Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу

Наименование пород	Распределение частиц по крупности в % от веса сухой породы
Крупнообломочные Грунт щебенистый (при преобладании окатанных частиц – галечниковый) Грунт дресвяный (при преобладании окатанных частиц – гравийный)	Масса частиц крупнее10мм составляет более 50% Масса частиц крупнее 2мм составляет более 50%
Песчаные Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый	Масса частиц крупнее 2мм, составляет более 25% Масса частиц крупнее 0,5мм составляет более 50% Масса частиц крупнее 0,25мм составляет более 50% Масса частиц крупнее 0,1мм составляет более 75% Масса частиц крупнее 0,1мм составляет менее 75%

2. Вода в грунтах

Вода в твердом состоянии	Вода в жидком состоянии				Вода в газообразном состоянии
	Свободная вода		Связанная вода
Рассматривается как твердый компонент	ГРАВИТАЦИОННАЯ (подвижная) и ИММОБИЛИЗОВАННАЯ (неподвижная – в замкнутых порах).	КАПИЛЛЯРНАЯ	СЛАБОСВЯЗАННАЯ (осмотическая и пленочная) мах содерж. в глинах и суглинках	ПРОЧНОСВЯЗАННАЯ (гигроскопическая=адсорбционная).	в грунтах содержится не более 0,001% массы грунта Может перемещаться вместе с газообразным компонентами под влиянием упругости пара (или зон с большей температурой грунта)
	1. Может оказывать агрессивное действие на сооружение.	1. Увлажняя земляное полотно дороги, образует пучины.	1. Замерзает при t = -1,5˚С.	1. Замерзает при t= -20˚С (каолинит) и –78˚С (монтмориллонит)
	2. Способствует суффозии (вынос частиц из грунта)	2. Действуя как насос, вызывает сырость в цокольных помещениях.	2. Имеет высокую плотность, не подчиняется законам гравитации.  Передвигается: под влиянием нагрузки, при переходе в нарушенное состояние, при разности концентрации и с частицы на частицу при разной толщине диффузного слоя.	2. ρ = 1,5 г/см3 до 2,4 г/см3, плотная с большой вязкостью, упругостью, теплопроводностью, не проводит электричество, не обладает растворяющей способностью, неподвижна.
	3.Способствует образованию криогенных процессов	3. В условиях жаркого климата, испаряясь, засоляет грунт.	3. Количество воды зависит от дисперсности грунта, минерального состава и обменных катионов.	3. Образуется при относительной W воздуха до 20-30 %, max при 90% с выделением тепла. Это вода воздушно сухого грунта.
	4. Оказывает взвешивающее давление и гидростатическое давление на подошву сооружения.	4.Может оказывать агрессивное действие на сооружение.	4.Применяется для расчета водоотдачи песков и как величина близкая к пределу раскатывания.	4. Определяется при расчете величины массы для перевода грунта из воздушно-сухого состояния в абсолютно сухое. Гигроскопическая влагоемкость – способность грунта удерживать адсорбированную воду. Определяется гигроскопической влажностью W m г – это общее кол-во прочносвязанной воды, образующейся при относительной упругости паров (~ 0,9) с выделением тепла.
	5. Способствует проявлению гравитационных процессов на склонах.	5.Оказывает гидростатическое давление.	5.Молекулярная влагоемкость (max) – способность грунта удерживать max кол-во воды на поверхности частиц (слабосвязанной воды). Определяется max молекулярной влажностью Wm m (метод влагоемких сред).
	6.  Затрудняет строительные работы.	Капиллярная влагоемкость – способность грунта удерживать воду в порах (max – при полном заполнении пор). Определяется капиллярной влажностью (Wк) из зоны насыщения (метод высоких колонн).
	7. Свойства подобны свойствам поверхностных вод.

Связанная вода. Чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество воды будет находиться в связанном состоянии. Средняя плотность 1,2 - 1,4 т/м³. Связанную воду нельзя полностью удалить из грунта по средствам статического давления.

Вода в грунтах, ее виды и свойства

Вода в грунтах находится в различных видах и состояниях (парообразном, жидком и твердом). Это обусловливает изменение свойств грунтов при изменении содержания в них влаги. Например, кусок глины в сухом состоянии обладает свойствами твердого тела, при увлажнении приобретает пластичные свойства, т.е. может изменять свою форму без разрыва сплошности (целостности) под действием нагрузки. Основываясь на работах А.Ф. Лебедева, Е.М. Сергеева и др., классификацию воды, содержащуюся в порах

грунта, можно представить в следующем виде:

— вода в форме пара;

— связанная вода: прочносвязанная; рыхлосвязанная;

— свободная вода: гравитационная; капиллярная;

— вода в твердом состоянии;

— кристаллизационная вода.

Вода в форме пара в грунтах содержится не более 0,001 % массы грунта. Однако она играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах. Та­кая вода способна перемещаться в грунте как вместе с газообразным компо­нентом (воздухом), так и самостоятельно — под влиянием разности упруго­сти пара (или зон с большей температурой грунта) независимо от располо­жения этих зон.

Связанная вода по своим свойствам резко отличается от свободной. Чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество воды будет находиться в связном состоянии. По своим свойствам она существенно от­личается от обычной свободной воды, так как средняя плотность составляет от 1,2 до 1,4 т/м. Связанную воду нельзя всю удалить (отжать) из грунта статическим давлением. В лабораторных исследованиях на грунты, содер­жащие только связанную воду, передавали среднее уплотняющее давление, равное нескольким сотням мегапаскалей, и грунт оставался влажным. Со­держание воды в грунтах уменьшалось с увеличением среднего давления только до 20—50 МПа, далее влажность грунта оставалась постоянной. По­этому связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную, а вместе эти два слоя составляют гидратную оболочку минеральных частиц.

Прочносвязанная вода (гигроскопическая) по некоторым свойствам сход­на с твердым телом: ее плотность достигает 2,4 т/м, в ней не проявляются законы гидростатики, она не растворяет солей, обладает значительной вяз­костью, упругостью и прочностью на сдвиг. Температура ее замерзания рав­на -79°С и ниже. Однако этот слой водных молекул имеет свойства жидко­сти, и это объясняет некоторые свойства мерзлых грунтов.

Прочносвязанную воду можно удалить из грунта путем высушивания при температуре 105°С, которая является стандартной для определения влажности грунта. Если молекулы воды покроют сплошным слоем всю поверх­ность глинистой частицы, то вокруг частицы образуется как бы сплошная пленка прочносвязанной воды. Максимальное количество такой воды в грун­тах приблизительно соответствует количеству гигроскопической воды, которая, в свою очередь, приравнивается к количеству воды адсорбционного слоя. Следовательно, термины «прочносвязанная», «гигроскопическая», «граничная» и «адсорбционная» вода можно считать синонимами.

Вода, заполняющая межпакетные пространства глинистых минералов, имеющих раздвижную кристаллическую решетку, входит в состав прочно-связанной воды.

Прочносвязанная вода в грунте, очевидно, передвигаться не может, за исключением перехода в парообразное состояние.

Рыхлосвязанная вода (пленочная) образует на поверхности частиц более толстые пленки, чем прочносвязанная. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках. Ее свойства также отличаются от свойств свободной воды: она замерзает при температуре ниже 0°С, имеет высокую плотность, не подчиняется законам гравитации. Она поддается выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких сотен килопаскалей.

Рыхлосвязанную (приграничную) воду (воду диффузного слоя) подразделяют на вторично ориентированную и воду, удерживаемую осмотическими силами. Вторично ориентированная вода представляет собой несколько рядов (полислоев), ориентированных на поверхность твердой частицы самостоятельно или вместе с катионами, благодаря неизрасходованной на удержание прочносвязанной воды свободной поверхностной энергии частицы. Осмотическая вода образуется в результате проникновения из раствора мо¬лекул воды в диффузный слой вследствие большей концентрации ионов в этом слое, чем в растворе.

По свойствам осмотическая вода не отличается от свободной. Средняя плотность вторично ориентированной воды (полислоев) несколько выше, чем плотность свободной воды. Очевидно, плотность ее в слоях, расположенных ближе к поверхности частицы, выше, чем у внешней границы. Средняя температура замерзания рыхлосвязанной воды равна -1,5°С. Рыхлосвязанная вода в однородных грунтах может передвигаться в любом направлении от частицы к частице под действием градиента влажности из зон с большей влажностью в зоны с меньшей влажностью или переходить в парообразное состояние. Ее передвижение происходит до тех пор, пока вся поверхностная энергия не будет израсходована на формирование гидратных оболочек частиц.

Свободная вода находится вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц. Свободную воду, согласно приведенной выше классификации, разделяют на капиллярную и гравитационную.

Гравитационная вода содержится в трещиноватых скальных, крупнообломочных, гравелистых породах и крупных песках. Эта вода может передвигаться в грунте под действием силы тяжести. Ее подразделяют на просачивающуюся воду, которая передвигается сверху вниз, и на воду грунтового потока, передвигающуюся в сторону падения поверхности водоупорного пласта. Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной воды. Она оказывает взвешивающее действие на твердые частицы грунта и на фундамент сооружения, замерзает и превращается в лед при температуре О°С, имеет плотность, принимаемую в расчетах оснований сооружений 1,0 т/м может содержать вещества в коллоидном состоянии, растворять соли и газы.

Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах. Она поднимается по капиллярам на определенную высоту, которую называют высотой капиллярного поднятия. Эта высота зависит от диаметра пор и от удельной свободной поверхностной энергии твердых частиц грунта, образующих стенки пор. Например, предельная высота капиллярного поднятия воды в некоторых типах грунтов (по A.M. Овчинникову): песок крупный — 0,035 м; песок средней крупности — 0,35 м; песок мелкий — 1,2 м; супесь — 3,5 м и сугли нок — 6,5 м. Таким образом, чем меньше диаметр капилляра, тем больше высота поднятия воды.

Пылеватые супеси и суглинки, обладающие мелкими порами, особенно если они уплотнены, характеризуются значительной высотой капиллярного поднятия, однако меньшей, чем может быть получено расчетом, исходя из размеров их пор. Движение капиллярной воды в таких грунтах происходит весьма медленно.

В глинах, особенно при сильном их уплотнении, характеризующемся наиболее тонкой волосяной пористостью, капиллярное поднятие обычно не превышает 1,5—2,0 м. Это объясняется сильным набуханием глинистых частиц, повышением вязкости воды в тонких порах, наличием в них защемленного воздуха и др.

В отличие от гравитационной капиллярная вода замерзает при температуре ниже 0 °С. В зависимости от размеров капиллярных пор она может замерзать при -12 °С и ниже. Это явление так же, как и температура замерзания связанной воды, объясняет в определенной степени свойства мерзлых грунтов. Капиллярная вода создает дополнительные нагрузки на грунт и придает ему некоторую связность — дополнительное сопротивление сдвигающим и растягивающим внешним силам.

Вода в твердом состоянии. При температуре ниже 0 °С вода, содержащаяся в порах, замерзает и превращается в лед в виде прослойки линз кристаллов. Лед играет роль цемента, повышая прочность грунта и придавая ему свойства твердого тела. Эти свойства проявляются у сезонно- и многолетнемерзлых грунтов.