Прочие факторы, контролирующие свойства глинистых грунтов

Несколько лет назад автор настоящей книги описал некоторые особенности состава глин, придающие глинистым грунтам специфические свойства. Указывалось, что вследствие этого трудно предсказать на основании лабораторных испытаний поведение грунтов под нагрузкой в естественных условиях и во времени. Кроме того, отмечалось, что несомненно существуют некоторые грунты, свойства которых лучше, чем это можно было бы предполагать из-за неблагоприятных особенностей состава, в результате того что другие факторы могут улучшать свойства этих грунтов. Возможно, что особенности состава грунтов, перечисленные ниже изменяются вследствие изменения условий окружающей среды, вызванных, например, изменением циркуляции грунтовых вод или строительными работами. Ниже описываются особенности состава грунтов, оказывающие влияние на их свойства.

1. Высокое содержание монтмориллонита. Ламб и Мартин отмечали, что почвы с высоким содержанием монтмориллонита труднопроницаемы, медленно сжимаются, обладают относительно большим вторичным сжатием под нагрузкой, большой отдачей после снятия нагрузки и потерей прочности во влажном состоянии. Кроме того, такие глинистые грунты имеют высокую емкость катионного обмена и свойства грунтов сильно меняются от состава присутствующих обменных катионов. Поэтому такие изменения среды, в которой находятся грунты, во время или после строительных работ, вызывающих реакцию катионного обмена, могут привести к существенным изменениям строительных свойств грунтов; эти свойства могут отличаться от свойств, выявленных при лабораторных испытаниях.

2. Высокое содержание галлуазита. Главнейшей особенностью галлуазитовых грунтов являются большие колебания свойств галлуазита при изменении степени гидратации. Так, глины, сложенные двух- или четырехводной формами галлуазита, почти непластичны, тогда как глины, сложенные галлуазитом, находящимся в промежуточной стадии гидратации, обладают хорошей пластичностью. Это означает, что испытуемая проба галлуазитовой глины может по своим пластическим свойствам резко отличаться от глины в естественных условиях, если произошло какое-либо изменение влажности глины. Ламб и Мартин отмечали, что галлуазит в грунтах может обусловить низкий объемный вес в уплотненном состоянии, высокое оптимальное содержание воды и большую чувствительность к замораживанию.

3. Высокая емкость катионного обмена. Большая емкость катионного обмена грунтов часто обусловлена присутствием монтмориллонита, влияние которого на свойства грунтов рассмотрено в пункте 1. Высокая емкость катионного обмена грунтов также может быть обусловлена наличием плохо окристаллизованных и очень тонкозернистых глинистых минералов и присутствием органического вещества. Такие грунты в общем, вероятно, характеризуются физико-механическими свойствами, аналогичными свойствам грунтов, богатых монтмориллонитом.

4. Присутствие натрия в качестве главнейшего обменного катиона. Натрий диспергирует частицы глинистых минералов и вследствие этого уменьшает проницаемость грунтов. У разбухающих минералов натрий способствует их максимальному вспучиванию. Влияние натрия на пластичность и уплотнение грунтов сильно колеблется в зависимости от природы глинистого минерала. В некоторых случаях вследствие тенденции иона натрия понижать степень ориентировки молекул адсорбированной воды этот катион может оказать благоприятное воздействие: он может, например, уменьшить количество воды, требуемой для развития максимального объемного веса в уплотненном состоянии. Второй положительный момент заключается в том, что натрий относительно легко подвергается замещению другими катионами. Гораздо легче заместить натрий кальцием, чем кальций натрием. В практике строительства в глинистых грунтах, содержащих в естественном состоянии натрий, часто удается, хотя бы частично, заместить его кальцием, например при закладке в грунт бетона. Это замещение натрия кальцием обычно приводит к резким изменениям свойств грунта. Лабораторные испытания природных натриевых глинистых грунтов не могут осветить все стороны поведения грунтов, которые имеют место в строительной практике.

5. Высокое содержание растворимых солей. Существенное влияние на физико-механические свойства глинистых грунтов оказывает наличие в них больших количеств растворимых солей. Изменение условий среды залегания грунта во время и после строительных работ может привести к существенному изменению состава растворимых солей, что обусловит резкое изменение физико-механических свойств этого грунта.

6. Наличие аллофанов и плохо окристаллизованных глинистых минералов. Присутствие почти аморфных (аллофановых) и плохо окристаллизованных глинистых минералов вполне может обусловить высокую емкость катионного обмена грунта. Как показали Грэдуэлл и Беррелл, свойства таких грунтов в естественном состоянии могут резко отличаться от свойства тех же грунтов с нарушенной текстурой. В природных грунтах отдельные частицы, очевидно, образуют сростки, которые необратимо разрушаются при нарушении текстуры грунта. Кроме того, такие грунты могут быть химически очень неустойчивыми, и при непродолжительном выветривании их состав и свойства могут сильно изменяться. Например, скопления вулканического пепла, сложенные плохо окристаллизованным материалом, во влажных тропиках могут измениться при выветривании всего за несколько лет.

7. Высокое содержание органического вещества. Влияние органических веществ на свойства глинистых грунтов зависит, очевидно, от природы этих веществ. Коллоидные органические вещества, вероятно, иначе влияют на свойства грунтов, чем обломочный растительный материал. Мартин и Ламб отмечали, что коллоидные органические вещества, вероятно, обусловливают низкую проницаемость грунтов, медленную сжимаемость под нагрузкой, довольно интенсивное вторичное уплотнение, высокую отдачу после снятия нагрузки и потерю прочности грунтов в увлажненном состоянии.

8. Высокое содержание мелкоалевритовой фракции. Грунты с большим содержанием этой фракции обычно обладают низкой коллоидной активностью. Однако указывалось, что такие глины могут быть очень чувствительными и поэтому они могут вызвать серьезные затруднения при строительных работах.

Необходимо еще раз упомянуть о том, что главное значение исследований природы глинистых минералов для механики грунтов заключается в лучшем понимании основных причин, обусловливающих инженерно-геологические свойства естественных связных глинистых грунтов. Однако нельзя считать, что изучение глинистых минералов может заменить собой технологические испытания, но знание минералогии глин поможет лучше понять значение и важность результатов этих испытаний.