4.2. Консистенция грунта и ее характеристики

Консистенцией грунта называется его состояние, характеризующее способность сохранять свою форму без внешнего механического воздействия (или при его наличии). Различают ряд консистенций при переходе от жидких к твердым телам: текучую, текучепластичную, мягкопластичную, тугопластичную, пластичную, твердую и сыпучую (для песчаных грунтов) консистенции грунтов.

Показатели консистенции определяются для глинистых грунтов и илов. Для торфов эти характеристики получать нецелесообразно, так как пластичность их имеет совершенно другую природу и обусловлена наличием битумов и восков. Наличие в грунтах воды различных категорий приводит к изменению их состояния. Влияние связанной воды на консистенцию наиболее сильно проявляется у дисперсных грунтов, таких как глинистые, и особенно, лёссовые, так как они обладают большой удельной поверхностью и, соответственно, большим количеством связанной воды. При наличии в глинах свободной воды они приобретают свойство текучести и ведут себя как жидкообразные тела. Если в них присутствует только адсорбционная вода, то они представля­ют собой довольно прочные грунты твердой консистенции. При наличии в них осмотической и капиллярной воды они легко деформируют­ся и резко теряют свою прочность за счет увлажнения и приобретают свойство пластичности.

Под пластичностью грунта понимается его способность деформироваться без разрыва сплошности под воздействием внешних механических усилий и сохранять полученную форму после их снятия. В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих природу пластичности грунтов. Наиболее широко распространены коллоидная, пред­ложенная П.А. Земятченским, и гидратная гипотеза П.А. Рединбера. Коллоидная основана на том, что коллоиды, присутствующие в глинах, являются «смазкой» между частицами при их относительном перемещении. Гидратная гипотеза предполагает наличие тонкой прослойки жидкой дисперси­онной среды, толщина кото­рой соответствует минимуму свободной энергии системы. Наличие этой прослойки жид­кости в участках коагуляционного сцепления препятствует дальнейшему сближению ча­стиц, поэтому коагуляционные системы пластичны.

В 1911 году шведский специалист по механике грунтов Аттерберг разработал основные положения оценки пластичности грунтов, введя понятия пределов для их различных состояний. Пределы Аттерберга представляют собой установленные опытным путем значения влажности, при которых происходят изменения поведения грунта. К пределам Аттерберга, кроме предела текучести w_L (LL – Liquid Limit) и предела пластичности w_р (PL – Plastic Limit), относится также предел усадки w_sh (SL – Shrinkage Limit).

Параметрами пластичности грунтов, широко используемы­ми в инженерно-геологической практике, являются:

1) нижний (w_р) и верхний (w_L) пределы пластичности, представляющие собой косвенные показатели, определяющие весовую влажность грунта, при превышении ко­торой он переходит в первом случае из полутвердой консистенции в пластич­ную, а во втором – из пластичной в текучую;

2) число пластичности (I_p) – разность между верхним и нижним пределами пластичности: I_p= w_L – w_р.

Для количественной характеристики консистенции грунтов определяют показатель текучести (I_L) – отношение разницы влажности и влажности на пределе пластичности к показателю пластичности, рассчитываемый по формуле:

где w – естественная влажность грунта.

Показатель текучести I_L (индекс текучести) – мера консистенции грунта в нарушенном сложении при природной влажности. По числу пластичности I_p и показателю текучести I_L глинистые грунты подразделяют согласно рис. 4.2 и табл. 2.5 [34] и прогнозируют их механические свойства. Показатель I_L характеризует состояние глинистого грунта, линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). При изменении I_L в пределах от нуля до единицы грунты имеют пластичную консистенцию.

Показателем консистенции I_C (индексом консистенции) называется отношение разницы влажности на пределе текучести и влажности к числу пластичности. Показатель консистенции, как и показатель текучести, является мерой консистенции грунта в нарушенном сложении и определяется по формуле:

О

Рис. 4.3. Определение wр методом раскатывания и автоматическая установка для определения влажности Wille Geotechnik®

пределение влажности на границе раскатывания методом раскатывания в жгут [44]. Границу раскатывания (w_р) следует определять как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при которой паста, раскатываемая в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3–10 мм. Постепенное высыхание грунта происходит из-за попеременного раскатывания и смятия, шарика или жгута, на котором образуется сухая корочка. Грунту нужно дать время, чтобы он частично высох до состояния, когда можно из него слепить шарик. Грунтовый шарик нужно переминать в пальцах и катать между ладонями, пока от тепла рук он не высохнет до появления мелких трещинок на его поверхности. Потом его нужно разделить на две части, примерно по 10 г каждая, каждую часть нужно разделить на четыре равные части. Грунт нужно переминать между пальцами, чтобы уравнять распределение влаги, а потом из грунта большим и указательным пальцами руки скатать жгут диаметром примерно 6 мм., затем раскатывать его по доске (стеклянной или пластмассовой пластинке) следует, слегка нажимая на жгут, длина которого не должна превышать ширины ладони. Жгут нужно раскатывать пальцами одной руки от кончиков до второго сустава, прикладывая достаточное усилие, чтобы за 5–10 полных движений туда и обратно со скоростью примерно 1 движение в секунду уменьшить диаметр жгута от 6 до 3 мм. Если при этой толщине жгут сохраняет связность и пластичность, его собирают в комок и вновь раскатывают до образования жгута диаметром 3 мм. Некоторые высокопластичные глины требуют до 10–15 движений. Важно поддерживать постоянное усилие при раскатывании когда диаметр жгута приближается к 3 мм. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгут не на­чинает распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3–10 мм (рис. 4.3).

Кусочки распавшегося жгута, который оценивается как находящийся на пределе пластичности, нужно собрать в бюкс по 10–15 г, и сразу закрыть крышкой. Влажность грунта должна быть определена высушиванием.

Для определения влажности на границе раскатывания германской фирмой Wille Geotechnik® выпускается автоматическая установка (рис. 4.3), состоящая из трех сушильных трубок в которых жгутики грунта формируются автоматически с точным диаметром. Исследования показали, что данный метод очень продуктивен, благодаря высокой скорости скатывания жгутиков и их сушки воздухом.

Определение влажности на границе раскатывания методом прессования [44]. Границу раскатывания допускается определять также как влажность грунтовой пасты, устанавливающуюся после прессования ее в контакте с целлюлозой (фильтровальной бумагой) под давлением 2 МПа (20 кгс/см²) до завершения водоотдачи грунта. Шаблон толщиной 2 мм с отверстием 5 см укладывают на хлопчатобумажную ткань и заполняют грунтовой пастой. Избыток пасты срезают ножом вровень с поверхностью шаблона. Шаблон удаляют, а полученный образец покрывают сверху такой же тканью. Снизу и сверху подготовленного образца укладывают по 20 листов фильтровальной бумаги размером 9х9 см. Подготовленный образец помещают между деревянными или металлическими пластинками и создают с помощью пресса давление на образец 2 МПа (20 кгс/см²) в течение 10 мин. Затем проводят контроль завершения водоотдачи грунта: снимают давление пресса, вынимают образец и, удалив фильтровальную бумагу и ткань, сгибают образец пополам. Границу раскатывания считают достигнутой, если образец на сгибе дает трещину. При отсутствии трещины определение повторяют на новой порции пасты, увеличив длительность прессования на 10 мин по сравнению с длитель­ностью предыдущего испытания. По достижении границы раскатывания сразу определяют влажность образца.

Определение влажности на границе текучести методом пенетрации конуса [44]. Границу текучести (w_L) следует определять как влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты, при которой балансирный конус погружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм. Для определения границы текучести (w_L) используют монолиты или образцы грунта нарушенного сложения, для которых требуется сохранение природной влажности. Для грунтов, содержащих органические вещества, границу текучести определяют сразу после вскрытия образца. Для грунтов, не содержащих органических веществ, допуска­ется использование образцов грунтов в воздушно-сухом состоянии.

Образец грунта природной влажности разминают шпателем в фарфоровой чашке, или нарезают ножом в виде тонкой стружки (с добавкой дистиллированной воды, если требуется), удалив из него растительные остатки крупнее 1 мм, отбирают из размельченного грунта методом квартования пробу массой около 300 г и протирают сквозь сито с сеткой № 1. Пробу выдерживают в закрытом сосуде не менее 2 ч.

Образец грунта в воздушно-сухом состоянии растирают в фарфоровой ступке не допуская дробления частиц грунта и одновременно удаляя из него расти­тельные остатки крупнее 1 мм, затем просеивают сквозь сито с сеткой № 1, увлажняют дистиллированной водой до состояния густой пасты, перемешивая шпателем, и выдерживают в закрытом стеклянном сосуде не менее 2 ч. Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемеши­вают шпателем и небольшими порциями плотно укладывают в цилиндрическую чашку к балансирному конусу. Поверхность пасты заглаживают шпателем вровень с краями чашки. Балансирный конус, смазанный тонким слоем вазелина, подводят к поверхности грунтовой пасты так, чтобы его острие касалось пасты. Затем плавно отпускают конус, позволяя ему погружаться в пасту под действием собственного веса. Погружение конуса в пасту в течение 5 с на глубину 10 мм показывает, что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести.

Влажность пробы не должна поочередно то возрастать, то убывать, а либо только возрастать, либо только убывать постепенно. Обычно чаще практикуется проведение испытаний от более сухого состояния к более влажному при непрерывном увеличении влажности, хотя приемлемо также проводить испытания от более влажного состояния к более сухому. Если влажность пробы увеличивается, к ней нужно добавить дистиллированную воду, а потом тщательно перемешать шпателем. Если влажность пробы уменьшается, она полностью должна быть выложена на пластину или в испарительную плошку. Потом проба должна быть перенесена в чистую чашку для смешивания или на плоскую пластину и тщательно перемешена шпателем.

Определение влажности на границе текучести методом Казагранде. Величина LL (w_L) определяется также с помощью чашки Казагранде согласно нормативам BS (Великобритания) и АSTM (США). Процедура этих испытаний известна с 1932 г., она проста и достаточно эффективна. Устройство состоит из съемной латунной чашки (рис. 4.4), которая при помощи кулачкового привода сбрасывается на основание из твердой резины [136]. Грунт в чашке делится ножом на две части V–образным надрезом, после чего в нем остается бороздка шириной 1,25 см. Если при вращении ручки прибора (или вращений при помощи электропривода) приблизительно после 23–26 падений чашки с высоты 1 см бороздка затягивается, то считается, что влажность грунта достигла границы текучести. По результатам испытания строится график зависимости влажности от количества падений чашки, и по нему определяю предел текучести как влажность соотвествующую 25 падениям чашки.

О

Рис. 4.4. Определения границы текучести (w_L) грунта при помощи чашки Казагранде

пыт показал, что получаемые при этом испытании результаты субъективны и зависят от исполнителя. Более того, чашка Казагранде и сам метод определения подвергались значительным изменениям с тех пор, как его первоначально предложил Казагранде в 1932 году и эти изменения привели к различиям значений предела текучести. В Европе и Канаде, как альтернатива чашке Казагранде, также применяется прибор с падающим конусом с углом 60^о градусов и весом 60 грамм (рис. 4.5). Определение предела текучести проводится на образце природного грунта или на пробе грунта, у которого оставшиеся на сите с ячейкой размером 0,4 мм или ближайшем (размере) частицы были удалены. Определение проводится методом пенетрации конуса. Стандарт допускает использование как конуса 60 г/60°, так и конуса 80 г/30°, поскольку использование и того, и другого дает одни и те же значения предела текучести.

Испытание также основано на взаимосвязи между содержанием влаги и глубиной проникновения конуса в образец грунта. В состав аппарата входит литое алюминиевое основание, измерительное устройство с круговой шкалой диаметром 150 мм и ценой деления 0,1 мм, с автоматической установкой нуля и спусковой кнопкой, проникающий конус и две латунные чаши для образцов. Влажность грунта достигает границы текучести, если пенетрация конуса в грунт достигает 10 мм.

Если в какой-либо момент в ходе вышеописанной процедуры грунт нужно оставить на некоторое время, его следует накрыть испарительной плошкой или влажной тканью, чтобы предотвратить высыхание.

Связь влажности (%) и глубины пенетрации может быть представлена в виде графика с полулогарифмической шкалой, где на линейной оси абсцисс откладывается влажность, а на логарифмической оси ординат – глубина пенетрации конуса. Пределы пластичности пород определяют в такой последовательности: измеряют сопротивление вдавливанию конуса при влажности, близкой к границе раскатывания R_n–1 и границе текучести R_n–2; находят соответствующие влажности паст w₁ и w₂; вычисляют коэффициенты пенетрации N₁ = 132 R₁ и N₂ = 132 R₂; на оси lgN–w графика наносят точки w₁, lgN₁ и w₂, lgN₂, через эти точки проводят прямую; при значениях N=1 и N=25 соответственно находят значения w_L и w_p (рис. 4.6). По полученному графику нужно определить значение влажности, отвечающее глубине пенетрации в 10 мм для конуса 60 г/60° или в 20 мм для конуса 80 г/30°, если используется конус 80 г/30°, полулогарифмическая шкала может быть заменена линейной по обеим осям.

Рис. 4.6. Определение пределов пластичности грунтов пенетрацией конуса

Наиболее тесная корреляционная связь наблюдается между гранулометрическим составом и верхним пределом пластичности. Менее четко выражена, но все же существует связь между степенью дисперсности и нижним пределом пластичности. Исходя из этого, число пластичности может характеризовать с определенной достоверностью литологические разности глинистых грунтов [50]. Это положение легло в основу классификации глинистых грунтов по числу пластичности I_p и классификации по гранулометрическому составу и числу пластичности [34] (табл. 2.5). Следует отметить, что для некоторых глинистых грунтов классификации по зерновому составу и числу пластичности дают разные наименования разновидности грунта.

Характеристики пластичности являются главными классификационными показателями связных грунтов в российских и зарубежных стандартах и по смыслу идентичны. По ГОСТ 5180 определяется граница текучести (w_L) и граница раскатывания (w_p), по ASTM (CША) – пределы Аттерберга: Liquid limit (LL) и Plastic limit (PL). Разность между этими показателями носит в русском языке название числа пластичности (I_р), в английском – Plasticity Index (PI). Эквивалентом показателя текучести (I_L) служит Liquidity Index (LI).

В зависимости от consistency index (I_с) грунты делятся на 4 группы:

IC ≥1,0	– очень твердые,
1,0 >IC > 0,5	– твердые,
0,5> IC > 0,05	– мягкие,
IC ≤0,05	– жидкие.

При обработке результатов лабораторных определений показателей следует учитывать различия, существующие между границами текучести w_L и LL, которые связаны с гранулометрическим составом используемого для анализа материала и приборами, используемыми для определения параметра. Согласно ГОСТ используется материал, просеянный через сито 1,00 мм, согласно ASTM и BS используется материал мельче 0,425 мм. Кроме того, для определения w_L по ГОСТ применяется вдавливание конуса Васильева, для определения LL согласно ASTM – использование чашки Казагранде. Физическая природа явлений, происходящих в грунтах при этих операциях, близка, но не идентична, поэтому получаемые результаты отличаются друг от друга.

Многочисленными исследованиями установлены зависимости между этими показателями, которые характеризуются высокими значениями коэффициента корреляции (0,9 и более). С допустимой для практических целей точностью при определении классификационного показателя рекомендуется (при отсутствии собственных эмпирических данных) использовать зависимости, полученные для различных регионов [4, 113]:

• Карское море: w_L =0,71LL+5,

• Охотское море: w_L =0,75LL+6,5,

• Охотское море: w_L =0,79LL+6,0, (шельф Сахалина. глины переуплотненные неогеновые),

• Японское море: w_L =0,67LL–4,1 (район Находки),

• Черное море: w_L =1,02LL–13,26,

• Печорское море: w_L =0,75LL+6,5,

• универсальная зависимость: w_L =0,72LL+5,8 или LL=1,39 w_L-1,75.

С учетом предложенных зависимостей оба показателя w_L и LL могут использоваться для классификации глинистых грунтов в равной мере, а также заменять друг друга [113].

Границы раскатывания (w_p) и Plastic Limit (PL) определяются идентичными методами, а результаты анализов также отличаются из–за различий в крупности используемого материала. Для глин эти различия незначительны и проявляются только для супесей.

В.В. Дмитриевым получены уравнения позволяющие сопоставлять результаты анализов глинистых грунтов [122]:

PL = 0,91w_p + 2,2 или PL = 0,90w_p + 1,5;

w_p = 1,10 PL – 2,4,

I_p = 0,60 PI + 2,6.

Рис. 4.7. Совмещенные диаграммы пластичности по BS и ГОСТ для классификации грунтов [4]

На основе анализа результатов многочисленных сопоставительных опытов, выполненных с морскими грунтами по различным методикам, установлена корреляционную зависимость между значениями пределов пластичности, полученными по ГОСТ и BS (Великобритания), или ASTM, дающие возможность классифицировать глинистые грунты, как по российским, так и по зарубежным стандартам. На рис. 4.7 представлен график, позволяющий сопоставить величины числа пластичности и влажности на границе текучести, полученные по BS (аналогичные графики используются в ASTM) и ГОСТ, и классифицировать глинистый грунт по любому из этих стандартов [4].

Диапазон влажности, в котором проявляются пластические свойства грунтов, в значительной мере определяется их минеральным составом. У грунтов, состоящих из минералов группы монтмориллонита, как правило, этот диапазон в несколько раз больше, чем у грунтов, в составе которых преобладают минералы группы каолинита (табл. 4.3). Увеличение пластичности в случае присутствия в грунте минералов группы монтмориллонита связано, с одной стороны, со значительным возрастанием дисперсности грунта, а с другой – с кристаллохимическими особенностями и высокой гидрофильностью минералов этой группы. Влияние кристаллохимических особенностей на пластичность глинистых грунтов становится еще более существенным в зависимости от того, присут­ствуют ли в обменном комплексе одно-, двух- или трехвалентные катионы. Чем выше валентность обменных ионов, тем меньше в грунте содержится осмотической влаги и меньше его пластичность.

Таблица 4.3

Диапазоны характеристик консистенции глинистых минералов

Минерал	Предел усадки SL, %	Предел пластичности PL, %	Предел текучести LL, %
Монтмориллотнит	8,5–15	50–100	100–900
Нонтронит		19–27	37–72
Иллит	15–17	35–60	60–120
Каолинит	25–29	25–40	30–110
Гидратированный галлуазит		47–60	50–70
Дегидратированный галлуазит		30–45	35–55
Аттапульгит		100–120	160–230
Хлорит		36–40	44–47
Аллофан		130–140	200–250

Влияние дисперсности на пластичность грунтов определяется величиной активной адсорбционной поверхности – коллоидной активностью грунта. Кроме пределов Аттерберга для классификации глинистых грунтов используется такой показатель как активность грунта А, предложенный в 1953 г. Скемптоном, и определяемый по формуле:

Показателем активности А называется отношение показателя пластичности к содержанию глинистой фракции грунта. Показатель активности, в основном, зависит от количества и типа глинистых минералов и органических коллоидов, а также от содержания электролитов в поровом растворе. Функцией активности являются набухание и усадка грунтов. Если А<0,75 глины не активны (потенциал набухания слабый), при 0,75<A<1,25 глины относятся к нормальным (потенциал набухания средний), и если A>1,25, то грунты относятся к активным (потенциал набухания высокий). В табл. 4.4 приведены значения показателя активности глин с различным минеральным составом. Для активных глин характерны значительные изменения объема при увлажнении и усадке [127].

Таблица 4.4

Активность глинистых минералов

Минерал	Активность глинистых минералов, А
Смектиты	1–7
Иллит	0,5–1
Каолинит	0,5
Гидратированный галлуазит	0,1
Дегидратированный галлуазит	0,5
Аттапульгит	0,5–1,2
Аллофан	0,5–1,2

Вода также оказывает влияние на состояние песчаных грунтов и супесей. При наличии в них только связанной воды пески находятся в сыпучем состоянии. При появлении в них капиллярной воды в песках постепенно проявляется капиллярная связность, наиболее проявляющаяся при капиллярной влагоемкости песка. При дальнейшем увеличе­нии содержания воды они постепенно теряют капиллярную связность и при w>w_sat растекаются, переходя в плывунное, или текучее, состояние. Часто плывунные свойства проявляют пылеватые пески и супеси, содержащие в большом количестве очень мелкие глинистые и коллоидные частицы, которые начинают играть роль смазывающего вещества между крупными частицами грунта. Даже при небольшом гидравлическом градиенте они переходят в плывунное состояние и перемещаются с водой в выработки. Коэффициент фильтрации таких грунтов обычно менее 0,5 м³/сут [50].