Грунтоведение

Глинистый грунт

Построили новый поселок. Его украсили красивые, как говорят «с иголочки», пятиэтажные жилые дома. Летом счастливые новоселы въехали в свои просторные квартиры. Бурно и весело отметили это событие.

Сентябрь выдался дождливым. Целыми днями шел мелкий дождик. У домов образовались глубокие лужи. В октябре в ряде пятиэтаж: ных зданий появились сначала тонкие, еле заметные трещины. Но время шло, и трещины все росли и росли, становились все более заметными и крупными. Через некоторые из них стал проходить свежий, наружный воздух, затем начали перекашиваться оконные проемы. Вполне естественно, что жители этих домов заволновались.

Это явление стала изучать специальная комиссия строителей. Ее вывод гласил: вследствие сжатия грунтов под весом зданий воз: никла их неравномерная осадка, что и явилось причиной растрескивания стен. Был предъявлен иск проектировщикам, которые якобы допустили ошибку и неправильно рассчитали осадку зданий.

Нужно сказать, что подобные расчеты легко проверить. И вот приглашенные эксперты рассмотрели проекты домов и сделали вывод: осадка рассчитана правильно, постройки возведены по всем правилам строительного искусства. А трещины? Эксперты пожали плечами и уехали.

Но и в октябре эта непонятная осадка зданий продолжалась Жители стали замечать, что трещины с каждым днем все более расширяются.

Тогда специалисты по грунтам стали внимательно исследовать загадочное явление. Проведенные геодезические наблюдения, к удивлевию всех, показали, что здания не садятся, а, наоборот, поднимаются!

Это озадачило строителей, но специалистам по грунтам сразу «открыло глаза» и позволило обнаружить причину странных деформаций. Это глинистый грунт!

Когда исследовали минералогический состав глин, сразу установили, что в их составе содержится значительное количество минерала монтмориллонита. Он и явился «возмутителем спокойствия». Как уже говорилось в предыдущих главах, этот глинистый минерал обладает удивительной способностью к набуханию.

В основаниях построенных зданий залегала многометровая толща таких глин. Влажность их была небольшая, от летней засушливой погоды эти глины в котлованах подсохли и растрескались. Затем на них были возведены постройки. Осенние дожди привели к тому, что в глины по «пазухам» вдоль наружных стен стала поступать вода. И вот результат. Там, где .влажность глин повысилась, они начали набухать. На отдельных участках здания приподнялись, на. 8—10 см, вызвав нарушение конструкций и появление трещин.

Интересно было, что при набухании этих глин замеренное давление составило 0,5—0,6 МПа. В то же время давление на грунты от; веса зданий составляло только 0,2 МПа. Таким образом, давление набухания грунтов оказалось в 2,5—3 раза больше, чем давление от веса домов. Отсюда и последовали описанные события.

Такие явления распространены в ряде южных районов нашей страны. Например, в Азербайджанской ССР нередки участки поверхности земли, сложенные толщами набухающих глин. Поэтому в этих местах могут возникать деформации зданий, связанные с увлажнением их оснований.

Подобные же явления были зарегистрированы в ряде других, стран (в США, на Кубе, в Бирме и т.д.).

Мы уже знаем, что набухание связано с особенностями кристаллической решетки некоторых глинистых минералов.

А если такие влажные, набухшие глины начнут высыхать? В этом случае возникает противоположный процесс — кристаллические решетки глинистых минералов начинают сжиматься, уменьшая свой объем, Возникает интересное явление — усадка грунта.

При этом процессе в ходе подсыхания глины проявляются силы,, сжимающие грунт. Возникают большие давления: до 5 и даже 10 МПа. Причина их появления связана с возрастающими в ходе высушивания капиллярным давлением и межмолекулярными силами.

Внешне явление усадки состоит в уменьшении объема грунта, его растрескивании и возрастании плотности. Поверхность глинистых грунтов в стенках каналов и насыпей благодаря усадке начинает шелушиться, что приводит к постепенному разрушению откосов этих сооружений. В засушливых районах образуются узкие и широкие трещины усадки, проникающие в массивы глин до глубины 2—5 м. Уменьшение объема при этом процессе может достигать 30—40 %. Нз поверхности таких глин возникает сложный рисунок трещин, разбивающих грунт на своеобразные многоугольники .

Ученые в течение многих лет исследовали явление набухания. Было выяснено, что оно не возникает при небольшом количестве глинистых частиц (размером менее 0,002 мм). Поэтому супеси, содержащие их менее 10 %, почти не набухают. А чем больше в глинистом грунте этих частиц, тем больше набухание. Обнаружилась также зависимость набухания от химических особенностей грунтов, естественной влажности и некоторых других факторов.

Интересно, что если определить сумму объемов воды и грунта, вступающих во взаимодействие, то она окажется больше, чем объем набухшей глины. Поэтому нельзя прогнозировать величину набухания по объему поглощенной грунтом воды.

Главная роль в набухании принадлежит глинистым минералам. Так, глины, состоящие из каолинита, набухают значительно слабее, чем монтмориллонитовые. Минералоги обнаружили, что расстояние между кристаллическими пакетами монтмориллонита при увеличении влажности с 6 до 30 % возрастает в два раза. Это является основной причиной того, что глины с данным минералом так сильно набухают.

Не менее интересен вопрос о продолжительности процесса набухания. В лаборатории было установлено, что для разных грунтов оно колеблется от нескольких до 120 ч и более. Нужно учесть, что речь идет о набухании образцов глин, врезанных в кольцо высотой 2 см.

К набуханию и усадке способны не только глинистые грунты, но и такие, как торф. Кто не знает эту породу, образующуюся в заболоченных низинах в результате отмирания и разложения растений. В Советском Союзе обширная территория — более 70 млн. га,— покрыта им. Если производится осушение болот и торф оказывается в непривычной для него «сухой» обстановке, то начинается его интенсивная усадка. Величина ее может достигать 50 % от начального объема.

Нередко возникает оригинальная картина: мостки и здания, построенные на сваях на подобных осушенных торфяниках, как будто поднимаются и висят в воздухе. Конечно, природа усадки в этом случае несколько иная. Она связана с потерей содержащейся в торфе воды.

Возникает вопрос: будет ли. набухать торф при увлажнении?' Если сухой торф смачивать водой, то он, конечно, начнет набухать, но никогда не возвратится к тому объему, который он имел в болотных условиях до осушения.

Уже в глубокой древности люди обратили внимание на способность глины легко меситься в руках, а при высыхании на воздухе становиться твердой, сохраняя приданную ей форму.

В Институте археологии АН СССР были исследованы глиняные сосуды из неолитических стоянок (6—7 тыс. лет назад). Ученые установили, что в те далекие времена посуда делалась из смеси птичьего помета или навоза с глиной. Такие сосуды оказались очень прочными и не боялись температуры 900 °С. Эти изделия сначала не обжигались, как это делалось позднее.

Ряд древних народов изготавливал также плетеные сосуды, обмазанные глиной. Это искусство до сих пор известно некоторым племенам Южной Америки и Африки.

Минули многие сотни и, может быть, тысячи лет, пока какая-то фигурка или глиняный сосуд не оказались случайно в костре. Тогда люди поняли, что побывавшая в огне глина приобретает новые качества. Она становится более прочной, не размокает в воде и изменяет цвет. Так, примерно 6—8 тыс. лет назад появилась первая керамика. Можно предположить, что этот век «керамических изделий» предшествовал веку металла (обработка меди началась около 7 тыс. лет назад).

Высокого искусства изготовления из глины керамической посуды достигли древние египтяне, жители Вавилона, ассирийцы, а позднее греки и многие другие народы ушедших цивилизаций. Во времена фараонов в Египте большую группу ремесленников составляли гончары.

В Южном Междуречье (район рек Тигр и Евфрат) из глины делали ведра, ящики, трубы и кирпичи. Хетты (народ, живший в районе Междуречья в XVIII—XII вв. до н.э.) были создателями первых книг — глиняных табличек, которые затем высушивали на солнце или слегка обжигали. Эти таблички были «вечными».

При раскопках древней столицы АссирИи — г. Ниневии археологи обнаружили богатейшую библиотеку, содержащую более 200 тыс. глиняных табличек. Она оказалась поистине сокровищем, раскрывшим многие тайны далеких тысячелетий.

Так глинистый грунт помог в развитии и совершенствовании культуры древних народов.

В современном мире использование глин получило необычайно широкое распространение. На толщах из глины возводят здания и сооружения, из нее изготавливаются красный кирпич, канализационные и дренажные трубы, посуда, изоляторы и много других вещей. Во всем этом многообразии изделий из глинистых грунтов широко используется их способность изменять свои свойства при увлажнений.

Исследования ученых показали, что по мере увеличения содержания влаги глинистый грунт переходит из одного состояния (консистенции) в другое. Если влаги мало, то глина сухая и твердая. Теперь начнем постепенно увеличивать влажность грунта. Когда ее величина достигнет «нижнего предела пластичности» (или «границы раскатывания»), глина перейдет в новое состояние пластичной консистенции. Она будет легко меситься, изменять и сохранять, приданную ей при сжатии форму. Достижение этого состояния необходимо для формования кирпичей, гончарных труб, черепиц и других изделий; Величина влажйости, соответствующая этому пределу (обозначаемому wp)f колеблется для различных глинистых грунтов от 8 до 40%.

Грунтоведам удалось установить, что столь значительные колебания влажности, соответствующей переходу грунта в пластичное состояние, определяются многими факторами. Главными из них являются химический и минеральный состав и содержание тонких глинистых частиц (менее 0,002 мм).

Если мы продолжим увеличение влажности и дальше, то можем достигнуть верхнего предела пластичности (или границы текучести), при котором глина теряет свою прочность и начинает течь. Из грунта с влажностью выше этого предела (обозначаемого wL) ничего сформовать не удается. Строить на такой глине опасно: она будет выдавливаться из-под фундамента, и здания на ней будут оседать. Ученые говорят, что она в этом случае превращается в слабый, водона- сыщенный грунт.

Эта граница перехода из пластичной в текучую консистенцию зависит еще в большей степени, чем граница раскатывания, от хими* ческих и минералогических особенностей глин, а также от содержания тонких частиц .

Знание влажностей, соответствующих этим пределам, дало неожиданный побочный эффект. Было обнаружено, что разность их значений (wL — wp) позволяет определить наименование глинистого грунта. Ее величину назвали числом пластичности. Если она меньше единицы — грунт песчаный, от 1 до 7 — грунт называют супесью. Другой тип глинистого грунта — суглинок имеет число пластичности от 7 до 17. Наконец, для глины оно превосходит 17. Мы уже встречались с этими названиями грунтов, но тогда они их получили по содержанию глинистых частиц (размером меньше 0,002 мм).

Один ли это грунт, скажем «суглинок», по числу пластичности и содержанию глинистых частиц? Оказывается, да. При значении числа пластичности 10 суглинок и содержит 12—14 % глинистых частиц.

Способностью к переходу в пластичное состояние обладают многие вещества — воск, стекло, металлы, мед, битум и т. д., но причины перехода всех этих веществ различны. Здесь и температуры, и давление, и химические воздействия. В глинах же переход в пластичное состояние связан с присутствием в них соответствующего числа тонких частиц, покрытых микроскопическими пленками воды.

Еще в 20-х годах нашего века ученый А. Ф. Лебедев обнару жил, что вода в грунтах может находиться в разных видах. Если влаги мало, то она образует тончайшие (в несколько молекул) пленки вокруг частиц. Такая вода была названа прочносвязанной. По мере возрастания влажности толщина пленки увеличивается, связи у молекул воды с поверностью частиц ослабевают и влага становится рыхлосвязанной.

Мы уже говорили о коагуляционной структуре глинистых грунтов. Она и определяется существованием этой пленочной влаги.

Будем продолжать насыщение грунта водой. Тогда в уголках между частицами появится капиллярная вода (о ней мы упоминали, когда шел разговор о песках). Если и дальше продолжать увлажнение, то водой начнут заполняться поры грунта. Так возникнет сво- ' бодная вода, способная двигаться по порам под действием силы тяжести. Все названные формы воды в грунте наглядно изображены на  24. Таким образом пластичное состояние грунта возникает после появления рыхлосвязанной воды, которая как бы смазывает частицы, позволяя им скользить относительно друг друга.

После появления первых признаков присутствия свободной воды связи между частицами оказываются нарушенными, капиллярная влага приобретает пологие мениски, и структура грунта нарушается. В этот момент и возникает текучесть глин.

А если грунт насыщать не водой, а керосином, бензином, спиртом или какой-либо другой жидкостью? В этом случае глинистые грунты не образуют пластичного тела. Это связано с различными физико-химическими особенностями воды и других жидкостей.

Если высушивать на воздухе мокрую глину, то произойдет обратный процесс. Сначала исчезнет свободная, затем капиллярная и,

наконец, останется только прочносвязанная вода. В этом случае говорят, что грунт имеет гигроскопическую влажность.

Дальнейшее высушивание глины в сушильном шкафу приведет к исчезновению прочносвязанной воды. Если повысить температуру нагрева до 120 °С и более, то начнут разрушаться кристаллические решетки глинистых минералов. При высоких температурах между частицами возникнет явление «спекания». Глинистый грунт настолько изменит свой минеральный состав, что образуется новое вещество, не размокающее в воде. Его примером могут служить керамические изделия и кирпич.