Лекция 9. Физические свойства грунтов

План лекции:

1.Плотность грунтов.

2.Пористость грунтов.

3.Пластичность грунтов.

4.Консистенция грунтов.

5.Набухание грунтов.

6.Водопроницаемость грунтов.

7.Коррозионные свойства грунтов.

Свойства грунтов характеризуют их поведение в определенных условиях. Условно все свойства подразделяются на физические, механические и физикохимические.

Физические свойства грунтов

Под физическими свойствами грунтов мы понимаем свойства, которые проявляются без изменения структурных связей под влиянием физических полей: гравитационного, теплового, электрического и др. К числу физических свойств грунтов относятся: плотность, проницаемость, теплофизические, электрические и магнитные свойства.

Наиболее важные физические свойства грунтов – их плотность и влажность. Эти свойства взаимозависимы и в целом выражают физическое состояние грунтов как в условиях естественного залегания, так и в основаниях сооружений. По плотности и влажности можно косвенно судить о прочности и деформируемости песчаных и глинистых пород.

1. Плотность грунтов

В практике широко используются:

–плотность частиц грунта – ρs;

–плотность грунта – ρ;

–плотность сухого грунта – ρd.

Плотность частиц грунта (ρs) характеризуется массой частиц твердой компаненты грунта (mT) в единице объема минеральной части (VT) грунта (рису-

нок 6.1) и рассчитывается по зависимости: ρ = mT .

S VT

56

Плотность частиц грунта определяется минеральным составом горных пород и выражает среднюю плотность слагающих их минералов. Плотность главнейших породообразующих минералов песчаных и глинистых горных пород изменяется в сравнительно небольших пределах, вследствие чего и плотность минеральной части большинства этих горных пород изменяется мало (таблица 6.1).

Таблица 6.1 – Плотность твердых частиц различных петрографических типов грунтов

У легких, сильнопесчаных разностей глинистых горных пород, супесей и песков среднее значение плотности минеральной части равно 2,65·103 кг/м3, у среднепесчаных (суглинки) – 2,70·103 кг/м3, у тяжелых разностей глин – 2,75·103 кг/м3. В зависимости от содержания примесей она может уменьшаться (примеси растительных остатков, гумуса, торфа и др.) или увеличиваться (примеси тяжелых и рудных металлов).

Плотность породы – это масса грунта при естественной влажности и сложении в единице объема:

ρ = mT + mв Vo

Она определяется плотностью минеральной части, пористостью и влажностью горных пород. Обычно, чем выше плотность минеральной части, тем выше и плотность горной породы; чем больше пористость, т. е. чем более рыхлую упаковку имеют частицы в единице объема горной породы, тем меньше ее плотность. При увеличении влажности при данной пористости горная порода становится тяжелее, плотность ее повышается.

Плотности различных типов грунтов приведены в таблице 6.2.

57

Таблица 6.2 – Плотность различных типов осадочных, магматических и метаморфических грунтов

Плотность глинистых и песчаных горных пород может изменяться в довольно широких пределах. Она характеризует их физическое состояние, степень уплотненности. Чем больше уплотнена горная порода, тем меньше плотность отличается от плотности минеральной части. Плотность пород в среднем составляет

1,60·103–1,90·103 кг/м3.

Плотность скелета грунта (плотность сухого грунта) – это масса единицы объема сухой горной породы естественного сложения:

m

ρd = VT

0

Плотность скелета грунта, как и его плотность, выражает степень уплотненности грунта. Чем выше плотность, тем выше плотность скелета грунта.

В таблице 6.3 приведены данные по плотности грунтов. Из таблицы видно, что максимальное значение характерно для плотности частиц, плотность скелета грунта принимает наименьшее значение, а плотность грунта характеризуется средними значениями.

Таблица 6.3

58

Методы определения плотности грунтов

В лабораторных или (и) полевых условиях чаще всего определяют плотность частиц грунта (ρs) и плотность ρ, а плотность скелета грунта, как правило, рассчитывают (ρd).

Плотность частиц грунта ρs определяется пикнометрическим способом, суть которого сводится к следующему: берут навеску грунта, помещают ее в пикнометр с водой, кипятят для разрушения калоидов. Определяют массу частиц грунта, объем, занимаемый им в пикнометре. Затем определяют ρs.

Плотность грунтов ρ определяют:

–методом взвешивания в воде парафинированных образцов;

–методом режущего кольца, который нашел широкое применение в практике. Суть метода заключается в том, что определяют массу грунта, помещенного

вкольцо с фиксированным объемом, после чего рассчитывают ρ: ρ = Vm

Плотность скелета грунта ρd рассчитывается по зависимости:

ρd =1+0ρ.01W

где W – естественная влажность грунта.

Плотность скелета грунта ρd используют при классификации скальных грунтов (таблица 6.4).

Классификация грунтов по плотности скелета ρd (г/см3) представлена в таблице 6.4.

Таблица 6.4

Показатели плотности грунтов используются для расчетов пористости, коэффициента пористости, определения нагрузок в массиве пород и т. д.

2. Пористость грунтов

Следующим важным структурным элементом грунта является его пористость. Между минеральными элементами, слагающими грунт, всегда находятся

промежутки различной величины, которые и называются порами.

Суммарный объем пор в единице объема называют общей пористостью пород.

Величина пористости (n) может быть определена как отношение объема пор (Vn) ко всему объему, занимаемому грунтом (Vo).

n = VnVo

Часто используют показатель коэффициент пористости (e), под которым понимаем отношение объема пор (Vn) к объему минеральной части грунта (Vm).

e = VmVn

59

Коэффициент пористости также можно определить, используя показатели плотности грунтов по зависимости:

e = ρs − ρd

ρd

где ρs – плотность частиц грунта, г/см3 ρd – плотность сухого грунта, г/см3

Общая пористость связана с коэффициентом пористости зависимостью: n = 1+e e

Общая пористость грунтов подразделяется на пористость открытую (no) и закрытую (nз).

Открытая пористость – это поры, соединенные между собой и с атмосферой.

По размеру пор выделяются:

–макропоры – больше 1 мм;

–микропоры – меньше 1 мм;

–ультракапиллярные – меньше 0,001 мм.

Общая пористость (n) горных пород изменяется от долей процента до 90 %. В магматических и метаморфических породах пористость редко превышает

3 %. В осадочных грунтах – до 70 % (таблица 6.5). Таблица 6.5

По коэффициенту пористости (е) пески подразделяются на плотные, средней плотности и рыхлые (таблица 6.6).

Таблица 6.6

Коэффициент пористости е

Разновидность песков Пески гравелистые, крупные Пески мелкие Пески пылеватые и средней крупности

Знание пористости грунтов позволяет произвести их (грунтов) оценку с ин- женерно-геологических позиций.

Например:

Глины обладают большей общей пористостью, чем пески. Однако, в глинах, преимущественно, микропоры, в песках – макропоры. Поэтому глины являются практически водонепроницаемыми, а пески, наоборот, хорошо фильтруют воду.

60

3. Пластичность грунтов

Под пластичностью грунта понимается его способность под воздействием внешних условий изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после того, как действие внешней силы устранено.

Пластичностью при определенной влажности обладают только глинистые и лёссовые грунты, мергели и мел, почвы и, частично, искусственные грунты. В обычных условиях при небольших внешних нагрузках у других типов грунтов она отсутствует.

Пластичность связных грунтов обусловлена наличием рыхлосвязанной воды в этих грунтах.

Пластичность связных грунтов при инженерно-геологических исследованиях характеризуют двумя влажностными показателями:

–влажность на пределе раскатывания Wp;

–влажность на пределе текучести WL.

Методы определения влажностных показателей мы рассмотрели ранее. Ниже остановимся на классификационных признаках грунтов, для этого рассмотрим ещё два показателя.

Число пластичности (Ip), под которым понимается разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе (пределе) текучести WL и на границе (пределе) раскатывания Wp.

Ip =WL −Wp

По числу пластичности Ip глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины (таблица 6.7).

Таблица 6.7

4. Консистенция грунтов

Под консистенцией грунтов понимается способность грунтов сохранить свою форму без и при наличии внешнего механического воздействия.

Для количественной характеристики консистенции грунтов определяют показатель текучести.

Показатель текучести IL – отношение разности влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: естественной влажности W и на границе раскатывания, к числу пластичности Ip.

IL = W −I pWp

По показателю текучести IL глинистые грунты подразделяются согласно таблица 6.8.

61

Таблица 6.8

Пример:

В глинах Wp = 33 %, WL = 54 %, W = 40 % (естественное), тогда число пла-

Следовательно, глина находится в тугопластичном состоянии.

5. Набухание грунтов

Набуханием называется увеличение объема грунта в процессе смачивания. Набухание – результат гидратации грунта; оно обусловлено, в основном, образованием в грунте рыхлосвязанной воды. Оболочки связанной воды, формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц, уменьшают силы сцепления

между ними, раздвигают их, и этим вызывают увеличение объема грунта. Набухание характеризуется следующими основными показателями:

–относительной деформацией (или степенью) набухания (εSW);

–влажностью свободного набухания (wSW);

–давлением набухания (pSW).

Кинетика процесса набухания характеризуется скоростью набухания (vSW) и периодом набухания (tSW).

Относительная деформация набухания, или степень набухания (εSW), равна отношению абсолютной деформации образца, свободно набухшего в условиях невозможности бокового расширения ( h), к первоначальной высоте образца с исходной (природной) влажностью (ho), измеряется в процентах или долях единицы:

εSW = h / ho .

По этому показателю к набухающим относят грунты при εSW ≥ 0,04.

Влажность свободного набухания (wSW) – это конечная влажность образца,

полностью набухшего без возможности бокового расширения и какого-либо внешнего ограничения (без давления на образец); измеряется в процентах. При набухании грунта под внешним давлением определяется конечная влажность набухшего образца, соответствующая определенному давлению.

62

Давление набухания (pSW) – это давление, которое грунт оказывает на внешнее ограничение в процессе своего набухания. Численно оно ровно противодавлению, при котором εSW = 0; измеряется в МПа.

Грунты подразделяются по величине относительной деформации свободного набухания на ряд категорий (таблица 6.9).

Среди факторов, влияющих на набухание грунтов, выделяют внутренние и внешние. К внутренним факторам относятся: химико-минеральный состав грунта, структурно-текстурные особенности, начальная плотность-влажность, состав и концентрация электролита порового раствора, обменные катионы.

Таблица 6.9 – Подразделение грунтов по набуханию

6. Водопроницаемость грунтов

Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью, а движение воды в грунтах под действием напора – фильтрацией.

Фильтрация подчиняется закону Дарси:

Vф = Кф I

где Vф – скорость фильтрации, м/сут. Кф – коэффициент фильтрации, м/сут. I – градиент напора.

Мерой водопроницаемости грунтов является коэффициент фильтрации Кф, он является классификационным показателем грунтов (таблица 6.10).

Таблица 6.10 – Степень водопроницаемости грунтов

Величина Кф для различных грунтов изменяется в широких пределах

(таблица 6.11).

63

Таблица 6.11 – Водопроницаемость различных грунтов

Из таблицы видно, что глинистые грунты практически неводопроницаемые, а пески и галечники – водопроницаемы. Это говорит о том, что на проницаемость огромное влияние оказывает размер частиц и объем открытой пористости. Так, глина имеет большую общую пористость и малую открытую, в пески наоборот, все поры являются открытыми. Кроме того, глина имеет малый размер частиц (<0,001 мм), вокруг них (частиц), много связанной воды, а в песках наоборот, размер частиц большой (d = 5÷2,0 мм) и связанной воды вокруг частиц практически нет. Поэтому скорость фильтрации воды в глинах очень маленькая, а в песках наоборот, значительная.

На рисунок 6.2 представлена зависимость скорости фильтрации (Vф) в песках и глинах от гидравлического градиента (I).

Vф

1

2

Рисунок 6.2 – Зависимость скорости фильтрации (Vф) от гидравлического градиента. 1 – пески; 2 – глины

Из рисунка видно, что в глинистых грунтах фильтрация не идет до определенной величины гидравлического градиента IH, который называется начальным гидравлическим градиентом. Это обусловлено тем, что в глинах вокруг частиц грунта имеются пленки связанной воды, в результате чего уменьшается эффективный диаметр пор, поэтому необходимо усилие IH, с помощью которого происходит сдвиг (движение) связанной воды. В песках IH→О.

В практике глину используют в качестве водоупоров.

64

7. Коррозионные свойства грунтов

Коррозией называется процесс разрушения материалов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Различают различные виды коррозии. Одним из них является подземная коррозия, которая выражается в разрушении металлических сооружений при взаимодействии их с грунтом.

Коррозия металлов в грунтах в основном является электрохимической. Условие коррозии: наличие железа, воды (жидкости) и кислорода.

1. Кристаллическая решетка железа образована катионами (Fe), которые связаны с подвижными электронами (рисунок 6.3).

Fe

Рисунок 6.3 – Кристаллическая решетка железа

Электроны могут покидать кристаллическую решетку железа и вновь возвращаться.

2.Если погрузить металл в воду, то его атомы (катионы) будут стремиться перейти в раствор, а из раствора эти или другие катионы – в кристаллическую решетку, таким образом, происходит реакция обменных катионов. Формируются адсорбционный и диффузионный слои.

3.В кристалле или частичке образуется двойной электрический слой, в котором происходят обменные процессы.

4.В трубопроводах металл неоднороден, всегда найдутся участники с дефектами кристаллической решетки, включением других металлов и т. д. Поэтому практически любые две точки на поверхности трубопровода имеют разные электрические потенциалы. При этом участок трубопровода с наибольшим дефектом выступает в качестве анода – положительно заряжен, а другой в качестве катода – отрицательно заряжен.

5.Если существует разность потенциалов, то между этими участками трубопровода возникает электрический ток, который двигается от анода к катоду. Ток – это направленное движение электронов, т. е. от анода электроны железа двигаются к катоду. Отсюда катод испытывает переизбыток электронов (отрицательно заряжен), а анод – нехватку электронов (положительно заряжен).

6.Если электроны покидают кристаллическую решетку железа (на аноде), то связь между ними (катионами Fe) ослабевает, и они (катионы Fe) первоначаль-

65

но из диффузного, затем адсорбционного слоев, а затем и из кристаллической решетки переходит в раствор.

7.По мнению профессора Ткаченко В.Н., транспортирует катион Fe молекула воды.

8.На катоде появляется переизбыток электронов. Диффузный и адсорбционный слои не могут принять все электроны. Поэтому на помощь приходит молекула кислорода, которая способна притянуть к своей поверхности электроны, образуя отрицательно заряженную частицу.

9.В растворе находятся положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные частицы, которые, соединяясь, образуют окислы железа (Fe2O3).

10.Выше описана физика процесса коррозии металлов, из которой видно, что коррозия имеет электрохимическую природу (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Коррозионный гальванический микроэлемент на поверхности металла, где Iкорр – ток коррозии

Из рисунка видно, что транспортной магистралью электронов является тело трубы, а ионов Fe+3 и О2 – поровый раствор грунтового массива.

Коррозионная активность грунтов оценивается удельным электрическим сопротивлением (R). Чем меньше R, тем больше возможность коррозии. По этому показателю грунты классифицируются на грунты с высокой R = 0÷20 Ом.м, средней R = 20÷50 Ом.м и низкой R > 50 Ом.м коррозионной активностью.

Чтобы избежать катастрофических коррозионных разрушений металлических подземных трубопроводов, используют защитные изоляционные покрытия и средства активной электрохимической защиты.

66