Вопрос 54. Пористость, удельный и объемный вес грунтов

Пористость. В некоторых грунтах (галечниках, песках, суглинках и т.д.) имеются пустоты между зернами. Их называют скважностью, или пористостью (n). Пустоты в грунтах могут быть заполнены воздухом, но чаще всего водой. С ними связано движение и накопление в грунтах воды. Они оказывают непосредственное влияние на свойства грунтов (на их прочность). Величина общей пористости (n) выражается в % и представляет собой суммарный объем пустот в единице объема грунта. Общую пористость вычисляют по формуле:

N = V_n/V x 100,

где n – пористость породы, выраженной в процентах; V_n – объем пор; V – объем породы.

Величина пористости песчаных грунтов зависит от размера зерен и их формы. Наибольшей пористостью обладают дисперсные грунты. Например, пористость песков – 28-35 %,.а глин – 60-75 %.

Помимо общей различают активную пористость (n_акт), она характеризует объем пустот грунта с d > 0.02 мм, по которым происходит движе­ние свободной жидкости.

Пористость может быть оценена отношением объема пор к объему твердой части скелета грунта, называемым коэффициентом пористости грунта e = n/(1-n).

У суглинков и глин коэффициент пористости составляет в среднем 67-90 %. Такие сквозные грунты называют нормально уплотненными.

Удельный вес грунта (г_s) – это отношение массы мин твер­дых частиц, высушенных при 100-105 °С до постоянного веса, к их объему. Удельный вес грунтов зависит от удельного веса слагающих их минералов и присутствия органических веществ. В отличие от плотности при определении удельного веса учитывают объем только минеральных частиц без объема пор грунта. Удельный вес определяют по ГОСТ 5181-64, а при начальных стадиях проектирования принимают значения удельного веса равным (в г/см³) для песков — 2.65; супесей – 2.67; суглинков – 2.70 и глин – 2.74.

Объемный вес грунта (г) – отношение массы пробы породы при естественной влажности и пористости к объему пробы. Чем больше влажность грунта, тем больше его объемный вес. Максимальное значение объемный вес грунтов при данной пористости достигает при полном заполнении пор водой. Для определения объемного веса нужно полу­чить определенный объем грунта. Для этого имеются специальные режущие кольца из нержавеющего металла. Внутренний диаметр колец 71.4 и 56.4 мм (площадь соответственно 40 и 25 см²), высота 40 и 50 мм, объем полости в кольце 100 и 200 см³. Кольцо погружают в грунт, обрезают излишек его вровень с краем кольца и взвешивают. Зная вес кольца, по разности находят вес грунта в нем. Делением веса на объем находят объемный вес влажного грунта (способ определения по ГОСТ 5182-64). Иногда сухой грунт крошится, и кольцом нельзя отобрать правильный цилиндрический образец. Тогда образец овальной формы объемом не менее 30 см³ окунают в расплавленный парафин, образующий при остывании водонепроницаемую оболочку. Объем об­разца находят, погружая его в воду (ГОСТ 5182-64).

Вопрос 55. Влажность нескалъных грунтов

Вода в нескальных грунтах подразделяется на связанную и свободную. Эти два типа резко отличаются по своим свойствам друг от друга и по-разному влияют на свойства грунтов. Связанная вода практически неподвижна, свободная – легко передвигается.

К связанному типу относятся следующие виды воды: 1) химически и физически связанные; 2) твердая (лед); 3) капиллярная, которая по своим характеристикам занимает промежуточное положение между связанной и свободной водой. К свободному типу относятся парообразная и гравитационная. Все виды воды могут присутствовать в грунтах совместно, границы и соотношения между ними условны и изменяются в зависимости от целого ряда факторов: минерального состава грунта, степени его дис­персности, химического состава, температуры и т.д.

Химически связанная вода входит в состав минералов горных пород и образует с ними одно целое. Эту часть связанной воды подразделяют на кристаллизационную, входящую в кристаллическую решетку минералов в виде молекул ЦР (например, гипс содержит 20,9 % кристалли­зационной воды, бокситы – 26,1 %, мирабилит – 55,9 %), и гонституционную, которая входит в кристаллическую решетку минералов в виде ионов. Конституционная вода входит в состав многих минералов, например, диас­пора, мусковита и др. Кристаллизационная вода выделяется из минералов при температуре ниже +400°С, а конституционная – только при темпе­ратуре выше +400°С, причем водород в ней способен замещаться метал­лом.

Существуют горные породы, которые при определенных условиях обогащаются водой или теряют ее. Примером могут служить известняки, содержащие оксид железа, который при выветривании образует бурый железняк 2Fе₂О₃ х 3H2О, заключающий в себе 25,2 % воды. Ряд минеральных соединений – различные слюды, хлорит, тальк и другие – легко поглощают воду. Процесс обезвоживания, хотя и наблюдается значительно реже, все же имеет место как в глубоких слоях земли под действием давления и температуры, так и в поверхностных слоях, в зоне избыточ­ного увлажнения.

В первом случае водный оксид железа 2Fе₂О₃ х 3H2О переходит в безводный красный железняк – гемматит, последний – в закись железа FеО.

Физически связанная вода содержится в г/п также в виде тонких пленок или так называемых гидратных оболочек, облекающих мельчайшие минеральные частицы, слагающие породы.

Гигроскопическая вода. Этот вид воды удерживается на поверх­ности породы молекулярными и электрическими силами сцепления и перемещается только при переходе в парообразное состояние. Количество гигроскопической воды в породе не постоянное, зависит от влажности, теипературы и давления воздуха, окружающего породу. Она содержит­ся в значительном количестве в мелкозернистых и глинистых породах (до 15-18%) и в меньшем - в крупнозернистых (около 0,5 %).

Для определения количества гигроскопической воды в породе свежий образец породы взвешивают, затем высушивают при температуре +105-110°С до постоянного веса. Разность в весе свежего и высушенного об­разца дает количество гигроскопической воды, выраженное в процентах.

Пленочная вода, так же как гигроскопическая, удерживается молекулярными силами, обволакивая минеральные частицы тончайшей пленкой (не более 0.005-0.01 мкм). Пленочная вода, в отличие от свободной, перемещается под действием сил молекулярного притяжения от частиц с толстой пленкой к более тонким независимо от влияния сил тяжести, может передвигаться под влиянием напора, создаваемого внешней нагрузкой. При передаче на глинистый фунт внешнего давления, стремящегося сжать грунт, пленочная вода оказывает расклинивающее давление на твердые частицы. С пленочной водой связаны многие важные свойства глинистых пород (набухание, усадка, пластичность и др.).

Твердая вода (лед) в грунтах, находящихся в условиях отрицательных температур, присутствует в виде прослоек, линз и кристаллов, располагающихся между минеральными частицами или их агрегатами. Роль твердой воды велика. Лед цементирует грунты, повышает их прочность. При оттаивании грунты снижают свою прочность.

Капиллярная вода. Поры грунтов, соединяясь друг с другом, уподобляются капиллярным трубкам. Вода в этих трубках передвигается под влиянием подъемной силы, которая определяется поверхностным натя­жением. Капиллярная вода не подчиняется закону силы тяжести и может подниматься снизу вверх. В грунтах с размером зерен более 2 мм капил­лярной воды не бывает. Высота капиллярного поднятия воды зависит от дисперсности грунта или, иначе говоря, от диаметра пор грунта. В пес­чаных грунтах вследствие больших размеров пор высота подъема воды незначительная (0.3-0.6 м), в суглинках она достигает 1.2-1.6 м и в глинах может быть 3-4 м.

Поднятие воды в тонких капиллярах грунтов над уровнем ненапорных вод имеет важное инженерное значение. Капиллярные воды размягчают

глинистые грунты, испаряясь, способствуют их засолению. При решении вопросов борьбы с капиллярными водами в первую очередь необходимо знать две величины: максимальную высоту и скорость капиллярного поднятия.

Парообразная вода находится в воздухе, который заполняет поры грунта зоны аэрации. Пар перемещается в порах грунта. В одних случаях при охлаждении почвы парообразная влага конденсируется, переходя в капельно-жидкое состояние, в других, главным образом в глинистых грунтах, в зимнее время происходит образование льда.

Естественная влажность грунтов (W). Под естественной влажностью понимают все количество воды во всех ее видах, которое содержится в грунте в условиях его природного залегания. Определяют W из соотношения весового количества воды к весу сухого образца грунта. Кроме понятия о естественной влажности различают еще степень влажности, или относительную влажность грунтов (G), которая показывает долю заполнения пор грунта водой. Она выражается в долях единицы и определяется по формуле:

G = Wy_s/ey_w, где W – естественная влажность грунта, доли единицы; y_s – удельный вес грунта; y_w – удельный вес воды, принимаемый равным 1; е – коэффициент пористости.

Влажность грунтов ниже уровня грунтовых вод практически не изменяется. Выше этого уровня, особенно в зоне аэрации, влажность непрерывно изменяется. Наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания естественной влажности.

По величине G грунта подразделяют на маловлажные (G>0.5). влажные (G = 0.5-0.8) и насыщенные водой (G = 0.8-1.0).

Естественная влажность служит важнейшей характеристикой грунтов, определяющей прочность, деформируемость и другие свойства при использовании их в инженерных целях.

Полная влагоемкость – это влажность грунта при полном заполнении его пор водой. Для песчаных грунтов ее вычисляют по формуле: W_o = 100ey_w/y_s

Максимальной молекулярной влагоемкостыо (W_m) называется способность грунта удерживать пленочную или гигроскопическую воду тесно связанную с частицами грунта. Для определения количества гигроскопической воды в породе свежий образец взвешивают, затем высушивают при температуре 105-110°С до постоянного веса. Разность в весе свежего и высушенного образцов дает количество гигроскопической воды.

Для определения пленочной воды в грунте А. В. Лебедев предлагает смачивать образец, создавая условия свободного стекания воды, не удер­живаемый капиллярными силами, и определять влажность выше капил­лярного подъема в образце.

Содержание пленочной воды в грунтах можно определить и на центри­фуге.

По разности полной и максимальной молекулярной влагоемкости находят количество воды, которое грунт может отдать при дренировании. Для песков эта разница называется водоотдачей.

Характеристикой водопроницаемости грунта является коэффициент фильтрации, он равен скорости движения воды при градиенте напора, равном единице. Для определения коэффициента фильтрации грунта в лабораторных условиях имеется ряд приборов.