Виды воды в грунтах. Водопроницаемость
Дисперсные грунты, строение, фазовые состояния.
Класс дисперсных грунтов включает осадочные несцементированные и искусственные грунты. Осадочные несцементированные грунты подразделяются на несвязные грунты — крупнообломочные, мелкообломочные (песчаные) и связные грунты — пылеватые (лёссовые), глинистые, сапропелево-торфяные и почвы. Искусственные грунты классифицируются по способу преобразования породы в скальный грунт, что определяется в основном особенностями исходных пород. Группа искусственных дисперсных грунтов включает искусственно изменённые, уплотнённые, культурные слои, насыпные и намывные грунты.
Дисперсные грунты, находящиеся в мёрзлом состоянии, являются самостоятельным классом пород (наряду со скальными и дисперсными немёрзлыми) и обладают специфическими структурными связями за счёт наличия льда; это определяет существенная зависимость их свойств от температуры. При понижении температуры прочность структурных связей возрастает, а при повышении — снижается, что сопровождается значительным изменением свойств мёрзлых дисперсных грунтов.
Текстура и структура грунтов. Структурная прочность
Структура грунта– в инженерной геологии, совокупность признаков, отражающих размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение структурных элементов грунта и характер взаимосвязи их друг с другом.
Основными видами структурных связей в грунтах являются водно-коллоидные — вязкопластичные, мягкие, обратимые и кристаллизационные — хрупкие (жесткие), необратимые; последние, могут быть водостойкими и неводостойкими.
Под текстурой грунтов следует понимать совокупность признаков, характеризующих неоднородность сложения грунтовой толщи в пласте, т. е. неоднородность в расположении структурных и механических элементов в отдельных пластах грунта.
Текстура грунтов обязана своим происхождением как условиям образования грунтовых отложений, например периодичности осаждения частиц в текучей и спокойной воде, так и последующим изменениям в величине и направлении внешнего давления. Различают следующие основные виды текстуры грунтовых толщ: слоистая, порфировая, ячеистая и слитная.
Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов, среди которых можно различать ленточное сложение (например, в тонкослойных озерно-ледниковых отложениях с перемежающимися тонкими глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое в некоторых видах мелководных морских отложений, и сланцеватое в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом прошлом значительным давлениям с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все ее разновидности делают грунты анизотропными, т. е. физические свойства таких грунтов (например, водопроницаемость, сопротивление сдвигу, упругость и пр.) будут резко различны в различных направлениях.
В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный — глинистый) участвуют в общем сопротивлении грунта действию внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу и упругость грунтов, будут зависеть главным образом от свойств мелкодисперсного материала, в который включены крупные обломки горных пород.
Ячеистая текстура характерна для некоторых видов засоленных, а также для дисперсных мерзлых грунтов, промерзание которых происходило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направлениях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд отдельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компонентов, составляющих грунт, например прослойками солей, льда и т. п., образуя подобие ячеек.
Наконец, слитной текстурой обладают некоторые древние глины и илы, подвергавшиеся в геологическом прошлом значительным давлениям, а также некоторые разновидности лессов и лессовидных суглинков, недоуплотненных, но сцементированных солями.
Виды воды в грунтах. Водопроницаемость
Вода в грунтах может находиться в жидком, твердом (лед) и газообразном состояниях (пар). Водяной пар перемещается по капиллярам между частицами грунта из пор с большой упругостью пара в поры с меньшей упругостью. При этом пар может конденсироваться и осаждаться на поверхности частиц, в результате чего грунт переходит в состояние максимальной гигроскопичности.
Вода в грунте может быть связанной и свободной. Различают прочносвязанную воду, образующую тонкую пленку на поверхности грунтовых частиц, удерживаемую силами молекулярного притяжения (толщина ее равна нескольким диаметрам молекул воды), и рыхлосвязанную, создающую диффузные оболочки грунтовых частиц толщиной в несколько сотен и даже тысяч молекул воды.
Воздушно-сухие грунты всегда содержат прочносвязанную воду, - которую можно удалить только высушиванием грунта до постоянной массы при 105°С. По мере удаления молекул воды с поверхности грунтовых частиц влияние молекулярных сил быстро уменьшается и рысхлосвязанная вода постепенно переходит в свободную, которая не подвержена действию молекулярных сил и в капельно-жидком состоянии передвигается в порах грунта благодаря силам тяжести, внешней нагрузки (гравитационная вода) и поверхностного натяжения (капиллярная вода).
Капиллярная вода удерживается в грунте силами поверхностного натяжения. Она почти полностью заполняет поры грунта выше горизонта грунтовых вод на высоту капиллярного поднятия воды и перемещается под действием сил поверхностного натяжения.
Лишь в наиболее крупных (некапиллярных) порах находится воздух. Влажность грунта, соответствующая максимальному заполнению капилляров, называется полной капиллярной влагоемкостью. Для песков она достигает 12-/16%, пылеватых грунтов 25-35%, глинистых - 35-40% и более.
Основными факторами, влияющими на высоту капиллярного подъема воды в грунтах, являются дисперсность, плотность и структура грунтов.
Все природные грунты обладают той или иной степенью водопроницаемости, так как твердые частицы грунтов не сплошь занимают их объем, а всегда между ними имеются промежутки (поры), сообщающиеся между собой, что и обусловливает водопроницаемость грунтов. От водопроницаемости грунтов зависит скорость их уплотнения. Кроме того, при движении воды в грунтах возникают гидродинамические давления, обусловливающие вымыв частиц грунта, и часто являющиеся причиной оползневых процессов. Движение (воды в грунтах происходит под действием возникающих в поровой воде разностей давлений (напоров) для различных сечений грунта.