Ионно-обменные свойства

Ионный обмен — это самопроизвольный обратимый процесс, протекающий до установления в системе равновесия и подчиняющийся закону действующих масс. ^[3] Реакция ионного обмена Na⁺ на Са²⁺ в поглощающем комплексе грунта: Ca-грунт+NaCl₂→Na-грунт+CaCl₂.Искусственный ионный обмен в грунтах используется для целенаправленного изменения их структуры и свойств: для подготовки грунта к гранулометрическому анализу, для уменьшения величины их водопроницаемости, для регулирования их физико-химических свойств, для очистки грунтов от загрязнений и т.д. В почвах ионный обмен используется для повышения их плодородия.

Набухаемость.

Набухание — это увлажнение, развитие давления набухания и в определённых

случаях — увеличение объёма — в процессе гидратации.

Набухание возможно, когда формируется вода слабо связанная. Если вся вода связана прочно, набухания не будет.

Однородный глинистый грунт будет набухать до тех пор, пока давление набухания меньше давления веса тела. Глинистый грунт с включениями песка будет набухать неравномерно (песок не набухает), что повлияет на отстроенные сооружения.

Основные параметры.

1.Wнаб — влажность набухания. Это предельная влажность, которую набирает свободно

набухающий (ненагруженный) грунт. Характеризует общее количество прочно и слабо

связанной воды. Измеряется в процентах.

2. ΔVнаб— изменение объёма при достижении влажности набухания. Измеряется в процентах

3. Давление набухания — давление, создаваемое набухающим грунтом.

Набухают глинистые грунты и (иногда) мергели. Различают ненабухающие, слабо-, средне- и сильнонабухающие грунты.

В природном и нарушенном сложении глинистые грунты набухают по-разному. Так, некоторые глины с нарушенными структурными связями начинают набухать в разы (а иногда и на порядок) сильнее.

Величина набухания некоторых (монтмориллонитовых, скажем) глин также зависит от pH водного раствора.

Усадка — обратный процесс. Сопровождается трещинами усадки.

Пластичность.

Пластичность — способность деформироваться без разрыва сплошности и не восстанавливать исходную форму после этого.

Это физико-химическое свойство, поскольку пластичность может проявляться без изменения нагрузки, но в зависимости от влажности.

Wf — верхний предел пластичности — влажностный предел, при превышении которого грунт

переходит в текучее состояние.

Wp — нижний предел пластичности —влажностный предел, ниже которого грунт переходит в

полутвёрдое состояние.

Mp = Wf −Wp есть число пластичности. У супесей не превышает 7, у суглинков — 17, а у глин — больше 17.

B—степень подвижности частиц при определённой влажности. B=

Липкость.

Липкость — способность грунтов взаимодействовать с предметами, с которыми он приходит в соприкосновение.

Основные параметры

• Влажность начала прилипания.

• Влажность максимального прилипания.

• Максимальная величина липкости.

Величины связаны с графиком зависимости липкости от влажности.

Один из способов уменьшения липкости — смазывание потенциально липнущих поверхностей чем-нибудь. Керосином там, спиртом, глицерином…

Влажности максимального прилипания и начала прилипания увеличиваются по мере перехода от супесей к глинам.

Аналогично и с катионами: у одновалентных катионов липкость больше.

Аналогично и с типами глин: каолиновые не настолько липкие, как монтмориллонитовые.

Аналогично и со сложением грунтов: у грунта с нарушенным сложением липкость больше.

Аналогично и с диэлектрической проницаемостью.

Липкость зависит и от внешнего давления.

Водопрочность.

Это способность грунта сопротивляться внешнему притоку воды.

Характеристики.

Размягчаемость — временное сопротивление сжатию в водонасыщенном состоянии, делённое на сопротивление в сухом состоянии. Если это значение больше 0,75, то это

неразмягчаемые грунты. Но это всё довольно субъективно.

Размываемость — способность грунта сопротивляться воздействию текучей воды. Параметры:

размывающая скорость потока (средняя скорость потока, при которой начинается отрыв частиц грунта от дна и волочение их по дну), интенсивность размыва (величина смыва грунта при данной скорости потока за единицу времени).

Физико-механические свойства.

ФМС — свойства, описывающие поведение грунта при внешних нагрузках.

Прочностные свойства.

Проявляются при запредельных нагрузках.

Общее напряжение в грунтах записывается так: σтот = σэфф + σ􀭵, где первое слагаемое — то, что воспринимается скелетом, а второе (напряжение порового давления) — то, что воспринимается жидкой частью.

Если эффективное напряжение равно нулю, то грунт течёт.

Сопротивление одноосному сжатию.

Сопротивление одноосному сжатию Rc = P/S [Мпа].

При испытаниях получаются различные значения сопротивления в зависимости от времени, затрачиваемого на эксперимент. Если давление повышать медленно, то можно получить большие значения сопротивления. Торцы образца положено полировать.

Если образец сдавить просто так, то он расколется по диагональным трещинам. Если же сделать прослойку из какого-нибудь материала (смазка, резина), то он будет выдавливаться, создавая боковые напряжения, и образец расслоится, как сланец.

Сопротивление на разрыв.

Из грунта раньше выпиливался гантелеобразный образец, помещаемый в разрывную машину.

После этого просто стали помещать цилиндрический образец под пресс.

Время сопротивления разрыву обычно на порядок меньше времени сопротивления грунтов одноосному сжатию.

Сопротивление сдвигу.

τ =α tg φ+ C, где тангенс фи — коэффициент сопротивления внутреннему трению ,

С — сцепление грунта. То есть сопротивление сдвигу зависит от параметров грунта (фи и С) и от условий (давление).

C = Cц(кр) + Cw + Cз

Сцепление состоит из сцеплений, обусловленных цементационными (или кристаллизационными), коагуляционными связями и зацеплением. Какие из них будут главенствовать — зависит от грунта и от условий.

• В песчанике —цементационные.

• В трещине отрыва по песчаникам — зацепления.

• В трещине сдвига по скальным грунтам, заполненной глинистым грунтом коагуляционные.

• В карбонатной глине будут коагуляционные и цементационные составляющие.

• В глинах с крупнообломочной составляющей —коагуляционные и зацепления.

На рисунке ниже нарисовано сопротивление разных грунтов сдвигу..

1. Скальные грунты.

2. Трещиноватые скальные грунты.

3. Песчаники.

4. Слабо разложившийся торф.

5. Глины.

6. Хорошо разложившийся торф.

Деформационные свойства.

Это свойства, проявляемые при воздействии допредельных нагрузок. Основной закон — закон

Гука: σ = Eв

E — модуль Юнга, e — относительная деформация. Модуль Юнга

измеряется в мегапаскалях и равен силе деформации, вызывающей единичное относительное

удлинение. В случае всестороннего сжатия формула выглядит так: 􀜲вс = 􀜣􀜾, где b — изменение

объёма.

поп = μВпрод, где мю — коэффициент Пуассона.

Таким образом, коэффициент Пуассона и модуль Юнга определяют поведение грунтов при деформациях. Общие деформации меньше упругих статических, которые меньше упругих динамических: Eобщ < Eупр.ст. < Eупр.дин.

Модули Юнга для скальных грунтов составляют от 102 до 105 МПа. Определяются степенью выветрелости и составом, трещиноватостью.

Для дисперсных грунтов это 10-100 МПа, и определяются они плотностью и влажностью.

Коэффициенты Пуассона для скальных грунтов составляют от 0,1 до 0,5. Он возрастает при увеличении содержания не кварцевых минералов.

Для дисперсных грунтов коэффициенты варьируются в зависимости от водонасыщенности.

Например, сухой кварцевый песок имеет коэффициент 0,1-0,2, а влажный — 0,4.

Компрессионные испытания — сжатие образца без возможности бокового расширения. В

результате получается компрессионная кривая.

У грунтов с нарушенными структурными связями (перемятых) нет упругих деформаций.

Этот удивительный график можно использовать вообще где угодно. Это может быть песок (1) и глина(2). Или каолиновая (1) и монтмориллонитовая (2) глины. Или глину с кальцием (1) и натрием (2) в обменных катионах при одинаковом содержании влаги.

У лёссов очень характерная деформация, проявляющаяся при замачивании. Это свойство

называется просадочностью.

Характерна она для лёссов. Это пылеватые маловлажные грунты. Также характерна для песчаных грунтов с большим количеством водорастворимых солей, для пепловых грунтов.

Если величина суммарной просадочности превышает 5 см под природной нагрузкой, то грунт считается просадочным.

Динамические нагрузки.

Периодические колебания на грунт оказывают: взрывы, машины, колёсный транспорт,

строительная техника, рельсовый транспорт, землетрясения, морские волны. Чем дальше по списку, тем сильнее деформации, но меньше частота.

Возможные варианты реакции грунтов на динамическое нагружение:

• Усталостное разрушение.

• Динамическое уплотнение.

• Частичное разупрочение.

• Полная потеря прочности.

• Снижение прочности:

Влияние вибрации на уплотнение песка.

Для уплотнения грунтов используют вибрацию или взрывы.

С увлажнённым грунтом всё сложнее: после уплотнения грунтов идёт нагрузка уже на воду. При этом грунт начинает просто течь, что приводит к всяким авариям.

Чем сильнее вибрация (ускорение от вибрации по отношению к g), тем сильнее уплотняется сухой грунт. Зависимость обратная, на 5g песок уплотняется примерно наполовину.

С увлажнёнными грунтами всё по-другому. Они теряют прочность в зависимости от ускорения.

Со временем грунт затвердевает. Прочность он набирает довольно быстро.

Корреляция свойств грунтов.

Рассмотрим вопрос о взаимосвязи свойств грунтов. Можно ли, изучив простые свойства, понять что-нибудь о сложных?

Корреляция — взаимосвязь сравниваемых параметров, характеризуемая коэффициентом

корреляции, принимающим значения от -1 до 1. Последний характеризует тесноту связи

сравниваемых параметров.

Коэффициент корреляции применим к разным зависимостям. Он показывает, как хорошо

экспериментальные точки ложатся на заданную теоретическую кривую. Это вообще муть та ещё, и чего он нам пытается втереть это понятие — неизвестно.

Коэффициент пропорциональности — коэффициент из линейной зависимости.

Типы показателей грунтов по назначению.

• Классификационные показатели.

• Расчётные показатели.

Показатели делятся по представительности.

• Частные значения — те, которые получаются в процессе эксперимента.

• Нормативные значения

• Расчётные значения — нормативные показатели, делённые на коэффициент запаса.

• Коэффициент запаса грунтов — то же самое (по сути), что и запас прочности. Для МГУ он

• составляет не меньше 1,4, а для обычного одноэтажного домика он будет равным единице.

Нормативные и расчётные показатели.

Инженерно-геологический элемент — геологическое тело, сложенное одинаковыми в

литологическом и генетико-возрастном отношении грунтами, в пределах которого исследованный параметр меняется как случайная величина.

Классификации грунтов.

• Частная классификация —по одному параметру.

• Региональная классификация — по региону.

• Отраслевая классификация — по ведомству, отрасли.

• Общая —по всему миру.

В классификации нужно учитывать морфологические и генетические признаки.

Классификация грунтов:

Скальные грунты.

Это прочные грунты с мощными цементационными и кристаллизационными связями. Их не нужно было бы изучать, если бы не выветрелость с трещиноватостью.

Возьмём, скажем, базальт. Когда свежий — хороший, годный грунт. Как появляются трещины или выветрелости — прочность падает в разы.

Растворимые породы.

Лучшее дополнение к составу — растворимость. С инженерно-геологической точке зрения, подход к оценке массивов закарстованный пород принципиально разныйЩИТО?.

Нужно учитывать распределение уже сложившихся карстовых областей. Бессмысленно

рассчитывать растворимость в данный момент времени.

Массивы сульфатов и коллоидных продуктов надо изучать по-другому. Надо и существующие карсты посмотреть, и рассчитать, как они дальше растворяться будут. Коллоиды — вещества пластические, и в массивах трещин быть не должно.

Кремнистые образования.

Диатомиты очень пористые, до 70%. Из-за этого их нельзя на зиму оставлять в котлованах, а то они превратятся в монтмориллонитоподобную массу.

Опока — то же самое, только химически несколько изменённое, пористость 50%. Их используют как изоляторы. Но они очень медленно выветриваются.

Мёрзлые грунты.

Грунты с криогенным типом связи. Обязательно наличие льда, и он участвует в строении массива как на микроуровне, так и на макроуровне. Его может быть до 80%, а в торфяных залежах — аж до 95%.

Льдистость.

Скальные и полускальные грунты.

• Слабольдистые: < 1%.

• Льдистые: 1-5%.

• Сильнольдистые: > 5%.

Дисперсные грунты.

• Слабольдистые: < 20%.

• Льдистые: 20-40%.

• Сильнольдистые: 40-60%.

• Очень сильнольдистые: 60-90%.

Грунты бывают твердомёрзлые, пластично-мёрзлые и сыпучемёрзлые. Какие они — зависит от температуры.

Зависимость сопротивления сдвигу от температуры нелинейная. В целом: чем ниже температура,тем сильнее сопротивляется грунт. Пылеватые суглинки при -12°C выдерживают 3 МПа.