Чувствительность глинистых пород

Чувствительность (sensitivity), согласно Терцаги, определяется как отношение прочности образца породы с ненарушенной структурой к прочности пасты этой же породы при равной влажности. В табл. 5-7 дана классификация глинистых пород по их чувствительности, а на фиг. 5-13 приведены кривые изменения сопротивления сдвигу под давлением чувствительной глины.

Глины, которые за время их существования подверглись очень сильному переуплотнению, нечувствительные. Глины и глинистые грунты с высокими показателями чувствительности обладают весьма незначительной прочностью или совсем теряют ее после разрушения естественной структуры. Известны первоначально весьма прочные породы, которые после небольшого нарушения текстуры становятся текучими. Чувствительные глины обычно характеризуются высокой влажностью, и их показатели консистенции часто больше 1. Резкое изменение влажности может вызвать значительное повышение чувствительности глин, что иногда приводит к катастрофическим последствиям.

Некоторые глины с умеренной или высокой чувствительностью после перемешивания повышают свою прочность, если они некоторое время находятся в покое и при этом не происходит потери воды.

Такие глины называются тиксотропными, а их чувствительность следует объяснять на основании явления тиксотропии. Степень упрочнения замешанных грунтов варьирует в зависимости от влажности и колеблется от одного образца к другому. Скемптон и Норти показали (фиг. 5-14), что наиболее сильно упрочняются пасты монтмориллонитовых глин, в меньшей степени — пасты иллитовых глин, а в пастах каолинитовых глин практически никакого упрочнения не происходит. Можно сказать, что глинистые породы, сложенные преимущественно монтмориллонитом и обладающие поэтому высокой коллоидальной активностью, очень тиксотропны, а их показатель чувствительности меняется от средних значений до высоких. По-видимому, тиксотропное упрочнение будет наибольшим для этих глин в тех случаях, когда их влажность примерно равна верхнему пределу пластичности. По мере снижения влажности ниже верхнего предела пластичности степень тиксотропного упрочнения понижается. He совсем ясно, как изменяется степень тиксотропного упрочнения по мере увеличения содержания воды выше верхнего предела пластичности, однако она, вероятно, зависит от состава обменных катионов монтмориллонита. Если в качестве обменного катиона присутствует натрий, то при влажности больше верхнего предела пластичности степень тиксотропного упрочнения, вероятно, больше, чем в случае других обменных катионов. Босуэлл определил содержание воды в различных глинах, требующееся для развития тиксотропного упрочнения.

Существуют глинистые грунты с очень высокой чувствительностью, которые обычно относятся к группе «квикклеев» (quick-clays). В них практически не происходит упрочнения при стоянии после перемешивания, а следовательно, они не обладают тиксотропным упрочнением. Эти глины характеризуются сложным составом глинистых минералов, различным для разных образцов; по-видимому, здесь нет связи между составом глин и их чувствительностью. Как полагают Скемптон и Норти, исключительно высокая чувствительность таких глин не зависит от их гранулярного состава; кроме того, эти глины имеют низкую коллоидальную активность, хотя иногда для них характерно высокое содержание частиц мелкоалевритовой фракции. Показатели консистенции очень чувствительных глин всегда значительно больше 1.

Грэдуэлл и Беррелл описали аллофановые грунты с показателем чувствительности 7. Можно полагать, что аллофановые грунты обычно имеют очень высокую чувствительность, так как по своим текстурным и структурным особенностям природные образцы резко отличаются от перемешанных пород, а вследствие этого они будут различаться и по прочности. Галлуазитовые грунты могут быть очень чувствительными, потому что образцы с нарушенной структурой ведут себя совершенно по-разному в зависимости от влажности, чем образцы с ненарушенной структурой. Обработка таких грунтов может привести к изменению степени их гидратации и вследствие этого к изменению их физико-механических свойств. Кроме того, первоначальную степень гидратации уже нельзя восстановить, если уже произошла дегидратация галлуазита.



Как и следовало ожидать, тиксотропное упрочнение наиболее резко проявляется в глинах с высокой коллоидальной активностью, т. е. в глинах, содержащих в качестве главного компонента монтмориллонит. Эта особенность монтмориллонита обусловлена очень малыми размерами частиц и его высокой емкостью адсорбции, способствующей образованию слоя ориентированных молекул воды на поверхностях этих частиц. Кроме того, натрий как обменный катион, видимо, больше других катионов способствует тиксотропному упрочнению, особенно при высокой влажности, поскольку ион натрия ведет к образованию мощных слоев ориентированных молекул воды на монтмориллонитовых частицах. При меньших содержаниях воды интенсивность тиксотропного упрочнения, вероятно, почти не зависит от характера обменного катиона. Согласно этому, адсорбированный катион воздействует главным образом на развитие слоя ориентированных молекул воды и только косвенно, при помощи водной связи, на силы сцепления между частицами.

Ламб предпринял попытку объяснить тиксотропное упрочнение глинистых грунтов после перемешивания на основании воздействия сил сцепления между частицами, не учитывая роли адсорбированной воды. Как полагает автор настоящей книги, именно характер адсорбированной воды — главный фактор в этом явлении. В природных глинах с высоким показателем консистенции частицы связываются между собой, по-видимому, слоями ориентированных молекул воды. При перемешивании глин ориентировка молекул воды нарушается и сцепление между частицами также нарушается или, по крайней мере, ослабляется. Можно сказать, что при перемешивании между частицами появляется жидкая вода и поэтому прочность глины понижается. Если перемешанный образец находится некоторое время в покое, то в нем вновь достраиваются ориентированные молекулы воды, вследствие чего образец упрочняется. Возрождение слоев ориентированных молекул воды — это своего рода кристаллизация, и, таким образом, для рекристаллизации воды, а следовательно, и для упрочнения глины обычно требуется некоторый период времени. При низких содержаниях воды в качестве связующего агента участвует небольшое количество воды, поэтому в таких случаях рекристаллизуется, вероятно, только очень немного воды и тиксотропного упрочнения почти не будет. Изменение степени тиксотропного упрочнения в зависимости от времени и содержания влаги очень легко объяснить на основании изложенной выше концепции, которая главную роль приписывает фазовому состоянию адсорбированной воды.

Как уже отмечалось, очень чувствительные породы с низкой коллоидальной активностью могут состоять из любых глинистых минералов. Такие очень чувствительные глины, по-видимому, обладают большой рыхлостью, что позволяет сконцентрироваться на контакте частиц большему количеству поровой воды, обладающей сравнительно слабой связностью. Если эта водная связь нарушается, то может высвободиться такое количество жидкой воды, которого будет достаточно, чтобы вся порода начала течь. В некоторых случаях внешнее давление передается на рыхлый скелет из твердых частиц породы с ненарушенной структурой. Если этот скелет разрушается, то давление передается уже на мягкий межзерновой материал, имеющий низкую прочность или вообще не обладающий ею, и в результате этого породы, имевшие первоначально довольно высокую прочность, полностью ее теряют. В некоторых породах связь между частицами осуществляется, вероятно, через слой ориентированных молекул воды, которая при нарушении первоначальной текстуры породы частично переходит в жидкое состояние. Полагают, что такие чувствительные глины, вероятно, отложились в результате коагуляции, что привело к образованию очень рыхлого осадка; кроме того, эти глины почти не претерпели диагенетических изменений, которые привели бы к увеличению сил сцепления между частицами. Таким образом, чувствительные глины почти не претерпели уплотнения. Эти выводы относятся главным образом к глинам с высокими содержаниями глинистых минералов.

Розенквист описал так называемые «квик-клеи» — интересные глины из Норвегии, которые приобрели высокую чувствительность в результате выщелачивания натрия без изменения влажности. Как объясняют Скемптон и Норти, вода в этих глинах перед выщелачиванием натрия находилась в виде пленок ориентированных молекул именно в результате воздействия иона натрия. Выщелачивание натрия привело к нарушению равновесия связанной воды, в результате чего ориентировка большей части молекул воды была частично или полностью утеряна. Другими словами, удаление иона натрия вызвало превращение некоторой части адсорбированной воды в поровую, что привело к уменьшению верхнего предела пластичности пород, хотя влажность осталась прежней, а следовательно, к увеличению показателя консистенции. Произошло ослабление межчастичных водных связей. В результате при нарушении первоначальной структуры таких глин прочность теряется и становится возможным внезапное разрушение сил сцепления с резким падением прочности породы от значительной величины до нулевого значения. Бьеррум и Розенквист экспериментально путем выщелачивания получили глины с чувствительностью квикклеев. Данные этих исследователей подтверждают ведущую роль влияния адсорбированных катионов на связь между частицами, что осуществляется через слои ориентированных молекул воды. Следует отметить, что это имеет место только в некотором определенном диапазоне влажности. При низких содержаниях влаги, когда главную роль играют непосредственные контакты между частицами, влияние адсорбированных катионов не очень велико. Можно полагать, что воздействие водных пленок имеет относительно большое значение в диапазоне содержаний воды от верхнего предела пластичности до несколько больших величин.

Хотя Розенквист показал влияние выщелачивания катионов, следует подчеркнуть, что и обмен катионов может привести к подобному воздействию на свойства глин без их выноса. Так, например, если в глинах, описанных Розенквистом, имел бы место обмен иона натрия на ион кальция, что вполне возможно в результате закладки в грунт бетонных сооружений, сопровождающейся соответствующими подвижками грунтовых вод; вследствие этого может произойти изменение количества связанной воды, что приведет к изменению верхнего предела пластичности, показателя консистенции и чувствительности глин. Таким образом, поскольку характер воды в значительной степени обусловлен природой обменного катиона, любое изменение состава обменных катионов может привести к изменению чувствительности глин.

На чувствительность глин может оказать большое влияние и такой фактор, как время; с течением времени в глинах при некоторой данной влажности развиваются равновесные условия, которые могут обеспечить их значительное упрочнение. Очевидно, вода равномерно распределяется по всей массе глины по мере ее упрочнения. Незначительное уменьшение влажности может вызвать резкое понижение прочности. Равномерное распределение воды способствует образованию пленок ориентированных молекул. Поэтому небольшое уменьшение содержания воды приводит к разрушению некоторой части слоев ориентированных молекул и вследствие этого к резкому понижению прочности. Строители отдают себе полный отчет в необходимости учитывать это явление, о чем говорит особая тщательность, соблюдаемая при отборе образцов керна с сохранением естественной влажности, однако масштабы и интенсивность изменения прочности грунтов не всегда принимаются во внимание. Здесь можно указать на поведение некоторых бентонитов. Образцы евлажностью более 40%, тщательно отобранные с сохранением их естественной влажности, могут быть погружены в воду, и при этом не произойдет никакого изменения в размерах или характере поверхности образца керна. Однако если содержание воды в образце чуть-чуть уменьшается при его высушивании, то образец, погруженный в воду, начнет быстро поглощать ее и вспучиваться.