Физические свойства грунтов

Минералогический состав грунтов.

Минералогический состав грунтов показывает, из каких минералов они состоят. В подавляющем большинстве случаев он определяет инженерно-геологические свойства грунтов и, сле­довательно, поведение их во взаимодействии с сооружением.

Песчаные грунты, более или менее однородны по своему ми­нералогическому составу. Поэтому и свойства их колеблется в небольших пределах. В состав песчаных грунтов в основном входят кварц, полевой шпат (ортоклаз), слюда (мусковит).

Глинистые грунты являются полиминеральными образованиями. Среди глинистых минералов выделяются следующие три основные группы. Группа каолинита обладает прочной неподвижной кристаллической решетной, которая и основном сохраняется и при увлажнении. Эти минералы проявляют незначительную способность связывать воду. Группа монтмориллонита имеет подвижную решетку, которая при увлажнении раздвигается вплоть до распада минерала на эле­ментарные кристаллические ячейки. Может удерживать в себе значительное количество воды. Группа гидро­слюд (иллита) обладает промежуточными свойствами по отношению к двум вышеназванным.

1. 2. Структура и текстура грунтов

Под термином структура грунтов понимают следующее;

1) размер, форму и характер поверхности частиц;

2) их относительное расположение и взаимоотношение;

3) характер связей между частицами грунта, оказывающих соп­ротивление при механическом воздействии на него. Песчаные частицы по форме круглые или угловатые, размер частиц от 2 до 0,05 мм, причем преобладающего pauuepa в каком-либо направлении не существует. Глинистыми считаются частицы менее 0,005 мм. Они; имеют чешуйчатую форму (один размер значительно меньше двух других).

Песчаный грунт имеет р а з д е л и т е л ь н о-з е р н и с т у ю структуру. В ней отдельные зерна опираются друг на друга, причем в местах контактов возникают силы трения, определяющие устойчивость структуры. Раздельно зернистая структура по плотности укладки зерен делится на плотную и рыхлую (рис. 1).

Рис. 1 Разделительно- зернистая структура

песчаных грунтов: 1– плотная; 2 – рыхлая

.

Глинистые грунты обычно обладают агрегатной структурой. От раздельно-зернистой она отличается тем, что отдельные элементы грунта соединены вместе и обра­зуют более крупные и сложные вторичные элементы, или агре­гаты. По размерам агрегатов различают микро и макроагрегатную структуру, в последней агрегаты видны невооруженным глазом.

В зависимости от процессов образования и формирования в глинистых грунтах встречаются следующие виды структур:

1. Губчатая структура свойственна пылеватым грунтам, илам, образовавшимся путем осаждения в воде. В процессе осаждения частицы грунта, прилипая одна к другой, формируют агрегат. При этом размеры пор в несколько раз превышают размеры самих частиц.

2. Хлопьевидная структура образуется в глинистых грунтах осадочного происхождения, которые в значительном количестве содержат чешуйчатые частицы. В процессе осаждения в воде последние подвергаются коагуляции под действием электролита, образуя хлопья из первичных агрегат губчатой структуры.

Рис.2.Типы структур в глинистых грунтах:

1– губчатая; 2 – хлопьевидная; 3 – комковатая; 4 – сетчатая

.

3. Комковатую структуру приобретают верхние слои связных грунтов, подвергшиеся почвообразовательным процессам под влиянием атмосферной влаги, испарения и над воздействием растительных и животных организмов.

4. Сетчатая структура отличается тем, что частицы грунта в ней сцементированы между собой вяжущими веществами (напр., СаСО₃), причем поверхности соприкосании каждой частицы весьма малы и составляют лишь незначительную часть её полной поверхности. Эта структура харак­терна для лессовых грунтов.

Связи между частицами в глинистых грунтах могут быть пер­вичными (образованными при возникновении) и вторичными (образованными в процессе старения породы). Прочность глинистых грунтов в значительной степени обусловлена прочностью связей, так как они значительно уступают по прочности самим части­цам. Поэтому вопрос изучения связей приобретает первостепенную роль.

Чтобы характеризовать степень однородности грунта в раз­резе, говорят о текстуре. Текстура — это совокупность признаков, характеризующих неоднородность строения грунта в пласте. Песчаные грунты имеют бутовую текстура, а глинистые – слоистую (рис. 3).

Структура и текстура оказывают значительное влияние на формирование физических и механических свойства грунтов (плотность, влажность, сжимаемость, прочность).

Рис. 3. Текстура грунтов:

1 – слоистая; 2 – бутовая

.

1.3 Вода в грунтах

1. Грунт не является сплошным образованием. Между его час­тицами есть пустоты (поры), которые полностью или частично могут быть заполнены водой.

По исследованиям А.Ф.Лебедева, вода может находиться в грунте в следующих видах: 1. Парообразная вода.

2 Вода в твердом состоянии (лед).

3. Гигроскопическая и пленочная вода (связана поверх­ностью грунтовых частиц).

4. Свободная или гравитационная вода, подразделяемая на собственно свободную и капиллярную.

5. Кристаллизационная и химически связанная вода в составе минералов, например, СаСО₃2Н₂О – гипс, Na₂SO₄10H₂O – ми­рабилит.

С инженерно-геологической точки зрения для изучения влия­ния различных видов вода на свойства грунтов целесообразно выделить для специального рассмотрения свободную и поверх­ностно связанную воду. Парообразная вода сколько-нибудь заметного влияния на свойства грунта не оказывает, крис­таллизационная и химически связанная вода является неотъем­лемой частью минералов, свойства воды в твердом состоянии изучают в разделе «Мерзлые грунты».

Поверхностно связанная вода может содержаться только в таких грунтах, в состав которых входят достаточно мелкие частицы. Чем мельче частицы, тем больше их поверхность и тем больше поверхностная энергия грунта.

Поверхность твердой частицы несет заряд (чаще отрицательный), обусловленный наличием свободных валентностей у поверхностного слоя частицы (ряс. 4). В непосредственной близости от этого слоя расположен слой противоположно за­ряженных частиц (ориентированных молекул воды и ионов), который благодаря значительным электрическим силам,

определяемой величиной электростатического потенциала , удерживается на поверхности частицы достаточно прочно (слой 2). Так формируется слой прочно связанной воды. За ним располагается слой 3 рыхло связанной воды, находящей­ся под воздействием электрокинетического потенциала. Электрические силы вносят определенный порядок, а расположении ионов и молекул этого слоя, однако тепловое движение постоянно нарушает его.

Следствием противоположных тенденций электростатического притяжения и теплового движения является состояние некоторого подвижного равновесия, устанавливающееся в слое 3. По мере удаления от частицы электростатические силы уменьшаются и уже не воздействуют на ионы.

Здесь находится свободный поровый раствор (слой 4). Таким образом, на поверхности частицы имеется слой 2 прочно связанной воды и ионов (неподвижный слой) и слой 3 рыхло связанной воды и ионов (диффузный слой). Эти два слоя образуют подобие конденсатора (слой 1 и 2 + 3). Это двойной электрический слой.

4

.

Рис. 4. Схема двойного электрического слоя:

1 – заряды на поверхности частицы; 2 – прочно связанная вода;

3 – рыхло связанная вода; 4 – свободная вода

На основе рассмотренного явления строение коллоидной час­тицы, входящей в состав глинистого грунта, можно предста­вить так. В центре расположена отрицательно заряженная мине­ральная частица - ядро, окруженная катионами и ориентирован­ными молекулами воды, образующими неподвижный слой. Ядро вместе с этим слоем называется гранулой. Далее находится диффузный слой. Все вместе взятое составляет мицеллу. Еще дальше следует свободный поровый раствор.

Таким образом, на поверхности частицы имеется прочно связанная вода и рыхло связанная вода, которые образуют слой поверхностно связанной воды. Прочно связанная вода имеет такие свойства: она не обладает растворяющей способностью для солей, перемещение её проис­ходит только в парообразном состоянии, теплоемкость 0,5;

она не проводит электричество, не замерзает до температуры –78 °С, удельный вес ее примерно 1,5 г/см³.

Рыхло связанная вода перемещается в грунтах, от пленок с большей толщиной к пленкам с меньшей толщиной в любом направ­лении. Температура ее замерзания ниже нуля, гидростатического давления не передает, но обладает растворяющей способностью.

В качестве важных свойств связанной воды отметим раскли­нивающее давление и смазывающее действие. При небольшом влагосодержании вода может подпитываться извне за счет дейст­вия электростатических сил. Увеличение толщины пленок ведет к увеличению расстояния между частицами: они как бы расклиниваются. Смазывающее действие воды основано на замене су­хого трения мокрым. Принципиальное понятие об этом дает лю­бая механическая модель.

Свободная вода содержится в грунтах в двух видах: капиллярная и собственно свободная. Первая является разновидностью свободной воды. Она образуется при наличии границы раздела вода -воздух- минеральная частица. Капилляр­ная вода может заполнять поры грунта полностью. Если же в них есть воздух, то в зависимости от взаиморасположения воды и воздуха, а также от их количественного соотношения различают два вида состояния увлажнения грунта: состояние е защемленной водой и состояние с защемленным воздухом. Различают капиллярно-поднятую и капиллярно-подвешенную воду. В первом случае, ее образование происходит в результате поднятия свободной воды под действием капиллярных сил над горизонтом грунтовых вод, причем связь ее с грунтовой водой не прерывается. Во втором случае капиллярная вода не имеет связи с грунтовой водой.

Из свойства свободной воды отметим только основные, важ­ные с инженерно-геологической точки зрения:

1. растворяющую и разлагающую способность (в том числе агрессивность);

2. передачу гидростатического давления;

3. механическое воздействие движущейся воды (гидродинами­ческое давление).

Если все поры грунта заполнены водой, то такое количест­во воды соответствует полной влагоемкости грунта, в данном его состоянии. Водоподъемная способность грунта. Пористость грунта сообщает ему свойство капиллярности и водоподъемную или всасывающую способность. Физическая сторона этого явления представляется в следующем виде. В порах, как в капиллярных трубках, вода образует вогнутый мениск с силами поверхностного натяжения, направленных по касательным к шаровой поверхности мениска (рис. 5). Разложение этих сил на горизонтальные, и вертикальные составляющие вскрывает наличие сил, притягивающих частицы воды к стенкам поры или к частицам грунта, и суммарной вертикальной силы, направлен­ной вверх, подъемной силы капилляра. По формуле Лапласа, вертикальная сила, отнесенная к еди­нице поверхности мениска:

;

где — постоянная величина, равная для воды 7,7 мг/мм;

R—радиус мениска.

Отсюда видно, что подъемная сила капилляра обратно пропорциональна радиусу мениска. Угол наклона сил поверхностного натяжения к вертикали сохраняет постоянное значение для капилляров различных диаметром со стенками из одного и того же вещества.

Поэтому радиус мениска прямо пропорционален диаметру капилляра. Следовательно, подъемная сила капилляра обратно пропорциональна диаметру капилляра. Размеры пор в грунте зависят от его зернового состава и степени уплотнения. Поэтому подъём воды в грунте тем больше чем мельче его зерна и чем больше он уплотнен.

Если наименьшее измерение пор составляет более 5 мм, то капиллярного подъема не наблюдается, тaк как лишены водоподъемной способности средний и крупный гравий и галечник.

Капиллярное давление. При капиллярном поднятии воды i порах грунта вертикальная составляющая поверхностного натяжения уравновешивает вес столба воды (рис.6): Q=_ВhF, где Q – подъемная сила мениска, где _В плотность воды, г/см³; h – высота капиллярного поднятия, см; F– площадь поперечного сечения капилляра, см².

Приняв _В=1 г/см³, имеем Q=hF, имеем Q=hF.

Следовательно, по закону “действие равно противодействию” на уровне противодействию на уровне мениска на скелет грунта действует сила Q₁, равная весу поднятой воды Q. Эта сила называется капил­лярным давлением. Капиллярное давление прямо пропорционально высоте подъема воды. Эта высота тем больше, чем мельче поры, т. е. чем больше в грунте тонкозернистых, фракций и чем грунт плотнее (иск­лючение составляют глины, в которых вся во­да может находиться в связанном состоянии).

Капиллярное давление, прижимающее частицы грунта друг к другу, одна из причин появления связности в грунте.

Силы поверхностного натяжения воды. Грунтовая влага, состоящая из капель, заключенных между частицами грунта, и пленок, окружающих частицы, обладает силами поверхностно­го натяжения, которые прижимают частицы друг к Где – поверхностное натяжение воды, кг/см; R–радиус частицы грунта, см; – угол между радиусами, проведенными в точки касания поверхности частицы с поверхностью мениска и с поверхностью соседней частицы (рис.7).

Выражение силы t показывает, что она тем больше, чем выше R, т. е. чем меньше размеры частиц и чем меньше угол  т. е. чем ниже степень водонасыщения. Наличие зависимости силы t от степени

водонасыщения объясняет уменьшение связности грунта с увеличением влажности в нем. Это делает понятными случаи нарушения устойчивости грунтовых массивов в косогорах и в откосах выработок при значимом увлажнении, которое уменьшает силу связности и од­новременно увеличивает объемный вес грунта.

Помимо уменьшения поверхностного натяжения, происходит и ослабление действия молекулярных сил между частицами друг к другу. Эти силы – одна из причин возникновения связности в грунте.