Устойчивость водонасыщенных песков при динамическом воздействии

Глава 4. Устойчивость водонасыщенных песков при динамическом воздействии.

Все факторы, влияющие на динамическую устойчивость водонасыщенных песков, можно объединить в три группы: состав и структурные особенности грунтов, их начальное напряженное состояние и параметры внешней нагрузки.

В первом параграфе ( 4.1) этой главы приведены результаты изучения влияния структурных особенностей песков (гранулометрического состава и морфологии частиц) на их динамическую устойчивость. На основе сравнительной количественной оценки энергоемкости деформирования грунтов установлено, что при прочих равных условиях определяющую роль в динамической устойчивости водонасыщенных песков (близких по минеральному составу) играют размер зерен преобладающей фракции и содержание пылевато-глинистых частиц, увеличение которого всегда приводило к заметному повышению деформируемости песков и более легкому их разжижению. Окатанность же частиц и наличие поверхностных пленок имеют подчиненное значение, а влияние неоднородности гранулометрического состава песков и их сортировки не является закономерным. Также показано, что сравнительной, но все же косвенной характеристикой динамической устойчивости песка, на величину которой влияют все его структурные особенности, может служить уплотняемость (по В.А. Приклонскому). Причем сравнение на основе этого параметра правомерно только в пределах одной категории песков по гранулометрическому составу.

Во втором параграфе ( 4.2) представлены результаты изучения влияния начального напряженного состояния (степени плотности, начального соотношения главных напряжений) и условий нагружения (частоты воздействия, амплитуды изменения напряжений, асимметрии цикла нагрузки) на динамическую устойчивость водонасыщенных песков.

Результаты испытаний подтвердили закономерность повышения динамической устойчивости водонасыщенных песков с увеличением их степени плотности. Этот эффект обусловлен увеличением общей площади контактов между частицами и, следовательно, уменьшением возникающих на них напряжений. В работе приведен ориентировочный расчет контактных напряжений для песков разной крупности и плотности сложения, показавший, что при номинальном напряжении 100 кПа, например, в мелком песке напряжения на отдельном контакте изменяются от 192 МПа при средней плотности сложения песка до 171 МПа при плотном его сложении.

Влияние начального соотношения главных напряжений на динамическую устойчивость песков неоднозначно и наименее изучено. Это соотношение моделирует коэффициент бокового давления покоя грунта - К_о. Получено, что с увеличением Ko в диапазоне от 0.4 до 1.2 динамическая устойчивость песков в целом возрастает, однако наиболее заметно сказывается изменение коэффициента бокового давления между 0.7 и 1.2. Причем для песков разной крупности эта зависимость имеет несколько различный характер. Влияние этого фактора, на наш взгляд, определяется одновременно изменением сжимающих боковых напряжений и величины начальных сдвиговых деформаций, развивающихся в грунте при K_o, отличном от 1.

Установлена зависимость динамической устойчивости водонасыщенных песков от скорости приложения нагрузки, которая при постоянной амплитуде напряжений определяется частотой нагружения. Так, увеличение частоты динамического воздействия от 0.004 до 0.04 Гц приводит к заметному повышению динамической устойчивости песков разной крупности, которая при дальнейшем повышении частоты еще на порядок (до 0.33 Гц) остается практически постоянной. Относительно высокая деформируемость песков при очень низких частотах воздействия (тысячные и сотые Гц), но при одинаковом уровне нагрузки, объясняется более продолжительным действием максимальных напряжений в каждом цикле.

Повышение амплитуды изменения напряжений (σ_a) приводит к снижению динамической устойчивости и увеличению скорости деформирования песков разной крупности и плотности сложения. Анализ наших результатов показывает, что эту зависимость можно описать количественно с высокой теснотой связи для любого песка. Однако существует два принципиально разных диапазона значений σ_a, в которых тип этой зависимости меняется с линейной на экспоненциальную. Пограничные значения амплитуды изменения напряжений, при которых происходит смена типа зависимости, контролируются крупностью и плотностью песков.

И все же определяющая роль в динамической устойчивости водонасыщенных песков любой плотности сложения принадлежит относительным перепадам напряжений в цикле нагрузки, которые количественно можно охарактеризовать приведенным коэффициентом асимметрии цикла, предложенным Е.А. Вознесенским (2000):

Получено, что динамическая устойчивость водонасыщенных песков разной крупности практически не зависит от асимметрии цикла в интервале значений ее коэффициента выше некоторого критического (рис. 1). Однако при его уменьшении, в том числе и в область отрицательных величин, наблюдается резкое снижение сопротивляемости песка динамическому воздействию, связанное с инверсией возникающих касательных напряжений.

Анализ результатов показал, что при критическом коэффициенте асимметрии соотношение касательных и эффективных напряжений в образце таково, что возникающее в песке трение минимально. Установлено также, что степень влияния коэффициента асимметрии цикла на деформирование песков зависит от длительности динамического нагружения.

В мировой практике известен подход к оценке устойчивости песков с позиций их критической пористости, который рассматривался в работах А. Казагранде, Н.М. Герсеванова, М.Н. Гольдштейна, В.А. Флорина, Н.Н. Маслова и других исследователей. Однако критическая пористость сегодня практически не используется при оценке устойчивости песков к внешним механическим воздействиям из-за технических трудностей ее определения. Третий параграф ( 4.3) главы посвящен исследованию динамической устойчивости водонасыщенных песков с позиций теории критической пористости. В отдельных разделах параграфа рассмотрены а) новая методика экспериментального определения критической пористости песков, б) результаты изучения основных факторов, определяющих величину критической пористости и в) значение критической пористости при оценке динамической устойчивости песков.

В диссертации автором предложена новая методика экспериментального определения критической пористости водонасыщенных песков в условиях недренированного трехосного сжатия. Она была опробована на песках разной крупности, для каждого из которых проведена серия из 10-15-ти испытаний водонасыщенных образцов разной плотности в режиме монотонного консолидированно-недренированного трехосного сжатия с одинаковыми параметрами в каждом опыте. По характерным перегибам на полученных траекториях эффективных напряжений выделены три стадии деформирования (рис. 2):
1) практически упругое сжатие воды и скелета, деформации не превышают 0.1% (участок АБ);
2) образование локальных зон малых смещений, слияние которых приводит к формированию зон сдвига (участок БВ). При этом деформации в зависимости от начальной плотности песка могут достигать и первых процентов;
3) дальнейшее деформирование песка в пределах сформировавшихся зон сдвига (участок ВГ).

По мнению автора, тип реакции песка на внешнее воздействие отражается в изменениях порового давления и средних эффективных напряжений на второй стадии деформирования, а знак приращения эффективных напряжений указывает на тенденцию к уплотнению грунта или к его разуплотнению. Отсюда пористость песка перед началом сдвига, согласно общепринятому определению, предложенному еще Н.М. Герсевановым, является критической, если процесс формирования зон сдвига не сопровождается изменением его пористости, что в недренированных условиях эксперимента физически эквивалентно нулевым изменениям эффективных напряжений и порового давления.

Основываясь на этих рассуждениях и полученных нами результатах, с точки зрения типа поведения песков при статических нагрузках корректнее выделять только плотное и рыхлое сложение относительно критической пористости песка при данных условиях. Такой подход позволил бы придать понятию "плотность сложения" четкий физический смысл и использовать его для оценки ожидаемой реакции песков на внешние механические воздействия.

На рис. 3 приведен пример определения коэффициента критической пористости для песка средней крупности по результатам серии испытаний на образцах разной плотности.

Для каждого эксперимента определяется приращение эффективных напряжений на второй стадии. Анализ графиков рассеяния этих приращений в зависимости от начального коэффициента пористости позволяет получить критическое значение последнего при условии нулевых изменений эффективных напряжений. Полученные значения критической пористости изученных песков приведены в табл. 1.

Установлено, что критическая пористость песков зависит от их дисперсности, морфологии частиц и величины внешней нагрузки, что согласуется с результатами других авторов.

В пределах изученной выборки максимальные значения критической пористости получены для песков мелких (е_кр=0.74-0.86), промежуточные - для пылеватых (е_кр=0.68-0.78) и минимальные - для песков средней крупности (е_кр=0.58-0.67). При этом с уменьшением параметра d₁₀ критическая пористость песков разной крупности возрастает практически линейно. Критическая пористость также увеличивается с уменьшением сжимающих напряжений.

Таблица 1. Экспериментально полученные значения коэффициента критической пористости (екр) изученных песков
Проба песка	Название по ГОСТ 25100-95	екр	nкр	d10
1	Песок пылеватый	0.52	34	0.01
2		0.68	40	0.05
3		0.78	44	0.03
4		0.73	42	0.03
5	Песок мелкий	0.74	43	0.12
6		0.79	44	0.11
7		0.86	46	0.07
8	Песок средней крупности	0.67	40	0.12
9		0.66	40	0.12
10		0.58	37	0.19

Кроме того, впервые показана зависимость критической пористости и от скорости приложения нагрузки. С повышением скорости нагружения пески мелкие и пылеватые проявляют все большую тенденцию к разуплотнению, что в недренированных условиях отражается в росте эффективных напряжений и, вероятно, обусловлено взаимной фиксацией зерен, которая ограничивает их перемещения. Более крупные разности с увеличением скорости, наоборот, постепенно начинают проявлять тенденцию к уплотнению, что выражается в снижении эффективных напряжений и обусловлено повышением их сжимаемости в результате частичного дробления наиболее крупных зерен.

Отсюда возникает несколько вопросов - существует ли понятие критической пористости при динамическом воздействии, и если да, то, что представляет собой эта величина и как соотносится с критической пористостью в статических условиях. Механизм деформирования песков в статических и динамических условиях сильно различается. Само наличие фаз нагрузки и разгрузки облегчает возможность переориентации и переупаковки частиц, что может выразиться в смене знака дилатансии, и даже не один раз за цикл.

Результаты экспериментов, поставленных для решения этих вопросов, позволяют заключить, что понятие критической пористости песков неприменимо в условиях динамического воздействия. В разных фазах одного цикла происходит изменение величины порового давления (Δμ) и эффективных напряжений (Δp'), а также и знака этих приращений. Поэтому при оценке роли пористости песка в условиях динамического нагружения Δμ и Δp' следует рассматривать за полный цикл при одинаковом уровне касательных напряжений, соответствующем, например, начальному (q_нач) - перед динамическим воздействием.

Во всех случаях в водонасыщенных песках любой плотности по мере накоплении деформаций в результате динамического нагружения в какой-то момент возникает состояние, названное нами нулевой динамической дилатансией, при котором суммарное изменение порового давления за полный цикл нагрузки равно нулю (Δu_д=0). Это состояние связывается нами с формированием в песках зон сдвига постоянной толщины, в пределах которых и локализуется дальнейшее накопление деформаций.

Так, все пески, имевшие перед динамическим нагружением коэффициент пористости, равный критическому для статических условий, в первых циклах воздействия проявляли тенденцию к уплотнению, выражавшуюся в росте порового давления, которая от цикла к циклу ослабевала вплоть до исчезновения. При этом траектории эффективных напряжений смыкаются, образуя "петлю" (рис. 4). Выполняется условие нулевой динамической дилатансии Δp'_д ~ 0 и Δu_д ~ 0 при q=q_нач. Установлено, что количество циклов, необходимое для достижения нулевой динамической дилатансии, зависит от плотности сложения песков и параметров динамической нагрузки, в частности, от асимметрии цикла нагрузки.

Следует отметить, что установленная нами стадийность деформирования песков при сдвиге в условиях статического нагружения проявляется и при динамическом воздействии, но фиксируется только в первом цикле по смещению траекторий эффективных напряжений при формировании зон сдвига в песках разной плотности (рис. 4).

В четвертом параграфе этой главы ( 4.4) рассмотрен опыт практической оценки динамической устойчивости песков для целей проектирования сооружений и проверки установленных закономерностей. На основе результатов проведенных исследований установлено, что сейсмическое разжижение водонасыщенных песков северо-восточной части о. Сахалин в условиях их природного залегания определяется возникновением смены знака касательных напряжений в толще грунтов при ожидаемых сейсмических событиях. Поэтому для надежной экспериментальной оценки поведения песков при динамическом воздействии принципиально важен корректный выбор коэффициента бокового давления. С учетом этого была составлена номограмма для оценки потенциала разжижения песков северо-восточной части о. Сахалин при заданном критическом уровне ускорения колебаний на поверхности массива и магнитуды землетрясения.

Во этой же части работы рассмотрен опыт оценки динамической устойчивости намывных песков Ханты-Мансийского автономного округа, которые широко используются здесь при дорожном строительстве. Установлено, что для динамической устойчивости этих грунтов критическими являются концентрации 10% для пылеватых частиц и 1% - для глинистых. Их превышение катастрофически снижает динамическую устойчивость песков и делает практически непригодными для устройства земляного полотна в условиях высокого увлажнения. Критерием динамической устойчивости служила величина удельной рассеянной энергии, которая оценивалась на момент достижения 5%-ой осевой деформации образцов, поскольку 1) для сравнения энергоемкости деформирования любого грунта важно было выбрать одинаковый уровень деформаций (при этом деформация должна быть достаточно большой, так как с ее увеличением надежность измерения энергоемкости деформирования увеличивается); 2) в большей части проведенных динамических испытаний при достижении 5%-ой деформации в водонасыщенных песках происходило разжижение.

Эти результаты послужили основой для классификации намывных песков этой территории по динамической устойчивости для целей автодорожного строительства (табл. 2). Категории песков с разной динамической устойчивостью в этой классификации выделены на основе установленных нами закономерностей влияния гранулометрического состава песков, в особенности, содержания пылеватых и глинистых частиц.

По нашему мнению, среди изученных песков данного региона только пески I категории (мелкие, с содержанием пылевато-глинистых частиц до 5% и, в отдельности, глинистых частиц - менее 1%) могут использоваться в составе затапливаемых насыпей, испытывающих как транспортные, так и волновые нагрузки. Пески II категории можно использовать в автодорожных насыпях в том случае, если эти части земляного полотна не будут эксплуатироваться в затопленном состоянии. Пески же III и IV категорий малопригодны для автодорожного строительства, и требуют оптимизации своего гранулометрического состава за счет добавления чистых мелких песков I категории или внесения других <отощающих> добавок более грубого механического состава, как например, гравия, шлака и др.

Таблица 2. Классификация намывных песков Ханты-Мансийского АО по динамической устойчивости для целей автодорожного строительства
Разновидности песков	Категории	Содержание частиц мельче 0.05 мм,%	Содержание глинистых частиц (мельче 0.001 мм), %	Характеристика динамической устойчивости		Рекомендации по использованию
				в водонасыщенном состоянии	во влажном состоянии
мелкие	I	=< 5	< 1	Достаточная динамическая устойчивость при транспортных нагрузках. Разжижение и развитие значительных деформаций возможно в отдельных случаях при длительных и интенсивных нагрузках (τσ >= 0.42) от волн высотой не менее 0.8 м. Энергоемкость разжижения выше 8 кДж/м3.	Высокая динамическая устойчивость	Рекомендуется использовать для затапливаемых частей автодорожных насыпей, в т.ч. пойменных, испытывающих волновые нагрузки.
	II	5 < FC =< 10		Недостаточная динамическая устойчивость. Возможно развитие значительных деформаций при транспортных и волновых нагрузках умеренной интенсивности (высота волн 0.5-0.7 м), а также разжижение при кратковременных интенсивных воздействиях от волн высотой 0.8 м и более. Энергоемкость разжижения 4-8 кДж/м3.	Высокая динамическая устойчивость	Рекомендуется использовать только для верхних незатапливаемых частей земляного полотна. В этом случае возможно использовать без дополнительного укрепления методами технической мелиорации.
мелкие и пылеватые	III	1 < FC =< 10	>= 1	Низкая динамическая устойчивость. Возможно проявление плывунности. Быстрая разжижаемость при действии волн выше 0.5 м, развитие значительных деформаций при нагрузках от движущегося транспорта. Энергоемкость разжижения менее 4 кДж/м3.	Достаточная динамическая устойчивость	Возможно использовать только для незатапливаемых частей земляного полотна при эксплуатации в неводонасыщенном состоянии. Для повышения динамической устойчивости рекомендуется использовать в оптимизированных смесях с более чистыми песками I категории.
пылеватые	IV	> 10	не регламентируется	Ничтожная динамическая устойчивость. Легкая разжижаемость при транспортных и волновых нагрузках умеренной интенсивности (высота волны 0.4-0.5 м, τσ >= 0.22). Энергоемкость разжижения 1.5-2.5 кДж/м3.	Низкая динамическая устойчивость. Возможны значительные деформации.	Нецелесообразно использовать для дорожного строительства. В отсутствии альтернативы допустимо укладывать в земляное полотно, при эксплуатации в маловлажном (Sr < 0.5) состоянии.
τσ=τ/σ3 - приведенная амплитуда динамических напряжений, τ - амплитуда динамических касательных напряжений, σ3 - горизонтальное сжимающее напряжение