КАКЕНОВ К. С.

кандидат технических наук, профессор

Карагандинского экономического университета Казпотребсоюза

УПЛОТНЕНИЕ ПЕСЧАНОГО ГРУНТА ГАЗОВЗРЫВНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

В практике улучшения строительных свойств грунтов путем механического уплотнения используется основная деформационная характеристика несвязных грунтов - способность к более компактной переукладке минерального скелета как за счет уменьшения пористости грунта, так и за счет местных процессов, обусловливающих взаимное перемещение частиц, изменение толщины водных оболочек и медленное течение слоев связанной воды. Изменение пористости грунта может сопровождаться перемещением свободной воды относительно минерального скелета.

Вследствие жесткости скелета даже рыхлые несвязные грунты при действии статических сжимающих нагрузок мало уплотняются. Уменьшение пористости несвязных грунтов при статическом сжатии происходит вследствие деформаций на контактах малосжимаемых минеральных частиц или в результате их взаимного проскальзывания, а также вследствие разрушения рыхлых частиц.

Плотность и напряженное состояние обычно характеризуется средней величиной для достаточно большого объема грунта. Однако для большинства несвязных грунтов характерна весьма разнообразная форма частиц и существенное изменение их размеров. Таким образом, в статическом несвязном грунте может отмечаться значительная неоднородность его структуры.

Физические свойства исследуемого мелкозернистого песка следующие: гранулометрический состав фракции 0,5-0,25мм - 0,2%; 0,25-0,125мм -20,0%; 0,125-0,1мм - 35,6%; 0,1-0,09мм - 11,2%; остальное – менее 0,09мм; удельная масса частиц - 27 кН/м³; плотность скелета минимальная - 1,42 г/см³; максимальная -1,68 г/см³; коэффициент пористости минимальный — 0,63; максимальный - 0,92.

Эксперименты по уплотняемости песка проводились на лабораторной установке [1]. Стальные стаканы диаметром 50мм и высотой 100мм заполнялись песком. Для удобства проведения опыта стаканы изготавливались с разъемным днищем, нижняя часть которого занимает объем 50 см³. На время проведения опыта весь стакан заполняется песком заданной влажности, устанавливается в камеру и подвергается взрывному воздействию. После проведения опыта стакан разнимался на две части, образец грунта подрезался таким образом, чтобы получить для исследования строго определенный объем, а именно 50 см³, т.е. объем нижней части стакана. После отделения и зачистки этой части образец взвешивался, высушивался и снова взвешивался, что позволило определить плотность грунта и его влажность после уплотнения. Опыты при каждой влажности грунта повторялись четырехкратно. Влажность грунта изменялась в диапазоне 4£ω£26%, т.е. от сухого до водонасыщенного, при котором песок еще удерживал влагу.

Как показали опыты с высушиванием образцов, в результате газовзрывного уплотнения, начиная с влажности 16%, часть влаги в процессе уплотнения вытесняется из образца, в результате чего грунт приобретает плотность скелета, значительно более высокую, чем в случае невозможности оттока влаги из грунта, что может наблюдаться при уплотнении водонасыщенного грунта в массиве. Однако, как показывает опыт, в массиве при взрывном уплотнении водонасыщенный грунт или грунт, близкий к водонасыщению, в результате динамической фильтрационной консолидации, которая выражается в частичном вытеснении влаги на определенных участках грунтового массива вокруг очага взрыва, непосредственно после взрыва и в течение нескольких часов способен изменять свою влажность и, следовательно, плотность скелета.

На рисунке 1 показано влияние влажности песка на его уплотняемость при различных уровнях напряжений.

1-0,2 МПа; 2 - 0,4 МПа; 3 - 0,6 МПа; 4 - 0,8 МПа

Рисунок 1. Влияние влажности на плотность скелета песка в зависимости от уровня напряжений

Как следует из рисунка 1, в зоне малой влажности (до 6 %) песок под действием взрывной нагрузки уплотняется до значений, не превышающих максимальной плотности, достигнутой в сухом состоянии при стандартных испытаниях постукиванием (ρ_{ск max}). Вместе с тем при влажности более 12% плотность скелета песка превышает значение ρ_ск⁼ 1,55 г/см³ при уровне напряжений 0,6-0,8 МПа, составляя при этом 1,56 и 1,59 г/см³ соответственно. Поскольку в естественном залегании плотность скелета и пористость песка ограничивается рамками приведенных максимального и минимального значений ρ_ск, увлажнение такого песка также ограничено. В реальных условиях эта влажность не превышает 18-20%. Следовательно, уплотняя такой грунт взрывным воздействием в оптимальном режиме, достигнуть максимального значения плотности трудно.

Если при вибрации основным фактором уплотнения грунта является рациональная длительная переукладка минеральных зерен скелета, которая наиболее ярко проявляется при самой низкой и самой высокой влажности песка [2], то при взрывном динамическом воздействии эффект уплотнения связан лишь с частичным взаимным перемещением зерен в контакте между ними (в сухом состоянии) или в результате изменения толщины водных пленок между ними (во влажном состоянии). При этом влажное состояние может способствовать уплотнению (при оптимальной влажности), либо препятствовать ему (при влажности, близкой к полному водонасыщению). При таком способе уплотнения эффект будет зависеть от соотношения исходной и оптимальной влажности.

Полученные экспериментальные зависимости имеют большое значение для разработки приемов повышения эффективности взрывного уплотнения. Эти приемы основаны на предварительном улучшении исходных физических характеристик песчаного массива с целью создания благоприятных условий для его последующего уплотнения.

Кроме того, с увеличением статической нагрузки и уменьшением начального коэффициента пористости величина интенсивности динамических воздействий увеличивается и, следовательно, уменьшается возможность разрушения структуры, тогда как при отсутствии статической нагрузки уплотнение происходит при малых динамических воздействиях. Это объясняется тем, что при разрушении структуры грунта динамические воздействия преодолевают силы трения между частицами, а статическая сжимающая нагрузка вызывает повышение давлений в контактах между частицами, увеличивая таким образом сопротивление их смещению. В этом заключается роль пригрузки, уменьшающей или полностью ликвидирующей возможность разрушения структуры даже рыхлых несвязных грунтов при динамических воздействиях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Какенов К.С. Исследование упруговязкопластических деформаций грунтов при статистических и динамических нагрузках // Актуальные проблемы современности. - Караганда: Болашақ-Баспа, 2011. - №11(76). – С. 66-68.

2. Григорян А.А. О строительстве на лессовых грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1991. - №1. – С.24-26.