Виды воды в грунте и их свойства

Классификация по зерновому составу

Классификация по происхождению

Состав грунтов и свойства их составных частей

Физические свойства грунтов

Природные грунты образовались в результате физического и химического выветривания горных пород. За длительное время существования грунтов происходило многократное изменение природной обстановки, в которой формировались их свойства.

В большинстве случаев грунт является трехфазной системой. Он состоит из твердых минеральных частиц, воды и воздуха или иного газа, т.е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. В некоторых грунтах в состав твердых частиц входят органические и органо-минеральные соединения. В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов. Часто используют двухфазную модель грунта, включающую твердые минеральные частицы, все поры между которыми заполнены водой.

По происхождению и условиям формирования грунты разделяются на:

1) континентальные отложения:

· элювиальные - залегающие в месте их первоначального возникновения;

· делювиальные - располагающиеся на склонах той же возвышенности, где они возникли, и перемещаемые только под действием силы тяжести и атмосферных вод;

· аллювиальные - переносимые водными потоками на значительные расстояния и образующие мощные слоистые толщи;

· ледниковые - образовавшиеся в результате действия ледников (валунные глины и суглинки);

· водно-ледниковые (пески и галечники);

· озерно-ледниковые (ленточные глины, суглинки и супеси);

· эоловые - продукты физического выветривания горных пород, переносимые воздушными потоками (лессовые грунты, пески дюн и барханов);

2) морские отложения:

· дисперсные глины;

· органогенные грунты-ракушечники и др.;

· органо-минеральные образования (илы, заторфованные грунты и т.п.);

· пески и галечники.

Свойства грунтов в значительной мере предопределяются размерами и минералогическим составом твердых частиц, которые принято классифицировать по размерам.

Таблица 1.1. Классификация твердых частиц

Наименование частиц	Размер частиц, мм	Характеристика грунтов
Галечные (щебень)	больше 20	Весьма водопроницаем, имеет жесткий скелет и высокую несущую способность
Гравелистые (дресва)	20...2	Свойства аналогичны грунтам из галечных частиц, несколько заниженные
Песчаные	2...0,05	Свойства аналогичны гравелистым грунтам, ухудшающиеся с уменьшением размеров частиц (см. табл. 2). Небольшая высота капиллярного поднятия. В сухом состоянии являются сыпучими телами. Способны уплотняться при динамических воздействиях.
Пылеватые	0,05...0,005	Грунт имеет все недостатки песка и глины. Слабо водопроницаем, обладает свойствами плывунности - перемещается вместе с водой даже при малой скорости ее движения. Капиллярное поднятие развивается быстро и достигает 2...3,5 м.

Продолжение таблицы 1.1

Наименование частиц	Размер частиц, мм	Характеристика грунтов
Глинистые	меньше 0,005	Грунт практически водонепроницаем, во влажном состоянии характеризуется высокой пластичностью, может обладать большой сжимаемостью под действием статической нагрузки, при динамических воздействиях не уплотняется. Набухает при увлажнении, получает усадку при высыхании.

Капиллярная вода поднимается в грунте по свободным канальцам, образованным сообщающимися порами (вода смачивает грунт, поэтому мениск вогнутый).

Высота поднятия капиллярной воды определяется подъемной силой менисков, зависящей от смачиваемости грунта, размеров пор и свойств воды (ее температуры, степени минерализации).

Результирующее давление капиллярных сил условно рассматривают как силу поверхностного натяжения менисков, удерживающих столб воды. Чем меньше поры (мельче частицы грунта), тем выше удерживаемый столб воды*.

Таблица 1.2. Классификация песков по гранулометрическому составу

Наименование	Характеристика
Гравелистый	Частиц крупнее 2 мм более 25% по массе
Крупный	Частиц крупнее 0,5 мм более 50% по массе
Средней крупности	Частиц крупнее 0,25 мм более 50% по массе
Мелкий	Частиц крупнее 0,1 мм более или равно 75% по массе
Пылеватый	Частиц крупнее 0,1 мм менее 75% по массе

Так как в каждом типе песчаных грунтов размер частиц может меняться в большом диапазоне, для оценки их разнородности используется коэффициент неоднородности:

, (1.1)

где: - диаметр частиц, меньше которых в грунте содержится 60% по массе; - диаметр частиц, меньше которых в грунте содержится 10% по массе (см. Рис. 1.1)

Если , то грунт - однородный; если , то грунт - неоднородный.

Рис. 1.1. Кривая однородности грунта

Содержание массы частиц определяется по кривой однородности (рис. 1.1). По горизонтальной оси откладывают логарифмы диаметров частиц, а по вертикальной - их процентное содержание. Пересечение полученной кривой с линиями, соответствующими содержанию частиц , дают искомое значение диаметров.

В природных условиях образования в состав одного грунта обычно входят частицы разных категорий. Наибольшее влияние на свойства грунтов оказывают глинистые частицы. В зависимости от их количества грунты делятся на глины, суглинки, супеси и пески[1].

Таблица 1.3. Классификация грунтов по количеству глинистых частиц

Наименование грунтов	Содержание глинистых частиц по массе в %	Число пластичности
Глина	больше 30	больше 0,17
Суглинок	30..10	0,17..0,07
Супесь	10..3	0,07..0.01
Песок	меньше 3	Не пластичен

В пылевато-глинистых грунтах вода в значительной степени предопределяет его свойства. Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а молекулы воды представляют диполи, заряженные положительно - на одном конце (два атома водорода) и отрицательно – на другом (атом кислорода). Попадая в поле заряда частицы грунта, молекулы воды ориентируются соответствующим образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды (Рис. 1.2). Этот слой будет иметь такой же заряд, какой имеет частица и станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом, возникают достаточно стройные цепочки молекул воды.

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее силы взаимодействия убывают и на некотором расстоянии становятся равными нулю. В зависимости от величины сил взаимодействия между молекулами воды различают:

· прочносвязанную воду;

· рыхлосвязанную воду;

· свободную воду.

Свободной водой является вода, перемещающаяся под действием силы тяжести, и капиллярная.

Прочносвязанная вода обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств обычной воды:

· замерзает при температуре значительно ниже ;

· имеет большую, чем свободная вода, плотность;

· обладает ползучестью;

· можно отделить от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше .

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, но выражены они слабее.

Рис. 1.2. Виды воды в грунте

а) слои воды: 1- прочносвязанная вода; 2 - рыхлосвязанная вода; 3 - свободная вода; б) график зависимости электромолекулярных сил взаимодействия от расстояния до поверхности частицы.

Так как в пределах слоя связанной воды удельные силы взаимодействия резко меняются, свойства пылевато-глинистых грунтов сильно зависят от толщины пленок рыхлосвязанной воды:

чем толще пленки воды, тем грунт становится более пластичным и менее прочным.

При увлажнении пылевато-глинистого грунта увеличивается толщина пленок, и грунт набухает, а при высыхании - дает усадку.

При малой толщине пленок воды пылевато-глинистые грунты обладают сцеплением. Если при этом все поры заполнены водой, ее фильтрация становится невозможной. Поэтому перемятая глина используется в качестве гидроизоляционного материала.

Дата добавления: 2014-01-20