Водно-физические свойства грунтов.

ИНЖЕНЕРНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ

Грунтоведение — это наука, которая изучает состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и изменения в процессе инженерно-строительной деятельности человека.

По Е.М. Сергееву под грунтами понимают любые горные породы, почвы и техногенные образования, которые залегают в верхней части земной коры и используются в качестве основания зданий, сооружений, дорог, как материал для сооружений (насыпей, плотин и др.) или среда для размещения подземных объектов.

Эта наука изучает свойства грунтов в зависимости от их состава, строения и структурно-текстурных особенностей, степени выветрелости, характера взаимодействия с водой, учитывая происхождение (генезис) и условия формирования грунтов.

Состав грунтов

Грунт рассматривают как динамичную систему, которая состоит из четырех компонентов (фаз):

твердая – минеральная часть грунта, твердое органическое вещество;

жидкая – вода, заполняющая промежутки между твердыми минеральными частицами;

газовая – газы в порах грунта;

биотическая – живые организмы и микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности.

Суммарный объем многофазовой системы грунта (V) складывается из объемов: твердой минеральной части (V_s), жидкой фазы (V_w), газовой фазы (V_a) и биотической составляющей (V_b):

(V) = (V_s) + (V_w) + (V_a) + (V_b) .

В зависимости от соотношения в грунтах различных компонент различают четырех-, трех-, двух- и однокомпонентные системы (по Е.Г. Чаповскому).

Соотношение этих фаз имеет важное значение, так как во многом определяет состав, состояние и свойства грунтов. Характер взаимодействия между фазами грунта может иметь химическую природу (окисление, растворение и др.) и физико-химическую (ионный обмен, образование двойного электрического слоя и др.).

Для характеристики твердой фазы грунта определяют минеральный,химическийи гранулометрическийсостав.

Химический состав грунтов определяется химическим анализом, который показывает содержание в грунте различных оксидов, водорастворимых веществ и др.

Минералогический (минеральный) состав формируется из первичных и вторичных минералов (частиц).

Первичные, или породообразующие, минералы (кварц, полевые шпаты, слюды и др.) образуют скелет грунта.

Вторичные – образуются при выветривании магматических и метаморфических пород и выполняют роль цементирующего вещества. К этой группе относятся глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.), оксиды и железа и алюминия (кремнезем и др.), простые минералы (соли, растворимые в воде).

Глинистые частицы имеют размер не более 1 – 10 мк, причем даже при небольшом содержании существенно влияют на многие важнейшие инженерно-геологические свойства грунтов, такие как гидрофильность, прочность, водонепроницаемость, пластичность, набухание и др.Плотность глинистых частиц: 1,77 – 2,60 г/см³ – для монтмориллонита,2,13 – 2,66 г/см³ – для гидрослюд.

В составе грунтов важную роль играет органическое вещество «биота», возникшее при отмирании растительных и животных организмов. Неразложившиеся отмершие растения или полностью разложившееся вещество «гумус» накапливается в почвах, торфах, глинах (особенно в старицах) и реже в песках.

Для органики характерны высокие гидрофильность, влагоемкость и пластичность, низкая водопроницаемость, сильная сжимаемость. Даже малое количество гумуса сильно изменяет свойства грунтов. Он обладает кислотными свойствами. Всего 3% гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойства, водоустойчивость.

Плотность органики 1,25 – 1,80 г/см³.

Гранулометрический состав грунтов (зерновой, механический) показывает содержание в грунте твердых частиц (фракций) различного размера, выраженное в процентах от массы абсолютно-сухого образца грунта.

Гранулометрический состав определяют только для крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов. В процессе подготовки к анализу образцы грунта природного строения растирают до первичных частиц. Поэтому гранулометрический состав характеризует не естественную, а предельную дисперсность (степень раздробленности), которая постоянна для данного грунта и может служить показателем для его классификации.

По грансоставу определяют вид или тип дисперсного грунта, а по его графическому изображению судят об однородности изучаемого грунта. Его определяют методами: ситовым, отмучиванием и др.

Газызанимают значительную долю в порах и трещинах грунта. Наибольшее содержание газовой компоненты отмечается в верхней части зоны аэрации, в нижней ее части, т.е. в капиллярной зоне, газов становится меньше, а в водонасыщенной зоне они практически отсутствуют. Так формируются трехфазные (скелет, вода и газы) или двухфазные (скелет и вода) системы. Преобладание воды или газа определяет свойства грунтов.

Газы, находящиеся в грунтах, отличаются от атмосферного воздуха, в них значительно больше углекислоты (CO₂), а кислорода (O₂) и азота (N₂) меньше из-за поглощения их почвой.

В грунтах могут быть газы геологические (вулканические, радиогенные – радон, гелий и др.), биогенные (метан, сероводород и др.), техногенные (углеводороды, сероуглерод и др.)

Газы в грунтах могут находиться в следующих состояниях: а) свободном, легко передвигаясь в порах и трещинах; б) адсорбированном, прочно удерживаясь на поверхности минеральных частиц; в) защемленном (в порах и микротрещинах), будучи окруженными со всех сторон водой; г) растворенном в поровой воде. Адсорбированные и защемленные газы влияют на уменьшение водопроницаемости, сжимаемости и сопротивления сдвигу грунтов, вызывают многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей.

Вода в грунтах и ее классификация. Жидкая компонента (вода и водные растворы) – наиболее изменчива, находится в постоянном взаимодействии с твердой, газовой и биотической фазами, оказывает значительное влияние на формирование и изменение состояния и свойств грунтов.

Обобщенная классификация видов воды в грунте:

1. Вода в форме пара.

2. Связанная вода:

2.1. прочносвязанная (гигроскопическая) вода;

2.2. рыхлосвязанная вода.

3. Свободная (гравитационная) вода.

3.1. капиллярная вода.

4. Вода в твердом состоянии.

5. Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

Парообразная вода содержится в небольших количествах (не более 0,001 % от всей массы грунта). Передвигается в порах от участков более влажных и прогретых к участкам с меньшей влажностью и температурой. водяной пар конденсируется при понижении температуры и может служить дополнительным источником питания подземных вод. Сильно влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых.

Связанная вода не подчиняется действию сил тяжести и удерживается на поверхности минералов вследствие наличия электро-молекулярных сил взаимодействия с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта.

Твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных обычно кристаллических минералов, имеют на поверхности заряд статического электричества, чаще всего отрицательный. Молекулы же воды, являясь диполями, и ионы различных веществ противоположного заряда, растворенных в грунтовой воде, попадая в поле заряда частицы грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, адсорбированных на поверхности твердой частицы с ее наружной стороны, будет иметь заряд, аналогичный заряду поверхности твердой частицы, и, следовательно, станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом возникают достаточно стройные цепочки молекул воды (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной поверхности частицы грунта и график сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля. Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной (она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами).

Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной (она связана с твердыми частицами). Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы взаимодействия изменяются от очень больших величин до нуля, такой слой принято условно делить на слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды.

Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре – 4°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность (1,2 – 1,4 г/см³), обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь при температуре намного выше 110 °С.

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды (рис. 1, б).

Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц и ее часто называют пленочной.

Так как в пределах слоя связанной воды удельные силы взаимодействия резко меняются, свойства пылевато-глинистых грунтов в значительной степени будут зависеть от толщины пленок рыхлосвязанной воды. При этом чем больше дисперсность грунта, тем в большей степени будет проявляться эта зависимость, поскольку при большей дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, т.е. суммарная площадь поверхности частиц глин и суглинков, больше, чем у песков, в тысячи раз. Кроме того, она зависит от минералогического состава глинистых частиц. Таким образом, минеральный состав и удельная площадь поверхности частиц пылевато-глинистых грунтов обусловливают их специфические свойства.

Свободной (гравитационной) является подземная вода, обладающая всеми свойствами обычной воды. она не связана с поверхностью минеральных частиц и передвигается по порам и трещинам под действием силы тяжести. При встрече на своем пути водоупорного слоя дальнейшее движение свободной воды происходит крайне медленно., и капиллярная.

Другая разновидность свободной воды – капиллярная вода. Она поднимается вверх по совмещенным порам грунта от уровня грунтовых вод и удерживается в них за счет сил поверхностного натяжения (менисковых сил). Эта вода образует в грунте капиллярную кайму мощностью Hк.

Мощность капиллярной каймы зависит от степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы частиц, размера пор (капилляров), плотности и пористости грунта. Например, в гравийных грунтах нет капиллярной каймы, в песках – достигает 100 см, в глинистых грунтах – до 2–3 м).

Капиллярная вода, подобно гравитационной, передает гидростатическое давление и имеет температуру замерзания ниже нуля (при диаметрах капилляров 1,6 мм – 6,4 °С; при 0,06 мм – 19 °С). Эта вода передвигается за счет разности температур (от холода к теплу).

Содержание связанной, капиллярной и гравитационной воды в грунте при полном заполненииего пор называют полной влагоемкостью грунта.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля вода замерзает и превращается в лёд, который играет роль природного цемента, скрепляющего частицы. Лед повышает прочность грунта. При оттаивании мерзлые грунты теряют свою прочность.

Кристаллизационная вода и химически связанная вода входят в состав кристаллических решеток различных минералов. Например, кристаллизационная вода обеспечивает связи между молекулами в кристаллах кварца (SiO₂), а химически связанная вода в гипсе (CaSO₄x2H₂O) удаляется при нагревании до 200 °С.

Строение грунтов

Под строениемгрунтов понимают совокупность их структурно-текстурных особенностей.

Структурагрунта - это особенности его внутреннего строения. Они обусловлены размером, формой поверхности, сложением грунтовых частиц и характером связи между ними.

По размеру частиц грунты бывают:

грубообломочные >2,0 мм;

песчаные 2,0 ÷ 0,05 мм;

пылеватые 0,05 ÷ 0,005 мм;

глинистые < 0,005 мм.

По форме минеральные зерна могут бытьокатанными или неокатанными с шероховатой, полированной, кавернозной или иной поверхностью.

По виду сложения грунты имеют:

1. Зернистую структуру (песчаные грунты):

1.1. рыхлую;

1.2. средней плотности;

1.3. плотную.

2. Хлопьевидную (илы); пористость >90 %.

3. Сотообразную структура (губчатые породы).

4. Каркасную (глинистые, моренные грунты).

Важным является характер связи (связность) между структурными элементами грунта(частицами, зернами, агрегатами и др.).

По своей природе структурные связи могут быть кристаллизационные, цементационные, водно-коллоидные и механические.

Кристаллизационные связи присутствуют в магматических и метаморфических породах. Цементационные связи возникают при наличии между зернами природного цементирующего вещества в осадочных породах (песчаники, конгломераты, брекчии, известняки, мергели). Эти связи придают грунтам наибольшую твердость и прочность.

Водно-коллоидная связность возникает за счет электростатических сил притяжения молекул воды к частицам и обусловлена наличием молекулярных сил пленочной воды. Она разрушается при замачивании или встряхивании, но затем легко восстанавливается. Характерна для молодых четвертичных глинистых грунтов.

Механические связи характерны для песчаных и крупнообломочных грунтов. Эти грунты обладают дисперсностью. Дисперсность – степень дробления грунта на мелкие частицы. Грунты с подобными связями (зацепления, трения и др.) слабо сжимаемы, но хорошо водопроницаемы. У них высокая и средняя прочность.

Методы технической мелиорации (изменения свойств) грунтов позволяют получать у них заданные свойства или изменять их в нужном направлении, создавая искусственные связи путем цементации.

Текстура– это особенности строения грунта, обусловленные ориентацией и пространственным расположением отдельных зерен, минеральных частиц, агрегатов и других элементов грунта.

В магматических породах текстура бывает:

- массивная;

- порфировая;

- полосчатая;

- флюидальная.

В метаморфических породах текстура бывает:

- массивная;

- гнейсовидная;

- сланцеватая.

В осадочных породах текстуры наиболее разнообразны:

- массивные, глыбовые, комковатые (моренные глинистые грунты);

- слоистые (водно-ледниковые пески, ленточные глины);

- листоватые (лёссовые грунты);

- горизонтально-косо-слоистая;

- линзовидная;

- слитная.

Текстурные особенности строения грунтов могут снижать прочность (при замерзании глинистые грунты начинают растрескиваться), увеличивать сжимаемость (макропористый лёссовый грунт обладает просадочностью при замачивании водой); увеличивать водопроницаемость, обусловливать резкую анизотропию свойств в различных направлениях (ленточные глины), ускорять выветривание грунтов.

Свойства грунтов

Каждый грунт имеет свои присущие ему строительные свойства. В оценке свойств грунтов, входящих в расчеты оснований фундаментов, наибольшее значение имеют физико-механические характеристики. Они позволяют выполнять необходимые расчеты при проектировании зданий и сооружений.

Физические свойства выражают физическое состояние грунтов.

Механические свойства грунтов отражают их прочностные и деформационные характеристики.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не приводящими кразрушению. Они оцениваются модулем деформации Е, МПа.

Проверку грунта на прочность проводят при нагрузках, разрушающих структуру грунта.

Реологические свойства грунтов. Свойства грунтов могут изменяться во времени за счет выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок, приводя к «усталости» грунтов, расслаблению их структуры. В результате деформаций ползучести и текучести грунт разрушается, а здание деформируется. Этот процесс называют реологическим. Он часто наблюдается при строительстве сверхвысоких зданий и крупных промышленных объектов.

Физические свойства грунтовопределяют согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95.

Удельный вес грунта — отношение веса грунта с водой в его порах к занимаемому этим грунтом объему, включая поры:

g = G/V,

где g – удельный вес грунта, кН/м³;

G– вес грунта естественной влажности и сложения, кН;

V – объем, занимаемый грунтом, м³. Изменяется в широком диапазоне от 12 до 24 кН/м3.

Удельный вес частиц грунта - отношение веса сухого грунта к объему его твердой части:

g_s = G_s/ V_s;

где g_s – удельныйвес частиц грунта, кН/м³;

G_s– вес частиц сухого грунта, кН;

V_s– объем, занимаемый частицами грунта, м³.

Удельный вес частиц грунта изменяется для всех грунтов в пределах от 26,1 до 27,5 кН/м³.

Удельный вес сухого грунта - отношение весасухогогрунта ко всему занимаемому этим грунтом объему (определяется испарением воды при t=105°С):

g_d = G_s/V, или g_d = g/(1 +0,01w);

где g_d – удельный вес сухого грунта, кН/м³;

w – его влажность, %.

Для песков g_d =16,5 кН/м³.

Пористость грунтов - процентное отношение объема пор к общему объему грунта:

n = (V_n/ V)100%,

где V_n–объем пустот грунта,см³;

V –объемгрунта, см³.

Пористость грунта выражают через значение его удельного веса:

n = (1 – g_d / g_s )100%.

для ила 85-95 %;

для мягкой глины 50-60 %;

для твердой глины 30-40 %.

Коэффициент пористости- отношение объема пустот (пор) к объему частиц грунта. Выражается в долях единицы.

e = V_n / V_s; e = n / (1-n); или e = (g_s – g_d) / g_{d .}

Водно-физические свойства грунтов.

Влажность грунта w, % - процентное отношение веса воды, содержащейся в порах, к весу сухого грунта (высушивание образца производят в термошкафу при t = 105...107 ^oС в течение 8 ч и более). Эта характеристика влияет на физическое состояние, прочность, деформируемость и другие свойства грунтов.

w = ((G – G_s) / G_s) 100%,

где G–вес грунта вместе с содержащейся в нем водой, г;

G_s–вес высушенного грунта, г.

Максимально возможное содержание в грунте воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостью грунта w_n.

Ее определяют по формуле:

w_n = e g_w / g_d .

Под гигроскопической влажностьюпонимают влажность воздушно-сухого грунта.

Степенью влажностиилиотносительной влажностьюназывают степень заполнения пор грунта водой, т.е. отношение объема воды к объему пор грунта:

S_r = w g_s (100 – n) / n или S_r = w g_s / e g_w ,

где S_r–степень влажности грунта, %;

w –естественная влажность грунта, %;

g_s – удельный вес частиц грунта, г/см³;

n– пористость,%;

g_w – удельный вес воды, см³;

е – коэффициент пористости.

По степени влажности грунты подразделяют на четыре основные группы согласно S_r:

сухие– 0 – 0,2;

слабовлажные – 0,2 – 0,4;

влажные – 0,4 – 0,8;

насыщенные водой– 0,8 – 1,0.

Оптимальной называется влажность, при которой с min затратами мы достигаем max степени уплотнения грунта.