свойства грунта полностью восстанавливаются. Восстановление происходит вначале быстро, а затем замедленно. Первоначальное значение модуля сдвига восстанавливается за 60—70 мин. Если периодичность движения поездов будет меньше этого времени, то возможно появление остаточных деформаций.
На магистральных автомобильных дорогах происходит интенсивное движение автомобилей, поэтому тиксотропные изменения грунтов приводят к остаточным деформациям грунта, а следовательно, и к деформациям дорожных покрытий. При движении автомобилей тиксотропные превращения грунтов наблюдаются всегда. Однако важно, чтобы они не вышли за допустимые пределы. Практически они уже не оказывают влияния на устойчивость грунтов в случаях, когда грунты уплотнены до плотности, превышающей 0,93δmах, и когда влажность их не выше оптимального значения. Следовательно, тщательное уплотнение грунтов и недопущение в них влаги является весьма эффективным средством снижения тиксотропных разупрочнений. Когда хотя бы одно из этих условий не соблюдается, во избежание разрушений дорожных покрытий, связанных с интенсивным увлажнением грунтов, приходится ограничивать или же полностью закрывать движение автомобилей.

При оценке возможности разжижения необходимо учитывать, что слои, находящиеся под давлением от веса вышележащих грунтов или обжатые давлением сооружения, имеют лучшие условия, так как разжижение возможно только в том случае, когда взвешивающий грунтовые частицы напор воды преодолеет силы трения между частицами. Поэтому возможность разжижения зависит от интенсивности сдвигающего воздействия и величины обжимающего грунт давления.

Тиксотропией в коллоидной химии называется способность некоторых коллоидных систем разжижаться под влиянием механического воздействия (встряхивание, перемешивание и т. п.) и переходить из гелеобразного состояния в золи или суспензии.

После прекращения механического воздействия происходит восстановление прежнего состояния, и система постепенно застывает, переходя обратно в гель. Тиксотропные явления могут быть также вызваны постоянным электрическим током, ультразвуковыми волнами и т. п.

Грунты, которые обладают тиксотропией, характеризуются следующим:

1) преобладанием частиц размером не более 0,01 мм;

2) наличием хотя бы весьма небольшого количества частиц размером менее 0,001 мм;

3) преобладанием частиц пластинчатой или чешуйчатой формы;

4) способностью резко увеличивать свой объем при увлажнении (набухать).

При этом характерно, что прибавление небольшого процента тиксотропного грунта к не тиксотропному сообщает последнему тиксотропные свойства. Например, чистый кварцевый песок не обладает тиксотропными свойствами, а такой же песок с примесью 2% глинистых частиц показал наличие этих свойств.

Тиксотропия играет значительную роль в строительном деле. Например, при забивке свай в тиксотропный грунт происходит разжижение грунта вокруг сваи, и процесс забивки совершается настолько легко, что возникает сомнение в способности сваи нести соответствующую нагрузку.

Дело было в Норвегии. Как-то по железнодорожному полотну шел тяжелый грузовой поезд. Машинист увидел впереди корову, переходящую полотно и резко затормозил. Препятствие на пути исчезло. Состав стал набирать скорость. Едва он прошел какое-то расстояние, как полотно, шпалы, рельсы и столбы за ним стали быстро перемещаться вниз по склону.  Расположенное в 12 м ниже железнодорожного полотна шоссе с ехавшими по нему автомобилями заколебалось и также поплыло вниз. Еще ниже высились мощные старые клены и березы. Они закачались и, как бы кланяясь друг другу, поплыли в том же направлении. Одна из автомашин соскользнула с насыпи автодороги и стала проваливаться в землю. Сидящие в ней люди только-только успели выскочить, как она провалилась в грунт почти по крышу.

Все эти необычные происшествия продолжались не больше минуты. За это время железная дорога была передвинута на место шоссе, которое заняло участок кленовой и березовой аллеи. В свою очередь, старые деревья оказались на месте фруктового сада, расположенного еще ниже по склону. Очевидец так описывает это событие: «Моя сестра увидела движущиеся деревья и не поверила своим глазам. Она позвала меня, и теперь уже я увидел, как два ряда огромных кленов и берез быстро движутся в мой сад вместе с участком мощеной дороги…»

Владельцы автомашины вынуждены были нанять землекопов, которые, с трудом «вгрызаясь» в довольно плотный глинистый грунт, ценой больших усилий извлекли автомобиль. Всех поразило, как в столь плотную землю могла с такой легкостью провалиться машина.

Эти загадочные явления имеют простую разгадку. Дело в том, что участок, на котором произошли эти удивительные события, сложен так называемыми голубыми глинами, имеющими морское происхождение. Их особенностью является способность при ударах и вибрациях неожиданно разжижаться. Сотрясения, вызванные прохождением по железнодорожному пути состава, а затем резким торможением локомотива, оказались достаточными для того, чтобы произошли описанные события.

Для прокладки канала в Голодной степи были применены взрывчатые вещества (ВВ). В водонасыщенных лёссовых грунтах пробурили скважины и заложили в них патроны с ВВ. Когда произошел взрыв и ветер отнес в сторону пыль и дым, перед удивленным взором взрывников возникла странная картина. Канала на месте взрыва не было. Вместо него лежала полоса жидкого вязкого грунта.

Эти две истории имеют одну общую основу. Специалисты обнаружили, что многие глинистые и лёссовые грунты, имеющие достаточно высокую влажность, способны (как и коллоидные растворы) при сотрясении мгновенно разжижаться, а затем опять возвращаться в первоначальное пластичное состояние. Это явление нам известно из коллоидной химии под названием «тиксотропия». Мы уже встречались с ним, когда рассматривали причины разжижения песков.

Коллоидные вещества  находятся  обычно в состоянии геля (от лат. gelo — застываю), тогда они имеют студнеобразный вид и обладают некоторыми свойствами твердых тел. Возможно и другое состояние — золя (от нем. Sol — раствор), когда коллоидное вещество находится в жидком состоянии.

Теперь, наверное, легко понять, что глинистые влажные породы (также проявляющие свойства коллоидных веществ) обычно имеют гелеобразное состояние, но при встряхивании могут неожиданно переходить в золь. В основе этого превращения на первом этапе лежит разрушение коагуляционной структуры, при котором исчезают, связи между частицами. Затем на втором этапе возникает обратное явление восстановления начальной коллоидной структуры и возврата к первоначальному состоянию геля. Особенность этого процесса заключается в неполном вторичном восстановлении в грунтах начальной прочности. Только в тех случаях, когда связи имеют исключительно коагуляционный характер (при котором все частицы окружены водными пленками), прочность грунта, существовавшая до тиксотропных превращений, может полностью восстанавливаться.

Время, при котором происходит  обратный переход   из   золя   в гель, для разных грунтов колеблется от нескольких секунд до 10 сут. Как же определить, способен ли грунт к тиксотропии? Ведь это очень важно для строителей.

Для этого лаборатории имеют специальный прибор — зыбкомер. Помещенный на нем образец подвергается в течение 20 с вибрации с частотой 4000 колебаний в минуту. О степени тиксотропности грунта судят по величине растекания оцениваемого грунта путем измерения увеличения радиуса основания образца после этого испытания. Опыты, проведенные учеными, позволили установить, что тиксотропия возникает только в тех грунтах, в которых имеется достаточное количество глинистых частиц. Особенно характерно это явление для грунтов, содержащих монтмориллонит (минерал с подвижной кристаллической решеткой).

Тиксотропия возникает только при определенных значениях влажности. Чем выше последняя, тем интенсивнее проявляется тиксотропия. Однако этот процесс может иногда возникать даже в сравнительно маловлажных грунтах. Необходимо только, чтобы при динамических воздействиях в них появилась свободная вода.

Теперь становится ясно, что причина вышеописанных явлений в Норвегии и Голодной степи заключается в тиксотропных изменениях, возникающих в насыщенных водой глинах при ударах и взрывах. Сейчас широко используются свайные фундаменты для возведения зданий на водонасыщенных глинистых грунтах. Эти фундаменты представляют собой плиты или бетонные блоки, которые опираются на многочисленные сваи, забитые в грунтовые массивы на глубину от 3 до 15 м и более. Для погружения свай применяются специальные установки — вибраторы. Они закрепляются на верхнем конце сваи и вызывают ее вибрацию и последующее погружение.

В ходе погружения может возникать тиксотропное понижение прочности водонасыщенных глинистых грунтов. В этом случае свая особенно легко погружается в грунт с минимальной затратой энергии. Затем свае дают «отдохнуть», при этом прочность грунта восстанавливается. Погруженные этим способом сваи обладают после «отдыха» (в течение недели или больше) хорошей несущей способностью (т.е. выдерживают значительные нагрузки). Так тиксотропия помогает строителям.

Возникает вопрос: «Можно ли бороться с тиксотропными явлениями?»

Конечно, можно. Разработано много методов для предупреждения тиксотропного разрушения грунтов. Прежде всего их можно обезводить. Это достигается отводом в сторону от массивов поверхностных вод. Ведется борьба и с подземными водами. Для этого устраиваются дренажи, используется так называемый электроосмос. Он применяется в тех случаях, когда глинистые грунты не хотят отдавать воду. Тогда кроме труб для сбора воды в грунты погружаются электроды. Создается электрическое поле, которое гонит воду даже из тончайших пор глины в трубчатые водосборы.

Другой путь борьбы с тиксотропией — превращение водонасыщенных глинистых грунтов в прочные образования. Это достигается электрообработкой глин длительным воздействием электрического тока. Метод заключается в том, что в глинистый массив погружаются электроды и через них длительное время пропускается постоянный электрический ток. В результате у анода (положительного электрода) образуется осушенная и упрочненная зона. Здесь при электролизе накапливается материал, слагающий анод (он обычно делается из железа). Порода в результате электрообработки увеличивает свою прочность, а ее способность к тиксотропии исчезает. В некоторых случаях применяется метод электролитической обработки грунта. Он отличается от предыдущего тем, что действие электрического тока усиливается введением в грунты через анод растворов поваренной соли, хлористого кальция и др.