2.4. Жидкая компонента грунтов

2.4.1. Распространение, классификация, состав и свойства жидкой компоненты грунтов

Жидкая компонента – важнейшая составная часть большинства грунтов. Пространственно вода и другие жидкости находятся в грунтах благодаря наличию в них всевозможных пустот (трещин, пор, каналов и др.), которые занимают вода или другие жидкости благодаря своей высокой подвижности. Установлено, что ниже уровня грунтовых вод до глубин около 4–5 км и более практически все пустоты горных пород (за исключением углеводородных залежей) заполнены водными растворами, образующими в пределах литосферы региональные неразрывные макроскопические системы гидросферы. Подземные воды составляют – 60 млн. км³, огромные количества воды (13–15 млрд. км³) сосредоточены в более глубоких недрах мантии земли. Ежегодное поступление воды из мантии и магматических очагов составляет около 1 км³. В земной коре значительные количества воды находятся в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.).

По химическому составу жидкости можно разделить на неорганические, органические и смешанные, включая и эмульсии, по условиям форми­рования выделяют подземные воды: выщелачивания, седиментационные, возрожденные и т. д., а по преобла­дающим ингредиентам химического состава – гидрокар­бонатные, сульфатные, хлоридные и т. д.

Количественное содержание жидкости в грунте может оцениваться характеристиками физических свойств: объемной и весовой влажностью, в глинистых грунтах показателями консистенции, а также другими параметрами, приведенными в разделе физические свойства. Некоторые показатели, характеризующие содержание влаги в грунтах, являются классификационными. Грунты подразделяются на разновидности согласно [34] (табл. 2.2 и 2.3):

• по степени размягчаемости K_sof;

• по коэффициенту водонасыщения S_r;

• по числу пластичности I_p;

• по показателю текучести I_l.

Особенности воды определяет ее молекулярная структура –вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, три ядра в молекуле образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (рис. 2.33, а). На внешней оболочке атома кислорода находится четыре электрона, а у водорода – один. Распределение электронной плотности в молекуле таково, что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 2.33, в). Благодаря этой полярности вода имеет высокий дипольный момент (1,86 D), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда). В итоге каждая молекула участвует в образовании четырех водородных связей с соседними четырьмя молекулами воды: с двумя выступая как донор, а с двумя другими – как акцептор.В отличие от структуры молекулы воды собственно структура жидкой воды до сих пор окончательно не выяснена. Наилучшее согласие с экспериментом дают так называемые континуальные модели воды, предполагающие существование трехмерного достаточно рыхлого непрерывного «каркаса» из молекул воды, соединенных водородными связями приблизительно в тетраэдрической координации.

Вода жидкой компоненты, находящаяся в грунтах, энергетически неоднородна: молекулы воды в непосредственной близости от минеральной по­верхности испытывают силы притяжения, которые искажают ее структуру. Кроме того, большой вклад в «связывание» молекул воды вносят гидратирующиеся обменные катионы, содержащиеся в грунте.

В грунтоведении вода в грунтах подразделяется на свободную, связанную и воду переходного типа. В табл. 2.23 приведена классификация грунтовых вод Р.И. Злочевской [50].

Собственно свободная вода (табл. 2.24), обладающая физическими свойствами обычной воды, в грунтах делится на два вида [66]:

• вода замкнутая (иммобилизованная) в крупных порах породы и поэтому не участвующая в процессах фильтрации и

  

  Рис. 2.33. Строение молекулы воды [66]: а) структура, б) модель электронных орбиталей, в) распределение зарядов (r –длина связей Н–О равная 1,4110^-4 мкм, l – длина связи Н-О, равная 0,9610^-4,  – угол Н-О-Н, равный 104,5^о)

  движения подземных вод,

• текучая свободная вода (вода грунтового потока), которая двигается под действием силы тяжести или напора.

Свободная вода может перемешаться в грунтах по крупным порам, трещинам путем фильтрации под действием силы тяжести или напора, она образует горизонты подземных вод и обладает обычными для воды физически­ми свойствами и неискаженной структурой.

Таблица 2.24

Классификация грунтовых вод [50]

Категория (тип) воды	Виды и разновидности воды
Свободная вода	Замкнутая в крупных порах Текучая
Вода переходного типа	Осмотически-поглощенная вода Капиллярная вода (капиллярной конденсации и капиллярного впитывания)
Связанная вода	Вода кристаллической решетки минералов (конституционная, кристаллизационно-связанная) Адсорбционная вода (мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции)

Первые представления о связанной воде возникли почти сто лет назад, однако ее систематические исследования начались лишь в 20–30-е гг. В разработку теории связанной воды внесли большой вклад такие ученые, как Б.В. Дерягин, А.В. Думанский, П.А. Ребиндер, Н.В. Чураев, В. Дрост-Хансен, а ее свойства в грунтах всесторонне исследовали А.Ф. Лебедев, С. Маттсон, А.А. Роде, В.А. Приклонский, Е.М. Сергеев, Ф.Д. Овчаренко, А.К. Ларионов, Ю.И. Тарасевич, Р.И. Злочевская, В.А. Королев, Л.И. Кульчицкий, А.Д. Воронин и др.

Связанная вода удерживается в породе за счет химических и физических сил связи (с энергией 0,1–800 кдж/моль), действующих со стороны поверхности минералов и изменяющих структуру и свойства воды. Суммарное содержание связанной воды в литосфере земли составляет 0,31–0,35 млрд. км³, т. е. около 42 % от общего количества воды в земной коре.

Связанная вода бывает двух видов. К первому виду относится вода, входящая в состав кристаллических решеток различных минералов. Это конституционная, не молекулярная форма воды типа ОН-групп, кристаллизационная вода различных кристаллогидратов (если они есть в данной горной породе), а также вода, «связанная» координационно-ненасыщенными атомами и ионами кристаллической решетки минералов. Ко второму виду относится адсорбционная вода, образующаяся за счет адсорбционного «притяжения» молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов.

Связанная вода образует адсорбционные пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев и в грунтах содержится в порах или микротрещинах размером менее 0,001 мкм. Среди нее выделяются две разновидности: с наибольшей энергией притяжения к поверхности (около 40–120 кДж/моль) – вода островной или мономолекулярной адсорбции, с меньшей энергией связи (менее 40 кДж/моль) – вода полимолекулярной (полислойной) адсор­бции. У этого типа воды физические свойства в наибольшей степени отличаются от свободной. Твердые поверхности минералов обладают гидрофильными свойствами, что обусловливает ориентацию молекул воды, представляющих собой диполи (рис. 2.34). Установлено, что молекулы воды ориентированы нормально к твердой поверхности. Ориентация молекул вызвана действием электростатического притяжения, и проявляется макроскопически в виде снижения тангенциальной подвижности молекул в слое толщиной несколько нанометров.

Аномальные особенности связанной воды были установлены для таких ее свойств, как плотность, вязкость, диэлектрическая проницаемость и др. [66]. Установлено, что плотность связанной воды в тонких пленках толщиной около 5 нм (нанометров) повышена на 1,5 % по сравнению со свободной водой и составляет в среднем около 1,02 г/см³. Ранее считалось, что плотность связанной воды 1,2–1,4 г/см³ (по некоторым данным 1,8–2,4 г/см³).

Прямые измерения вязкости воды в очень тонких кварцевых капиллярах и тонкопористых стеклах, показали, что вязкость связанной воды повышается при уменьшении толщины пленки менее 1 мкм: при толщине пленки 0,2–0,3 мкм ее вязкость повышена по сравнению со свободной водой в 1,1 раза, при толщине 10 нм повышена в 1,6 раза (рис. 2.35).

Рис. 2.34. Ориентация молекул воды на поверхности минерала [66]

Структурные эффекты аномальных свойств связанной воды хорошо про­слеживаются в опытах по исследованию их температурной зависимости. Так, при повышении температуры вязкость связанной воды снижается и при температуре 65–70 °С она становится такой же, как и у свободной воды, т. е. при нагревании происходит тепловое разрушение структуры связанной воды, уменьшение толщины ее граничной фазы с искаженной структурой и переход в свободную воду. При понижении температуры, напротив, происходит обратное явление – структурирование связанной воды.

Известно, что фазовый переход вода-лед происходит при 0 (273°К). Однако в пленках связанной структурированной воды он осуществляется при более низких отрицательных температурах, и чем тоньше пленка воды, тем при более низкой температуре она замерзает. На рис. 2.36 показана температурная зависимость толщины пленки незамерзшей связанной воды на поверхности таких широко распространенных глинистых минералов, как каолинит и монтмориллонит. Основная причина понижения температуры замерзания связанной воды – взаимодействие ее с твердой минеральной поверхностью, точнее – с ее ак­тивными центрами. Энергия взаимодействия молекул воды с активными цен­трами поверхности минералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия молекул воды между собой. Это и приводит к тому, что активный центр нарушает сетку водородных связей в воде, а фазовый переход осуществляется лишь при более низкой температуре. В итоге, в дисперсной породе на границе между частицей и льдом может суще­ствовать прослойка незамерзшей воды (рис. 2.37), а общее ее содержание зави­сит от температуры (рис. 2.36).

Не менее интересным свойством связанной воды в грунтах является ее пониженная по сравнению со свободной водой растворяющая способность; первая способна растворять меньше солей, чем обычная (свободная) вода. Это также следствие измененной структуры связанной воды. Теория нерастворяющего объема, объясняющая это аномальное свойство связанной воды, была разработана Б.В. Дерягиным, а само явление нашло много практических приложений. В том числе, на нем основан один из прямых способов определе­ния количества связанной воды в грунтах.

Другое аномальное свойство связанной воды – понижение в несколько раз по сравне­нию со свободной водой ее диэлектрической проницаемости. Если для обычной воды диэлектрическая проницаемость равна 81, то для связанной она уменьшается в зависимости от толщины водной пленки до 3–40. По последним данным, прослойки связан­ной воды толщиной 0,5–0,6 нм имеют диэлек­трическую проницаемость, равную всего 3–4.

Структурные изменения связанной воды обус­ловливают изменение ее температуропроводности. Снижение температуропроводности связанной воды по сравнению со свободной водой начинает проявляться в водных плен­ках и прослойках толщиной менее 1 мкм. Чем тоньше слой связанной воды, тем в большей мере понижена ее температуропроводность. В прослойках толщиной 0,03 мкм температуропроводность понижена примерно на 30 % по сравнению со свободной.

Для удаления и перемещения связанной воды, особенно нахо­дящейся ближе к поверхности твердых частиц, требуются значитель­ные силовые воздействия. Однако если две одинаковые соседние частицы грунта имеют разные по толщине пленки связанной воды, то вода из толстой пленки перемещается в тонкую, пока толщина пленок не станет одинаковой. Поэтому в случае высыхания верхних слоев грунта и, как следствие, местного уменьшения толщины пле­нок вокруг частиц, в природе наблюдается миграция влаги из нижних слоев глинистого грунта, содержащих больше воды, к верхним слоям. Молекулы внешних зон слоя связанной воды могут отрываться потоком фильтрующей свободной воды, а также выжиматься из кон­тактов между твердыми частицами при приложении нагрузки. В ре­зультате две частицы, прижатые одна к другой внешней нагрузкой, имеют в зоне контакта уменьшенную толщину пленок связанной воды.

Условные обозначения: 1 – минеральная частица, 2 – лед, 3 – пленка незамерзшей воды, 4 – воздух

Рис. 2.37. Состояние незамерзшей воды в грунтах [66]

В грунтах, где есть связанная вода, а она практически всегда имеет место, необходимо очень осторожно использовать закон Архимеда. Выталкивающее действие воды определено Архимедом для открытой свободной воды. В грунтах, где нет явно выраженного уровня подземных вод, все усложняется. В суглинках и особенно в глинах взвешивающее действие воды в подавляющем числе случаев не проявляется в полной мере.

Вода переходного типа (от связанной к свободной) в меньшей степени подвергается действию поверхностных сил, она удерживается вблизи поверх­ности минералов за счет более слабых связей. Поэтому ее структура менее искажена, а отличия в физических свойствах по сравнению со свободной во­дой менее значительны. В пределах этого типа вы­деляется два вида воды: осмотически поглощенная и капиллярная.

Первый вид – осмотически поглощенная вода – образуется в грунтах за счет процессов избирательной диффузии молекул воды в направ­лении к минеральной поверхности, обусловлена наличием у последней «ионной атмосферы», так называемого двойного электрического слоя, состо­ящего обычно из катионов порового раствора, «концентрирующих» отрица­тельный заряд минеральных частиц.

Двойной электрический слой (рис. 2.38) имеет две части: внутрен­нюю, называемую адсорбционным слоем (с), и внешнюю – диффузный слой (d). Концентрация катионов экспоненциально увеличивается по нормали к минеральной поверхности, и это обусловливает наличие градиента концент­рации, вызывающего «осмотическое» передвижение молекул воды из объема свободного порового раствора (е) в пределы двойного, электрического слоя (d). Образующаяся таким образом осмотическая вода занимает внешнюю часть двойного электрического слоя – диффузный слой. Эту воду назвали «ос­мотической» потому, что ее образование связано с явлением микроскопичес­кого поверхностного осмоса, напоминающего обычный макроскопический осмос – движение воды через полупроницаемую мембрану (т. е. пропускающую относительно малые по размеру молекулы воды; но не пропускающую более крупные катионы). В грунтах роль этой полупроницаемой мембраны выполняет внешняя граница двойного электрического слоя (рис. 2.38).

Второй вид воды переходного состояния – капиллярная вода образуется в порах капиллярного размера (диаметром от 10^–3 до 10³ мкм) за счет капиллярного давления и удерживается в горной породе капиллярными силами водных менисков (силами поверхностного натяжения), об­разующихся на границе фаз вода–воздух–твердая поверхность. В этом случае на каждой границе газа с водой также образуются мениски, которые вызывают растягивающие напряжения (отрицательные давления) в воде и сжимающие напря­жения в твердой фазе грунта, интенсивность которых, зависит от кривизны менисков, т. е. в значительной мере от разме­ров пор или частиц грунта. В результате сухой сыпучий песок при его небольшом увлажнении приобре­тает связанность и может держать хотя и сравнительно небольшие, но вертикальные откосы. При высыхании или значительном увлаж­нении мениски и силы внутреннего капиллярного давления исчезают и песок снова становится сыпучим. Капиллярные силы практически не меняют структуры воды и поэтому капиллярная вода по основным физическим свойствам практически не отличается от свободной.

Высотой капиллярного поднятия в грунте называется высота столба воды, который могут удерживать капиллярные силы (поверхностное натяжение, раз­вивающееся в порах горной породы на границе раздела вода-воздух). Высота капиллярного поднятия пропор­циональна диаметру капилляров грунта: h=±2Tcosα/rρg, где T – поверхностное натяжение, α – угол смачивания, ρ – плотность жидкости. Высота капиллярного поднятия для некоторых грунтов указана в табл. 2.25.

Условные обозначения: 1 – минерал, 2 – капиллярная вода, 3 – воздух, 4 – адсорбированная вода

Рис. 2.39. Состояние капиллярной воды в грунтах: а) капиллярно-конденсированная вода, б) собственно-капиллярная вода [66]

Капиллярная вода в грунтах может формироваться [66]:

1) за счет явления капиллярной конденсации, когда молекулы воды постепенно конденсируются на поверхности пленки адсорбированной влаги, обволакивающей частицы породы, и, сливаясь в местах контакта (на стыке частиц), образуют водные мениски (рис. 2.39, а);

2) за счет капиллярного впитывания воды под действием сил поверхностного натяжения по сообщающимся порам, трещинам и каналам при контакте породы со свободной водой (рис. 2.39, б).

Таблица 2.25

Высота капиллярного поднятия для дисперсных грунтов

Грунты	Капиллярное поднятие, см
Песок крупнозернистой ....	2,0–3,5
Песок среднезернистый ....	12,0 – 35,0
Песок мелкозернистый .....	35,0 – 120,0
Супесь .............	120.0 – 350,0
Суглинок ............	350,0 – 650,0
Глина легкая ..........	650,0–1200,0
Лессовидные грунты	400, 0 и более
Илы, торфа	До 2500,0 и более

Воду капиллярного впитывания иногда подразделяют по ее положению в грунтовом массиве на две категории:

1) собственно капиллярную (поднима­ющуюся вверх от зеркала грунтовых вод и формирующую так называемую капиллярную кайму),

2) капиллярно-подвешенную, которая образуется, например, при инфильтрации осадков, не имеет контакта с поверхностью грунтовых вод и распространяется во все стороны от источника увлажнения [50, 66].