51. Виды воды и их движение в грунтах

1.Молекулярно-связная:

а - пленки прочносвязанной воды (гигроскопической, адсорбированной)

n·100 МПа – электромолекулярные силы притяжения, удалить эту воду практически невозможно, замерзает при tº < -70º .

б - слои (пленки) рыхлосвязанной воды (лисорбированной)

n· МПа – электромолекулярная сила притяжения, удаляется только при tº = 105º, замерзает при tº -1º …- 3º C.

2. Гравитационная:а – капиллярная вода;б – свободная вода.3. Водяной пар.4. Лёд.

Чем меньше размер частицы, тем удельная поверхность больше и больше связанной воды.

Движение воды в грунтах. Различают: фильтрацию воды и миграцию влаги.

Фильтрация – гравитационное передвижение больших масс воды под действием сил гравитации (тяжести и внешнего давления на грунт). Внешнее давление в водонасыщенном грунте сперва передается на воду, а затем на скелет. Возникающий напор воды опасен.

Миграция – передвижение воды под влиянием других сил, кроме гравитационных (разность электрических и температурных градиентов (электроосмос, давление газовых паров, промерзание и оттаивание грунтов). При двойной толщине пленок, т.е. 2х(0,25 – 0,5) микрон, вода становится свободной и достигается предел текучести.

В 1809 г. профессор Московского университета Рейс проводил опыт с погружением электродов от источника постоянного тока в ящик с влажным глинистым грунтом. При этом было замечено, что возле анода грунт стал более сухим, а вокруг катода – влажным. Этот эффект был назван электроосмосом. О нем вспомнили примерно через 150 лет и стали применять на практике при электроосушении и электрозакреплении глинистых и иных слабофильтрующих грунтов.

Процесс миграции влаги при разности температур в грунте снаружи и под зданием учитывают при устройстве проветриваемых подполий. За счет разницы температур под очищаемым от снега тротуаром и при наличии снега за каменным забором происходит его наклон.

52. Влияние различных категорий воды на строительные свойства грунтов

Механические свойства молекулярно-связной воды

Вязкость. Молекулярно-связная вода является вязкой жидкостью и создает сцепление в глинистом грунте. Чем тоньше пленка, тем больше вязкость и сцепление. С увеличением влажности сцепление уменьшается. Липкость – способность влажного глинистого грунта прилипать к предметам. Она зависит от грансостава, химико-минералогического состава и силы придавливания между частицами. Определяется с помощью прибора В.В.Охотина в виде диска с центральной штангой для подъема и выражается в Н/м². Усадка – уменьшение в объеме глинистого грунта при высыхании. Набухаемость – увеличение в объеме глинистых грунтов при увлажнении за счет расклинивания слабо сжатых частиц с утолщением водных пленок. Расклинивающий эффект пленочной воды. При уменьшении прижимных усилий между частицами за счет равнодействующей сил притяжения к частицам молекулы воды затягиваются между ними. Поскольку пленочная вода обладает вязкостью, этот процесс протекает медленно. Водонепроницаемость (слабая водопроницаемость) тоже объясняется наличием пленочной воды и её склеивающим эффектом за счет сил связности. Для сдвига пленочной воды относительно частицы грунта требуется усилие, которое сопоставимо с требуемым для среза свинца. Лишь при большом градиенте напора можно расклинить глинистые частицы и вода будет фильтровать. Тиксотропность – свойство грунта разжижаться при сотрясениях, которым обладают пластичные глинистые грунты при влажности более предела раскатывания. Обусловлена тиксотропность отрывом пленочной воды от частиц и переходом в свободную за счет динамических воздействий. При прекращении сотрясений восстанавливаются связи пленочной воды с частицами грунта.Температура замерзания пленочной воды – 78^о С. В этой связи у глинистого грунта замерзает лишь часть воды и он в мерзлом состоянии находится в вязком состоянии. При переходе части воды в твердое состояние (лёд) освобождается часть поверхностных сил натяжения, появляется поверхностный потенциал, который может подтянуть некоторый объем воды, что способствует пучению глинистого грунта, т.е. увеличению его в объеме.

Гравитационная капиллярная вода по существу находится в растянутом состоянии. Ее подъем обусловлен наличием поверхностного натяжения пленочной воды на разделе фаз (жидкой с газообразной, жидкой и твердой). Подъемная сила в мениске Q определяется по формуле Лапласа: Q = 4α/d; h_к = 4α/d.γ_w. Значение h_к зависит от диаметра капилляра, но не зависит от его формы. В грунтах исходя из размера пор можно судить о высоте капиллярного подъема воды, которое приближенно составляет в:

гравелистом и крупном песке – 2-5 см;

среднем песке – 20-30 см;

мелком песке – до 1,0 м и более;

супеси и суглинке – до 3 м.

В глинах нет капиллярного поднятия (капиллярной каймы), поскольку сцепление не пускает эту воду.

Свободная вода не подвержена электромолекулярным и капиллярным силам, а испытывает только силы гравитации. Она передает гиростатическое и гидродинамическое давления, причем свободно фильтрует. Закипает при t = + 100^о С, замерзает при 0^о С. Ухудшает свойства грунтов, особенно глинистых и биогенных.

53. Молекулярно-связная вода в грунтах. Консолидация и ускоренная консолидация. Эффективное и нейтральное давления в водонасыщенных грунтах

Эффективное и нейтральное давление в грунтовой массе

Физическая модель водонасыщенного грунта

Рассмотрим образец водонасыщенного грунта на который действует внешняя сжимающая нагрузка. Увеличение сжимающих напряжений приводит к уплотнению грунта и уменьшению объема пор. В то же время уменьшение объема пор возможно лишь тогда, когда вода заполняющая поры, отфильтровывается за пределы образца. Процесс фильтрации воды из зоны действия сжимающих напряжений будет продолжаться до тех пор, пока силы внутреннего сопротивления скелета грунта не станут равными внешней нагрузке.

Данный механизм деформирования грунта под нагрузкой можно пояснить при помощи физической модели водонасыщенного грунта, рис. 21.

Рис. 21. Физическая модель водонасыщенного грунта

В данной схеме пружина моделирует действие внутренних сил сопротивления скелета грунта сжатию. Жидкость, заполняющая герметичную емкость, представляет собой поровую воду, которая может удаляться из камеры через отверстие в верхнем поршне. Диаметр отверстия в поршне зависит от фильтрационных свойств моделируемого грунта.

Если к верхнему поршню данной модели приложить внешнюю нагрузку (N) сразу возникнет избыточное давление в камере (Р_w) и вода начнет изливаться через отверстие в поршне. По мере отжатия воды в работу включается пружина и часть внешней будет передаваться на нее. Обозначим реакцию в пружине через Р_s тогда в общем случае:

N=P_w+P_s (8)

В начальный момент времени при t = 0:

P_s =0; N=P_w . (9)

По истечении достаточного времени (t = ∞) вся внешняя нагрузка уравновеситься реакцией в пружине, избыточное давление снизиться до 0 и процесс отжатия воды прекратится. Тогда при t = ∞:

P_w =0; N=P_s (10)

Перейдем теперь от физической модели к грунту. Внешняя нагрузка N будет соответствовать полному сжимающему напряжению σ, давление в жидкости P_w давлению в поровой воде U и реакция в пружине P_s напряжению, возникающему в скелете грунта

Тогда по аналогии, уравнение 6.8 можно представить в виде:

. (6.11)

При t = 0:

Структура грунта:	Текстура грунта:
зернистая	Слоистая
сотообразная	порфировидная
хлопьевидная	слитная (однородная)

, (6.12)

При t = ∞:

, (6.13)

В механике грунтов поровое давление (U) называется нейтральным давлением, а давление в скелете грунта ( ) – эффективным.Необходимо отметить, что: Уплотнение грунта происходит только под действием эффективного давления ;Поровое давление не вызывает эффекта трения грунта.Деформации грунтового основания происходят до тех пор, пока нейтральное давление не станет равным нулю.Состояние, при котором поровое давление не равно нулю, называется нестабилизированным.