Влияние давления всасывания глинистых неполностью водонасыщенных грунтов на устойчивость склона

Одним из важных факторов, который может оказать влияние на устойчивость склона, сложенного глинистыми неводонасыщенными грунтами, является давление всасывания глинистых грунтов. В данной работе рассмотрены основные аспекты этого явления, его влияние на характеристики грунта, а также представлена модель описания поведения грунта под воздействием давления всасывания.

Теория

Ненасыщенный грунт представляет собой многофазовую систему, состоящую из твердых частиц, воды, газов и сократительной оболочки — уникальной фазы границы раздела воздух — вода [8]. Поведение полностью насыщенного грунта определяется полным напряжением и поровым давлением воды через эффективное напряжение [3]. В случае насыщенных грунтов возникает положительное поровое давление воды, которое расталкивает частицы и уменьшает прочность грунта. Положительное поровое давление создает условия для притяжения воды к частицам грунта и образования связей между ними, т.е. абсорбции — процесса поглощения воды всем объемом грунта.

В ненасыщенном грунте пустоты заполняются воздухом и водой, в результате чего силами поверхностного натяжения создается отрицательное поровое давление воды. Это воздействие способствует сжатию частиц грунта и увеличению его прочности. Комплексное понимание этих процессов и их моделирование имеют важное значение для правильной оценки состояния грунта и его поведения в различных условиях.

В однородной модели насыщенного грунта, как показано на рисунке 1, две фазы — вода и твердые частицы — сосуществуют и разделяют пространство в зависимости от пористости грунта. Все переменные в этой модели непрерывны и зависят от пространства и времени.

В однородной модели ненасыщенного грунта (рис. 2) существуют три фазы: вода, воздух и твердые частицы. Пространство также разделяется в зависимости от пористости грунта и объемного содержания воды. Все переменные в этой модели также являются непрерывными и зависят от пространства и времени.

Абсорбция воды именно глинистыми грунтами способствует возникновению капиллярности. Капиллярность — это явление подъема или опускания жидкости в узких каналах (капиллярах) под воздействием сил поверхностного натяжения, т.е. вода, попадая в поры грунта, движется по капиллярам — маленьким трубкам. Капиллярность играет важную роль в ненасыщенном грунте, особенно в грунтах, содержащих глинистые частицы, которые имеют большую площадь поверхности, что позволяет им активно поглощать воду и другие вещества. В порах грунта, имеющих различные размеры и формы, можно концептуально рассмотреть капиллярные трубки с различными радиусами. Равновесие кривизны менисков [4] возможно только в порах определенного размера, соответствующего данному капиллярному давлению.

Давление всасывания — это отрицательное давление, которое возникает в порах грунта, частично насыщенного водой, в результате капиллярного поднятия воды. В глинистых грунтах капиллярность и давление всасывания являются двумя связанными понятиями, ведь оба явления возникают из-за действия сил на границе раздела между грунтом и водой. Поскольку капиллярность и давление всасывания определяют способность грунта удерживать влагу и сохранять свою структуру, то это, в свою очередь, влияет на физико-механические свойства глинистых грунтов. При этом большинство грунтов имеют остаточное содержание влаги из-за механизма удержания воды, отличного от капиллярности, называемого адсорбцией.

Адсорбция и абсорбция являются процессами поглощения одного вещества другим. В случае адсорбции вещество поглощается на поверхности другого вещества, а в случае абсорбции — проникает в объем. Ненасыщенные глинистые грунты представляют собой грунты, которые имеют высокую адсорбционную способность. Адсорбция может влиять на всасывание в грунтах, улучшая или ухудшая их водоудерживающую способность [16][18].

Давление всасывания возникает при изменении водосодержания в глинистых грунтах и представляет собой разность между атмосферным давлением и давлением в порах грунта. Если оно будет положительным, это может привести к снижению устойчивости склонов, так как вода, проникающая в поры грунта, увеличивает его влажность и снижает сцепление между частицами.

Для описания поведения воды и процессов, происходящих в ненасыщенных глинистых грунтах, используется уравнение Ричардса [1].

(1)

Для решения уравнения Ричардса необходимы замыкающие соотношения (модели водоудерживающей способности). Для этого используют алгебраические уравнения связи высоты всасывания ψ с влагосодержанием θ, называемые капиллярными соотношениями. Также нужны соотношения, связывающие коэффициент фильтрации K(ψ) и высоту всасывания ψ. Одним из достаточно успешных вариантов решения является уравнение Муалема — Ван Генухтена. Модель ван Генухтена представляет собой математическую формулу, которая позволяет рассчитать объемную влажность грунта на основе его пористости, коэффициента влагопроводности (коэффициент влагопроводности аналогичен коэффициенту фильтрации, но применяется он для ненасыщенных грунтов) и других параметров. Таким образом, имеется подход к моделированию порового давления в ненасыщенных грунтах, учитывающий изменение пористости грунта и его проницаемости в зависимости от уровня влажности. Одна из широко используемых формулировок имеет вид [1]:

(2)

SWCC — интерпретирующая модель, которая использует элементарную капиллярную модель для обеспечения понимания распределения воды в пустотах. Первоначально SWCC рассматривалась как средство оценки всасывания грунта в полевых условиях путем измерения содержания свободной воды и использования SWCC в качестве фиксированной зависимости между всасыванием и содержанием воды (рис. 4).

Связь кривой SWСC и влажности может быть выражена через параметр «структурное всасывание», который учитывает поровое давление воды в грунте, в том числе отрицательное. Таким образом, характеристическая кривая «грунт — вода» SWCC представляет собой отношение между структурным всасыванием (энергетическим потенциалом) и содержанием воды (гравиметрическим или объемным) или степенью водонасыщения (S_r) [17]. Для построения кривой необходимо определить структурное всасывание грунта в зависимости от влажности.

Структурное всасывание, или энергетический потенциал, представляет собой изменение свободной энергии в единице объема воды при изотермическом переходе из состояния связанной воды в состояние свободной воды и определяется в репрезентативном элементарном объеме грунт — вода — воздух. Структурное всасывание широко рассматривается как наиболее фундаментальная физическая переменная, определяющая поведение ненасыщенного грунта, в том числе эффективное напряжение, прочность на сдвиг, давление набухания, снижение температуры замерзания и теплопроводность.

В этом исследовании для определения, как общего, так и структурного всасывания [17][20] выбран метод фильтровальной бумаги по причине простоты выполнения испытания, широкого диапазона измеряемых значений и достаточного количества апробации [14].

Метод основан на водопоглощающих свойствах фильтровальной бумаги, используемой в качестве фильтра. Путем взаимодействия с грунтовой средой фильтровальная бумага либо десорбирует, либо абсорбирует влагу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между фильтровальной бумагой и образцом грунта [13].

Влияние давления всасывания на устойчивость склона

Как уже говорилось выше, давление всасывания и капиллярность могут оказывать влияние на физико-механические свойства грунтов, а они, в свою очередь, воздействуют на величину коэффициента устойчивости склона. В качестве практического примера влияния давления всасывания на устойчивость склона рассмотрим объект, расположенный в г. Зеленограде.

Инженерно-геологический разрез представлен:

• современными техногенными (насыпными) накоплениями tQIV, представленными суглинками тугопластичными; песками мелкими средней плотности;
• среднечетвертичными флювиогляциальными водно-ледниковыми и озерно-ледниковыми отложениями московского горизонта f,lgQII^ms, представленными суглинками мягко- и тугопластичными, редко заторфованными; песками мелкими средней плотности;
• среднечетвертичными ледниковыми отложениями московского горизонта gQII^ms, представленными суглинками тугопластичными; песками средней крупности, плотными.

При создании геомеханической модели для упрощения расчетов массив грунта представлял собой однородный грунт, сложенный суглинками мягко- и тугопластичными в естественном состоянии. В таблице приведены физико-механические свойства грунта.

Для рассматриваемого в модели грунта в лабораторных условиях бесконтактным и контактным методом фильтровальной бумаги [5—7][12][13][19] для выборки из 30 образцов было определено содержание воды, по которым в соответствии с известной калибровочной кривой [15] получены значения полного и структурного всасывания. Далее была построена характеристическая кривая «грунт — вода» (рис. 5).

В дальнейшем в программном обеспечении Plaxis были выполнены расчеты без учета давления всасывания и с учетом давления всасывания, при этом все остальные параметры модели оставались неизменными [9—11].

Результаты моделирования представлены на рисунках 6—8.

Анализ рисунков показал, что коэффициент устойчивости склона без учета всасывания и капиллярности грунта, равен 1,46 (рис. 7). При учете всасывания и капиллярности коэффициент устойчивости повышается до 1,67 (рис. 8). Если в процессе моделирования учитывать только давление всасывания без учета капиллярности (рис. 9), то коэффициент устойчивости составляет 1,66.

Заключение

В результате проведенного опыта можно сделать вывод о том, что давление всасывания и капиллярность могут влиять на свойства грунтов. Так, при повышении давления всасывания увеличивается влажность грунта, что может привести к снижению его прочности. Кроме того, увеличение давления всасывания может также привести к изменению структуры грунта, что также может повлиять на его свойства.

Таким образом, давление всасывания может оказывать влияние на устойчивость склона через его воздействие на физико-механические свойства грунта. Если давление всасывания приводит к увеличению влажности грунта и снижению его прочности, это может снизить коэффициент устойчивости склона и, следовательно, сделать склон менее устойчивым, что было показано в выполненном моделировании.

ВКЛАД АВТОРОВ / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Новгородова М.А. — является основным автором статьи, участвовала в написании и редакции текста статьи и согласна принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Горобцов Д.Н. — сгенерировал цель исследования, поставил задачи исследования и участвовал в редакции текста статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Ушаков А.С. — проанализировал результаты исследования, подготовил данные и выполнил расчеты и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Margarita A. Novgorodova — is the main author of the article, participated in the writing and editing of the text of the article and agrees to accept responsibility for all aspects of the work.

Denis N. Gorobtsov — generated the purpose of the study, set the research objectives, participated in the editing of the text of the article, and agrees to accept responsibility for all aspects of the work.

Andrey S. Ushakov — analyzed the research results, prepared the data, performed the calculations, and agrees to accept responsibility for all aspects of the work.