Лекции 4 и 5. Жидкая компонента грунтов

Таблица 3.1

25

Кроме того, в процессе выветривания минералы, как правило, имеют дефекты в своей структуре. Например, вместо 6 ионов кислорода фактически в тетраэдрической сетке наблюдаются 5 ионов, вместо 4 ионов кремния фактически имеется 3. В этих местах также образуются зоны с повышенной энергетикой. Повышенная энергетика компенсируется молекулами воды, которая и называется водой углов и сколов кристаллической решетки минералов.

б). Вода ближней гидратации ионов образуется на поверхности обменных ионов (катионов), которые участвуют в химических реакциях, протекающих между кристаллом и раствором.

Схема образования данного вида воды приведена на рисунке 3.3.

Н2О

– поверхность кристалла

– кристалл

катион обменный

Рисунок 3.3 – Схема расположения воды «ближайшей» гидратации ионов

Первый и второй тип прочносвязанной воды не образует вокруг кристалла сплошную пленку, а располагается островками. Поэтому при классификации воды (таблица 3.1) они объединены в одну группу и названы «вода углов и сколов» кристаллической решетки минералов.

в). Вода базальных поверхностей минерала. Ее формирование обусловлено энергетическим потенциалом, которым обладают поверхности структурных слоев минералов.

Молекулы воды притягиваются к этим поверхностям, образуя сплошную пленку (рисунок 3.4).

Н2О

– поверхность структурного слоя

– структурный слой

Рисунок 3.4 – Схема расположения воды базальных поверхностей минералов

27

3)Рыхлосвязанная вода подразделяется на следующие виды: а) вторичноориентированная вода полислоев;

б) осмотическая вода; в) капиллярная вода.

Рассмотрим данные виды рыхлосвязанной воды подробнее.

а). Вторичноориентированная вода полислоев образуется вокруг частиц и адсорбированных ионов благодаря молекулярным связям между молекулами прочносвязанной воды и вновь поступившими молекулами воды (рисунок 3.5).

некомпенсированный

вторичноориентированная отрицательный заряд вода полислоев

прочносвязанная

вода

Рисунок 3.5 – Схема расположения вторичноориентированной воды полислоев

Следует подчеркнуть, что вторичноориентированная вода полислоев создает вокруг кристаллов сплошную пленку и ее часто называют пленочной водой.

Третье отступление.

Сверхпрочносвязанная, прочносвязанная воды и вторичноориентированная вода полислоев приурочена к кристаллам, а осмотическая – к калоидам (мицеллам).

Следовательно, необходимо рассмотреть, что такое мицелла.

Прежде всего, отметим, что при обсуждении вопросов состава пород мы работаем с двумя объектами:

кристалл (молекула);

калоид.

Кристалл есть минимальный размер материальной составляющей, в котором отражены свойства вещества. Размер глинистых кристаллов составляет в среднем 10Å или 10-10 м.

Некоторое количество кристаллов объединяется, посредством структурных связей, в калоид. В грунтоведении принята для глинистых грунтов частица размером меньше 0,001 мм или 1 мк или 10-6м. Таким образом, в калоид глинистого грунта входит около 10 тыс. кристаллов, объединенных уже не столько химическими связями, сколько структурными.

Безусловно, поверхность данной частицы имеет некомпенсированный отрицательный заряд, т. к. поверхности глинистых кристаллов, из которых состоит частица, имеют отрицательный заряд.

Компенсация этого отрицательного заряда на поверхности калоида протекает следующим образом: при взаимодействии частицы с раствором из последнего (раствора) на поверхность калоида присоединяются положительно заряженные

28

ионы (катионы). Притом вокруг частицы образуется двойной электрический слой – адсорбционный и диффузный. В адсорбционном слое катионы расположены непосредственно около твердой частицы. В диффузионном они (катионы) удерживаются некомпенсированным поверхностным зарядом калоида.

частица

диффузионный осмотическая слой

вода

Рисунок 3.6 – Схема расположения осмотической воды

Калоидная частица, окруженная адсорбционным и диффузионным слоем, называется мицеллой.

б). Осмотическая вода образуется на поверхности обменных катионов, которыми насыщены диффузные слои мицеллы.

в). Капиллярная вода подразделяется на подвешенную и собственно капиллярную воды.

Собственно капиллярная вода поднимается к верху от уровня грунтовых вод, подобно тому, как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду (рисунок 3.7).

земная поверхность грунт

капиллярные воды уровень

грунтовых вод

грунтовые воды

водоупор

Рисунок 3.7 – Схема формирования капиллярной воды

29

Подвешенная вода возникает в верхней части толщи грунта при промачивании его сверху. Она отличается от собственно капиллярной воды тем, что не имеет непосредственной связи с грунтовыми водами (рисунок 3.8).

земная поверхность

уровень грунтовых вод

грунтовые воды

водоупор

Рисунок 3.8 – Схема формирования подвешенной воды

4)Не связанная вода подразделяется на следующие виды: а) иммобилизованная;

б) гравитационная.

а). Иммобилизованная вода – это вода, замкнутая в порах (рисунок 3.9).

капилляр

грунтовая

частица

вода углов пор

Рисунок 3.9 – Схема формирования иммобилизационной воды

Содержание этого вида воды в песках составляет 3–5 %, в супесях 4–7 %. Участки, занимаемые водой углов пор, изолированы друг от друга и зани-

мают незначительное пространство по отношению ко всему объему пор. Н.М. Герсеванов определяет воду углов пор как состояние защемленной воды в грунте.

б). Гравитационная вода подразделяется на просачивающую воду и воду грунтового потока.

Просачивающая вода находится, в основном, в зоне аэрации и передвигается подвлияниемсилытяжестисверхувниз. Этодвижениепродолжаетсядотехпор, пока она не встречает своём пути водоупор. После этого, дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока. Слой грунта, в котором движетсяводагрунтовогопотока, называетсяводоносныйгоризонт(рисунок3.10).

30

дождь

трещины, по которым просачивающая вода движется

река

грунтовый водоносный поток водоупор

горизонт

Рисунок 3.10 – Схема формирования гравитационных вод

3. Влияние минерального и гранулометрического состава на формирование воды

а) Прочносвязанная вода Большое влияние на содержание прочносвязанной воды в грунтах оказывает:

–величина энергетического потенциала на активных поверхностях минера-

лов (qэ);

–площадь активных поверхностей минералов (Sa).

Таблица 3.2

Так, в окислах, особенно в кварце, поверхности минералов практически нейтральны, наблюдаются единичные изоморфные замещения Sa – незначительное, поэтому количество прочносвязанной воды составляет 8,7 мг на 1 г минерала. Подобная же картина наблюдается и в силикатах каркасного типа (альбит, ортоклаз). В слоистых силикатах (мусковит) хотя энергия немногим больше, чем у ортоклаза, но мусковит имеет активных поверхностей на несколько порядков больше, чем ортоклаз, поэтому и содержание в них прочносвязанной воды наибольшее.

Кроме минерального состава, значительное влияние на содержание прочносвязанной воды в грунтах оказывает размер частиц. Так, по Безруку В.М., содержание гигроскопической влажности (прочносвязанной воды) в кварцах возрастает с уменьшением размера частиц.

31

б) Рыхлосвязанная вода

Вторичноориентированная вода.

В таблице 3.3 приведены данные по влажностным показателям различных типов грунтов для вторичноориентированной воды (по С.С. Морозову).

Таблица 3.3

Из таблицы видно, что минеральный состав играет определяющую роль в формировании вторичноориентированной рыхлосвязанной воды. Так, в глинах, не содержащих монтмориллонит Wm, изменится от 13,1 до 33,25 %, а в монтмориллонитовых глинах Wm составляет уже 134,5 %.

Размер частиц играет здесь подчиненную роль, так в песках (0,05–2 мм) Wm составляет 0,76 %, в суглинках (0,001–0,05 мм) Wm увеличивается до 14,72 %, и в глинах – до Wm = 33,25 %.

Осмотическая вода. На её формирование, кроме минералогического и гранулометрического состава, большое влияние оказывает состав обменных катионов. Этот вопрос рассмотрим на следующей лекции.

Капиллярная вода. Определяющим фактором в формировании капиллярной воды является гранулометрический состав грунтов, а затем минералогический состав. Так, высота капиллярного поднятия в глинах (d < 0,001 мм) составляет до

8 м, в лесах (d = 0,001÷0,05 мм) до 4 м, а в песках (d = 0,05–2,0 мм) до 1 м.

По данным В.В. Охотина, минералогический состав также оказывает влияние на высоту капиллярного поднятия. Так, при размере частиц 0,25 мм, высота капиллярного поднятия изменяется по следующей закономерности: слюды > кварц > полевой шпат.

в) Несвязанная вода

При формировании этих вод ведущее значение имеет гранулометрический состав, минеральный – имеет подчиненное значение.

Так, в глинистых грунтах (d < 0,001 мм) несвязанная вода практически отсутствует, поэтому эти грунты выполняют роль водоупоров. В песках (d = 0,05÷2,0 мм) наоборот данного типа воды достаточно много, поэтому они (пески) являются средой водного потока.

32

4. Свойства вод

Свойства различных видов вод приведены в таблице 3.4. Из нее видно, что прочносвязанная вода по своим свойствам резко отличается от других вод.

Таблица 3.4

По данным Е.М. Сергеева, свойства рыхлосвязанной воды имеют промежуточные значения свойств между прочносвязанной и свободной водами. Плотность близка к 1,0 г/см3, температура замерзания изменится от минус 1,5 до минус

18,5 °С.

5. Показатели характеризующие влажность грунтов

1) Влажностные показатели грунтов.

Под влажностью грунта понимают содержание в нем того или иного количества воды. Различают весовую и объемную влажность.

Весовой влажностью грунта W называют отношение массы воды (mв), содержащейся в грунте, к массе сухого грунта (mс.г.).

Под объемной влажностью понимают отношение объема воды, заключенной в грунте, к объему всего грунта.

В грунтоведении широкое применение нашла весовая влажность.

Естественной влажностью грунта называют отношение массы воды, содержащейся в порах грунта в естественных условиях его залегания (mв), к массе сухого грунта (mс.г.).

Методика определения любого влажностного показателя сводится к следующему:

a. Определение массы воды в грунтах (mв): mв= mв. г. -mc . г.

где mв.г. – масса влажного грунта;

mc.г. – масса сухого грунта (высушенного при t = 10 °C). b. Расчет влажностного показателя:

W = mв

mc.г.

Ниже рассмотрим влажностные показатели, количественно характеризующие ту или иную разновидность воды в грунтах.

33

1). Прочносвязанная вода

Количественной характеристикой прочносвязанной воды является Wmg – максимальная гигроскопическая влажность, под которой понимается влажность грунта, которая образуется при адсорбции частицами парообразной воды при относительной ее упругости, равной 100 %.

Определение максимальной гигроскопической влажности грунтов осуществляется следующим образом:

–грунт высушивается до сухого состояния при температуре 105 °С;

–после этого грунт помещают в среду, постоянно имеющую относительную влажность воздуха, близкую к 100 %. Это достигается путем размещения сухого

образца грунта в эксикаторе при температуре 20 °С над 10 % H2SO4 при разряжении атмосферы до 400 мм (метод Митчелиха).

–затем берут навеску около 5 г. Навеску переносят в предварительно взвешенный бюкс без крышки и помещают в термостат с температурой 100÷105 °С;

–после 2 часов просушивания бюкс извлекают из термостата, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Затем снова помещают бюкс в термостат на 1÷2 часа. Если после второго просушивания масса не уменьшилась, можно рассчитывать гигроскопическую влагу.

Это дает возможность считать синонимами термины «прочносвязанная вода», «гигроскопическая» и «адсорбционная» вода.

Содержание первого и второго вида прочносвязанной воды в грунтах составляет примерно 0,1 максимальной гигроскопической влажности (Wmg), a трех видов вместе – соответствует максимальной гигроскопической влажности (Wmg).

2). Рыхлосвязанная вода

Вторичноориентированная вода количественно характеризуется через показатели:

–максимальной молекулярной влагоемкости грунтов (Wm), под которой понимается влажность грунта, при которой грунт удерживает максимальное количество прочносвязанной и вторичноориентированной вод;

–влажности на пределе раскатывания (Wp), под которой понимается влажность, при которой глинистый грунт переходит из твердого в пластическое состояние.

Эти два показателя численно близки между собой.

Показатель Wp для грунтоведов является важной характеристикой грунта, поэтому остановимся на методике его определения:

–берем образец грунта с естественной влажностью объемом около 50 см3;

–увлажняем до состояния густого теста;

–раскатываем получившийся грунт пальцами на гладкой деревянной пластинке до образования жгута диаметром около 3 мм;

–искомый нижний предел пластичности считаем найденным, когда жгут толщиной около 3 мм начнет крошиться по всей длине;

–определяем весовую влажность как указано выше.

Осмотическая вода количественно характеризуется:

34

–влажностью максимального набухания (Wsw), под которой понимается влажность, при которой грунт максимально увеличивает свой объем;

–влажностью на пределе текучести (WL), под которой понимается влажность, при которой глинистый грунт переходит из пластического в текучее состояние.

Показатель WL является также важной характеристикой грунта. Рассмотрим методику определения WL:

–образец грунта с естественной влажностью объемом около 50 см3 размельчаем резиновым пестиком;

–увлажняем до состояния густого теста;

–заполняем им с помощью шпателя стаканчик диаметром не менее 4 см и высотой не менее 2 см. Поверхность грунта шпателем выравниваем с краями стаканчика;

–подносим к поверхности грунтового теста острие конуса и, отпустив конус, даем ему в течение 5 сек. свободно погрузиться в тесто под влиянием собственного веса.

–если за 5 сек. конус погрузился в грунтовое тесто на глубину 10 мм, верхний предел пластичности считаем достигнутым.

Балансирный конус имеет следующие основные характеристики:

–высота 25 мм;

–угол при вершине 30°;

–круговая метка на расстоянии 10 мм от вершины конуса;

–общий вес балансирного конуса должен составлять 76 г, допускаемое отклонение ±0,2 г.

Капиллярная вода количественно характеризуется капиллярной влаго-

емкостью (WK), под которой понимается влажность, при которой грунт удерживает максимальное количество воды в капиллярах.

Определение капиллярной влагоемкости следует производить в приборе следующим образом:

–наполнить цилиндр с легкой утрамбовкой испытуемым песком;

–закрыть резиновыми пробками боковые отверстия и промочить испытуемый песок водой, подаваемой в цилиндр снизу по резиновой трубке из напорного бака. Промачивание производить до тех пор, пока на поверхности песка не появится небольшой слой воды;

–снять резиновую трубку со дна прибора и дать гравитационной воде свободно стечь из прибора;

–по прекращении стока из прибора гравитационной воды взять из двухтрех боковых отверстий (из капиллярной зоны) пробы в количестве 80÷100 г каждая в предварительно взвешенные фарфоровые чашки и взвесить.

–высушить взятые пробы до постоянного веса в сушильном шкафу;

–вычислить для каждой пробы влажность, которая в зоне максимальной влажности характеризует капиллярную влажность;

–данные опыта занести в журнал.

в). Несвязанная вода

Количественно характеризуется полной влагоемкостью грунта.

35

Полной влагоемкостью (Wt) называется максимальное количество воды, заключенное в породе при полном насыщении ее водой.

Определение полной влагоемкости песчаных грунтов надо вести следующим образом:

–в предварительно взвешенный стеклянный или металлический стакан объемом около 200 см3 насыпать с легкой утрамбовкой испытуемый грунт;

–насытить грунт в стакане водой до появления на поверхности грунта тонкой пленки воды и взвесить;

–высушить испытуемый грунт в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянного веса и вычислить влажность, которая будет равна искомому значению полной влагоемкости.

Таким образом, мы рассмотрели наиболее важные виды воды в грунтах, установили влажностные критерии, по которым оцениваются эти виды воды.

Перейдем к вопросу оценки влияния этих видов воды на свойства глинистых грунтов.

6. Влияние жидкой компоненты на свойства грунтов

Наличие в грунтах воды различных категорий приводит к изменению свойств пород.

Для песков. При наличии в них прочносвязанной и вторичноориентированной воды пески обладают сыпучестью. При появлении в них капиллярной воды (осмотической воды в песках нет) появляется капиллярная связанность. В дальнейшем при появлении иммобилизованной и гравитационной вод пески приобретают скрытотекучее и текучее состояние (рисунок 3.12).

Для глины. При наличии в глинах прочносвязанной и вторичноориентированной воды глины имеют твердое состояние. При появлении осмотической воды они переходят в пластическое состояние; при появлении капиллярной глина приобретает текучее состояние (рисунок 3.11).

Рассмотрим методы определения влажностных показателей.

36

Глины

Кристалл

Рисунок 3.11 – Схема влияния типа воды на свойства глины

37

3. Обменные катионы в грунтах

1.Механизм катионного обмена.

2.Факторы, влияющие на обменную способность грунтов.

3.Практическое применение данного свойства грунтов.

1. Механизм катионного обмена

Твердая компонента грунтов имеет возможность поглощать из фильтрующихся водных растворов катионы и анионы и отдавать их в раствор (рисунок 3.13). Это свойство называется поглотительной или адсорбционной способностью грунтов. Общее количество ионов в грунте, способных к обмену в данных условиях, называют емкостью поглощения.

Катион переходит + из диффузного слоя мицеллы в раствор

Рисунок 3.13 – Схема катионного обмена в грунтах

В реакциях обмена принимают участие как катионы, так и анионы, но катионы имеют большее влияние на изменение свойств грунтов, поэтому они изучаются детальнее.

Важно:

a)реакции обмена протекают в строго эквивалентных количествах. Напри-

мер, при взаимодействии глины с раствором CaCl2 из раствора Ca+2 замещает Mg+2, который из калоида переходит в раствор;

b)в обменных реакциях принимают участие адсорбционный и диффузный слои мицеллы (калоид) и связанная вода кристаллов;

c)не все катионы одинаково участвуют в реакциях обмена. Установлено, что с увеличением валентности катионов энергия поглощения возрастает.

39

Так, катионы по своей энергии поглощения могут быть расположены в следующий ряд:

Fe > Al >H? > Ba > Ca > Mg > NH4 > K > Na > Li

Например

Рисунок 3.14 – Схема взаимодействия катионов раствора

смицеллой монтмориллонита

d)выявлено, что Na+ является диспергатором, а Ca+2 – коагулянтом калоидов.

Среди обменных катионов наибольшее распространение получили катионы

Ca2+, Mg+2, Na+, H+.

2. Факторы, влияющие на обменную способность грунтов

–размер грунтовой частицы (гранулометрический состав);

–минеральный состав;

–водный раствор.

Размер грунтовых частиц

Таблица 3.5 – Емкость обмена грунтов (по С.С. Морозову)

В таблице приведены данные емкости обмена грунтов. Из таблицы видно, что при размере частиц (d) от 50 до 1 мк емкость поглощения незначительная, при d = 0,22÷1,0 мк она резко возрастает и при d < 0,22 мк достигает максимального значения.

40

Это обусловлено тем, что величина емкости поглощения определяется количеством калоидных частиц. Так, если запредельным (максимальным) размером калоида взять частицу диаметром 1 мк, калоиды будут отсутствовать и естественно емкость поглощения будет минимальной. И, наоборот, чем больше в грунте калоидов (фракции < 0,22 мк), тем больше будет его емкость поглощения.

Минеральный состав

В таблице 3.6 приведены значения емкостей поглощения для глинистых минералов. Из таблицы видно, что для каолинита, где активными поверхностями являются площади краевых участков кристаллов и величина заряда незначительна, емкость поглощения катионов составляет 3–15 мг. экв. на 100 г грунта. В гидрослюдах площадь активных поверхностей в два раза больше, чем у каолинита, и величина заряда составляет 1,3, поэтому и емкость поглощения катионов в два раза выше, чем у каолинита, и составляет 10–40 мг. экв. на 100 г почвы.

Водный раствор

Интенсивность ионного обмена возрастает при увеличении концентрации раствора, взаимодействующего с грунтом.

При уменьшении РН раствора обменная способность грунта уменьшается.

Практическое применение обменной способности грунтов:

1.При подготовке грунта к определению гранулометрического состава.

Враствор добавляют Na+, который, переходя в поглощенное состояние, вызывает диспергацию естественных грунтовых агрегатов;

2.Для понижения водонепроницаемости грунтов. В раствор добавляют Na+ (NaCl), который замещает в калоиде Ca+2, он (Na), переходя в поглощенное состояние, диспергирует грунт, тем самым понижает его водонепроницаемость.

41