1.5.2 Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной.

Рис. 1. Термодинамическая модель грунта:

1 – минеральные частицы (твердая фаза); 2 – структурные связи между минеральными частицами; 3 – поры, заполненные газом или паром; 4 – поры, заполненные водой и растворенным в воде газом; 5 – пузырьки, заполненные газом и паром.

Иногда в грунте выделяют биоту – живое вещество. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов.

Грунт является открытой термодинамической системой в отношении процессов массопереноса (воды или минеральных частиц).

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т.е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретиться твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют грунтовой массой. Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры.

-Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Часть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Большое влияние на свойства грунтов оказывают растворимые в воде минералы. К ним относятся, например, галит, гипс, кальциты.

Глинистые минералы нерастворимы в воде, но в силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности.

Органическое вещество в грунтах у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубоких горизонтах – в виде нефти, бурового и каменного угля. Гумус образуется при отмирании растений и организмов.

*Гумус – специфическое органическое вещество, в котором большую роль играют высокомолекулярные органические кислоты, находящиеся в коллоидном состоянии. Считается, что гумус увеличивает «глинистость» грунта. Его коллоидная активность выше, чем даже глинистых минералов.

-Жидкая составляющая грунтов. Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. В грунте различают кристаллизационную, или химически связанную, связанную и свободную воду. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составляющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта.

Вода, заполняющая поры грунта (поровая вода), может растворять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. По мере удаления от частиц грунта различают: прочно связанную, рыхло связанную и свободную воду. Прочно связанная вода имеет повышенную вязкость, не замерзает при температуре до – 100⁰С. Ее плотность достигает ρ=1,2…2,4 г/см³. Рыхло связанная вода, как и прочно связанная испытывает силу притяжения, но у рыхло связанной воды сила гораздо меньше. Свободная вода в грунте не испытывает силу притяжения. Она подчиняется законом гидравлики, т.е. передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах. Предельная высота капиллярного поднятия в некоторых типах грунтов может составлять (по А.М. Овчинникову): песок крупный – 3,5 см; песок средний – 35 см; песок мелкий – 120 см; супесь – 350 см; суглинок – 650 см.

-Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на не защемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.