Жидкая компонента грунта. Виды воды в грунтах

Жидкая компонента (вода и водные растворы) — наиболее измен­чивая и динамичная компонента грунта. Находясь в постоянном вза­имодействии с другими компонентами грунта — твердой, газовой и биотической (живой) — она оказывает весьма значительное влияние на формирование и преобразование состояния и свойств грунтов; в особенности наиболее распространенных грунтов — глинистых.

Виды воды в грунтах

Впервые классификация видов воды в грунтах была предложена А. Ф. Лебедевым в 1936 г. В дальнейшем она неоднократно подвер­галась изменениям и дополнениям. В обобщенном виде она может быть представлена в виде классификации, предложенной Е. М. Сер­геевым (1982):

Вода в форме пара.

Связанная вода:

прочносвязанная (гигроскопическая вода);

слабосвязанная вода;

капиллярная вода.

III. Свободная (гравитационная) вода.

IV. Вода в твердом состоянии.

V. Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

Газовая компонента грунтов

Значительная доля пор и трещин в грунтах может быть занята газами — кислородом, азотом, углекислотой и др. Наибольшее со­держание газовой компоненты отмечается в верхней части зоны аэра­ции. В нижней ее части, т. е. в капиллярной зоне, газов становится меньше, а в водонасыщенной зоне они практически отсутствуют.

Газы, находящиеся в грунтах, отличаются от атмосферного воз­духа, в них значительно больше углекислоты (С0₂), а кислорода (0₂) и азота (N₂) меньше из-за поглощения их почвой.

Большую роль в различных процессах, протекающих в грунтах, играет водяной пар, имеющий обычно атмосферное происхожде­ние. Он легко перемещается в грунте от участков с большей упруго­стью к участкам с меньшей упругостью, образуя другие виды воды путем конденсации.

Помимо газов атмосферного происхождения в грунтах могут быть также газы геологические (вулканические, радиогенные — радон, ге­лий и др.), биогенные (метан, сероводород и др.), техногенные (се­роуглерод, углеводороды и др.).

По В.Т. Трофимову, В.А. Королеву и др. (2005), газы в грунтах могут находиться в следующих состояниях: а) свободном, легко пе­редвигаясь в порах и трещинах; б) адсорбированном, прочно удер­живаясь на поверхности минеральных частиц; в) защемленном (в порах и микротрещинах), будучи окруженными со всех сторон во­дой, и г) растворенном в поровой воде состоянии.

Общее количество свободных и адсорбированных газов, содер­жащихся в единице массы или объема грунта в природных условиях, называется газоносностью.

Биотическая (живая) компонента грунта

Биотическая (живая) компонента грунта представлена микроор­ганизмами и в меньшей мере макроорганизмами. Наибольшую роль они играют в почве и подпочвенной толще, а также в биогенных / грунтах — торфе, сапропели и др.

5.2. Свойства грунтов Физические свойства грунтов

К важнейшим физическим свойствам грунтов, определяемым в лабораторных условиях, относят плотность частиц грунта, влажность и плотность (ГОСТ 5180—84).

Плотность частиц грунта ρs, г/см³, т/м³, — отношение массы твердых (скелетных) частиц грунта к их объему; Этот показатель характеризует твердую компоненту грунта и зависит от его мине­рального состава. Присутствие в грунте органических веществ сни­жает величину ρ_s.

Для определения плотности частиц грунта в лабораторных усло­виях используют пикнометр (мерную колбу), заполняя ее дистил­лированной водой или, во избежание растворения солей, нейтраль­ной жидкостью (керосин, толуол и др.).

Плотность частиц грунта определяют по формуле;

где m₀ — масса сухого грунта, г; m₁ — масса пикнометра с грунтом и водой, г; m₂ — масса пикнометра с водой, г; ρ_b — плотность воды, г/см³.

Средние значения ρ_s песчаных и пылевато-глинистых грунтов следующие (в г/см3): песок — 2,66; супесь — 2,70; суглинок — 2,71; глина — 2,74.

С увеличением содержания в грунте тяжелых минералов плот­ность частиц грунта увеличивается, достигая 3,0—3,4 г/см3 в магма­тических основных породах (габбро, диабаз и др.).

Данные о значении плотности частиц грунта используют для оп­ределения пористости и коэффициента пористости грунтов, а также для ориентировочной характеристики минерального состава.

Влажность природная W. % или доли ед. — отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.

В лабораторных условиях влажность определяют путем высу­шивания грунта в сушильном шкафу при t = 105°С в течение 3—5 часов до постоянной массы (абсолютно-сухого состояния).

Влажность определяют по формуле:

где g — масса грунта в бюксе (стаканчике) с крышкой до высушива­ния, г,

g_c — то же после высушивания, г; g₀ — масса пустого бюкса с крышкой.

Влажность грунтов зависит от их минерального и грануломет­рического состава, пористости, содержания органических веществ, глубины залегания подземных вод и др. Для глинистых грунтов она может колебаться от 3—5 до 100% и более, во многом определяя их прочность, сжимаемость и другие важнейшие свойства. На свойства других типов грунтов влажность оказывает меньшее влияние.

Плотность грунта р, г/см³, т/м³, — отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к его объему.

Величина плотности грунтов колеблется в широких пределах: от 1,2—1,3 до 3,5 г/см³ и зависит от минерального состава, пористос­ти, влажности и других показателей. В лабораторных условиях плот­ность грунтов определяют: 1) методом режущего кольца, залавли­ваемого в грунт, и 2) путем взвешивания парафинированных образ­цов грунта в воде и в воздушной среде. Плотность крупнообломоч­ных грунтов можно установить в полевых условиях с помощью про­ходки небольшого шурфа (вертикальной горной выработки глуби­ной до 0,5 м). Взвесив извлеченный из шурфа грунт и разделив его на объем шурфа, получают значение плотности крупнообломочного грунта.

Показатели плотности широко используются при инженерно-гео­логической оценке различных типов грунтов.

Остальные показатели физических свойств грунтов определяют­ся расчетным способом.

Плотность сухого грунта ρ_d, г/см³, т/м³, - отношение массы грунта (за вычетом массы воды и льда) к его объему:

или

где W— естественная влажность, в первом случае — в долях едини­цы, во втором — в процентах.

Значения плотности сухого грунта в песчано-глинистых грунтах колеблются от 1,1 до 1,9 г/см3. Величина p_d служит основным пока­зателем, контролирующим степень уплотнения грунтов в земляных сооружениях.

Пористость грунта п, % доли ед., - отношение объема пор ко всему объему грунта:

или

Пористость глинистых грунтов колеблется обычно в пределах 40- 60 %, в песчаных 30-40, а в илах она может достигать 70-90 %. Наи­меньшей пористостью обладают магматические интрузивные и мно­гие метаморфические грунты (от долей процента до 1-3%).

Величина пористости грунтов влияет на сжимаемость, прочность и другие свойства.

Коэффициент пористости е, доли ед., — отношение объема пор к объему твердой части скелета грунта

Значение п и е можно преобразовать одно в другое по форму­лам:

;

Коэффициент водонасыщения (степень влажности) Sr, доли ед., - степень заполнения объема пор водой:

где W — природная влажность, доли ед.; е — коэффициент пористо­сти, доли ед.; ρ_s— плотность частиц грунта, г/см³; ρ_w — плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см³.

В зависимости от степени влажности песчаные и крупнообло­мочные грунты разделяют на водонасыщенные при Sr > 0,8, влаж­ные — при 0,5 ≤ Sr ≤ 0,8 и маловлажные — при 0 ≤ Sr < 0,5.

Пластичностью называют способность глинистого грунта под воздействием внешних механических усилий изменять свою внешнюю форму без разрушения и разрыва и сохранять приданную ему форму после устранения действия внешней силы.

Характерные влажности, которые ограничивают интервал про­явления пластичных свойств, называют границами (пределами) пластичности. Под границей текучести W_L понимается влажность; при второй грунт переходит из пластичного состояния в текучее, а под границей раскатывания W_p - влажность при переходе глинистого грунта из пластичного состояния в полутвердое или твердое. Мето­дика определения границ текучести и раскатывания стандартизирована (ГОСТ 5180—84).

Разность между W_L и W_p называется числом пластичности I_р, т.е.

I_р = W_L - W_p

В соответствии с ГОСТ 25100—95 глинистые грунты по числу пластичности подразделяются следующим образом:

Грунт

Супесь ………………………………. 1 - 7

Суглинок ……………………………. 7 - 17

Глина ………………………………… > 17

По ГОСТ 25100-95 глинистые грунты по числу пластичности подразделяются и более дробно с учетом данных по гранулометрическому составу

Таблица 6

Классификация глинистых грунтов по числу пластичности I_р и грануло­метрическому составу

Разновидность глинистого грунта	Число пластич­ности, Iр	Содержание песчаных частиц . (2—0,5 мм), %
Супесь: песчанистая	1 - 7	≥ 50
пылеватая	1 - 7	< 50
Суглинок: легкий песчанистый	7—12	≥ 40
легкий пылеватый	7—12	< 40
тяжелый песчанистый	12—17	≥ 40
тяжелый пылеватый	12—17	< 40
Глина: легкая песчанистая	17—27	> 40,
легкая пылеватая	17—27	< 40
тяжелая	>27	Не регламентируется

Консистенция глинистых грунтов. В зависимости от влажности глинистые грунты имеют различное физическое состояние или консистенцию— текучую, пластичную и твердую. Если природная влажность грунта меньше границы раскатывания, грунт находится в твердом состоянии, т. e.W <W_р. При значениях W_p ≤ W ≤ W_L для грунта характерно пластичное состояние, а при W≥W_L — теку­чее. Кроме основных трех форм консистенции выделяют также про­межуточные: полутвердую, тугопластичную, мягкопластичную и текучепластичную. Для характеристики консистенции глинистого грунта в строительных целях используют показатель текучести (консистенции) I_L:

Показатель текучести I_L может быть как отрицательным (твер­дые грунты), так и положительным, в том числе и более 1 (текучие грунты).

Детальное подразделение глинистых грунтов по величине пока­зателя текучести I_L (по ГОСТ 25100—95) приводится ниже:

Глинистые грунты I_L

Супеси:

твердые ………………………………… < 0

пластичные ……………………………. 0 - 1

текучие ………………………………… > 1

Суглинки и глины:

Твердые ……………………………….. < 0

полутвердые ………………………….. 0 - 0,25

тугопластичные ……………………… 0,25 - 0,50

мягкопластичные ……………………. 0,50 - 0,75

текучепластичные …………………… 0,75 - 1,00

текучие ……………………………….. > 1,00

В зависимости от величины показателя текучести I_L в соответ­ствии с действующим СНиП 2.02.01—83 может производиться выбор нормативных значений модуля деформации, удельного сцепления и угла внутреннего трения глинистых грунтов.