Влияние минерального состава и микростроения моренных глинистых грунтов на их свойства (на примере плейстоценовых моренных отложений г. Москвы)

Глава 5. Взаимосвязь минерального состава и микростроения моренных глинистых грунтов г. Москвы с их свойствами.

Для выявления взаимосвязей и получения тесных корреляционных зависимостей между компонентами минерального состава, количественными параметрами микростроения и показателями свойств моренных глинистых грунтов автор провел предварительную обработку имеющихся данных по всей коллекции образцов с помощью факторного анализа. Наилучшие результаты получились, когда факторный анализ проводился раздельно для выборки образцов суглинков московской морены (44 образца) и донской морены (31 образец) по 28 переменным, включающим 7 показателей минерального состава, 9 параметров микростроения и 12 показателей свойств. Для исключения влияния на результаты анализа гранулометрического состава и степени заполнения пор водой, исследования проводились только на образцах суглинков тяжелых (по классификации Н.А. Качинского) со степенью влажности не менее 0,85.

В ходе факторного анализа были получены факторные модели связи переменных и распределения образцов для московской и донской морен в осях 1 и 2 факторов.

Полученные факторные модели структуры связи переменных имеют схожий вид как для московской, так и донской морен. Максимальную изменчивость выборки обеспечивают такие переменные, как влажность (W), верхний (W_L) и нижний (W_p) пределы пластичности, число пластичности (I_p), плотность (ρ), плотность скелета грунта (ρ_d), общая пористость (n), содержание межмикроагрегатных (n*=n₃+n₄) и <серповидных> (n₅) микропор, интегральный показатель микроструктуры дисперсность (D), показатель консистенции (IL), содержание кварца (Qtz), РАВ (RAS), сумарное содержание РАВ и глинистых минералов (RAS+Gl), прочность на одноосное сжатие (R_c), угол внутреннего трения (φ), сцепление (c) и модуль общей компрессионной деформации (Е_ок). Величина нагрузки на факторную ось этих переменных изменялась от 0,93 до 0,64. Остальные переменные не оказывают существенного влияния на изменчивость выборки.

Анализ факторной модели распределения образцов в осях 1 и 2 факторов для московской и донской морен показал, что они группируются в обособленные группы точек, характеризующиеся различным числом пластичности и показателем консистенции моренных суглинков. Так, в соответствии с классификацией ГОСТ 25100-95, для московской морены можно выделить следующие группы образцов: суглинки легкие полутвердые, тяжелые полутвердые, легкие тугопластичные и тяжелые тугопластичные (рис. 3). Для донской морены выделяются: суглинки тяжелые полутвердые, легкие твердые и тяжелые твердые.

Проведение множественного регрессионного анализа внутри каждой из полученных групп образцов моренных суглинков показало, что между показателями прочностных (R_c, φ, c) и деформационных (Е_ок) свойств, а также количественными параметрами минерального состава (Qtz, RAS, RAS+Gl), микростроения (n, n*, n₅, D) и плотности с учетом изменения естественной влажности грунтов существуют в основном тесные и весьма тесные корреляционные взаимосвязи.

На рис. 4 показан пример трехмерного графика и уравнение множественной регрессии между прочностью на одноосное сжатие (R_c, МПа), естественной влажностью (W, %) и вкладом межмикроагрегатно-зернистых <серповидных> микропор в общую пористость (n₅, %) для суглинков легких твердых донской морены.

Все полученные зависимости описываются уравнением регрессии степенного вида: Y = ab^X₁X₂^c, где Y - прочностные или деформационные показатели, X₁ - естественная влажность, X₂ - параметр минерального состава, микростроения или плотность; a, b и c - коэффициенты.

В таблице 2 приведены уравнения множественной регрессии и соответствующие им коэффициенты корреляции полученных зависимостей для выборки суглинков легких твердых донской морены.

Установленные корреляционные зависимости имеют одинаковые тенденции изменения во всех выявленных группах образцов суглинков московской и донской морен. Например, значения R_c, φ, с и Е_ок (в интервале нагрузок 0,1-0,3 МПа) убывают с увеличением содержания кварца и ростом естественной влажности. Подобное изменение показателей прочностных и деформационных свойств объясняется <опесчаниванием> моренных суглинков с ростом содержания кварца. При этом наблюдается некоторое <разрыхление> структуры, уменьшается число контактов между твердыми структурными элементами грунта, и, как следствие, происходит снижение прочностных и деформационных показателей грунтов.

Анализ изменения показателей прочностных и деформационных свойств моренных суглинков московской и донской морен в зависимости от содержания в них РАВ и изменения естественной влажности показал, что значения R_c, φ, с и Е_ок возрастают с увеличением содержания РАВ и снижением значений естественной влажности.

Подобное изменение показателей прочностных и деформационных свойств может быть связано с увеличением количества контактов между твердыми структурными элементами в моренных суглинках по мере роста содержания в них высокодисперсного РАВ. Данный факт подтверждается РЭМ-исследованиями образцов моренных отложений, когда при больших увеличениях на контактах между зернами, покрытыми глинистыми рубашками, и ультрамикроагрегатами, были обнаружены скопления высокодисперсного вещества, состоящего из мельчайших округлых частичек с диаметром около 30 нм, собранных в глобулярные агрегаты с размерами 100-200 нм.

Исследования минерального состава показали, что во многих образцах моренных отложений донского оледенения в состав РАВ, помимо глинистых минералов, входят высокодисперсные карбонатные минералы, которые также могут способствовать цементации глинистой матрицы, усиливая прочность грунта. Помимо этого, при микроструктурных исследованиях в образцах моренных суглинков донского оледенения было отмечено присутствие многочисленных нитевидных кристаллов кальцита. Такие кристаллы как бы <сшивают> глинистую матрицу и способствуют повышению прочности грунта. Наличие нитевидных микрокристаллов кальцита, образующих подобие дополнительного структурного каркаса в грунте, также может объяснить тот факт, что несмотря на более низкую плотность суглинков донской морены, они имеют более высокую прочность по сравнению с суглинками московской морены.

Анализ зависимостей R_c, φ, с и Е_ок моренных суглинков московской и донской морен от суммарного содержания в них РАВ и глинистых минералов, а также естественной влажности, показал, что они имеют такой же характер изменения, как зависимость этих показателей от содержания в них РАВ. Подобное поведение прочностных и деформационных показателей, также как и в предыдущем случае, объясняется ростом количества контактов между твердыми структурными элементами по мере увеличения в них содержания высокодисперсного, преимущественно глинистого вещества.

Изучение взаимосвязей прочностных и деформационных свойств моренных суглинков с количественными параметрами микроструктуры показало, что значения R_c, φ, с и Е_ок снижаются с ростом общей пористости, увеличением содержания межмикроагрегатных (крупных и мелких) и межмикроагрегатно-зернистых <серповидных> микропор, а так же с возрастанием значения интегрального параметра микростроения - дисперсности (D).

Зависимость снижения значений R_c, φ, с и Е_ок с ростом общей пористости объясняется известной взаимосвязью между показателями прочностных и деформационных свойств, общей пористостью и естественной влажностью.

Влияние содержания межмикроагрегатных микропор на R_c, φ, с и Е_ок практически аналогично влиянию общей пористости на прочностные и деформационные свойства грунтов, так как мелкие и крупные межмикроагрегатные микропоры в сумме составляют большую (до 80%) часть порового пространства грунта.

Возрастание вклада межмикроагрегатно-зернистых <серповидных> микропор в общую пористость приводит к снижению показателей прочностных и деформационных свойств. Это обусловлено тем, что такие поры являются своеобразными многочисленными <дефектами> структуры грунта, возрастание которых существенно снижает его прочность и существенно ускоряет процесс формирования поверхностей разрушения грунта при механических нагрузках.

Анализ зависимостей прочностных и деформационных свойств суглинков московской и донской морен от интегрального параметра микростроения и изменения естественной влажности показывает, что значения R_c, φ, с и Е_ок убывают по мере роста параметра дисперсности (D) и величины естественной влажности. Этот факт связан с возрастанием размеров структурных элементов в грунтах, по мере увеличения параметра D и, как следствие, уменьшением количества контактов между ними.