1.7. Взаимодействие минеральных частиц и воды в грунтах Гидростатическое взвешивание

По закону Архимеда, тело, погруженное в жидкость, теряет в весе столько, сколько весит вода в объеме тела. Поэтому удельный вес минеральных частиц, погруженных в воду, уменьшается на величину удельного веса воды γ_w, то есть на 10 кН/м³:

[кН/м3].

(1.17)

Соответственно с учетом пористости уменьшается и удельный вес грунта:

[кН/м3],

(1.18)

если удельный вес грунта определен в естественном состоянии с заполнением всех пор водой (), то во взвешенном состоянии:

[кН/м3]

(1.19)

Подъем уровня грунтовых вод может привести к изменению физических свойств грунт

Капиллярные явления в грунтах

Е

Рис. 1.5. Капиллярные явления в грунтах.

сли поры не полностью заполнены водой, то между частицами возникают тонкие пленки влаги, на поверхности которых действуют силы поверхностного натяжения. В контактах частиц пленки искривлены и образуют так называемые мениски. Благодаря кривизне менисков создается сила, стягивающая частицы между собой. Эта сила тем больше, чем меньше радиус кривизны мениска:

,

(1.20)

где: α= 0,075 г/см - поверхностное на

тяжение воды;(0,00075Н/м)?

R₁ и R₂ - радиус минеральных частиц и радиус кривизны мениска, см.

Е

Рис. 1.6. Схема капиллярного поднятия воды в грунтах.

сли в образец влажного грунта подавать снизу воду, то силы поверхностного натяжения в менисках будут вызывать ее подъем вверх по капиллярным ходам между частицами. Высота капиллярного поднятия определяется формулой:

,

(1.21)

где: - средний радиус пор, см;

≈10 кН/м³ – удельный вес воды.

Силы капиллярного взаимодействия в пылеватом песке, супесях и суглинках, во много раз больше веса частицы. Эти силы и создают связность влажного песка. В крупном песке роль капиллярных сил невелика.

В крупном песке высота капиллярного поднятия составляет h=2-3 см, в мелком h=20-30 см, пылеватом h=100-200 см, в суглинке h>600 см. Капиллярные явления имеют существенное значение именно в этих грунтах. В глинах, где частицы и поры очень малы, на первый план выступают электрические и молекулярные силы, действующие на поверхности минеральных частиц.

Электрические и молекулярные взаимодействия влаги с поверхностью глинистых частиц. Удельная поверхность

Удельная поверхность – суммарная площадь поверхности частиц на единицу массы [м²/г], зависит от размера частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше их удельная поверхность. Удельная поверхность глинистых частиц много больше удельной поверхности песчаных частиц. Поэтому взаимодействие влаги с поверхностью частиц наиболее выраженно проявляются в глинистых грунтах.

Для глинистых грунтов характерно присутствие некоторых минералов, обладающих весьма интересными свойствами. Мы рассмотрим только два из них - каолинит и монтмориллонит. Их частицы хорошо видно только в электронном микроскопе при увеличении порядка 25000 - 30000 раз.

Каолинит состоит из пластинчатых шестигранных кристаллов крупностью порядка 0,005 мм. Монтмориллонит состоит из тончайших иголок диаметром порядка 0,00005 мм. Удельная поверхность каолинита среди других глинистых минералов самая маленькая – 10 м²/г, у монтмориллонита – самая большая – 800 м²/г. В соответствии с этим, взаимодействие с влагой у каолинита умеренное, а у монтмориллонита весьма интенсивное. Кроме того, кристаллическая решетка монтмориллонита подвижная и допускает проникновение влаги внутрь кристалла, что вызывает сильное разбухание. У каолинита этого нет.

Общим для обоих минералов является одно очень важное обстоятельство, строение кристаллических решеток всех глинистых минералов таково, что на их поверхности всегда присутствует большое число неуравновешенных электрических зарядов. В глинистых минералах это главным образом заряды отрицательные.

В свою очередь, на молекулах воды имеются положительные и отрицательные заряды. Расстояние между ними равно 0,96 ангстрем или 1х10^-8 см. Благодаря этому, молекула воды ориентируется в электрическом поле минеральных частиц, как магнитная стрелка в магнитном поле Земли. Она притягивается своим положительно заряженным концом к местам отрицательных зарядов на поверхности минеральных частиц с большой силой.

Если в воде нет растворенных солей, то происходит прямое взаимодействие молекул воды с электрическими зарядами на поверхности.

Котрицательному концу первой молекулы притягивается следующая, к той, в свою очередь – третья, и образуется слой прочно связанной воды толщиной в несколько молекул, в котором господствует давление в несколько тысяч атмосфер, плотность воды увеличивается вдвое, и вода приобретает свойства твердого тела.

П

Рис. 1.7. Схема взаимодействия частиц с водой.

о мере удаления от поверхности минеральной частицы электрическое взаимодействие ослабевает и за слоемпрочносвязанной воды следует более толстый (сотни молекул) слой рыхло связанной воды, которая уже обладает свойствами жидкости, но все еще настолько сильно связана с минеральными частицами, что удалить ее можно только испарением.

В формировании описанных водных пленок, кроме электрических сил принимают участие молекулярные силы Ван-дер-Ваальса, имеющие более сложную физическую природу. Поэтому сумма прочно- и рыхлосвязанной воды называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунта (ММВ).

Эта величина имеет большое значение для строительных свойств грунта. По значению она близка к влажности на границе раскатывания W_P. При влажности меньше максимальной молекулярной, грунт имеет твердую консистенцию, при равной ей он хорошо обрабатывается строительными машинами и хорошо уплотняется, при дальнейшем повышении влажности он становится липким и пластичным.

По мере уменьшения содержания воды, прочность глинистого грунта растет. Когда последняя влага испарится из грунта, его прочность достигает максимума. Но тогда прочность обеспечивается силами прямого молекулярного притяжения. Так как глинистые частицы очень малы, то число таких контактов громадно.

Если сухой глинистый грунт поместить в воду, то пленки влаги будут проникать между частицами, вклинятся между ними в контактах, грунт сделается пластичным, и прочность его резко упадет. При дальнейшем увлажнении в результате капиллярного взаимодействия заполняются поры, и грунт постепенно перейдет в текучее состояние.

Разница в строении кристаллов каолинита и монтмориллонита, о которой мы говорили раньше, приводит к тому, что среди всех глин каолинитовые наименее пластичны, наиболее проницаемы для воды, лучше других разрабатываются строительными машинами и поддаются уплотнению. Монтмориллонитовые глины наиболее пластичны, отличаются вязкостью, липкостью, сильным набуханием и исключительно низкой водопроницаемостью. Их используют в качестве смазки между грунтом и фундаментами глубокого заложения для облегчения их погружения.