Глава 3 Вода как физический компонент грунтовой среды

3.1 Вода в грунтах, ее виды, свойства и форма связей

Вода является основным компонентом водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог.

Вода в грунтах может находиться в парообразном, жидком и твердом состояниях. При этом вода находится в постоянном физическом и химическом взаимодействии с минеральными и органическими частицами грунта. В зависимости от характера связи со скелетом грунта, агрегатного состояния, подвижности воды, вода, содержащаяся в грунтах, подразделяется на несколько категорий (по А.Ф. Лебедеву) [23]:

1.вода в форме пара;

2.гигроскопическая вода;

3.пленочная вода;

4.гравитационная вода: капиллярная вода, подвешенная вода; гравитационная вода, находящаяся в состоянии падения;

5.вода в твердом состоянии;

6.химически связанная вода (вода в кристаллической решетке минералов): конституционная, кристаллизационная и цеолитная вода.

Исходя из исследований последних лет, на основании классификации А.Ф. Лебедева, предложено следующее подразделение воды в грунтах [46]:

1.вода в форме пара;

2.связанная вода: а) химически связанная вода (вода, входящая в состав минералов), б) физически связанная вода (вода, связанная на поверхности минералов);

3.свободная вода: капиллярная, иммобилизованная и гравитационная вода;

4.вода в твердом состоянии;

Вода в форме пара всегда содержится в свободных порах грунта. Под влиянием изменения температуры и давления парообразная влага по отношению к окружающей среде, и что материалы частиц

76

иокружающей среды обладают некоторыми постоянными средними свойствами [15].

Известно, что твердая фаза грунта образуется при разрушении горных пород и минералов, поэтому твердые минеральные частицы грунтов имеют различную форму, состав и размер (от нескольких сантиметров, галечники, до мельчайших частиц коллоидного порядка). Влияние природы частиц твердой фазы грунта на его физико-механические и физико-химические свойства возрастает с уменьшением размеров этих частиц. С уменьшением размеров частиц возрастает удельная поверхность грунта и усиливается проявление физико-химических сил, действующих на поверхности данных частиц. На рад свойств грунтов особенное влияние оказывают коллоидные частицы, содержащиеся в нем. Весьма существенным фактором, влияющим на свойства грунтов является его минералогический и химический составы. Например, минералы кварц, полевой шпат мало взаимодействуют с водой, в то время как монтмориллонит – сильно взаимодействует и т.д. Все это следует учитывать при использовании грунтов для возведения земляного полотна автомобильных и железных дорог. Поэтому, без учета степени дисперсности грунта соотношение фаз не может само по себе служить достаточным основанием для суждения о свойствах грунта.

Так, крупнообломочные и крупнозернистые пески почти не изменяют своих свойств при заполнении их пор водой, в то время как свойства глинистых грунтов сильно зависят от степени водонасыщения, потому что в глинистых грунтах поры очень малы

ивода, заполняющая их почти полностью, связана молекулярными силами с поверхностью частиц. В песчаных грунтах вода почти вся свободна и подвижна.

Внепосредственном соприкосновении с твердой фазой грунта находится ее жидкая фаза, которая оказывает чрезвычайно важное влияние на свойства грунта и на его поведение под нагрузкой.

Может превращаться в капельно-жидкое состояние – конденсироваться или, наоборот, жидкая вода превращается в парообразное состояние. Несмотря на то, что содержание воды в форме пара в грунте незначительно (не более 0,001% от общего веса грунта) она играет важную роль в процессах образования других видов воды (путем конденсации пара на поверхности грунтовых частиц), а также является единственной формой воды, которая способна передвигаться в грунте при незначительной его

77

влажности. Передвижение парообразной влаги происходит из мест с большей упругостью пара в места с меньшей упругостью. Следовательно, перемещение пара направлено из мест с более высокой температурой к местам, где грунт охлаждается.

Парообразная вода в грунтах находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере.

Связанная вода содержится в грунтах в различных видах и формах и удерживается внутри минералов, слагающих грунт, и на их поверхности силами, значительно превышающими силу тяжести. Как указывалось выше, связанная вода разделяется на химически связанную воду, входящую в состав минералов, и воду, связанную на поверхности минералов, – физически связанную воду.

Химически связанная вода подразделяется на конституционную, кристаллизационную и цеолитную. Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки минералов в виде ионов H+ и ОН–, участвуя в их строении, например Са(OН)2.

Кристаллизационная вода участвует в строении кристаллических решеток некоторых минералов в виде молекул воды в строго определенных количествах, например, гипс

CaSO4 2H2O.

Цеолитная вода – часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и вновь поглощаться без разрушения кристаллической решетки некоторых минералов – цеолитов, представляющих собой водные алюмосиликаты. Общая формула цеолитов – (Na2Ca)O Al2O3 nSiO2 mH2O, при этом m изменяется от 1 до 8.

Физически связанная вода содержится главным образом в тонкодисперсных глинистых породах и удерживается на поверхности минеральных частиц силами, имеющими электрическую природу. Прочность связи воды с поверхностью минеральных частиц уменьшается по мере удаления слоя воды от поверхности частицы. По силе этой связи различают прочно связанную и рыхлосвязанную воду. Прочносвязанная, или адсорбированная вода соответствует гигроскопической воде по терминологии А.Ф. Лебедева. Образование слоя прочносвязанной воды сопровождается значительным энергетическим эффектом с выделением до 42 Дж на 1 г воды [22]. Выделяющееся при этом тепло называется теплотой смачивания. Выделение тепла указывает на прочную связь воды с поверхностью минеральных частиц.

78

Адсорбированная вода связана с поверхностью минеральной частицы зарядами внутренней части двойного электрического слоя, т.е. зарядами ядра и катионов адсорбированного слоя. Адсорбированная вода трудноподвижная, она удерживается на поверхности грунтовых частиц силами в тысячи атмосфер. По своим свойствам она резко отличается от свойств свободной – гравитационной воды. Она обладает значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг. По своим свойствам она приближается к твердому телу. Плотность ее колеблется в пределах от 1,2 до 2,4 г/см3, Замерзает при температуре от 0° до –7–8°С.

Содержание прочносвязанной воды зависит от степени дисперсности грунта, его минералогического состава, содержания обменных ионов, минерализации порового раствора, влажности окружающей среды и степени нарушенности естественного сложения. Максимальное количество (прочносвязанной) воды, поглощенное грунтом из окружающей среды с выделением тепла называют максимальной гигроскопичностью, или максимальной гигроскопической влагоемкостью, которую определяют путем высушивания образца грунта до постоянного веса при температуре 100–1050С и нахождением отношения массы воды к массе сухого грунта.

В естественных условиях влажность грунта почти всегда выше его максимальной гигроскопической влагоемкости.

Содержание гигроскопической влажности в крупнозернистых песках не превышает 1–2%, а в глинистых изменяется в пределах 10–15% [19]. Глинистые грунты с влажностью, равной максимальной гигроскопической влагоемкости, находятся в твердом состоянии.

Гигроскопическая влажность используется в качестве вспомогательной величины при расчетах, например, при гранулометрическом анализе грунта.

Поверхность минеральных частиц грунта обычно связывает значительно больше воды, чем максимальная гигроскопическая влагоемкость. Эту часть связанной воды называют рыхлосвязанной водой (вода поверхностных слоев по В.Д.Ломтадзе).

Рыхлосвязанная вода по своим свойствам отличается от прочносвязанной. Плотность ее близка к плотности свободной воды, она может передвигаться от одной грунтовой частицы к другой под влиянием сил молекулярного притяжения.

79

Рыхлосвязанная вода представляет воду диффузных оболочек. Она образует вокруг грунтовых частиц пленку, толщина которой может достигать сотен и тысяч диаметров молекул воды, поэтому

ее еще называют пленочной водой.

Характерными свойствами рыхлосвязанной, воды являются: более медленное передвижение ее по сравнению с передвижением свободной воды, в основном она передвигается от мест, где толщина пленок большая, к местам, где пленки тоньше; пониженная способность растворять соли; замерзание при температуре ниже 0°С; гидростатического давления рыхлосвязанная вода не передает.

По мере удаления от поверхности грунтовых частиц молекулярные силы притяжения быстро уменьшаются, и вода диффузных оболочек превращается в свободную воду.

Рыхлосвязанная вода вместе с прочносвязанной, по А.Ф. Лебедеву, называется молекулярной водой. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемой данной породой в данных условиях, А.Ф.Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью. Эта влагоемкость примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности.

Величина максимальной молекулярной влагоемкости зависит от гранулометрического и минералогического состава грунтов, минерализации парового раствора, от состава поглощенных катионов и т.д.

Максимальная молекулярная влагоемкость может быть определена тремя методами, разработанными А.Ф.Лебедевым: методом центрифугирования, методом влагоемких сред и методом высоких колонн.

Метод центрифугирования состоит в удалении из образца грунта избытка воды путем воздействия на ее центробежной силы равной 70000g, развиваемой центрифугой. При удалении избытка воды в грунте остается только связанная вода, соответствующая величине максимальной молекулярной влажности.

Метод влагоемких сред основан на удалении из образца грунта воды с помощью гидрофобного материала (фильтровальной бумаги).

В методе высоких колонн избыток воды удаляется путем свободного истечения ее из образца грунта, помещенного в стеклянную или металлическую трубку. Влага, остающаяся в грунте

80

после истечения, характеризует величину максимальной молекулярной влагоемкости.

Определение максимальной молекулярной влагоемкости производят для расчета водоотдачи песков и для типизации пород как классификационный показатель при инженерно-геологических исследованиях.

Наличие в грунтах рыхлосвязанной воды придает им липкость, пластичность, набухание, усадку и др.

Свободная вода, содержащаяся в порах грунта, не подвержена действию молекулярных сил, связывающих воду с поверхностью грунтовых частиц. Она передвигается в капельно-жидком состоянии под действием сил тяжести, а также сил поверхностного натяжения. Свободная вода подразделяется на капиллярную,

иммобилизованную и гравитационную.

Капиллярная вода является переходным типом между связанной и свободной – гравитационной водой.

Капиллярная вода не подчиняется закону силы тяжести и передвигается в капиллярных порах снизу вверх от уровня грунтовых вод, под влиянием подъемной силы, которая является следствием поверхностного натяжения, развивающегося в вогнутом мениске воды на границе раздела вода-воздух. Она заполняет капиллярные пустоты в породах. В зависимости от того, сообщается ли капиллярная вода с уровнем грунтовых вод или нет, она подразделяется по А.Ф. Лебедеву на капиллярно-подвешенную и собственно капиллярную. Капиллярно-подвешенпня вода не сообщается с уровнем грунтовых вод. Она удерживается в мелких порах и трещинах капиллярными силами. Собственно капиллярная вода сообщается с уровнем грунтовых вод. Она поднимается от уровня грунтовых вод вверх по капиллярам под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, образуя выше уровня грунтовых вод зону капиллярного насыщения, отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой. Величина капиллярного подъема для различных грунтов различна и зависит от гранулометрического и минералогического составов, структуры грунта, химического состава воды и других факторов. В табл. 3.1 приведены значения предельной высоты подъема воды для некоторых типов грунтов.

81

Таблица 3.1. – Высота капиллярного подъесма воды

Величина капиллярного подъема имеет существенное значение в дорожном строительстве, так как может обусловить увлажнение земляного полотна и в сочетании с другими факторами, образование пучин.

Заложение фундаментов зданий в зоне капиллярного поднятия сопряжено с появлением сырости в подземных или цокольных помещениях, а при подземных водах характеризующихся агрессивностью – с постепенным разрушением фундаментов. Вредное действие капиллярных вод можно устранить путем устройства дренажа, гидроизоляции, путем замены грунта при устройстве земляного полотна дорог и т.д.

Для проектирования мероприятий, предотвращающих капиллярное влагонакопление необходимо знать капиллярные свойства грунтов: максимальную высоту и скорость капиллярного поднятия воды. Эти показатели определяются: в лаборатории путем непосредственного наблюдения за поднятием воды в стеклянных трубках, заполненных исследуемым грунтом, или в специальных приборах – капилляриметрах; в полевых условиях также путем непосредственных наблюдений за увлажнением грунта выше уровня грунтовых вод в шурфах, канавах и т.д.

Влажность грунта, соответствующая полному заполнению капилляров под водой, в капиллярной зоне называется капиллярной влагоемкостью грунта. Определяется она путем изучения влажности образца, взятого в капиллярной зоне. При инженерногеологических исследованиях определяется довольно редко.

Гравитационной водой называют воду, заполняющую различные крупные пустоты в горных породах и передвигающуюся в них под

82

действием силы тяжести и разности напоров, или передаваемого на нее внешнего давления. Гравитационная вода, движущаяся в грунтах сверху вниз под влиянием силы тяжести, называется просачивающейся водой (атмосферная влага), а движущаяся в разных направлениях под влиянием разности напоров, – потоками подземных вод.

Гравитационная вода передает гидростатическое давление, оказывает при движении механическое воздействие на грунты. Механическое действие движущейся воды вызывает явление суффозии, заключающееся в выносе мелких частиц грунта на откосах выемок и котлованов, что может обусловить неустойчивость откосов и последующую деформацию склонов.

В зоне насыщения гравитационные воды образуют водоносные горизонты. Грунтовая вода встречается в различных грунтах при условии, если слой с большей водопроницаемостью подстилается слоем с меньшей водопроницаемостью (водоупором). В природных условиях грунтовая вода обычно движется над водоупором, по уклону.

Иногда свободная вода может быть заключена в замкнутых пустотах породы и находится в состоянии покоя, такую воду называют иммобилизованной водой.

Свободная вода (гравитационная) обладает обычными признаками, свойственными воде на поверхности земли. Ее количество в грунтах зависит от типа грунта, его гранулометрического состава, пористости и других факторов. В плотных глинистых грунтах гравитационная вода содержится в незначительных количествах и может отсутствовать совсем, в них содержится, в основном, связанная вода. В крупнообломочных грунтах свободная вода преобладает над другими видами воды.

По химическому составу свободная вода может быть различной. Она содержит растворенные соли и газы, а также различные вещества в коллоидальном состоянии. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с минеральной частью грунта. Из катионов в воде чаще всего растворяются Ca++, Mg++, Na+, а из анионов – Cl–, SO4– –, и HCO3–. Из колоидов чаще всего в воде

находится SiO2. Значение pH колеблется от 6 до 9 – 10.

Свободная вода замерзает при температуре ниже 0°С, при которой она теряет свои свойства и переходит в новый вид воды в грунтах – воды в твердом состоянии.

83