Состав грунтов. Форма, размеры, взаимное расположение и свойства минеральных частиц. Органические примеси. Виды воды в грунтах и их свойства. Роль газообразной составляющей
В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и воздуха или иного газа (газообразного тела), т.е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 2).
Соотношение этих компонентов обуславливает многие свойства грунтов. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой.
В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, растворенный в поровой воде, находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед (пластичное тело). Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.
Рис. 2. Состав грунта:
а – инертные минералы; б – растворимые минералы; в – коллоидно-активные минералы; г – органическое вещество;
☼ – биота
Биота (от греч. biotē — жизнь), исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объединённых общей областью распространения.
Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует скелет (каркас) грунта. Поровая вода и газ располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами.
Инертные минералы не вступают во взаимодействие с водой и растворенными в ней веществами. Грунты, полностью сложенные инертными минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, большинство метаморфических и часть осадочных. Из осадочных пород инертными минералами сложены пески, крупнообломочные грунты и образующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты.
Растворимые в воде минералы, даже их малое содержание, оказывают существенное влияние на свойства грунтов. К ним относят галит NaCl, гипс CaSO4·2H2O, кальцит CaCO3 и др. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно, поэтому такие грунты считаются надежными основаниями. Кислые дожди и утечки кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка. Также в грунтах встречаются нестойкие минералы, которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу. Существуют грунты, у которых в сухом состоянии частицы скреплены растворимыми минералами. При их увлажнении происходит разрушение водорастворимых связей, и грунт может деформироваться даже под действием собственного веса (лессовые просадочные грунты).
Глинистые минералы выделяют в отдельную группу коллоидно-активных минералов. Они не растворимы в воде, но в силу своих чрезвычайно малых размеров обладают высокой коллоидной активностью. Даже малое содержание глинистых частиц в общей массе грунта резко изменяет его свойства. К глинистым минералам относят каолинит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженные свойства гидрофильности.
Гидрофильность — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой.
Существуют грунты, обладающие способностью увеличивать свой объем при замачивании (набухающие грунты).
Минеральные частицы классифицируют по размеру на:
- крупнообломочные, размером крупнее 2 мм;
- песчаные, размером от 2 мм до 0,05 мм;
- пылеватые, размером от 0,05 до 0,005 мм;
- глинистые, размером менее 0,005 мм.
Частицы менее 0,0001 мм называют коллоидными.
Органическое вещество у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а на глубине – в виде нефти, угля, природного газа. Активизация жизнедеятельности в грунте, как правило, снижает его прочность, отмирание живых организмов приводит к повышению прочности грунтов. Гумус, образующийся при отмирании растений и микроорганизмов, изменяет свойства грунта, в котором он содержится.
Свойства всех разновидностей грунтов, а особенно песчаных, пылеватых и глинистых, существенным образом зависят от содержащейся в них жидкой составляющей. Выделяют следующие состояния воды в грунте (рис. 3): кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.
Рис. 3. Схема взаимодействия частиц грунта с водой:
I – твердая частица; II – прочносвязанная вода; III – рыхлосвязанная вода; IV – свободная вода; 1 – частица; 2 – катион; 3 – анион; 4 – молекула воды
Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток и находится внутри частиц грунта.
Связанная вода разделяется на прочносвязанную воду (слой из 1-3 молекул, окружающих глинистую частицу и притягивающихся к ней с большой силой), и рыхлосвязанную воду, тонким слоем примыкающую к прочносвязанной воде. Рыхлосвязанная вода почти в тысячу раз слабее притягивается к частице, чем прочносвязанная.
Свободной водой называют гравитационную воду, перемещающуюся под действием собственного веса или перепада давлений, а также капиллярную воду, перемещающуюся под действием сил поверхностного натяжения менисков.
В свою очередь, свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную.
В грунтовые поры объединяются в систему капиллярных каналов. За счет смачивания водой их вертикальных стенок и сил поверхностного натяжения в жидкости происходит подъем столба воды на некоторую высоту. Капиллярная вода образуют водную кайму. Обычно капиллярная вода содержится в песках от средней крупности до пылеватых песков, а также в глинистых грунтах.
Практически вся содержащаяся в грунтах вода относится к гравитационной. Этот вид воды подчиняется законам гидравлики, в том числе:
закону Архимеда;
закону Паскаля;
закону Бернулли.
Взаимодействие твердых частиц грунта с водой в значительной мере определяет свойства грунта. Например, при замерзании содержащаяся в грунте вода переходит в твердое состояние (лед) и увеличивается в объеме. В механике грунтов это явление принято называть морозным пучением. Имеют место и другие многочисленные примеры взаимодействия твердой и жидкой фаз, которые будут рассмотрены в соответствующих частях курса.
Кристаллизационную и прочносвязанную воду можно отделить только выпариванием, причем при этом возможно разложение минералов и изменение свойств грунта.
Рыхлосвязанную воду можно отделить с помощью выдавливания, создавая давление до нескольких МПа, или с помощью центрифуги. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках.
Предельная высота капиллярного поднятия в грунтах колеблется от 3,5 см (песок крупный) до 6,5 м (суглинок). В глинах высота капиллярного поднятия может отсутствовать вообще. В ходе промерзания глинистых грунтов возникает миграция воды из более толстых пленок (нижние слои грунта) в более тонкие (верхние слои грунта), что приводит к явлению морозного пучения грунтов.
Газообразные включения (пар, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды; свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой; растворенными в поровой воде.
Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта. Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений между частицами грунта.
При изменении давления и температуры, жидкость может выделяться из газа (конденсироваться) и, наоборот, газ может растворяться в жидкости. В грунтах могут содержаться и ядовитые газы (метан, сероводород, угарный газ), причем в слабопроветриваемых местах, например в котлованах, подвалах зданий и др. их концентрация может достичь пределов, опасных для жизни человека.