Явление капиллярности и усадка грунтов
Как уже указывалось, пределы текучести и пластичности имеют определенный физический смысл. Ho для возможности сопоставления грунтов их определение выполняется некоторым образом, являющимся результатом произвольного соглашения между исследователями.
Однако предел усадки w грунта прямым образом связывается своим значением с условием изменения физического состояния грунта, связанного с явлением капиллярности.
Вода характеризуется определенным поверхностным натяжением, которое равно 75 дин (0,0764 г) на 1 см. В весьма тонких трубках, называемых капиллярными, возникает эффект поднятия воды в силу образования так называемого мениска. Чем тоньше трубка, тем выше поднимается в ней вода. При равновесии мениск приобретает форму полусферы с диаметром, равным диаметру капиллярной трубки.
Это явление вызывается поверхностным натяжением воды и притяжением ее молекул к стенкам трубки. Предпосылкой для этого притяжения и для всех явлений, вытекающих из капиллярного поднятия, служит большее сродство между жидкостью и материалом, который она смачивает, чем между этим материалом и воздухом. Такое большее сродство существует между водой и стеклом, металлом, горной породой и грунтом. Некоторые другие материалы, например керосин, имеют большее сродство с воздухом, чем с водой. Следовательно, покрытие керосином всех частиц грунта исключает явление капиллярности.
Условие равновесия требует, чтобы вес воды, удерживаемой силой поверхностного натяжения, уравновешивался вертикальной составляющей этой силы (рис. 4.5), т. е.
Равновесие достигается, когда угол а равен нулю; следовательно:
где H — высота капиллярного поднятия в см;
D — диаметр трубки в см;
а — угол, образованный стенками трубки и касательной к мениску в точке контакта со стенкой.
Сила, которая удерживает воду в капиллярной трубке, как показано на рис. 4.5, уравновешивается силой, которая сжимает стенки такой трубки. Отчетливое представление о существовании и действии этой силы можно получить, рассматривая поведение сжимаемых капиллярных трубок при возможности испарения из них воды. Представим себе такую трубку, полностью заполненную водой и затем подвергнутую высушиванию. Сразу после начала испарения, вызвавшего появление слегка искривленных менисков, столбик воды в трубке станет несколько короче. В процессе продолжительного испарения мениск приобретает все более и более искривленную форму, в то время как столбик воды становится все ниже. Действующая вдоль стенок трубки составляющая силы, вызванной поверхностным натяжением воды, соответственно увеличивается, вызывая сокращение длины трубки, если она сжимаема. В момент, когда увеличивающееся сопротивление трубки станет равным максимально возможному значению сжимающего усилия, никакое дальнейшее сокращение длины трубки отмечаться уже не будет. При последующем испарении мениск будет уходить уже внутрь трубки. При погружении трубки в воду сила, действующая на нее, исчезнет. Если трубка выполнена из совершенно упругого материала, ее длина при этом восстановится до своей первоначальной величины.
Во многих встречающихся на практике случаях важно знать, до какой степени может доходить в грунте высота активного капиллярного поднятия. Такая необходимость возникает, например, при оценке вероятной степени пучения грунтов под дорожным покрытием в период морозов в результате подсасывания воды из нижележащего горизонта грунтовых вод, приводящего к образованию кристаллов льда.
Высота капиллярного поднятия измеряется или путем непосредственного наблюдения за грунтом, наполняющим стеклянную трубочку, — так называемой активной капиллярности, или измерением в специальном приборе силы отсасывания, необходимой для преодоления капиллярных сил в порах грунта, — пассивной капиллярности. Последняя играет определенную роль в природе, осуществляя дренирование грунтовой толщи при понижении уровня грунтовых вод. Согласно исследованиям Терцаги, максимальное сжимающее давление р', которое может возникнуть в результате действия капиллярных сил в грунте, подвергаемом высушиванию, равно:
где b — сторона капиллярного отверстия в см; предполагается, что это отверстие при равновеликой площади имеет квадратную форму.
Табл. 4.1 может дать представление о теоретических величинах сжимающего давления р', если предположить, что размер отверстий равен размеру частиц.
Такие большие величины активного капиллярного поднятия для глин, как указанные в табл. 4.1, однако, редко наблюдаются в природе отчасти из-за образования усадочных трещин, но главным образом из-за уменьшения свободного диаметра пор за счет пленок воды, адсорбированной на поверхности частиц. Существуют указания на то, что теоретические значения Hmax для пассивной капиллярности и величины максимального капиллярного давления не должны оцениваться слишком высоко.
Уменьшение объема глинистых грунтов при высушивании, или их усадка, вызывается капиллярными силами. Оно прекращается при так называемом пределе усадки ws. Мениски воды в порах грунта при этом погружаются внутрь образца, что вызывает изменение окраски грунта от темной к светлой. На этой стадии из-за капиллярных сил могут возникнуть весьма большие давления, особенно в глинистых грунтах. Характерная форма усадочных трещин возникает после ее усыхания на поверхности глинистой толщи, ранее находившейся в текучем состояний (рис. 4.6). Эта форма обусловливается сопротивлением усадке, возникающим по нижней поверхности подсыхающего слоя.
Если грунт вновь будет насыщен водой, действие капиллярных сил прекратится. Грунт начнет всасывать воду и разбухать. Глина, как неполностью упругое тело, достигает при этом своего первоначального объема не полностью, особенно если до высушивания она характеризовалась высокой влажностью.
Понятие о пределе усадки иногда используют для быстрой предварительной оценки возможного влияния на свойства глинистых грунтов нарушения их структуры. Глина, на которую нарушение, структуры оказывает неблагоприятное воздействие, будет иметь в таком состоянии более низкий предел усадки, чем в ненарушенном, так как нарушение структуры глинистых грунтов, как правило, уменьшает прочность их скелета, сложенного твердыми частицами, и их сопротивление сжатию. Однако более удобный способ оценки структурной прочности (sensitivity) глинистых грунтов обеспечивается испытанием на сжатие их в условиях одноосного напряженного состояния.