Пластичність глинистих ґрунтів - фізичний зміст процесів набухання глинистих ґрунтів, їх
Пластичність глинистих ґрунтів
Під пластичністю грунту розуміється його здатність під впливом зовнішніх сил змінювати форму (деформуватися) без розриву суцільності і зберігати надану йому форму після припинення цього впливу. Це властивість грунту характеризує можливість прояву в ньому залишкових деформацій.
Пластичністю при певній вологості і невеликих тисках мають тільки глинисті і лесові ґрунти, мергелі і крейда, торф, грунту і деякі штучні грунти. У звичайних умовах при невеликих зовнішніх навантаженнях у інших типів грунтів вона відсутня.
Пластичність зв'язкових грунтів при інженерно-геологічних дослідженнях характеризують двома вологісними показниками: 1) верхньою межею п л а с т і ч н о с т і, або нижньою межею плинності (WL), що представляє собою граничну вологість, при перевищенні якої грунт переходить з пластичного стану в текучий; 2) нижньою межею пластичності (Wp), також представляє собою граничну вологість між напівтвердих і пластичним станом грунту; він характеризує мінімальну вологість, при якій частинки здатні переміщатися відносно один одного без порушення цілісності грунту. Різниця в величині вологості грунту при верхньому і нижньому межах пластичності називається числом пластичності (Mp або Ip по ГОСТ 25 100 - 95). Число пластичності показує діапазон коливань вологості, в якому грунт володіє пластичними властивостями. Чим більше число пластичності, тим більш пластичний грунт.
Неважко помітити, що всі ці межі характеризують не механічні властивості ґрунтів при пластичному їхньому фінансовому стані, а властивості складають їх мінералів при деяких значеннях вологості. Отже, що застосовуються межі пластичності, що представляють собою межі вологості, є умовними непрямими показниками пластичності грунтів. Пластичність зв'язкових грунтів визначається складом і властивостями як твердих частинок грунту, так і взаємодіє з ними рідини.
До числа факторів першої групи відносяться гранулометрический і мінеральний склад, форма частинок, склад обмінних катіонів. Властивості рідкої компоненти і вплив на пластичність визначаються її хімічним складом і концентрацією розчинених речовин.
Гранулометричний склад є одним з найважливіших факторів, що впливають на пластичність грунтів. Ця залежність вивчена дуже добре. Можна вважати встановленим, що пластичні властивості починають проявлятися у частинок діаметром менше 5 мкм. За даними П. Ф. Мельникова, у фракції 3--2 мкм пластичність виражена слабо. Частки розміром 2--1 мкм мають невелику пластичність. У частинок менше 1 мкм величина пластичності вже значна. Вона дуже сильно залежить від дисперсності глинистої фракції і зростає пропорційно збільшенню вмісту в ній колоїдів. Особливо сильно вона збільшується в присутності органічних колоїдів.
З усіх показників, що характеризують пластичність ґрунту, верхня межа пластичності найтісніше пов'язаний з його гранулометричним складом. Залежність величини верхньої межі пластичності від змісту в ґрунті глинистих частинок в межах до 35% показана на малюнку 4. Настільки тісний зв'язок між гранулометричним складом і нижньою межею пластичності (кордоном розкочування в шнур) не спостерігається. Мінеральний склад грунтів також в значній мірі визначає їх пластичність, так як різні мінерали неоднаково взаємодіють з водою (див. Табл. 2). Крім того, від будови кристалічних решіток мінералів залежить форма частинок, яка в свою чергу впливає на величину пластичності. Найбільшою пластичністю володіють мінерали, у яких частинки мають пластинчасту, лускату форму. Це дало підставу ряду дослідників (Аттерберг, Терцагі і ін.) Вважати, що пластинчатая форма частинок є основним чинником, що визначає пластичність грунтів. Звичайно, форма частинок може впливати на їх переміщення під навантаженням, ускладнюючи або полегшуючи його, але вона все-таки не є найважливішим чинником, що визначає величину пластичності.
Пластичність частинок різного мінерального складу. Таблиця 2
Мінеральний склад грунтів впливає на величину пластичності сукупністю цілого ряду факторів. Дослідження, проведені Е. М. Сергєєвим на сумішах різного мінерального складу, показують, що величина пластичності грунтів більше в тому випадку, коли в їх глинистої фракції містяться мінерали групи монтморилоніту, і менше при вмісті каолинита. Збільшення пластичності в разі присутності в грунті мінералів групи монтморилоніту пов'язано зі значним зростанням дисперсності і гідрофільності грунту.
Істотний вплив на пластичність зв'язкових грунтів надає склад обмінних катіонів. За своїй здатності збільшувати пластичні властивості ґрунтів найбільш часто зустрічаються катіони розташовуються в наступній послідовності:
Li +> Na +> К +> Mg 2 +> Са 2 +> Н +> Fe 3 +> Al 3 +.
Ця закономірність відповідає зміні змісту слабосвязанной води і дисперсності ґрунтів, яка спостерігається при заміщенні одних катіонів на інші. Вплив на пластичність обмінних катіонів в межах однієї валентності визначається їх гідратаціонной здатністю. Чим більше ступінь гідратації катіонів, тим в більшій мірі проявляється пластичність грунтів. Пластичність підвищується також при збільшенні ємності поглинання грунту.
Істотний вплив на пластичність зв'язкових грунтів надають склад і концентрація водного розчину, з яким взаємодіє грунт. Це обумовлено тим, що склад розчинених у воді сполук впливає на склад обмінних катіонів в грунтах, які, як показано вище, впливають на пластичність грунтів, a концентрація розчину багато в чому визначає товщину дифузійного шару. Дані (табл. 3) показують, що присутність значної кількості солей знижує межі пластичності грунтів, причому особливо сильно у високодисперсного грунту (монтморилоніт). Число пластичності каолінової і монтмориллонитовій (аскангліна) глин значно нижче при використанні в якості дисперсійного середовища трехнормального розчину NaCl, ніж при визначенні за допомогою дистильованої води. Це спостерігалося у всіх випадках незалежно від складу обмінних катіонів. Зменшення пластичності грунтів при великій концентрації солей пов'язано з процесом дегідратації і агрегації ґрунтових частинок, супроводжуваних зменшенням дифузного шару грунтових мицелл і, природно, зменшенням вмісту слабосвязанной води в грунтах.
Зміна меж пластичності глин в залежності від концентрації NaCl (за даними І. В. Попова) Таблиця 3
Концентрація NaС1, н.
Величина числа пластичності виражена у відсотках. У ГОСТ 25 100 - 95 вона наводиться в частках одиниці
широко застосовуються непрямі методи. Стосовно до цих методів розроблені класифікації зв'язкових грунтів по пластичності (табл. 4) і консистенції (табл. 5), що увійшли в Будівельні норми і правила (ГОСТ 25 100 - 95).
Слід мати на увазі, що подібний підрозділ грунтів на гранулометричні види за кількістю пластичності є досить умовним, так як пластичність зв'язкових грунтів залежить, як показано вище, не тільки від дисперсності, а й від мінерального складу, складу обмінних катіонів та інших факторів. Тому складати єдину для всіх грунтів класифікацію, подібну класифікації ГОСТ 25 100 - 95, в принципі невірно. До цього питання необхідно підходити строго диференційовано, з урахуванням регіональних особливостей хіміко-мінерального складу зв'язкових грунтів.
Зіставлення меж пластичності і природної вологості ґрунтів дозволяє орієнтовно судити в якому стані вони знаходяться в природному заляганні. Якщо їх вологість не перевищує нижню межу пластичності, то грунти знаходяться в твердій, консистенції. При зміні природної вологості в діапазоні нижній - верхній межі пластичності грунти мають пластичну консистенцію. Якщо вологість грунту перевищує величину верхньої межі пластичності, то він знаходиться в текучої консистенції. Очевидно, що при такому порівнянні не враховується зменшення міцності грунтів, що викликається руйнуванням природних структурних зв'язків в процесі перемятих зразка глинистої породи при визначенні меж пластичності.
Найменування зв'язкових грунтів за величиною показника консистенції (за ДСТУ 25 100 - 95) Таблиця 5
Величина показника консистенції