Геоэкологическая оценка формирования прочности песчаных грунтов (в аспекте физико-химической теории эффективных напряжений)

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

УДК 624.13

И.А. Потапов, А.Д. Потапов*, А.А. Шименкова*

НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, *ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Рассмотрены вопросы формирования прочности песчаных грунтов с позиций физико-химической теории эффективных напряжений, в частности, в оценке формирования различных типов энергетических контактов в песчаных грунтах. Материалы статьи основаны на результатах теоретического обобщения работ ряда специалистов, а также на данных экспериментального изучения песчаных грунтов различной структуры, как проведенных ранее, так и выполненных в последнее время. Показано, что прочность песчаных грунтов в значительной степени зависит от их морфологических особенностей, которые определяют их состояние в аспекте оценки состояния плотность — влажность. Прочностные параметры песков существенным образом зависят от их влажности, будь то максимальные касательные напряжения, полученные по сдвиговым испытаниям, или удельные сопротивления пенетрации, показатели пенетрации, а также значения угла внутреннего трения и сцепления. Зависимости прочностных параметров от влажности описываются графиками типичного криволинейного характера с двумя максимумами для сдвиговых испытаний и одним для пенетрации. Максимальные значения параметров прочности, по данным сдвиговых испытаний, достигаются для сухих песков и значений влажности, близких к «оптимальной». Для пенетрационных испытаний максимум удельного сопротивления пенетрации и показателя пенетрации также близок к «оптимальной» влажности. В результате экспериментального и теоретического исследования установлено, что степень влажности является важным фактором приобретения прочности песчаными грунтами с различными структурными характеристиками. Но при формировании структурных особенностей песков, прежде всего их морфологических параметров, а из них морфоскопических характеристик (особенностей характера поверхности песчаных зерен) заметную роль играет наличие различных пленок на частицах грунта. Изложенный материал представляет собой только предварительный анализ полученных теоретических и экспериментальных данных и, естественно, открыт для обсуждения.

Ключевые слова: физико-химическая теория, эффективные напряжения, прочность, песчаные грунты, энергетические контакты, внутреннее трение, сцепление, контакт, морфология, плотность, влажность, сопротивление сдвигу, пенетра-ция, геоэкологические факторы, загрязнения, фильтрация, температурные поля, нагрузки, урбосистемы, строительная система, природная среда, техногенная система.

Современные урбосистемы представляют собой сложное сочетание элементов природной и техногенной систем. Если оценки природных компонентов урбосистем при всей их сложности проводятся по методикам, разработанным в естественных науках, то для технических составляющих методики созданы в науках технического цикла. Единство здания (сооружения) с природной средой представляет собой типичную строительную систему, для изучения свойств которой должна быть разработана собственная методология. Ранее нами была описана научно-методологическая основа геоэкологического изучения строительства как процесса создания строительных систем [1—3]. Здесь нам представляется важным остановиться на том, что именно в условиях городских

экосистем (урбосистем) происходит значительное изменение параметров природных условий, что вызвано воздействием созданных технических систем, в данном случае зданий, сооружений, инженерных систем, которые собственно и создают город как новую экосистему. При рассмотрении комплекса здание и природная среда на первое место выдвигаются особенности оснований этого комплекса, а именно грунтов, залегающих под фундаментами зданий. Данное, в общем-то тривиальное утверждение требует некоторой новой оценки. Изучение измененных в условиях города грунтов как техногенно-загрязненных изложено нашими и многими другими специалистами [1—9], однако необходимо сказать следующее: в условиях города действуют температурные и электрические поля, возникают повышенные нагрузки на грунты оснований, осуществляется фильтрация подземных вод, которые во многих случаях представляют собой растворы различной концентрации и состава. Эти особенности антропогенных воздействий, являясь типичными геоэкологическими факторами, представляют собой основу изменения структурных параметров, химического состава, плотности, степени влажности грунтов разного генезиса, литолого-петрографиче-ской принадлежности [7, 8].

В грунтоведении для инженерно-геологических целей основной интерес исследователей и ранее, и сейчас сосредоточен на тонкодисперсных системах, особенно чутко реагирующих на внешнее воздействие, в зависимости от условий их формирования, структуры, состава и состояния. И одновременно оказалось, что к настоящему времени практически отсутствует надежная методика исследования грубодисперсных систем, в частности, мелко- и среднезернистых песчаных грунтов и супесей в грунтоведении и инженерной геологии. Это обусловлено не только разнообразием генезиса, а следовательно, состава, структуры, неоднородности самих мелкообломочных пород, но и спецификой их деформационного поведения. В литературе все чаще стали появляться работы, посвященные исследованию песчаных, лессовых грунтов, мела и мелоподоб-ных грунтов, у которых микроагрегаты сцементированы [4, 10—12].

Совершенно справедливо в одной из своих работ В.И. Осипов [11] применительно к исследованию глинистых пород подчеркивает, что механические свойства определяются не прочностью элементарных структурных компонентов, а силами связи между ними, получившими название структурных связей.

Частицы в песчаных грунтах взаимодействуют между собой именно за счет этих связей и поэтому являются важнейшей их структурной характеристикой. Структурная прочность песчаных пород определяется не только прочностью отдельных минеральных зерен и обломков, а также и прочностью указанных выше структурных связей, которые формируются, как известно, в результате сложных и малоизученных физико-химических процессов в песчаных породах [10, 11].

По результатам многочисленных исследований установлено, что силы, определяющие прочность связей в грунтах, по своей природе разделяют на химические, создающие связь между атомами, и физические, реализующиеся по преимуществу между молекулами. К химическим силам относят те, которые обусловливают ионную и ковалентные связи, а к физическим — силы Ван-дер-Ваальса, подразделяемые на дипольные (ориентационные), индукционные и дисперсионные. Промежуточное положение между химическими и физическими силами занимают водородные связи [4].

ВЕСТНИК ~

2/2013

Под прочностью структурных связей грунтов понимают сопротивление структурной сетки разрушению. Это сопротивление определяется следующими характерными значениями напряжений:

истинным пределом текучести (совпадает с пределом упругости) — условной границей, до которой сохраняется начальная (неразрушенная) структура, — начальной структурной прочностью;

условным (бингамовским) пределом текучести — начинается лавинообразное разрушение структуры;

пределом структурной вязкости, начиная с которого имеет место постепенный переход к ньютоновской жидкости;

условной границей предельного разрушения структуры (предельной структурной прочностью) [13, 14].

Структурные связи песчаных грунтов претерпевают постоянную изменчивость в результате механических, динамических, химических, температурных воздействий на них. Если первые из этих воздействий изучаются достаточно часто, то химические и температурные практически не изучены, и это притом, что эти воздействия являются типичными геоэкологическими. Структурная прочность, а также характер структурных связей в каждом конкретном случае исследований зависят от состояния песчаных пород. Например, в воздушно-сухом состоянии песчаные грунты могут иметь структурную прочность Р до 1 МПа, а во влажном состоянии лишь сотые и даже тысячные доли этой величины, т.е. песчаные грунты могут легко деформироваться под действием собственного веса [13].

Е.И. Сергеев считает, что изображение компрессионной кривой в координатах е-^Р позволяет определять величину структурной прочности грунта Рстр по перелому кривой. Величина структурной прочности грунта Рстр позволяет выделить при уплотнении грунтов два диапазона давлений: когда внешнее давление меньше прочности структурных связей и когда внешнее давление преодолело сопротивление структурных связей. В первом случае происходит незначительное уплотнение грунта, главным образом обратимого характера, а во втором — значительное уплотнение грунта, обусловливающее основные деформации оснований сооружений [12, 15].

В.М. Сергеев отмечает факторы, определяющие сопротивление сдвигу песчаных грунтов:

трение частиц друг о друга при их скольжении (волочении); зацепление — сопротивление, оказываемое частицами при их выходе из положения равновесия (сопротивление структуры); сопротивление срезу частиц и их раздроблению;

сцепление за счет цементационных связей, сцепления за счет капиллярных сил [12, 15].

Нами было уже показано, что на прочностные и деформационные показатели песков будут оказывать влияние состав, их морфология (форма и характер поверхности частиц), плотность упаковки [1—8, 16].

Более полувека тому назад Г.И. Тер-Степанян и другие [17—24] утверждали, что в песчаных грунтах каждый тип расположения частиц характеризуется вполне определенной системой точек контакта между частицами и, следовательно, определенной структурой. Чем больше число точек контакта, тем меньше давление в каждой точке контакта и тем выше сопротивление структу-

ры. Отсюда следует, что процесс перестройки структуры в системе, состоящей из гибких чешуйчатых частиц, должен в общем случае протекать плавно, тогда как в системе, состоящей из крупных зерен, он должен сопровождаться резкими смещениями, и это указывает на то, что между неоднородностью песчаных грунтов и их сопротивлением сдвигу существует коррелятивная зависимость, показывающая возрастание сопротивления сдвигу при возрастании неоднородности грунта, что и было подтверждено нами в [5—8].

Тогда же в работах И.М. Горьковой и других была исследована природа плывунности песчано-коллоидных грунтов методами физико-химической механики. Наличие высокомолекулярных органических соединений, органоми-неральных комплексов, алюмоферрозолей и гелей и коллоидно-дисперсных комплексов, образующих малопрочные эластические структуры, отличающиеся высокой подвижностью, обусловливает специфические структурно-механические свойства изученных песчано-коллоидных грунтов. Для них характерны малые межчастичное сцепление и вязкость, высокая деформируемость и текучесть, малое (до 50102 Па) предельное напряжение сдвига диспергационных структур, малая водопроницаемость. Авторы отмечают, что наиболее подвижными являются породы, содержащие глинистые минералы типа глауконита, монтмориллонита и большое количество гуминовых кислот, обладающих стабилизационными структурными связями [4, 18, 20, 24—29].

Песчаные грунты обладают слабой структурной прочностью, из-за чего практически невозможно отобрать монолиты песчаных грунтов с естественной структурой, поэтому в лабораториях грунтоведения в компрессионных приборах испытываются не образцы с естественной структурой, а их аналоги, имеющие плотность и влажность, соответствующие природному состоянию. Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной невозможности точного определения структурных связей в песчаных грунтах методом сопоставления данных компрессионных испытаний, выполненных на образцах с естественной и нарушенной структурой.

По данным работ Ж. Керизеля, В.А. Дуранте и др., песчаные грунты могут обладать сцеплением упрочнения, развивавшемся после окончания самоуплотнения пород. Этот эффект был установлен с помощью зондирования на песчаных грунтах искусственного сложения, но и имеет место в различной степени и в песчаных грунтах естественного сложения в зависимости от их состава и состояния [13, 21, 23].

Кварц в песках редко встречается в чистом виде — его поверхность покрыта пленками коллоидов — гидратов окиси железа, алюминия, кремнекис-лоты, органических веществ, прочно связанных с кварцем и образованных в результате физико-химических процессов на корродированной поверхности кристаллического кварца. Отмечается, что сильно гидратированные пленки на поверхности кварцевых зерен обладают всеми свойствами геля кремневой кислоты, главным образом, твердостью и клейкостью. Это подтверждено нашими работами [2, 4—8].

Подробные исследования состава и степени связи пленок с песчаными зернами выполнены еще А.М. Цехомским [30, 31]. В зависимости от своего состава и степени развития пленки могут оказывать влияние на форму и характер поверхности песчаных зерен [4, 18, 22, 32—36].

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

Среди факторов, влияющих на физико-механические свойства горных пород, главным, с точки зрения В.И. Осипова (1977), является тип структурных связей (коагуляционный, переходный и фазовый), контролирующий наиболее общие черты прочностного и деформационного поведения горных пород. Автором в качестве примера приводятся данные по изучению влияния характера структурных связей на такие показатели, как сжимаемость, одноосное сжатие, сопротивление сдвигу, реологические свойства и др. [10, 11].

Нами в развитие последней работы [10] уже было показано, что в песках возможны все три типа энергетических контактов [5—8]. Преобладает, прежде всего, коагуляционный тип (для песков с природной влажностью, песков зоны капиллярной каймы и с природной плотностью), затем переходный точечный тип (для маловлажных уплотненных песков с влажностью зоны аэрации) и, наконец, фазовый тип (для плотных сухих песков с плотностью, стремящейся к предельно плотному сложению, с влажностью, близкой к максимальной гигроскопической). Именно коагуляционный тип энергетического контакта реализуется в песках при взаимодействии частиц с сохранением термодинамически устойчивой прослойки воды на контакте. При наличии в песках пылева-тых и тем более глинистых частиц отмеченные энергетические типы контактов проявляются более отчетливо, примером фазового контакта могут служить высушенные образцы глинистых песков, представляющие собой «псевдопесчаники», дальнейший процесс литификации приводит уже к образованию истинных песчаников на глинистом цементе. В [10] в продолжение и развитие исследований в области физико-химической механики П.А. Ребиндера и его школы: С.Я. Вейлера, Н.В. Михайлова, Н.Н. Серб-Сербины, Л.А. Абдураги-мовой, К.А. Поспеловой, И.М. Горьковой, Е.Е. Сегаловой, Н.А. Семененко, Б.А. Ямпольского развиваются представления о формировании напряженного состояния грунтов и, в частности, в этой работе подтверждается, что структурная прочность грунта с точки зрения физико-химической механики определяется прочностью структурных связей между его частицами [17, 18, 20, 24, 26—29, 37].

Наличие в песках того или иного вида связанной воды во многом определяет образование коагуляционных контактов, так как поверхностные гидрат-ные пленки противодействуют сближению частиц, что соответствует следующему утверждению В.И. Осипова: «Наличие на коагуляционных контактах тонких адсорбционных пленок обусловлено балансом сил притяжения и отталкивания, которые определяют существование расклинивающего давления на контакте» [10, с. 49].

В [12, с. 508] утверждается: «Наибольший угол внутреннего трения характерен для сухого песка. С ростом влажности песка до максимальной молекулярной влагоемкости W величина ф закономерно снижается за счет по-

J А ммв т А

степенного уменьшения трения и достигает минимума при W ». В свое время нами было установлено, что это не совсем точно, а именно: в формировании прочности песков не следует пренебрегать как степенью их плотности, так и сцеплением C.

Последующее увеличение влажности песка снижает капиллярную связность, трение на контактах частиц снижается и угол внутреннего трения постепенно уменьшается, достигая минимального значения в состоянии полного водонасыщения [12, с. 508].

Классическая зависимость Кулона т = otgф + С для песков обычно трансформируется в зависимость т = otgф, величиной С — сцеплением — пренебрегают.

В [4, с. 506] указывается: «Главной особенностью сопротивления сдвигу несвязных грунтов является отсутствие значимого сцепления». Далее приводится рис. 14.54, где несвязные грунты описываются линейной зависимостью г, которая выходит из начала координат. На этой диаграмме сдвига т = / (о) показаны зависимости для грунтов с фазовыми контактами а, смешанными и переходными б, коагуляционными контактами в и контактами механического зацепления г. [12, с. 506].

Утверждение о том, что «сопротивление сдвигу таких грунтов в полной мере характеризуются углом внутреннего трения ф или углом естественного откоса у, а основными факторами, определяющими прочность несвязных грунтов при сдвиге будут те, которые влияют на трение между частицами [12, с. 506], представляется неточным.

Далее в [12, с. 506] приводится описание того, что «величина сил трения между частицами грунтов прежде всего зависит от формы частиц, состояния и характера поверхности...», но это слишком общее описание. Уровень современных грунтоведческих знаний позволяет утверждать, что прочность песчаных грунтов представляет собой сложную характеристику, состоящую, как правило, из нескольких компонентов, из которых каждая связана с различными структурными особенностями песков и, в частности, с их морфологическими показателями.

В песчаных грунтах связь между отдельными частицами осуществляется молекулярными и ионно-электростатическими взаимодействиями, или, как их называют в инженерно-геологической литературе, водно-коллоидными связями [12, 15]. Структурные связи своим возникновением обязаны силам, действующим непосредственно в контактах частиц между поверхностями частиц и окружающими их водными оболочками и между поверхностью частиц и минеральными и органическими веществами с клеящими свойствами, а также менисковыми силами воды в порах, если грунты содержат и воздух.

Имеются данные, свидетельствующие о том, что в песчаных грунтах при определенных условиях могут возникать связи магнитного характера и связи за счет поверхностных электрических зарядов, возникающих на контакте минеральных частиц [11, 32].

Изучению влияния морфологии зерен песков и влажности на формирование прочности песков были посвящены исследования, результаты которых изложены в [16].

Были проведены сдвиговые испытания четырех разновидностей песков, результаты которых показаны в таблице.

Изученные пески W, % т, кг/см2 при с = кг/см2 С, кг/см2 Ф, град.

3,0 2,0 1,5 1,0 0,5

Чигиринские aQiv 0,5 1,7 1,2 0,8 0,35 44

4 1 0,8 0,4 0,12 30

9 1,1 0,85 0,4 0,15 36

ВЕСТНИК

МГСУ-

2/2013

Окончание табл.

Изученные пески W, % т, кг/см2 при с = кг/см2 С, кг/см2 Ф, град.

3,0 2,0 1,5 1,0 0,5

14 1,2 0,9 0,55 0,21 32,5

18 0,9 0,65 0,4 0,09 27,5

Химкинские 0,5 2,5 1,7 0,92 0,11 38,5

3,5 1,85 1,27 0,65 0,06 32,5

6,5 2,15 1,42 0,75 0,063 35

16 1,92 1,32 0,65 0,04 32,5

Рижские № 1,6 2,1 1,4 0,7 0,04 35

5,3 1,8 1,2 0,6 0,03 31

10,2 1,7 1,2 0,67 0,08 29

14,5 1,61 1,07 0,54 0,09 28

Архангельские 0,6 1,61 0,82 0,45 0,02 38

6,2 1,46 77 0,42 0,06 34

9,5 1,5 0,79 0,44 0,08 36

14,5 1,5 0,81 0,56 0,09 35

Мы уже отмечали, что прочность структурных связей песчаных грунтов различна и определяется составом структурообразующей фракции, составом органических компонентов, минеральным составом, тонкодисперсной составляющей песчаных частиц, формой и характером поверхности песчаных частиц и состоянием породы [4—6, 8, 16].

Как видно из приведенных результатов, для изученных песков вполне заметной составляющей прочности песков является сцепление, хотя эта величина и невелика, но отмечена, а это значит, что упрощать представления о формировании прочности песков не следует, исходя из принципа, что не все еще досконально изучено.

Анализ полученных данных показал, что максимальные значения прочности получены при влажностях, близких к нулю (в зоне воздушно-сухого состояния), это практически зона фазового контакта, второй же максимум смещен к зоне влажности, близкой к величине оптимальной влажности. Объяснение в следующем: при влажности от нуля до влажности максимальной гигроскопичности зерна песка при приложении к ним нагрузок испытывают максимальное трение (особенно в песках с необработанными зернами) и между ними в большей мере проявляется такая компонента сцепления, как сцепление-зацепление, а отсюда и максимум касательных напряжений, угла внутреннего трения и сцепления.

При некотором увеличении влажности от максимальной гигроскопичности до максимальной молекулярной влагоемкости постепенный рост влаги на частицах за счет заполнения водой дефектов характера поверхности играет роль смазки, а отсюда и падение абсолютных значений прочности. Это, на наш взгляд, отвечает переходному (точечному) типу энергетического контакта [4, 16].

В зоне влажности от величины максимальной молекулярной влагоемко-сти до «оптимальной» влажности зерна песка покрыты водными оболочками, которые скрадывают в значительной мере их морфологические особенности, что приводит к более плотному состоянию песчаного грунта. Кроме того, возможно формирование «водного псевдоцемента». Все это ведет к постепенному росту величин т, ф, С, значения которых достигают второго максимума при влажности, близкой к «оптимальной», но их абсолютные значения меньше, чем при влажностях в воздушно-сухом состоянии, так как при Ж ~ 0 в наибольшей мере, как уже отмечалось, при прочих равных условиях проявляются морфологические особенности зерен песков (С ). Здесь пока мы не можем утверждать, что реализуется в полной мере коагуляционный тип энергетического контакта, но в определенной степени объясняются результаты исследований, которые показаны ниже.

При полной влагоемкости (при Ж >> Жопт) сдвиг происходит при наличии большого количества гравитационной влаги, именно по водным оболочкам, так как частицы песка за счет их наличия почти не взаимодействуют друг с другом, а отсюда и падение максимальных касательных напряжений т, угла внутреннего трения ф и сцепления С.

Кроме анализа зависимости прочностных параметров песков от влажности, было проведено сопоставление их с данными морфологического анализа как по пескам в целом, так и по отдельным, выделенным их них, фракциям, что позволило исключить влияние крупности на параметры прочности. Такое сопоставление дало возможность установить тенденцию к связи между рассмотренными критериями структуры и прочностных свойств песков [1, 2, 4, 16].

Кроме того, установленные для песков зависимости плотность — однородность, прочность — влажность и влажность — морфологические особенности, а также полученный материал по отдельным фракциям различных песков подтверждают прослеженную тенденцию в связи между прочностью и морфологическими особенностями песков.

Наряду со сдвиговыми испытаниями, которые многими специалистами оцениваются как недостаточно корректные, для оценки прочности песков были выполнены пенетрационные испытания по общеизвестной методике П.А. Ре-биндера [17], в результате были установлены зависимости значений удельного сопротивления пенетрации Я и показателя пенетрации и от степени влажности изученных песков. Установлено, что максимальные значения этих параметров и приходятся на значения влажности, равные или близкие к величине «оптимальной» влажности Жопт. Эта закономерность сохраняется практически для всех значений плотности испытанных образцов с небольшими колебаниями в сторону уменьшения Ятах у более рыхлых. Абсолютные значения параметра пенетрации Я с ростом плотности увеличиваются с сохранением максимума на величине влажности, отвечающей «оптимальной». Объясняется это следующим образом: при влажностях, близких к нулю, при внедрении конуса под нагрузкой происходит достаточно свободная переупаковка сухих зерен песка, за счет этого снижаются абсолютные значения Я и и [4, 16].

При некотором увеличении влажности, примерно от максимальной гигроскопичности до величины «оптимальной» влажности, вода на частицах играет роль водного «цемента», препятствующего переупаковке при внедрении конуса под нагрузкой и тем самым повышая абсолютные значения характеристик пенетрации Я и и.

ВЕСТНИК ~

2/2013

При влажностях, отвечающих «оптимальной», небольшой избыток воды над максимальной молекулярной влагоемкостью, играющей в данном случае роль смазки, при внедрении конуса позволяет грунту уплотниться за счет более свободной переупаковки частиц и при этом за счет достигнутой более высокой плотности значения характеристик Я и и максимальны.

При полной влагоемкости избыток влаги позволяет свободную переупаковку частиц при внедрении конуса, за счет чего значения Я и и резко падают.

Результаты исследований на всех изученных микропенетрацией образцах песков показывают, что во всех случаях сохраняется криволинейный характер графиков с максимумом, несколько большим, чем значения «оптимальной» влажности, которая, как было установлено для разных песков, различна, что определено их структурными особенностями, а значит, в конечном счете, абсолютные значения показателей пенетрации определяются структурными особенностям изученных песков.

Данные о зависимости характеристик пенетрации Я и и от их влажности на выделенных из изученного песка фракциях подтверждают результаты изложенного выше анализа зависимостей Я = /у) и и = /у), причем при сохранении характера полученных графиков абсолютные значения характеристик растут с увеличением крупности изученных образцов [7].

Эти исследования на выделенных из песков фракциях позволили выяснить влияние морфологических особенностей зерен песков на пенетраци-онные характеристики. Полученные в результате экспериментов данные позволили установить различия в максимальных значениях Я и и для песков, отличающихся друг от друга своим морфологическим обликом, причем с ростом обработанности их зерен значения характеристик уменьшаются, тем самым показывая на меньшую прочность песков, состоящих из обработанных зерен. Сопоставление максимальных значений удельного сопротивления Ятах и показателя пенетрации итах для всего песка со средневзвешенными значениями показателя морфологии 1 по их гранулометрическому составу также подтверждают указанные зависимости Я = /Г) и и=/1) [4].

Подводя итог исследованиям прочностных параметров песчаных грунтов, приходим к следующим основным заключениям:

прочностные параметры песков существенным образом зависят от их влажности, будь то максимальные касательные напряжения т по сдвиговым испытаниям, удельные сопротивления пенетрации Я, показатели пенетрации и или полученные тем или иным способом значения угла внутреннего трения и сцепления С;

зависимости прочностных параметров от влажности описываются графиками типичного криволинейного характера с двумя максимумами для сдвиговых испытаний и одним для пенетрации; максимальные значения параметров прочности, по данным сдвиговых испытаний, достигаются для сухих песков и значений влажности, близких к «оптимальной»; для пенетрационных испытаний максимум удельного сопротивления пенетрации и показателя пенетрации также близок к «оптимальной» влажности;

прочностные параметры песков в известной мере зависят от их морфологических особенностей, что и обусловливает различное положение кривых прочность — влажность из координатной плоскости; отмечено, что с ростом степени обработанности зерен песков падает прочность, в большей степени за счет снижения значений сцепления [7].

Таким образом, установлено, что степень влажности является важным фактором приобретения прочности песчаными грунтами с различными структурными характеристиками. Но при формировании структурных особенностей песков, прежде всего их морфологических параметров, а из них морфоскопи-ческих характеристик (особенностей характера поверхности песчаных зерен) заметную роль играет наличие различных пленок на частицах грунта. Ранее нами были уже показаны различия в составе этих пленок и их роль в образовании водных и иных по составу оболочек вокруг частиц песка [6—8]. Рассмотрение вопроса формирования прочности песчаных грунтов при изменяющихся характеристиках среды их залегания, которые обусловлены воздействием нагрузок от сооружений, иногда очень близких к величинам пределов прочности минеральных компонентов грунтов, а также при фильтрации сквозь их толщу загрязненных подземных вод, при потерях из водонесущих коммуникаций, фильтрата свалок и полигонов ТБО, хранилищ осадков сточных вод, и кроме этого температурные воздействия от теплотрасс и других тепловыделяющих сооружений постепенно становятся предметом геоэкологической науки. Развитие классических представлений о формировании прочностных и других характеристик песчаных грунтов в свете новых достижений грунтоведческой науки представляет собой яркий пример интеграции наук о земле, особенно при их практической реализации, например, в строительстве. Изложенный материал представляет собой только предварительный анализ полученных теоретических и экспериментальных данных и, естественно, открыт для обсуждения.

Библиографический список

1. Потапов А.Д. Научно-методологические основы геоэкологической безопасности строительства : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 2002. 312 с.

2. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М. : Высш. шк., 2008. 346 с.

3. Потапов А.Д. Экология. М. : Высш. шк., 2005. 328 с.

4. Платов Н.А., Потапов А.Д., Лебедева М.Д. Песчаные грунты. М. : Изд-во АСВ, 2008. 186 с.

5. Потапов А.Д., Потапов И.А., Шименкова А.А. Некоторые аспекты применимости к песчаным грунтам положений физико-химической теории эффективных напряжений // Вестник МГСУ 2012. № 10. С. 229—239.

6. Потапов И.А., Потапов А.Д., Шименкова А.А. Формирование разных типов энергетических контактов в песчаных грунтах в аспекте физико-химической теории эффективных напряжений // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 210—218.

7. Потапов И.А., Шименкова А.А., Потапов А.Д. Зависимость суффозионной устойчивости песчаных грунтов различного генезиса от типа фильтрата // Вестник МГСУ 2012. № 5. С. 79—86.

8. Потапов А.Д., Потапов И.А., Шименкова А.А. Роль плотности-влажности песчаных грунтов в формировании эффективных напряжений с позиций физико-химической теории // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 104—110.

9. Сенющенкова И.М. Теория формирования и методы развития урболандшафтов на овражно-балочном рельефе : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 2011. Рукопись 376 с.

10. Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах / ИГЭ РАН. М. : ИФЗ РАН, 2012. 74 с.

11. Осипов В.И. Структурные связи как основа оценки физико-механических свойств глинистых пород // Совершенствование методов лабораторных исследований грунтов при инженерных изысканиях для строительства : тезисы докладов 2 Республиканского совещания. М. : Стройизыскания, 1977. С. 29—40.

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

12. Грунтоведение. 6-е изд. / Колл. авт. под ред. В.Т. Трофимова. М. : Изд-во Московского университета, Наука, 2005. 1024 с.

13. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Основные компоненты грунта и их взаимодействие. М. : Стройиздат, 1973. 375 с.

14. Цытович Н.А. Механика грунтов. М. : Госстройиздат, 1963.

15. Сергеев Е.М. Гранулометрическая классификация песков // Вестн. МГУ. Сер. биол. и почв. 1953. № 12. С. 49—56.

16. Потапов А.Д. Морфологическое изучение песков в инженерно-геологических целях : дисс. ... канд. геол.-минер. наук. М. : ПНИИИС, 1981. 243 с.

17. Ребиндер П.А. Структурно-механические свойства глинистых пород и современные представления физико-химии коллоидов // Труды Совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1956. Т. 1. С. 31—44.

18. Михайлов Н.В., Ребиндер П.А. О структурно-механических свойствах дисперсных и высокомолекулярных систем // Коллоидный журнал. 1955. Т. 17. Вып. 2. С. 112—119.

19. Тер-Степанян Г.И. О влиянии формы и расположения частиц на процесс сдвига в грунтах // Изв. АН АрмССР. 1948. Т. 1. № 2. С. 167—185.

20. Горькова И.М. Структурные и деформационные особенности осадочных пород различной степени уплотнения и литификации. М. : Наука, 1966. 128 с.

21. Дуранте В.А. Опыт исследования плотности песков методом глубинного зондирования // Труды Совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1956. Т. 1. С. 249—258.

22. Лысенко М.П. Состав и физико-механические свойства грунтов. М. : Недра, 1972.

23. Дудлер И.В. Значение понятия «плотность — влажность» для изучения и оценки физико-механических свойств песчаных грунтов // Вопросы инженерной геологии. М. : МИСИ, 1977. 7 с.

24. Платов Н.А., Горькова И.М. Структурно-механические особенности мелкозернистых и пылеватых песков // Докл. АН СССР. Сер. геол., 1972. Т. 206. № 5. С. 1204—1206.

25. Ребиндер П.А., Сегалова Е.Е. Новые проблемы коллоидной химии минеральных вяжущих материалов // Природа. 1952. № 12. С. 22—28.

26. Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-геологических целях. М. : Наука, 1966. 136 с.

27. Горькова И^. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М. : Стройиздат, 1975. 151 с.

28. Платов Н.А., Горькова И.М. О природе прочности мелко- и среднезернистых песчаных пород различного генетического типа // Коллоидный журнал. 1973. Т. 35. № 1. С. 57—62.

29. Платов Н.А., Горькова И.М. Типы деформационного и реологического поведения песчаных пород // Докл. АН СССР. 1975. Т. 222. № 2. С. 456—458.

30. Цехомский A.M. О строении и составе пленки на зернах кварцевых песков // Кора выветривания. Вып. 3. М. : Изд. АН СССР, 1959. С. 293—312.

31. Леммлейн Г.Г., Князев В.С. Опыт изучения обломочного кварца // Изд. АН СССР. Сер. геол. 1951. № 4. С. 99—101.

32. Зиангиров Р.С. Объемная деформируемость глинистых грунтов. М. : Наука, 1979. с. 164.

33. ФадеевП.И. Пески СССР. М. : Изд-во МГУ, 1951. Ч. 1. 290 с.

34. Deer W.A., HowieR.A., Zussman I. Rock-forming minerals. 4. Framework silicftes., New York, Wiley. 1963.

35. Барон Л.И. Характеристика трения горных пород. М. : Наука, 1967.

36. МасловН.Н., КотовМ.Ф. Инженерная геология. М. : Стройиздат, 1971. 340 с.

37. Kabai J. The compatibility of sands and sandy gravels. Techn.University Budapest. T. 63. 1968.

Поступила в редакцию в январе 2013 г.

Об авторах: Потапов Иван Александрович — инженер, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, г. Москва, Сухаревская площадь, д. 3, shlusel@yandex.ru;

Потапов Александр Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, adp1946@mail.ru;

Шименкова Анастасия Анатольевна — инженер кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, geolog305@yandex.ru.

Для цитирования: Потапов И.А., Потапов А.Д., Шименкова А.А. Геоэкологическая оценка формирования прочности песчаных грунтов (в аспекте физико-химической теории эффективных напряжений) // Вестник МГСУ. 2013. № 2. С. 166—180.

A.D. Potapov, I.A. Potapov, A.A. Shimenkova

SANDY SOILS: GEO-ECOLOGICAL EVALUATION OF THEIR STRENGTH DEVELOPMENT PROCESS (IN THE CONTEXT OF THE PHYSICAL CHEMICAL THEORY

OF EFFECTIVE STRESSES)

The authors consider the strength development of sandy soils in the contest of the physical chemical theory of effective stresses. The authors drive particular attention to the assessment of formation of various types of energy contacts in sandy soils. The article is based on the overview of theories developed by several researchers, on the one hand, and on the findings of the experimental research of sandy soils that have different structural patterns, on the other hand. The experiments include both those that were held a while ago and the most recent projects. The authors have proven that the strength of sandy soils is, to a significant extent, driven by their morphological peculiarities that determine their condition in the context of the assessment of their "density- moisture". Strength values of sands are dependent on their moisture content both in terms of their maximal shear stress values obtained in the course of shear testing, or their per-unit penetration resistance, penetration values, as well as the inner friction angle and cohesion. The "strength-moisture" is presented as a curvilinear graph that has two upper limits, one for shear tests and the other one for penetration tests. Maximal strength, according to the shear test, is attained for dry sands, if their moisture content is close to the "optimal" value. As for the penetration tests, maximal per-unit resistance to penetration and penetration values are also close to the "optimal" moisture content value. The authors have identified that moisture content is an important factor of strength of sandy soils that demonstrate various structural characteristics.

However, the process of formation of structural peculiarities of sands, namely, their morphological parameters and the nature of the surface of sand particles is influenced by the presence of various films on the surface of sand particles. The article represents a preliminary analysis of the theoretical and experimental findings, therefore, any discussions are welcome.

Key words: physical chemical theory, effective stresses, strength, sandy soils, energy contacts, inner friction, cohesion, contact, morphology, density, moisture content, shear strength, penetration, geo-ecological factors, pollution, filtration, temperature fields, stresses.

BECTHMK ~

2/2013

References

1. Potapov A.D. Nauchno-metodologicheskie osnovy geoekologicheskoy bezopasnosti stroitel'stva [Scientific and Methodological Fundamentals of Geo-ecological Safety of Construction Works]. Moscow, MGSU Publ., 2002, 312 p.

2. Anan'ev V.P., Potapov A.D. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 2008, 346 p.

3. Potapov A.D. Ekologiya [Ecology]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 2005, 328 p.

4. Platov N.A., Potapov A.D., Lebedeva M.D.. Peschanye grunty [Sandy Soils]. Moscow, ASV Publ., 2008, 186 p.

5. Potapov A.D., Potapov I.A., Shimenkova A.A. Nekotorye aspekty primenimosti k pe-schanym gruntam polozheniy fiziko-khimicheskoy teorii effektivnykh napryazheniy [Particular Aspects of Applicability of Provisions of the Physical and Chemical Theory of Effective Stresses to Sandy Soils]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 229—239.

6. Potapov I.A., Potapov A.D., Shimenkova A.A. Formirovanie raznykh tipov energet-icheskikh kontaktov v peschanykh gruntakh v aspekte fiziko-khimicheskoy teorii effektivnykh napryazheniy [Formation of Different Types of Energy Contacts in Sandy Soils in the Framework of the Physicochemical Theory of Effective Stresses]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 210—218.

7. Potapov I.A., Shimenkova A.A., Potapov A.D. Zavisimost' suffozionnoy ustoychivosti peschanykh gruntov razlichnogo genezisa ot tipa fil'trata [Dependence of Suffosion Stability of Sandy Soils of Various Geneses on the Type of Filtrate]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 79—86.

8. Potapov A.D., Potapov I.A., Shimenkova A.A. Rol' plotnosti — vlazhnosti v peschanykh gruntakh v formirovanii effektivnykh napryazheniyakh s pozitsiy fiziko-khimicheskoy teorii [The Role of the "Density - Moisture" of Sandy Soils in Formation of Efficient Stresses from the Perspective of the Physicochemical Theory]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 104—110.

9. Senyushchenkova I.M. Teoriya formirovaniya i metody razvitiya urbolandshaftov na ovrazhno-balochnom rel'efe [Theory of Formation and Methods of Development of Urban Landscapes in the Gully Relief]. Moscow, MGSU Publ., 2011, 376 p.

10. Osipov V.I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazheniy v gruntakh [Physicochemical Theory of Effective Stresses in Soils]. IGE RAN [Institute of Geo-ecology of the Russian Academy of Sciences]. Moscow, IFZ RAN [Institute of Physics of the Earth (IPE)], 2012, 74 p.

11. Osipov V.I. Strukturnye svyazi kak osnova otsenki fiziko-mekhanicheskikh svoystv glinistykh porod [Structural Links as the Basis for Assessment of Physical Mechanical Properties of the Glay Rock]. Sovershenstvovanie metodov laboratornykh issledovaniy gruntov pri inzhenernykh izyskaniyakh dlya stroitel'stva : Tezisy dokladov 2 Respublikanskogo sovesh-chaniya. [Improvement of Methods of Laboratory Testing of Soils as Part of Engineering Surveys for Civil Engineering Purposes. Abstracts of Reports of the 2nd Republican Meeting]. Moscow, Stroyizyskaniya Publ., 1977, pp. 29—40.

12. Trofimov V.T. Gruntovedenie [Pedology]. Moscow, MGU Publ., Nauka Publ., 2005, 1,024 p.

13. Gol'dshteyn M.N. Mekhanicheskie svoystva gruntov. Osnovnye komponenty grunta i ikh vzaimodeystvie. [Mechanical Properties of Soils. Principal Components of Soil and Their Interaction]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1973, 375 p.

14. Tsytovich N.A. Mekhanika gruntov [Soil Mechanics]. Moscow, Gosstroyizdat Publ., 1963.

15. Sergeev E.M. Granulometricheskaya klassifikatsiya peskov [Granulometric Classification of Sands]. Vestn. MGU. Ser. biol. i pochv. [Proceedings of Moscow State University. Biology and Soil Series]. 1953, no. 12, pp. 49—56.

16. Potapov A.D. Morfologicheskoe izuchenie peskov razlichnogo genezisa v inzhener-no-geologicheskikh tselyakh [Morphological Research of Sands of Various Geneses for Engineering Geology Purposes]. Moscow, PNIIIS [Production, Scientific and Research Institute of Engineering Surveying in Construction], 1982.

17. Rebinder P.A. Strukturno-mekhanicheskie svoystva glinistykh porod i sovremen-nye predstavleniya fiziko-khimii kolloidov [Structural and Mechanical Properties of Clay Soils

and the Present-day Ideas of Physics and Chemistry of Colloids]. Trudy Soveshchaniya po inzhenerno-geologicheskim svoystvam gornykh porod i metodam ikh izucheniya [Collected Works of Geo-engineering Properties of Rocks and Methods of Their Study]. Moscow, AN SSSR Publ., 1956, vol. 1, pp. 31—44.

18. Mikhaylov N.V., Rebinder P.A. O strukturno-mekhanicheskikh svoystvakh disper-snykh i vysokomolekulyarnykh sistem [Structural Mechanical Properties of Disperse and High Molecular Systems]. Kolloidnyy zhurnal [Colloid Journal]. 1955, vol. 17, no. 2, pp. 112—119.

19. Ter-Stepanyan G.I. O vliyanii formy i raspolozheniya chastits na protsess sdviga v gruntakh [Influence of Shape and Position of Partickes onto the Process of Shear of Soils]. Izv. AN ArmSSR [News of the Academy of Sciences of Armenian Soviet Socialist Republic]. 1948, vol. 1, no. 2, pp. 167—185.

20. Gor'kova I.M. Strukturnye i deformatsionnye osobennosti osadochnykh porod razli-chnoy stepeni uplotneniya i litifikatsii [Structural and Deformation-related Peculiarities of Sedimentary Rocks That Have Different Compaction and Lithification Values]. Moscow, Nauka Publ., 1966, 128 p.

21. Durante V.A. Opyt issledovaniya plotnosti peskov metodom glubinnogo zondirovani-ya [Practical Research into the Density of Soils Using Method of Deep Sounding]. Trudy Soveshchaniya po inzhenerno-geologicheskim svoystvam gornykh porod i metodam ikh izucheniya [Works of the Meeting Dedicated to the Geo-engineering Properties of Rocks and Methods of Their Study]. Moscow, AN SSSR Publ., 1956, vol. 1, pp. 249—258.

22. Lysenko M.P. Sostav i fiziko-mekhanicheskie svoystva gruntov [Composition and Physical Mechanical Properties of Soils]. Moscow, Nedra Publ., 1972.

23. Dudler I.V. Znachenie ponyatiya «plotnost' — vlazhnost'» dlya izucheniya i otsenki fiziko-mekhanicheskikh svoystv peschanykh gruntov [Meaning of the "Density-Moisture Content" Notion for the Study and Assessment of Physical Mechanical Properties of Sandy Soils]. Voprosy inzhenernoy geologii [Issues of Engineering Geology]. Moscow, MISI Publ., 1977, 7 p.

24. Platov N.A., Gor'kova I.M. Strukturno-mekhanicheskie osobennosti melkozernistykh i pylevatykh peskov [Structural and Mechanical Peculiarities of Small-grained and Dusty Sands]. Dokl. AN SSSR. Ser.geol. [Reports of the Academy of Sciences of the Union of Soviet Socialist Republics. Geology Series]. 1972, vol. 206, no. 5, pp. 1204—1206.

25. Rebinder P.A., Segalova E.E. Novye problemy kolloidnoy khimii mineral'nykh vy-azhushchikh materialov [ New Problems of Colloid Chemistry of Mineral Viscous Materials]. Priroda Publ., 1952, no. 12, pp. 22—28.

26. Gor'kova I.M. Teoreticheskie osnovy otsenki osadochnykh porod v inzhenerno-geo-logicheskikh tselyakh [Theoretical Fundamentals of Assessment of Sedimentary Rocks for Geo-engineering .Purposes]. Moscow, Nauka Publ., 1966, 136 p.

27. Gor'kova I.M. Fiziko-khimicheskie issledovaniya dispersnykh osadochnykh porod v stroitel'nykh tselyakh [Physical Chemical Research into Disperse Sedimentary Soils for Construction Purposes]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1975, 151 p.

28. Platov N.A., Gor'kova I.M. O prirode prochnosti melko- i srednezernistykh peschanykh porod razlichnogo geneticheskogo tipa [Character of Strength of Small and Mid-size Sandy Rocks of Different Genetic Origin]. Kolloidnyy zhurnal [Colloid Journal]. 1973, vol. 35, no. 1, pp. 57—62.

29. Platov N.A., Gor'kova I.M. Tipy deformatsionnogo i reologicheskogo povedeniya peschanykh porod [Type of Deformation-related and Rheological Behavirour of Sandy Rocks]. Dokl. An SSSR. Ser.geol. [Reports of the Academy of Sciences of the Union of Soviet Socialist Republics. Geology Series]. 1975, vol. 222, no. 2, pp. 456—458.

30. Tsekhomskiy A.M. O stroenii i sostave plenki na zernakh kvartsevykh peskov [Structure and Composition of the Film Covering Grains of Quartz Sands]. Kora vyvetrivaniya [Residual Soil]. Moscow, 1959, AN SSSR Publ., no. 3, pp. 293—312.

31. Lemmleyn G.G., Knyazev V.S. Opyt izucheniya oblomochnogo kvartsa [Research into Fragmental Quartz]. AN SSSR Publ., 1951, no. 4, pp. 99—101.

32. Ziangirov R.S. Ob"emnaya deformiruemost' glinistykh gruntov [3D Deformability of Clay Soils]. Moscow, Nauka Pbl., 1979, p. 164.

33. Fadeev P.I. Peski SSSR [Sands of the USSR]. Moscow, MGU Publ., 1951, Part 1, 290 p.

34. Deer W.A., Howie R.A., Zussman I. Rock-forming Minerals. 4. Framework Silicates. New York, Wiley, 1963.

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

35. Baron L.I. Kharakteristika treniya gornykh porod [Characteristic of Rock Friction]. Moscow, Nauka Publ., 1967.

36. Maslov N.N., Kotov M.F. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1971. 340 р.

37. Kabai J. The Compatibility of Sands and Sandy Gravels. Techn. University Budapest, 1968, vol. 63.

About the authors: Potapov Ivan Aleksandrovich — engineer, Scientific and Research Institute of Emergency Healthcare named after N.V. Sklifosovskiy; shlusel@yandex.ru;

Potapov Aleksandr Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; adp1946@mail.ru;

Shimenkova Anastasiya Anatol'evna — engineer, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; geolog305@yandex.ru.

For citation: Potapov I.A., Potapov A.D., Shimenkova A.A. Geoekologicheskaya otsenka formirovaniya prochnosti peschanykh gruntov (v aspekte fiziko-khimicheskoy teorii effek-tivnykh napryazheniy) [Sandy Soils: Geo-ecological Evaluation of Their Strength Development Process (in the ConteXt of the Physicochemical Theory of Effective Stresses)]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 166—180.