Механика грунтов / УМК по механике грунтов / Лекция 2 Происхождение и состав грунтов

Минеральные зерна грунта в целом являются нейтрально заряженными частицами, но на их поверхности в очень тонком слое концентрируется, как правило, отрицательный заряд. Диполи воды, попадая в поле заряда поверхностного слоя частицы грунта,

ориентируются согласно законам электромагнитного взаимодействия и притягиваются к частице.

В результате поверхность твердой частицы покрывается слоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, состоящий из упорядоченных диполей воды, на поверхности будет иметь также отрицательный заряд, который притягивает другие диполи воды образуя второй слой упорядоченных диполей и т.д. Таким образом, возникают достаточно стройные цепочки молекул воды, которые окружают частицу тонким слоем так называемой связанной воды (рис.2.9).

Рис.2.9. Схема образования связанной воды

на поверхности частицы грунта

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы

взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля (рис.2.10). За пределами действия электромолекулярных сил вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной (она свободна от сил взаимодействия с твердыми

частицами). Свободной является гравитационная вода, перемещающаяся под действием силы тяжести или разности напоров, и капиллярная.

Рис.2.10. График сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды: 1 — прочносвязанная вода;

2 — рыхлосвязанная вода; 3 — свободная вода

Толщина пленки связанной воды колеблется от одного ряда молекул до 3-5. Количество связанной воды определяется влажностью грунта и удельной поверхностью частиц грунта. Чем выше удельная поверхность, тем больше воды находится в связанном состоянии. Поэтому при

одинаковой влажности в глинах связанной воды во много раз больше чем в песках.

По мере увеличения влажности грунта сначала происходит рост толщины пленки связанной воды и лишь при достижении определенной влажности называемой гигроскопической (Wg) в порах грунта появляется свободная вода. На рис.2.11. схематично показано изменение толщины слоя связанной воды с ростом влажности грунта.

Рис. 2.11. Виды воды в грунте при различной влажности: 1 - абсолютно сухой грунт; 2 - воздушно-сухой грунт; 3 - грунт, насыщенный гигроскопической (прочносвязанной водой); 4 - грунт в состоянии максимального насыщения молекулярно связанной водой; 5 - грунт, содержащий гравитационную свободную воду

2.3.1.3.Свойства связанной воды

Прочносвязанная вода.

По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует вязкому твердому, а не жидкому телу:

∙она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения. Такую воду можно отделить от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С.;

∙замерзает при температуре значительно ниже 0°С;

∙имеет большую, чем свободная вода, плотность;

∙обладает ползучестью.

Рыхлосвязанная вода, представляет собой диффузный переходный

слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено

резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды.

2.3.1.4.Влияние связанной воды на свойства грунта

Наличие связанной воды в грунте оказывает существенное влияние на формирование свойства грунта. Это влияние тем существенней, чем выше удельная поверхность грунта. Наиболее существенное влияние связанная вода оказывает влияние на свойства пылевато-глинистых грунтов.

Наличие между частицами глинистого грунта связанной (пленочной) воды определяет его пластичность. При этом, чем толще пленка воды, тем выше пластичные свойства грунта тем меньше прочность грунта, и наоборот. Уменьшение толщины пленок связанной воды приводит к изменению его состояния от почти жидкого до твердого,

Связанная вода обуславливает также связанность глинистых грунтов. Если толщина пленки связанной воды не слишком большая между частицами грунта возникают силы молекулярного взаимодействия, обуславливающие развитие сил сцепления между частицами грунта.

Поскольку связанность грунтов в значительной степени обусловлено наличием связанной воды, такие грунты обладают присущей этой воде

ползучестью и следовательно силы сцепления между частицами будут

вязко-пластическими.

Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению

толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объема грунта, т. е. грунт набухает. Наоборот, при высыхании пылевато-

глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончении пленок воды и грунт получает усадку.

Связанная вода может полностью «закупорить» поры грунта и

поэтому движение свободной воды через такой грунт будет практически невозможным. Поэтому глинистые грунты и особенно глины являются фактически водонепроницаемыми (особенно перемятая глина).

Итак, связанная вода обуславливает следующие свойства грунта:

∙пластичность;

∙связанность;

∙вязко - пластичность;

∙набухания и усадки;

∙водонепроницаемость;

2.3.2.Структура и текстура грунтов

2.3.2.1.Взаимодействие между частицами твердой фазы

Между частицами возникают так называемые структурные связи, которые бывают двух видов:

∙Кристаллизационные (цементационные) - образуются в результате

отложения поликристаллических соединений в точках контакта

между частицами. Обладают высокой прочностью, но хрупкие, размягчаются водой и не восстанавливаются при их разрушении.

∙Водно-коллоидные – обуславливаются электромолекулярными силами взаимодействия частиц грунта, покрытых плёнкой связанной воды.

Свойства кристаллизационных связей:

∙Обладает высокой прочностью;

∙Зачастую размягчается водой;

∙Практически не восстанавливается после разрушения (необратимые).

Свойства вводно-коллоидных связей:

∙Вязко-пластичные;

∙После разрушения связи легко восстанавливается (обратим).

2.3.2.2.Структура грунтов

Структура грунтов – это особенности строения грунтов,

обусловленные размерами и формой частиц и характером их взаимодействия между собой.

Структуры крупнообломочных грунтов определяются преимущественно формой частиц, которые могут быть угловатыми, полуокатанными, окатанными, пластинчатыми (рис.2.12). Учет формы

частиц служит классификационным признаком крупнообломочных грунтов (валуны - глыбы, галька - щебень), поскольку это влияет на их механические свойства.

`

Рис. 2.12. Окатаность частиц крупнообломочных и песчаных грунтов: 1-угловатая; 2-полуокатаная; 3-окатанная.

Структуры тонкодисперсных грунтов (глин, суглинков, супесей) имеют важное свойство - агрегированность, т.е. способность частиц этих грунтов «слипаться» образовывать агрегаты (комочки), состоящие из нескольких сотен элементарных частиц, в результате развития сил адгезии,

рис. 2.13. Структурными признаками таких грунтов служат размеры преобладающей фракции (пыли, глины), наличие фракций-примессей и включений.

Рис.2.13. Структура глинистых грунтов под микроскопом: а) – пластинчатая (монтмориллонит); б)- игольчатая (иллит)

2.3.3. Текстура грунтов

Текстура грунта - признак структуры, характеризующий пространственную композицию слагающих грунт элементов.

Текстура грунтов определяется преимущественно условиями отложения осадка. У водных осадков текстуры обычно слоистые, включая тонкослоистую, ленточную, косослойную и др. (рис. 2.14). Некоторые

водные осадки и континентальные наносы имеют массивную (однородную) и хаотическую текстуру; в последнем случае глинистые грунты содержат включения крупнообломочного материала (валунов, гальки и др.), например, моренные грунты. Грунтовые модели, ориентированные на аналитическое решение задач механики грунтов, строго говоря, приспособлены только к массивным текстурам. Учет более

сложных грунтовых текстур в расчетах оснований возможен численными методами решения геотехнических задач.

Рис. 2.14. Некоторые виды текстуры грунтов: 1 - равномерно-слоистая; 2 - неравномерно-слоистая; 3 - ленточная; 4 - косослойная; 5 - однородная (слитная); 6 - хаотичная (с включениями)

Вопросы для самоконтроля

1.Какие типы континентальных отложений имеют более плотную упаковку минеральных частиц?

2.Какие типы континентальных отложений имеют более рыхлую упаковку минеральных частиц?

3.Дайте определение гранулометрическому составу грунтов?

4.Какие методы применяют для проведения гранулометрического анализа грунтов?

5.Что представляет собой диполь воды?

6.Почему вода называется связанной?

7.Перечислите свойства связанной воды?

8.Какие характерные свойства грунтовой среды обусловливаются наличием связанной воды?