Показники фізичного стану грунту

Тема 5. Рідка фаза ґрунту

Види води у порах ґрунту: вільна і зв'язана. Види вільної води: гравітаційна і капілярна. Склад і фізичні властивості вічьної води у Грунті Гравітаційна вода. Фільтрація. Капілярна вода. Капілярне підняття. [1, с.37-56; 2. с.75-87,103-104;3. с.57-65].

Необхідно чітко усвідомити, що за умовами потрапляння в ґрунти вода поділяється на інфільтраційну і конденсаційну, а за інтенсивністю взаємодії з поверхнею мінеральних частинок - на зв'язану, розміщену поблизу поверхні частинок, і вільну воду.

У свою чергу, вільну воду поділяють на гравітаційну, яка може текти під впливом сили тяжіння (фільтраційний рух), і капілярну, яка завдяки поверхневому натягу і явищу змочування може рухатись у^тонких порах ґрунту в напрямі, протилежному до дії сили тяжіння. Над поверхнею вільних підземних вод капілярна вода утворює зону капілярно-зволоженого ґрунту (капілярну кайму), гідравлічну зв'язану з вільною підземною водою. Капілярну воду поділяють на воду, що розміщена в кутах пор, капілярно-підвішену і власне капілярну, що утворює капілярну кайму над рівнем підземних вод.

Висота капілярного підняття у трубці-капілярі обернено пропорційна діаметру трубки.

У піщаних ґрунтах капілярна вода піднімається на висоту не більше кількох десятків сантиметрів (у чистих пісках - до 0,5 м). В ущільнених глинистих ґрунтах капіляри тонкі, але внаслідок набухання глинистих частинок і при наявності на них плівок зв'язаної води проміжки між частинками ніби закупорюються. В результаті у щільних глинах і суглинках капілярне підняття не перевищує 2м. Найбільша висота капілярного підняття характерна для проміжних між піском і глиною сухих піщаних і пилуватих ґрунтів - з нещільним складом, в яких за кілька місяців капілярна вода може підніматися на висоту до 3...4 м.

Висота капілярного підняття враховується при визначенні глибини закладання фундаменту і висоти автодорожнього насипу.

Капілярне переміщення вологи у ґрунті земляного полотна автомобільної дороги можна усунути шляхом обробки шару ґрунту гідрофобною речовиною (бітумом, дьогтем тощо), яка надає незмочуваності стінкам пор, або влаштуванням капілярно- перервного прошарку з крупнопористого зернистого матеріалу (щебеню, гравію).

Тема 6. Взаємодія фаз.

Взаємодія газоподібної фази з рідкою і твердою. Взаємодія твердої та рідкої фаз. Зв'язана вода, її види: гігроскопічна і плівкова. Фізичні властивості зв'язаної води. Вплив зв'язаної води на властивості ґрунту. Фізичний стан ґрунту за консистенцією. Характерні вологості ґрунту (межі текучості, пластичності, усадки) та їх визначення. Число пластичності, застосування його для класифікації глинистих ґрунтів. Показник консистенції, застосування його для оцінки фізичного стану ґрунту. [1. с. 13-16, 30-38, 41-43; 2. с.77-78,108-110; 3. с.48-56].

Властивості ґрунту багато в чому залежать від взаємодії фаз складових.

Газоподібна фаза ґрунту (повітря з домішкою водяної пари),

відрізняється від атмосферного повітря підвищеною масовою часткою вуглецю (до 10% проти 0,03% в атмосфері). Частина газоподібної фази знаходиться в затиснутому вигляді, утворюючи на воді бульбашки, які різко збільшують її стисливість. Частина газоподібної фази адсорбується поверхнею твердих частинок, утворюючи газову плівку, яка знижує тертя між сухими твердими частинками.

Значно впливає на властивості ґрунту взаємодія твердої фази з рідкою, що призводить до утворення зв'язаної води. Зв'язаною називають воду, активно взаємодіючу з частинками ґрунту і не здатну пересуватись під дією сили тяжіння. Її поділяють на два види: міцнозв'язану (гігроскопічну) і крихкозв'язану (плівкову). Необхідно мати чітке уявлення про те, що фізичні властивості зв'язаної води відрізняються від властивостей вільної води. Це пояснюється взаємодією молекул води з поверхнею частинок, які складаються з кристалічних мінералів. Ця поверхня має негативний електричний заряд, дипольні молекули води, орієнтуючись на поле заряду частинок ґрунту, притягуються разом з позитивно зарядженими катіонами водню, натрію, калію, кальцію, які містяться в поровій воді, до поверхні частинок з великою силою (біля самої поверхні порядку 10³ МПа). При цьому рухливість води знижується, вона стає зв'язаною.

Ланцюжки орієнтованих молекул води разом з адсорбованими іонами складають шар міцнозв'язаної (гігроскопічної) води товщиною приблизно у три розміри молекули води (близько 10"⁷ см). Температура замерзання гігроскопічної води нижче -20 °С, кипіння +200 °С, середня щільність 2 г/см³, під тиском 10² МПа її вдається витиснути з ґрунту тільки частково, бо з частинки на частинку вона не переходить. Гігроскопічна вода утворюється в результаті поглинання сухим ґрунтом пари води з повітря або при змочуванні ґрунту водою, в обох випадках для її утворення характерне виділення теплоти змочування. Максимальний вміст зв'язаної води у ґрунті називається гігроскопічною вологістю.

У пісках W_h становить близько 1%, в монтморилонітових глинах досягає 18% маси сухого ґрунту. Міцнозв'язана вода може бути вилучена з ґрунту висушуванням при температурі понад 100 °С.

По мірі віддалення від поверхні твердої частинки сила взаємодії

між поверхнею і молекулами води зменшується. Крихкозв'язана вода, яка утворює біля поверхні частинки шар товщиною 10"⁶ см (кілька десятків діаметрів молекули води), є проміжною між міцнозв'язаною і вільною. Температура замерзання плівкової води нижче 0 °С, сила тяжіння не викликає її рух, вона може повільно пересуватись від частинки з товстішою плівкою води до частинки з тонкою плівкою, де інтенсивність взаємодії з поверхнею частинки більша.

Найбільший сумарний вміст у грунті міцної крихкозв'язаної води називають його максимальною молекулярною вологомісткістю. У чистих пісках W_m<4%, у глинах - до 40%. У глинах зв'язана вода становить більшу частку води, що міститься в них.

Вплив зв'язаної води на властивості глинистого ґрунту проявляється в його зв'язаності (зчеплення між частинками), набуханні та розмоканні, водонепроникності (пори заповнені зв'язаною водою, яка перешкоджає фільтрації через них вільної води), тиксотропності (зниження зв'язаності ґрунту при короткочасних механічних навантаженнях, наприклад при вібрації, внаслідок порушення розташування частинок ґрунту і молекул плівкової води).

Розрізняють чотири фізичних стани ґрунту за його консистенцією: текучий, пластичний, напівтвердий, твердий. Текучий стан відповідає значному вмісту води, що роз'єднує частинки, порушує тертя і зчеплення між ними. У такому стані ґрунт розкочується. Напівтвердий і твердий стан характеризується нездатністю ґрунту до пластичного деформування.

Під час переходу з напівтвердого стану до твердого ґрунт перестає зменшуватись в об'ємі і починає висихати з поверхні, внаслідок чого його забарвлення змінюється від світлого до темного.

Між цими чотирма станами є три межі: текучості W_l- вологість ґрунту під час переходу від текучого стану до пластичного; пластичності W_p - вологість при переході від пластичного стану до напівтвердого; W_sh усадки - вологість під час переходу від напівтвердого стану до твердого.

Межі текучості експериментально визначають як вологість, за якою конус стандартних розмірів з певною масою за певний час

занурюється у зразок ґрунту на задану глибину. Межу пластичності визначають як вологість, за якою скочуваний ґрунтовий шнур, що досягнув певного діаметра, починає розпадатись на відрізки, тобто з подальшим підсушуванням, яке відбувається у процесі скочування ґрунту, втрачається його пластичність.

З методикою визначення W_l і W_p студенти ознайомлюються під час проведення відповідної лабораторної роботи.

РізницюI_p = W_L – W_P називають числом пластичності ґрунту. Величина І_р є важливою класифікаційною ознакою ґрунту, бо вона узагальнено характеризує зерновий склад глинистого ґрунту та інтенсивність взаємодії води з поверхнею твердих частинок. Число пластичності - відчутний показник вмісту глинистих частинок у ґрунті та їх властивостей, тому він використовується як ознака різновиду ґрунту.

Згідно із загально будівельною класифікацією з виду глинистих на основі числа пластичності виділяють три різновиди ґрунтів: супісок, суглинок і глину (табл. 4).

Таблиця 4.

Різновид ґрунтів	Число пластичності Ір
Супісок	1-7
Суглинок	7-17
Глина

Примітка. Мули підрозділяють за значеннями числа пластичності, що вказані у таблиці, на супіщані, суглинисті та глинисті.

Детальнішою є дорожня класифікація глинистих ґрунтів, заснована на двох показниках: числа пластичності ґрунту і масовій частці піщаних частинок у сухому ґрунті (табл. 5).

Оскільки число пластичності виступає як основний показник класифікації глинистих ґрунтів, значний інтерес становить емпірична залежність, встановлена Б.Ф.Галаєм

І = 0,75 W_L - 11, (9)

що дозволяє оцінити І_р, після визначення W_L а також формула, одержана М.Ф.Сасько

(10)

яка зв'язує І_р межами текучості W_L і усадки W_Sh, причому для багатьох пилувато-глинистих ґрунтів W_Sh =13%.

Таблиця 5.

Різновид глинистих фунтів	Число пластичності IP	Вміст піщаних часток (2-0,5мм) % за масою
Супісок:
Піщанистий	1-7	>50
Пилуватий	1-7	<50
Суглинок:
Легкий піщанистий	7-12	>40
Легкий пилуватий	7-12	<40
Важкий піщанистий	12-17	<40
Важкий пилуватий	12-17	<40
Глина:		>40 <40 не регламентується
Легка піщаниста	17-27
Легка пилувата Важка	17-27 >27

Порівняння вологості W яку має ґрунт, з її характерними значеннями дозволяє визначити фізичний стан (консистенцію), і якому перебуває ґрунт при цій вологості. Дія цього використовують показник консистенції (або текучості)

(11)

Наприклад, якщо І < 0, то супісок знаходиться у твердому стані, при 0< I_L <1 - в пластичному, при I_L > 1 в текучому.

Розрахункові механічні характеристики глинистих ґрунтів при проектуванні автомобільних доріг встановлюють залежно від відношення вологості ґрунту до межі його текучості 1¥/1¥_г а при розрахунках підвалин будівель і споруд - залежно від показника консистенції / і коефіцієнта пористості ґрунту е.

Методика визначення типу глинистого ґрунту ілюструється прикладом розв'язання задачі 3 у підрозділі «Контрольні запитання і завдання».

Дата добавления: 2014-11-06