2.1.3. Жидкая фаза

Наличие жидкой фазы оказывает большое, часто определяющее влияние на свойства грунтов.

Выше отмечалось, что поровая жидкость преимущественно представлена водой. Вода может находиться в грунтах в парообразном, твердом или жидком состояниях. Вода в виде пара будет относиться к газообразной фазе, в виде льда  к твердой, четвертой фазе мерзлых грунтов. Иногда воду, входящую в состав молекул минерала (химически связанную), также рассматривают как воду в твердом состоянии. Здесь мы рассмотрим основные свойства воды в жидком состоянии.

Известно, что молекула воды представляет собой диполь, т.е. полярную молекулу с положительно заряженными ионами водорода и отрицательно заряженными ионами кислорода. В обычных условиях молекулы воды расположены хаотично, поэтому вода электрически нейтральна. При действии внешнего электрического поля происходит их поляризация, т.е. диполи воды ориентируются строго определенным образом.

В опытах установлено, что глинистые частицы в целом заряжены отрицательно, поэтому молекулы воды адсорбируются поверхностью минеральных частиц и образуют вокруг частицы сплошную гидратную оболочку (рис. 2.2). Суммарная величина электромолекулярных сил на поверхности частиц в единице объема будет зависеть, очевидно, от суммарной площади поверхности частиц в этом объеме. Ясно, что удельная поверхность частиц в глинах вследствие их размеров будет много больше, чем в песках, поэтому в единице объема глинистого грунта за счет адсорбции может содержаться на порядки большее количество воды.

Рисунок 2.2.  Виды воды в грунтах. 1  твердая частица, 2  прочносвязанная вода,

3  Рыхлосвязанная (пленочная) вода, 4  свободная вода, 5  катионы

Наибольшей интенсивности электромолекулярные силы достигают на расстоянии нескольких слоев молекул воды от поверхности частиц (несколько сотен МПа), а потом быстро убывают. В зависимости от интенсивности электромолекулярных сил поровую воду разделяют на несколько видов: прочносвязанную, рыхлосвязанную и свободную (рис. 2.2). Прочно- и рыхлосвязанную воду иногда называют физически связанной водой.

Прочносвязанная вода удерживается на поверхности частиц настолько сильно, что по своим свойствам приближается к твердому телу и как бы представляет с грунтовой частицей одно целое. Она в грунте практически не перемещается, обладает значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг (модуль сдвига приближается к модулю сдвига свинца). Температура замерзания прочносвязанной воды низкая (при t = 70°С остается незамерзшей 7% воды, полностью она замерзает при t = 195°С). Ее плотность также повышенная и достигает значения 1,4 г/см³.

Количество прочносвязанной воды, содержащееся в грунте при обычных давлениях и температуре, называют гигроскопической влажностью, а максимально возможное количество прочносвязанной воды в грунте называют максимальной гигроскопичностью.

Рыхлосвязанная вода отличается от прочносвязанной меньшим уровнем энергии связи. Иногда эту воду еще называют пленочной. Замерзает при менее отрицательных температурах, чем прочносвязная. При передаче давления на грунт рыхлосвязанная вода может из него удаляться, под действием электрических сил перемещаться к частицам с большим электрическим потенциалом, например, с более тонкой гидратной оболочкой. Такое движение называется миграцией влаги.

Суммарное количество в грунте прочносвязанной и рыхлосвязанной воды называется молекулярной влагоемкостью.

Кроме уже отмеченного в п. 2.1.2 свойства набухания и усадки, физически связанная вода обуславливают многие важные свойства глинистых грунтов  пластичность, морозное пучение и др. При действии резких динамических нагрузок на глинистый грунт часть связанной воды теряет связь с поверхностью частиц грунта и временно переходит в свободную воду. При этом резко снижается прочность грунта, который может переходить в плывунное состояние. Это явление называют тиксотропией. С течением времени связанная вода восстанавливается и грунт приобретает свои первоначальные свойства.

Заметим, что кроме связанной воды твердые частицы удерживают у своей поверхности и на некотором расстоянии от нее катионы некоторых элементов, которые в свою очередь могут связывать по несколько молекул воды. Такую воду иногда выделяют отдельно и называют диффузионной. П.Л. Иванов отмечает [17], что эти вопросы очень сложны, а «для наших целей существенно только, что прочно связанная вода начинается от поверхности частиц, а дальше переходит в рыхлосвязанную воду, пленочную или диффузионный слой».

Свободная вода  это вода в порах грунта, в значительной степени менее подверженная или не подверженная вовсе действию электромагнитных сил. Свободную воду делят на гравитационную и капиллярную. Гравитационная вода обладает свойствами обычной воды и может перемещаться в грунте под действием разности напоров, т.е. фактически  силы тяжести. Перемещение капиллярной воды по тонким порам грунта обусловлено силами поверхностного натяжения воды, возникающими при смачивании водой стенок капилляров  в данном случае пор. Замерзает свободная вода при температурах, близких к 0C.