Состав грунтов. Закон фильтрации. Структура и структурные связи в грунтах

Наиболее сложными по своим свойствам являются дисперсные (раздробленные) грунты. Обычно они содержат три составные части (фазы) – минеральную, или твердые частицы, жидкую (вода) и газообразную (воздух, водяной пар, другие газы). Мерзлые грунты содержат также лед. Полностью водонасыщенный грунт можно считать двухфазной системой (грунтовая масса).

Ясно, что свойства грунтов будут определяться, во-первых, свойствами его составных частей и, во-вторых, соотношением между ними. Первый вопрос детально рассматривался в грунтоведении. Здесь только отметим многообразие видов воды в грунтах: свободная (гравитационная и капиллярная); связанная – прочносвязанная (гигроскопическая) и рыхлосвязанная (пленочная). Связанная вода существенно влияет на свойства глинистых грунтов и практически отсутствует в песчаных. Перемещение пленочной воды называется миграцией. Гравитационная вода перемещается (фильтрует) во всех грунтах под действием разности напоров. Для большинства грунтов выполняется закон ламинарной фильтрации в виде

(1.1)

где - гидравлический градиент, т.е. потеря напора на пути фильтрации ; К_ф – коэффициент фильтрации.

Это закон фильтрации Дарси: скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту. Из (1.1) ясен смысл К_ф: это скорость фильтрации при J =1.

В плотных глинистых грунтах фильтрация затрудняется оболочками связанной воды; считают, что фильтрация в них начинается лишь по достижении некоторого начального градиента напора J_n. Уравнение (1.1) при этом принимает вид:

, (1.2)

где J_n – начальный градиент.

Значения К_ф и J_n определяются экспериментально.

Порядок значений для песков, для глинистых грунтов он гораздо меньше.

Капиллярная вода удерживается в порах грунта за счет сил поверхностного натяжения. Высота капиллярного поднятия в грунтах растет с дисперсностью, составляя от 3…5 см в крупных песках до нескольких метров в глинистых грунтах.

Под структурой понимаются размеры, форма, характер поверхности минеральных частиц грунта и характер связей между ними. Последние называются структурными связями и определяют прочность связных грунтов.

В пылевато-глинистых грунтах различают два основных вида структурных связей:

1) Водно-коллоидные, зависящие от сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностями твердых частиц и их водными оболочками. Эти связи пластичны и обратимы. В зависимости от воздействий на грунт и его состояния они могут уменьшаться и восстанавливаться.

2) Кристаллизационные связи, возникающие вследствие кристаллизации на поверхности частиц различных соединений из поровых растров. Это связи хрупкого типа и они практически необратимы.

Кристаллизационные связи обуславливают в грунте сцепление упрочнения. В некоторой мере оно может проявиться в песках и крупнообломочных грунтах. Но в основном их прочность обусловлена за счет трения.