Состав, строение, состояния и классификация грунтов

 

 

Минеральный состав твердых частиц является весьма существенным фактором в оценке свойств грунтов.

Часть минералов  инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, кремень).

Эти минералы не меняют свойств не только при изменении  содержания воды, но и в широком диапазоне  температур.

Очевидно, что грунты, сложенные  такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами.

Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метаморфических  и часть осадочных.

Среди осадочных пород этими  минералами сложены пески и крупнообломочные грунты,  также образующиеся из них при цементации песчаники   и конгломераты.

Многие грунты содержат инертные материалы в значительных количествах, но наряду  с минералами других групп.

Большое  влияние на свойства грунтов оказывают растворимые  в воде минералы. К ним относятся галит, гипс, кальцит и некоторые другие.

Такие распространенные горные породы, как например, мрамор, известняк, гипс, сложены растворимыми материалами.

Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно. Эти грунты традиционно используются как надежные основания и стойкие строительные материалы. При этом необходимо убедиться в отсутствии в основании крупных пустот.

Образование кислых дождей и утечка кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка и как основания, и как материала сооружений,

с чем связаны деформации зданий и частые ремонтно-реставрационные работы.

В нескальных грунтах растворимые материалы обычно или отсутствуют, или встречаются в небольших количествах, не превышающих несколько процентов по массе.

Однако и малое содержание растворимых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунта.

В сухом состоянии частицы грунта могут быть скреплены растворимыми минералами (например, лессовые грунты).

При увлажнении связи разрушаются, грунт теряет прочность и может деформироваться даже от собственного веса, тем более под нагрузкой от сооружений.

 В насыпных грунтах из  различного рода отходов производства  обычно встречаются и другие  нестойкие минералы,

которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу.

Глинистые минералы - нерастворимы в воде, но их нельзя приравнять к инертным минералам.

В силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью.

 К ним относятся каолинит, монтмориллонит, иллит, и др. минералы  кристаллы которых имеют выраженное  свойства гидрофильности.

 Из-за  мельчайших размеров  и высокоразвитой поверхности  глинистые частицы  активно взаимодействую  с жидкой составляющей грунтов.

 Поэтому уже малое содержание  их в общей массе  грунта  резко изменяет его свойства.

     В зависимости от  соотношения частиц того или иного размера они разделяются на:

     - крупнообломочные,

     - песчаные,

     - глинистые грунты.

 

     Глинистые грунты в зависимости от содержания в них  глинистых частиц подразделяют на:

    - супеси – 3-10%,

    - суглинки -10-30%,

    - глины – более 30%.

                 Свойства грунтов зависят:

 

- от размеров, формы, количества  минеральных частиц

  (гранулометрического состава);

 

- минералов слагающих грунты

  (минералогического состава);

 

- наличия воды в грунтах

  (степени влажности).

 

22

    Основные виды воды  в грунтах:

   - кристаллизационная или  химически связанная вода;

   - водяной пар;

   - гигроскопическая вода;

   - пленочная вода;

   - капиллярная вода;

   - гравитационная вода.

 

Вода в грунтах может находиться в трех состояниях:

- газообразном (в виде пара),

- жидком,

- твердом (в виде льда).

 

1.4.2 Жидкая составляющая грунта

 

Вода заполняющая поры грунта оказывает весьма большое влияние на многие свойства грунта и на его поведение под нагрузкой. Прочность при сжатии и сдвиге, уплотняемость, пластичность и липкость, набухание и другие свойства значительно зависят от степени увлажнения грунтов. В природных грунтах всегда содержится  вода, однако ее количество, т.е. влажность, может изменяться в широких пределах. Вода в грунтах может находиться в трех состояниях: газообразном (в виде пара), жидком и твердом (в виде льда).      

Вода в виде льда находится в грунте при температуре ниже 00С, заполняя поры отдельными включениями, прослойками, линзами. Роль такой воды очень велика, т.к. наличие  большого количества ледяных прослоек и кристаллов цементирует грунт при отрицательной температуре, а при его оттаивании приводит к резкой потере сопротивления  нагрузкам.

Водяной пар образуется в результате испарения остальных видов воды и перемещается как газ, в порах грунта. Вода в форме пара в грунтах содержится не более 0.001% массы грунта.

Вода в жидком состоянии, её виды и свойства могут  быть весьма различными в зависимости от ее содержания в грунте и величины сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемой, главным образом, гидрофильностью минеральных частиц.

Содержащиеся в грунте воды впервые были классифицированы В.Богдановым в 1889 г. Позже, в 1918 г., классификация вод в грунте была предложена А.Ф.Лебедевым, разработавшим на основе экспериментальных исследований стройную теорию состояния и поведения грунтовых вод.

Исследования свойств воды были продолжены и значительно расширены нашими современниками А.А.Раза, Б.В.Дерягиным, Б.Ф.Рельтовым. СЛАЙД.

 

 

23

Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в состав кристаллических решеток минералов.

 

Водяной пар заполняет пустоты грунта, свободные от воды; он перемещается из областей с повышенным давлением в области с низким давлением; конден-сируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

 

Гигроскопическая вода притягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Количество гигроскопической воды зависит от свойств вещества грунта и от влажности воздуха.

 

Оптимальная влажность для песка – около 1%;

                                                      пыли – около 7%;

                                                      глины –около 17%

 

Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в состав кристаллических решеток минералов. Она может быть удалена при прокаливании и, по существу, представляет собой составную часть вещества, слагающего частицы грунта.

Водяной пар заполняет пустоты грунта, свободные от воды; он перемещается из областей с повышенным давлением в области с низким давлением; конденсируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

Гигроскопическая вода притягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Количество гигроскопической воды зависит от свойств вещества грунта и от влажности воздуха. Высушенный грунт во влажном воздухе будет увеличиваться в весе до тех пор пока не будет достигнута влажность, соответствующая максимальной гигроскопичности, имеющей приблизительно следующие значения: для песка – около 1%; для пыли – около 7% от веса сухого вещества грунта; для глины – около 17%.

Гигроскопическая вода может перемещаться в грунте, переходя в парообразное состояние, и может быть удалена только высушиванием.

 

 

 

 

24

  Пленочная вода удерживается на поверхности грунтовых частиц силами молекулярного притяжения.

 

     Пленочная вода состоит из двух фаз:

     - прочносвязанной  воды, tк= 180 0С, tз=-15-20 0С;

     - рыхлосвязанной воды,   tк= 120 0С, tз=-5-6 0С;

 

      Содержание связанной воды в грунте зависит:

      - от минералогического состава  грунта;

      - от размеров твердых частиц;

      - от структуры;

      - от влажности.

 

Пленочная вода удерживается на поверхности грунтовых частиц силами молекулярного притяжения.

Пленочная вода не подчиняется законам гидростатики и гидродинамики.

Количество пленочной воды  и ее свойства сказываются  на физико-механических свойствах грунта.

Пленочная вода состоит из двух фаз:- прочносвязанной воды; - рыхлосвязанной воды.

Содержание связанной воды в грунте зависит:

- от минералогического  состава грунта: глина монтмориллонит  обладает способностью значительно  насыщаться водой, чем другие.

- от размеров твердых  частиц: чем тоньше дисперсный  грунт, тем больше удельная поверхность  твердых частиц, которые могут  притягивать воду.

- от структуры грунта (взаимное расположение твердых  частиц в пространстве): грунты  с расположением твердых частиц (глинистых) склонны к большему  набуханию.

- от влажности: чем больше  влажность, тем толще пленки связанной  воды.

 

 

25

Схема взаимодействия  молекулярных сил в системе

"Твердая частица-Вода".

 

Рассмотрим схему взаимодействия  молекулярных сил в системе "Твердая частица-Вода".

Минеральные твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных кристаллических минералов, имеют на поверхности  заряд статического электричества, чаще всего отрицательный, а молекулы воды представляют диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности минеральных частиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем большее  количество молекул воды будет находится в связанном состоянии. Электромолекулярные силы взаимодействия очень велики и у поверхности минеральных частиц составляет величину порядка нескольких тысяч килограмм-сил на 1см2 (1000МПа). По мере удаления от поверхности твердых частиц они быстро убывают и на расстоянии 0,5мкм становятся  близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частицы слои  в 1-3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твердой поверхностью не удается удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды-эти слои образуют – пленки прочносвязанной адсорбированной воды.  Прочносвязанная вода по свойствам скорее соответствует твердому, а не жидкому телу; замерзает при температуре минус 15-200С; плотность достигает 2,4 т/м3, чем свободная вода; обладает ползучестью. Такую воду можно отделять  от твердых частиц лишь выпариванием при температуре 1800С.

Рыхлосвязанная лисорбированная вода представляет собой диффузный переходной 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 твердых частиц и молекулами воды.  Замерзает при температуре -минус 5-60С; плотность от 1,2 до 1,4 т/м3. Такую воду можно отделять  от твердых частиц лишь выпариванием при температуре 1200С.

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия  электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью частиц, будут образовывать свободную воду.

 

 

 

 

26

Гравитационная вода не подвержена действию молекулярных и менисковых сил и полностью подчиняется законам гидростатики и гидродинамики. Гравитационная  вода впитывается и перемещается в напластовании горных пород под действием силы тяжести и, скапливаясь над водоупорными пластами, образует подземные и грунтовые воды.

 

Подземными  называют воды, находящиеся ниже поверхности земли и дна поверхностных водоемов и потоков.

 

Грунтовые воды – это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водонепрони-цаемом  слое.

 

СЛАЙД. При возведении зданий и сооружений необходимо учитывать возможность встречи подземных вод, с наличием или отсутствием которых связаны условия производства строительных работ и их стоимость.

 

 

27

         Капиллярная вода располагается выше гравита-ционной  и заполняет частично или полностью поры грунта, удерживаясь в них силами капиллярного натяжения.

 

       Усредненная высота  капиллярного поднятия в грунтах  естественной влажности и нормального  уплотнения

                            суглинок – более 1м (возможно  до 7м)

                            песок мелкий – 0,3 м;

                            песок крупный – 0,05 м.

 

Капиллярная вода располагается выше гравитационной  и заполняет частично или полностью поры грунта, удерживаясь в них силами капиллярного натяжения.

Предельное насыщение грунта капиллярной водой называется капиллярной влагоемкостью грунта. Высота подъема капиллярной воды зависит от их поперечного размера капилляра  и материала частиц грунта. Подъем капиллярной воды в порах заканчивается в том случае, когда наступает равновесие между весом поднятого столба воды и подъемной капиллярной силой.

Капиллярная вода  сравнительно легко удаляется при высушивании и замерзает при температуре -10С.

Усредненная высота капиллярного поднятия в грунтах естественной влажности и нормального уплотнения

                                 суглинок – более 1м (возможно  до 7м)

                                 песок мелкий – 0,3 м;

                                 песок крупный – 0,05 м