СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРУНТОВ

В состав природных грунтов входят разнообразнейшие элемен­ты, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы:

1- твердые минеральные частицы;

2 - вода в различных видах и состояниях;

3 - газообразные включения.

Кроме того, в состав некоторых грунтов входят и органические и органо-мине­ральные соединения, также влияющие на физические свойства этих грунтов, что будет рассмотрено в специальном разделе.

Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от несколь­ких сантиметров - галечники - до мельчайших частиц коллоидно­го порядка, т. е. менее 1 мк -дисперные глины) твердых минераль­ных зерен.

Весьма существенным фактором в оценке свойств твердых грун­товых частиц является их минералогический состав. Так, одни мине­ралы— кварц, полевой шпат — менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие — монтморилло­нит— значительно сильнее, причем и характер взаимодействия их будет иным. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см3 или на 1 г) и больше возникает центров взаимодействия как с окружающей твердые частицы водой, так и в контактах самих твердых частиц. Например, частицы глинистого минерала каолина имеют удельную поверхность 10 м2/г, а монтмо­риллонита — 800 м2/г, т. е. огромную поверхность, имеряемую сот­нями квадратных метров в 1 г грунта, что, несомненно, сказывается и на свойствах природных грунтов, содержащих частицы монтмо­риллонита. Наличие в грунте частиц слюды (очень скользких, в массе ничтожно сопротивляющихся сдвигу) также существенно ска­зывается на физических свойствах такого вида грунтов, что и необ­ходимо учитывать.

Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам мине­ральных частиц разделяются (по СНиПу) на следующие виды.

1. Крупнообломочные грунты (галечниковые - при окатанной форме частиц и щебенистые - при остроугольной) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по весу.

Рис. 1. Пластинчатая многоугольная форма частиц каолинита

Рис. 2. Игольчатая форма частиц аттапульгита

2. Песчаные грунты с содержанием частиц: крупнее 0,5 мм бо­лее 50% по весу - крупнозернистые (кр/з); крупнее 0,25 мм более 50% по весу - среднезернистые (ср/з); крупнее 0,10 мм более 75% по весу —мелкозернистые (м/з); крупнее 0,10 мм менее 75% по ве­су - пылеватые (пески). (За песчаные частицы при этом принима­ют все частицы размером более 0,05 мм, а за пылеватые - от 0,05 до 0,005 мм).

3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по вели­чине, форме и минералогическому составу не разделяются на груп­пы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов отно­сят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мк до нескольких микрон.

Содержание в грунте по весу того или иного количества глинис­тых частиц вследствие чрезвычайной их дисперсности, позволяющей им обволакивать все твердые песчаные зерна и включения в глинис­тых грунтах, весьма существенно сказывается на физических свой­ствах грунтов, и наименование глинистым грунтам придается (см. § 4 настоящей главы) в зависимости от суммарного содержания глинистых частиц в грунте, за которые принимают все частицы раз­мером менее 5 мк (<0,005 мм).

Глинистые частицы в отличие от песчаных, имеющих компакт­ную форму, разнообразны по форме и представляют собой тонкие чешуйки, толщина которых в 10—50 раз меньше их большего раз­мера, а форма может быть как многоугольной (у каолинитов, рис. 1), так и игольчатой (у аттапульгитов, рис. 2).

Следует также отметить существенное значение и минералоги­ческого состава глинистых частиц. Так, кристаллы монтморилло­нита (из которых состоят монтмориллонитовые глины) обладают подвижной кристаллической решеткой, способной при соответству­ющих условиях втягивать внутрь кристаллов молекулы воды и значительно набухать, увеличиваясь в объеме, тогда как частицы као­линита, аттапульгита и гидрослюд такими свойствами обладают значительно меньше.

Все изложенное в высокой степени сказывается на свойствах природных глинистых грунтов.

Вода в грунтах, ее виды и свойства могут быть весь­ма различными в зависимости от количества содержащейся в грун­те воды и величины сил взаимодействия с минеральными частица­ми, определяемой, главным образом, гидрофильностью минераль­ных частиц.

Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а моле­кулы воды представляют диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома во­дорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности минеральных час­тиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удель­ная поверхность -частиц, тем большее количество молекул воды будет находиться в связанном состоянии. Электромолекулярные силы взаимодействия, по современным данным, очень велики и у поверхности минеральных частиц (для первого ряда связанных мо­лекул воды) составляют величину порядка нескольких тысяч кило­граммов на 1 см2. По мере же удаления от поверхности твердых частиц они быстро убывают и на расстоянии, равном примерно 0,5 мк, становятся близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частице слои в 1—3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твер­дой поверхностью, настолько связаны электромолекулярными сила­ми притяжения с поверхностью, что их не удается удалить ни внеш­ним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды, и эти слои образуют пленки так называемой прочно связанной ад­сорбированной воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные час­тицы, будут связываться и ориентироваться граничной фазой по ме­ре удаления от твердой поверхности грунтовых частиц все меньши­ми силами; они образуют слои рыхло связанной (лиосорбированной) воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких кг/см² (иногда и до нескольких десятков кг/см²).

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью мине­ральных частиц, будут образовывать свободную (по проф. А. Ф. Ле­бедеву) - гравитационную воду, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на не­которую высоту от уровня грунтовых вод силами капиллярного натяжения воды (капиллярными менисками, образующимися под действием адсорбционных сил поверхности в тонких порах грунтов и обусловливающими капиллярные силы в грунтах).

На рис. 3 показана схема электромолекулярного взаимодейст­вия поверхности минеральных частиц с водой.

Рис. 3. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральной частицы с водой:

1 — минеральная частица; 2 — вода связанная; 3 — вода рыхлосвязанная

(осмотическая)

Газообразные включения (пары, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следу­ющих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды, свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой, и, наконец, растворенными в поровой воде.

Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грун­тов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упру­гость грунта.

Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют (в распределении давлений меж­ду частицами грунта.