Насыпные грунты образуются в результате деятельности человека и по своему составу, сложению и физико-механическим свойствам резко отличаются от естественных отложений. Кроме того, насыпные грунты (особенно на городских свалках бытового и хозяйственного мусора) состоят из самых различных материалов, включая природные грунты с нарушенной структурой, отходы различных производств и бытовые отбросы.

Наиболее часто встречаются насыпи, состоящие из грунтов с нарушенной естественной структурой. Это главным образом песчаные, глинистые грунты и их разновидности. Широко распространены насыпные грунты, являющиеся отходами различных производств (например, в районах металлургических предприятий — отвалы отходов из доменных и мартеновских шлаков, колошниковой пыли; для литейных предприятий — отвалы и свалки формовочной земли, ваграночных шлаков и т.п.). За последние десятилетия значительно возросли объемы и площади, занятые золошлаковыми отходами. Закономерно увеличиваются отходы химической, машиностроительной, угольной и горнодобывающей промышленности, строительного и бытового мусора.

Характерным одя насыпных грунтов является то, что по своему составу они чаще всего неоднородны и содержат включения неорганических и органических материалов, распределенных хаотично по объему насыпи. В результате организованной отсыпки образуются практически однородные по составу и сложению насыпи. К ним, в частности, относятся планомерно возведенные насыпи, некоторые отвалы природных грунтов нарушенной структуры, золы и шлаков.

Упрочнение насыпных грунтов во времени зависит от целого ряда факторов, к основным из которых относятся: вид грунтов, их состояние и состав, способы отсыпки и уплотнения, изменение во времени гидрологического режима в теле отсыпки, давность отсыпки и т.д.

В насыпных грунтах, относящихся к грунтам природного происхождения, обычно преобладают процессы упрочнения. Вопрос об упрочнении насыпных грунтов, как и вообще решение задачи о природе прочности грунтов, до конца не изучен.

Анализ исследований показывает, что причины возникновения связности глинистых грунтов заключаются в том, что на поверхности силикатов при их растворении возникают коллоидные оболочки кремнегеля, способствующие цементации частиц.

В песчаных грунтах кварцевые частицы за счет взаимодействия кремнегеля могут слипаться между собой и при определенных условиях упрочнять породы во времени. Исследования по упрочнению были проведены на намытых песках, являющихся отходами (хвостами) горно-обогатительной фабрики. Отходы складированы в нескольких хвостохранилищах, давность образования которых к моменту исследований составляла 1,5 года и 25 лет. Пески мелкозернистые кварцево-глауконитово-фосфатные, их плотность в сухом состоянии pd = 1,48 … 1,52 т/м3; влажностью = 0,142 … 0,192. На рис. 1.1 показаны изменения показателя упрочненности уя намытых песков во времени, представляющего собой отношение А{/А{0, где At и Ato — деформационные прочностные характеристики или сопротивления зондированию песков на период наблюдения Г и в момент образования t0. Из графиков видно, что интенсивность упрочнения во времени снижается, а показатели упрочненности по модулю деформации Е и сопротивлению динамическому зондированию Qd возрастают. Наибольшая интенсивность упрочнения в исследуемых песках происходит в начальный период после их образования (t = 2 … 3 г.), затем она постепенно затухает.

Закономерности упрочнения во времени насыпных глинистых грунтов, как правило, аналогичны песчаным, но отличаются тем, что процесс упрочнения и его интенсивность происходят, при прочих равных условиях, значительно медленнее. По имеющимся данным, наиболее интенсивное упрочнение происходит в течение 5 … 10 лет и более.

Процесс упрочнения во времени золы и золошлака, образованных в результате термохимических превращений неорганической части топлива, изучен недостаточно. Физические и химические свойства золы и золошлака зависят от многих факторов, которые в совокупности часто не позволяют выявить строгую закономерность изменения прочностных и деформационных характеристик во времени. Вместе с тем данные частных определений отдельных свойств золы и золошлака свидетельствуют о том, что в общем случае зольные отложения менее прочны по сравнению со шлаковыми и золошлаковыми: отложения на золоотвалах весьма неоднородны по прочностным и деформационным характеристикам; слежавшиеся отложения прочнее свеженамытых.

Кроме того, физико-химические свойства намывного золошлакового материала изменяются при фильтрации, сопровождающейся химической суффозией, ионным обменом, химической кольматацией. Эти физико-химические процессы постепенно могут изменить проницаемость и механические свойства отложений. Характеристики намытого материалу изменяются так же под влиянием атмосферных явлений, например ливня, атмосферной карбонизации и т.д. Установлено, в частности, что гидравлически активные минералы золошлаковых материалов влияют на консолидацию и прочность отложений на золоотвалах.

Отдельные составляющие золошлаковых материалов разделяют на три группы: по гидравлической активности и по типу твердения. К первой группе относят минералы, обладающие высокой гидравлической активностью и способностью к самостоятельному твердению; ко второй — минералы с низкой гидравлической активностью, которая интенсифицируется в присутствии минералов первой группы, и они совместно участвуют в процессах твердения, к третьей — гидравлически инертные минералы, причем способностью к цементации могут обладать только те золошлаки, в которых присутствуют самостоятельно твердеющие минералы, например гипс, свободная окись кальция, силикаты и т.д. В то же время степень цементации, прочность сцементированной зольной массы, период достижения максимальной прочности отложений определяются не только количеством минералов, способных к цементации, но и другими факторами, например их дисперсностью, фазовым состоянием вещества и т.д.

Анализируя результаты исследований по определению прочностных характеристик намытого на золошлакоотвалах различных ТЭС материала, можно отметить следующее: угол внутреннего трения <р в основном зависит от формы частиц, влажности (чем меньше влажность, тем больше сопротивление сдвигу, и наоборот). Сцепление зольных отложений зависит от химического и минерального состава, крупности фракций, условий хранения намытого материала.