Состав дисперсных грунтов

Физические показатели, их использование в классификациях грунтов

Строительная классификация грунтов

Лекция 4. Основы грунтоведения

Изложенное в л.№2 показывает, что породы, по условиям образования относящиеся к различным группам, могут обладать прочностью одного порядка: например, гранит (МГП), мрамор (ММГП), песчаник с кремнистым цементом (ОГП). С другой стороны, в группе ОГП сжимаемость торфа на 3 – 4 порядка выше, чем твердой глины или аргиллита.

Поэтому по строительным свойствам выделяются следующие группы пород: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и особые.

К скальным и полускальным относятся породы с прочными кристаллизационными или цементационными связями отдельных частиц. Практически это все МГП, ММГП, ОГП обломочные цементированные, аргиллиты, алевролиты, химические и биохимические ОГП. Формальным критерием для выделения полускальных является меньшая прочность (расчетное сопротивление сжатию R < 5 МПа).

Три следующих группы представляют собой дисперсные (раздробленные) породы, состоящие из твердых частиц и пор, заполненных жидкостью (обычно вода) и газом (обычно воздух, иногда метан, сероводород и др.) В некоторых случаях присутствуют микроорганизмы, бактерии (биота). Таким образом, дисперсные грунты представляют собой многокомпонентные системы (обычно трехфазные) и их строительные свойства определяются как свойствами отдельных составных частей (компонент или фаз), так и их соотношением. Детально они изучаются в грунтоведении.

В последнюю группу особых объединены породы, обладающие тем или иным особым, характерным только для них свойством. Это, например, торф, лесс, мерзлые грунты.

Соотношение составных частей грунта можно охарактеризовать тремя основными физическими показателями:

Плотность ρ – отношение массы образца к его объему (обычно ρ= 1,5 …2,2 т/м³); плотность частиц грунта ρ_s – отношение массы частиц к их объему (обычно ρ_s = 2,5…2,7 т/м³); влажность ω – отношение массы воды в пробе к массе частиц. Обычно влажность значительно меньше единицы, но для торфа возможно и ω > 1, причем намного больше.

На практике часто используются показатели, которые можно рассчитать по основным, например:

- плотность сухого грунта r_d - отношение массы частиц к объему (пробы) грунта;

- пористость n – отношение объема пор ко всему объему; пористость можно рассчитать по введенным показателям: n = 1 - r_d/r_s;

- коэффициент пористости е – отношение объема пор к объему частиц, причем n и е взаимосвязаны: е = n/(1- n);

- степень влажности S_r – отношение объема воды к объему пор; если поры грунта полностью заполнены водой, то S_r = 1 и такая влажность представляет собой полную влагоемкость, или водопоглощение грунта.

Значения пористости или коэффициента пористости позволяют характеризовать состояние грунта по плотности – плотное, средней плотности или рыхлое. По значению S_r грунты подразделяются на маловлажные (S_r <0,5), водонасыщенные (S_r > 0,8) и влажные при значении в указанном интервале.

Для глинистых грунтов, кроме приведенных, важными показателями являются влажности, соответствующие верхней и нижней границам пластичности, получившие названия верхнего и нижнего пределов пластичного состояния грунта, или, соответственно, его пределов раскатывания ω_p и текучести ω_L. Их разность называется числом пластичности; это интервал влажности, в котором глинистая порода находится в пластичном состоянии.

Для большинства глинистых пород число пластичности I_p тесно связано с содержанием глинистой фракции. Поэтому на практике используется классификация: при I_p< 0,07 грунт супесь, при I_p > 0,17 – глина; при изменении числа пластичности в указанном интервале грунт- суглинок.

Консистенция, т.е. состояние глинистого грунта по отношению к пределам пластичности, оценивается показателем текучести I_L= (ω – ω_p)/(ω_L – ω_p). Очевидно, при I_L < 0 консистенция твердая, при I_L > 1 – текучая, а в интервале от 0 до 1, т.е. при пластичной консистенции для суглинков и глин выделяют еще состояния полутвердое, тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное (с шагом I_L, равным 0,25).

Для характеристики твердой фазы, или скелета грунта устанавливаются минеральный и гранулометрический составы грунта. Особенности их влияния на свойства грунтов отмечались ранее (см. л. №2 и рис. 2.4) и будут рассматриваться далее для различных генетических типов грунтов. Имеет значение также содержание органического вещества, повышающего дисперсность грунта и снижающего его плотность и водопроницаемость.

Вода в порах грунта разнообразна по свойствам и значению. Она подразделяется на свободную и связанную. Свободная может быть в газообразном состоянии (водяной пар) и жидком – гравитационная и капиллярная. Связанная вода подразделяется на химически и физически связанную.

Гравитационная вода заполняет открытые поры и трещины в грунтах, перемещаясь под действием силы тяжести. Для большинства грунтов закон этого движения, или фильтрации воды, имеет вид:

V = Q/A = k I,

где V – скорость фильтрации (фиктивная), м сутки;

Q – расход воды в единицу времени, м³/с;

А – площадь поперечного сечения;

I = (H – h)/L – гидравлический градиент, т.е. разность напоров на единицу пути фильтрации (рис.4.1);

k – коэффициент фильтрации, т.е. скорость фильтрации при единичном градиенте.

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунта и изменяется в широких пределах. Определяется экспериментально в полевых и лабораторных условиях. Примерные значения составляют (м/сутки): суглинки меньше 0,05; супеси 0,05…0,5; пески от пылеватого до крупного 0,5…50; гравий, галечник 50…500. Глины с коэффициентом фильтрации менее 0,001 можно считать практически водонепроницаемыми.

Рис. 4.1. Схема к пояснению закона фильтрации

Капиллярная вода перемещается в порах под действием сил поверхностного натяжения и возникающей вследствие этого подъемной силы менисков воды в порах-капиллярах. Поэтому в грунте выше уровня подземных вод, т.е. в зоне аэрации, поры частично заполнены капиллярной водой. Высота поднятия зависит от размеров пор, составляя в песках до 1м, супесях 1…2м, суглинках и глинах до 3…4м.

Опасность увлажнения капиллярной водой учитывается при проектировании дорог, фундаментов зданий и сооружений. Длительное испарение капиллярной воды с поверхности может приводить к засолению почв. Капиллярная вода влияет на прочность грунтов, сообщая им некоторую связность, что особенно заметно для увлажненного песка. Но при высыхании, или, наоборот, полном водонасыщении связность за счет капиллярных сил исчезает. Характер взаимодействия скелета грунта и воды сказывается на водопрочности грунта: растворимости, размягчаемости, размокании, размываемости. Имеют значение такие водные свойства грунтов, как влагоемкость – способность грунта вмещать воду и водоотдача – способность отдавать воду. Последняя больше у песчаных пород, чем у глинистых, хотя по влагоемкости соотношение может быть обратным.

Физически связанная вода в песках почти отсутствует, но для глинистых грунтов имеет большое значение. Вода адсорбирована поверхностью глинистых и коллоидных частиц и связана поверхностными силами ионно-электростатической и электромолекулярной природы. Непосредственно у поверхности частицы удерживается слой прочносвязанной воды с аномальными свойствами – повышенной плотностью и вязкостью, очень низкой температурой замерзания. Далее располагается рыхлосвязанная вода, близкая по свойствам к обычной, но не перемещающаяся под действием силы тяжести и замерзающая при температуре –(3…4)^о С. Прочносвязанная вода называется еще гигроскопической, а рыхлосвязанная – пленочной.

К перемещению в грунте способна только пленочная вода. Возможна ее миграция в направлении понижения температуры (например, к фронту промерзания, что усиливает пучение грунта) и уменьшения толщины водных оболочек.

Влажность за счет всей связанной воды называется максимальной молекулярной влагоемкостью ω_m. Ее значение растет с увеличением содержания глинистых минералов, особенно группы монтмориллонита. Сопоставление природной влажности и ω_m позволяет установить содержание свободной воды и, следовательно, водоотдачу грунта, равную (ω_е – ω_m). Если же они близки, то грунт содержит только связанную воду.

В оболочке связанной воды, называемой также диффузным слоем, содержатся ионы из состава минерала частицы и порового раствора. Это катионы H+, Na+, K+, Ca²⁺ , Mg²⁺ , Fe²⁺ ,Fe³⁺ , Al³⁺ и анионы Cl ^- ,SO₄ ^2-, CO₃ ^2- , HCO₃ ^- и др. При изменении состава порового раствора может происходить замещение одних ионов другими. Поэтому ионы диффузного слоя называются обменными, а максимальное их количество, способное к обмену в данных условиях, называется емкостью обмена. С ростом дисперсности, увеличением содержания глинистых минералов и органики емкость обмена увеличивается.

Состав и концентрация катионов диффузного слоя влияют и на его толщину, т.е. содержание связанной воды. Они больше для одновалентных ионов натрия, калия и уменьшаются при замещении их кальцием, железом и алюминием.

Закономерности строения и состава диффузного слоя глинистых грунтов проявляются в электроосмосе и электрофорезе. При обработке грунта постоянным электрическим током к катоду перемещаются гидратированные катионы и соответственно идет приток воды (электроосмос). К аноду перемещаются твердые частицы и анионы (электрофорез). Откачка воды из трубчатого перфорированного катода приводит к электроосмотическому осушению грунта. При введении в полость перфорированного анода растворов с содержанием кальция, железа и алюминия происходит электрохимическое закрепление грунта.

Газы в грунтах могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состояниях. Свободный газ (обычно воздух) зоны аэрации связан с атмосферой и не оказывает существенного влияния на работу грунта. Газы в двух последних состояниях могут вызвать многолетние осадки насыпей из глинистых грунтов, появление в них трещин и полостей. Закупоривание пор газом уменьшает проницаемость грунта. Растворенный в поровой воде газ увеличивает сжимаемость грунта.

При извлечении отобранных на большой глубине образцов грунта происходит расширение защемленного в порах газа и выделение его из воды при снятии давления, что может вызвать разуплотнение грунта. При разработке глубоких котлованов это одна из причин часто отмечаемого подъема их дна.

Дата добавления: 2013-12-12