Состав, строение и состояние грунтов

Грунтами называют любые горные породы, которые как объект инженерной деятельности человека используют в строительстве в качестве оснований, среды и материалов различных сооружений и рассматривают как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени.

1. Природа и составные компоненты грунтов

Грунты разделяют на два класса: с жесткими связями и без жестких связей между твердыми частицами. Однако правильнее их называть грунты с прочными связями, и грунты без прочных связей. Под прочными следует понимать связи, прочность которых близка, равна или больше прочности самих частиц.

К грунтам с прочными связями относят магматические, мета­морфические породы и часть осадочных пород. В строительной практике их называют скальными грунтами. Осадочные породы без прочных связей называют нескальными грунтами.

Часто грунты не отвечают всем требованиям гидротехнического и гидромелиоративного строительства. Например, грунты с проч­ными связями, но имеющие трещины могут не отвечать требованию водонепроницаемости, а грунты без прочных связей — оказаться малопрочными и т. д. В таких случаях свойства грунтов тем или иным способом улучшают, создавая искусственный грунт с но­выми заданными свойствами.

Однако направленное влияние человека не всегда придает грунту улучшенные свойства. Иногда гидротехническое строитель­ство приводит к ухудшению свойств грунтов. Например, при создании водохранилищ из-за подъема уровня грунтовых вод грунт на больших территориях часто переувлажняется и теряет прочность, что вызывает оползание берегов водохранилищ, не­допустимые дополнительные деформации оснований существу­ющих сооружений и др.

В результате различных видов производственной и хозяй­ственной деятельности человека создаются искусственные грунты с ухудшенными свойствами: отвалы строительного мусора или отвалы горных пород (отходы добычи полезных ископаемых, отвалы» образующиеся при устройстве различных выемок), а также отвала золы и шлака (например, отходы металлургической про­мышленности) и т. д. Такие грунты в гидротехническом и гидро­мелиоративном строительстве, как правило, не используют, но могут быть использованы, если их свойства будут улучшены.

Знать условия образования, состав и строение грунтов, харак­тер их изменения в процессе дальнейшего существования очень важно. Это позволяет правильно оценить их строительные свой­ства; прогнозировать их поведение под сооружением (в основании), вокруг сооружения (как среды) и в теле сооружения (как стро­ительного материала, например, плотин, дамб и т. п.); правильно изменять их свойства.

Свойства грунтов обусловливаются составом и свойствами компонентов, их количественным соотношением и взаимодей­ствием. Основные компоненты грунта — твердые частицы мине­рального и органического происхождения, жидкость (преимуще­ственно вода) и газ (преимущественно воздух).

2. Твердые частицы грунтов

Все грунты состоят из различных по крупности, форме и мине­ральному составу твердых частиц. Их размеры и форма оказывают сильное влияние на свойства только нескальных грунтов. Ниже приведена принятая в современном грунтоведении классификация твердых минеральных частиц этих грунтов В основу этой классификации положен экспериментальный подход, базирующийся на учете изменения свойств минеральных частиц при переходе из одной группы (фракции) в другую. Так, частицы крупнее 2 мм практически не обладают молекулярной влагоемкостью, а песок, состоящий из таких частиц. — капилляр­ным поднятием воды, но имеет очень большую водопроницаемость. Добавление к песку пылеватых частиц существенно уменьшает его пористость к водопроницаемость, увеличивает капиллярное под­нятие и может придать ему некоторую связность; грунт, состоящий из частиц размером 0,25 ... 0,05 мм, достаточно водопроницаем, а грунт, состоящий из пылеватых частиц, слабоводопроницаем я плохо отдает воду.

Минеральные частица крупнее 0,05 мм компактны, с неболь­шой удельной поверхностью, форма их шарообразная, угловатая или ребристая, а поверхность гладкая или шероховатая, покры­тая мелкими углублениями, выступами, царапинами. В нескаль­ных грунтах, состоящих преимущественно из крупнообломочных частиц (>2 мм) и используемых в качестве оснований сооружений, форма и поверхность частиц практически не имеют значения. В грунте же, состоящем из песчаных частиц, одни и те же окатан­ные и неокатанные песчаные фракции придают ему различную высоту капиллярного поднятия, водопроницаемость и сопротивле­ние сдвигу.

Многие исследователи отмечали, что совершенно другие свой­ства имеют частицы размером <0,001 мм. Такие частицы В. Р. Вильяме (еще в 1893 г.) отнес к глинистым. Глинистые частицы имеют вид чешуек, пластин или иголок неправильной угловатой формы, при этом толщина их в 10 ... 60 и даже в 100 раз меньше максимального размера. В результате глинистые частицы имеют большую удельную поверхность по сравнению с песчаными. Элементарные расчеты показывают, что если песчаные частицы размером 0,05 мм условно представить в виде шариков, а глини­стые — в виде круглых пластин диаметром 0,001 мм и толщиной 0,00002 мм (в 50 раз меньше), то их удельная поверхность соответ­ственно будет равна 120 и 104 ООО, т. е. в 860 раз больше. Поверх­ности глинистых частиц, соответствующие базальным плоскостям, относительно ровные, иногда слабобугристые, с отдельными микротрещинами. Боковые поверхности — неровные, ступенчато выщербленные.

Пылеватые частицы по характеристикам занимают промежу­точное (между песчаными и глинистыми частицами) положение. Крупнообломочные (>2 мм) частицы, как правило, полиминеральные: каждая частица состоит из нескольких минералов.

Песчаные и пылеватые частицы мономинеральные: каждая пред­ставляет собой какой-либо один минерал. Глинистые частицы также мономинеральные. Однако следует иметь в виду, что при переходе частиц в процессе выветривания из фракции пылеватых во фракцию глинистых их минеральный состав резко меняется.

Основными породообразующими минералами в магматических горных породах являются первичные минералы: кварц, полевые шпаты, авгит, слюда, роговая обманка, оливин. В состав мета­морфических горных пород входят как первичные, так и вторичные минералы: кварц, полевые шпаты, слюда, тальк, хлорит и др. В составе осадочных горных пород могут присутствовать все наиболее распространенные породообразующие минералы: пер­вичные (кварц, полевые шпаты, слюда и др.) и вторичные (кальцит, гипс, ангидрит, доломит и глинистые минералы).

Глинистые минералы среди породообразующих занимают осо­бое место из-за особых свойств, которые проявляются при взаимо­действии минералов о водой. Наиболее распространенные глинистые минералы — гидрослюда (иллит), монтмориллонит и каолинит.

Из физики известно, что твердое тело при соприкосновении с жидкостью получает электрический заряд: отрицательный, если его диэлектрическая постоянная меньше диэлектрической постоян­ной соприкасающейся с ним жидкости; положительный, если его диэлектрическая постоянная больше. Диэлектрическая постоянная воды равна 81, а минеральных твердых частиц — 3 ... 12. Следо­вательно, каждая твердая минеральная частица должна иметь отрицательный заряд. Наблюдения показали, что большинство твердых грунтовых частиц в естественном состоянии заряжено отрицательно. Но отрицательный заряд твердых частиц может быть объяснен также и присутствием на их поверхности ионов, входящих в строение кристаллических решеток минералов.

Сила заряда частиц зависит от их минерального состава и удельной площади поверхности. Чем больше эта площадь, тем больше и сила заряда. Песчаные, а особенно крупнообломочные (>2 мм) частицы, если и имеют электрический заряд, то очень слабый. Пылеватые частицы имеют некоторый заряд, но на форми­рование свойств грунтов он практически не влияет. Поэтому в дальнейшем, говоря об электрически заряженных частицах, будем иметь в виду только глинистые.

Теоретически заряд должен распространяться по всей поверх­ности частицы однородно, однако, как отмечает С. С. Вялов (1978 г.), базальные плоскости глинистых частиц заряжены отри­цательно, а кромки (торцы) — положительно. М. Н. Гольдштейн (1979 г.) отмечает, что у частиц каолинита в нейтральной и щелоч­ной средах торцы заряжены отрицательно, но в кислой среде при рН < 5 этот заряд положителен, а базальные плоскости сохраняют отрицательный заряд.

Учитывая сложность и еще недостаточную изученность гли­нистых частиц, рассмотрим их взаимодействие с водой лишь схема­тично.

Считаем, что поверхность твердой минеральной частицы имеет только отрицательный электрический заряд. Молекула воды, как известно, представляющая собой диполь, попадая в электри­ческое поле частицы, ориентируется в нем и положительно заря­женным концом притягивается к поверхности частицы, прочно закрепляясь на ней. Поскольку природная жидкая вода всегда является раствором, то к отрицательно заряженной поверхности частицы притягиваются и прочно закрепляются на ней не только молекулы воды, но и катионы растворенного в воде вещества.

Ближайший к частице слой молекул воды и катионов связан с ней особенно прочно: электростатические силы притяжения могут составлять несколько сотен и даже тысяч мегапаскалей. Этот слой называют адсорбционным. Однако притяжением молекул воды и катионов адсорбционного слоя электрический заряд поверхности твердой частицы полностью не уравновешивается. За адсорбционным слоем расположен второй слой притянутых к частице молекул воды и катионов (рис. 1). Этот слой называют диффузным.

Сила электрического притяжения в диффузном слое номере удаления от частицы быстро уменьшается; на его внешней границе она уравновешивается силой, вызывающей тепловое движение катионов в растворе. За пределами второго слоя находится сво­бодная вода (раствор).

Толщина адсорбционного слоя соответствует толщине одной или нескольких молекул воды. Толщина диффузного слоя может изменяться от О до п-10"* мм. Она зависит не только от силы элек­трического заряда поверхности твердой частицы, но и от состава и концентрации катионов в свободном растворе. Если концентра­ция свободного раствора повышается, то толщина диффузного слоя уменьшается, а концентрация катионов в адсорбционном слое увеличивается. При какой-то определенной концентрации рас­твора все катионы из диффузного слоя оказываются вытесненными в адсорбционный. В этом случае вся сила электростатического заряда поверхности твердой частицы уравновешивается адсорб­ционным слоем, а диффузный слой исчезает. Толщина диффузного слоя зависит и от валентности катионов: чем выше их валентность, тем сильнее они притягиваются к поверхности частицы и тем меньше толщина диффузного слоя.

Глинистые минералы могут взаимодействовать с водой не только наружными, но и внутренними поверхностями структурных слоев (пакетов). В связи с этим все глинистые минералы под­разделяют на минералы с жесткой кристаллической решеткой, с раздвижной кристаллической решеткой и с промежуточным типом кристаллической решетки.

Частицы каолинита имеют жесткую кристаллическую решетку. Поэтому доступ молекул воды и находящихся в растворе катионов в межпакетное пространство исключен. Следовательно, частицы каолинита взаимодействуют с водой только внешней поверх­ностью. К минералам с жесткой кристаллической решеткой отно­сится и гндрослюда (иллит), но частицы гидрослюды несут на базальных поверхностях наиболее значительный по сравнению с частицами других глинистых минералов отрицательный за­ряд.

Частицы монтмориллонита по сравнению с частицами гидро­слюды несут на базальных поверхностях меньший заряд, но так как монтмориллонит имеет раздвижную кристаллическую ре­шетку, молекулы воды и катионы, находящиеся в растворе, проникают в его межпакетное пространство. Следовательно, частиЩ монтмориллонита взаимодействуют с водой как внешней, так и внутренней поверхностями структурных слоев. Это суще­ственно их отличает от других глинистых частиц.

Твердый компонент минеральных грунтов может быть пред­ставлен не только одними минеральными частицами, в его составе могут находиться и частицы органического происхождения. В од­них случаях присутствие органических частиц ухудшает свойства минеральных грунтов, а в других — улучшает. Это зависит от состава, состояния и количества содержащихся в нем органиче­ских частиц. Например, небольшое количество гумуса в водо-насыщенных мелких и пылеватых песках придает им плывунные свойства, в маловлажных песках — связность, а следовательно, и прочность.

Органические частицы являются основной частью твердого компонента биогенных грунтов — торфов и сапропелей. Они образуются и накапливаются в земной коре в результате жизне­деятельности и отмирания растительных и мелких животных организмов.

Отмирая, растительные и животные организмы в результате биохимического процесса распадаются (разлагаются) на частицы различной крупности, сохраняя клеточное строение, а часть этих организмов превращается в совершенно новое вещество, называемое гумусом.

Гумус представляет собой темное бесструктурное вещество, частицы которого имеют форму шара диаметром (8 ... 10) 10'' мм и относятся к коллоидным частицам. Они наиболее энергетически активны среди органических твердых частиц грунтов. Частицы гумуса при взаимодействии с различными растворителями могут растворяться. Обладая кислотными свойствами, они могут раз­лагать минералы, образуя различные коллоидные гуминовые соединения. В состав гумуса входят соединения, называемые гуминами и ульминами, которые в воде практически не раство­ряются. Гумин и ульмин очень прочно связываются поверхностью глинистых частиц, особенно частиц монтмориллонита.

3^. Вода в грунтах, ее виды н свойства

Вода в грунтах может находиться в парообразном, жидком и твердом состоянии. От содержания того или иного количества различных видов воды зависят свойства и качества грунтов, а в глинистых грунтах вода служит главным фактором, обусловли­вающим их свойства.

Впервые подробные и обстоятельные исследования видов и свойств воды, находящейся в песчаных и глинистых грунтах, были проведены в 1916—1936 гг. А, Ф. Лебедевым. Им была пред­ложена классификация видов воды в грунтах, которая послужила ряду исследователей основой для разработки своих классифика­ций. В современном грунтоведении пользуются классификацией, предложенной Е. М. Сергеевым, который подразделяет воду на пять видов: в виде пара; связанная — прочносвязанная (гигро­скопическая) и рыхлосвязанная; свободная — капиллярная и гравитационная; в твердом состоянии; кристаллизационная и хи­мически связанная.

Воды в виде пара в грунтах содержится не более 0,001 % массы грунта. Однако она играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах. Такая вода способна передвигаться в грунте как вместе с газообразным компонентом (воздухом), так и самостоятельно — под влиянием разности упругости пара и разности температур.

Молекулы парообразной воды под влиянием снижения темпе­ратуры или действия электрического заряда твердых частиц могут оседать на их поверхности. Оседание молекул воды в ре­зультате снижения температуры называют термической конден­сацией, а под воздействием электрического заряда — молекулярной конденсацией. В результате термической конденсации парообраз­ной воды в грунте могут образовываться практически все другие виды воды, а в результате молекулярной конденсации на поверх­ности частиц образуется только связанная вода. Процесс конденса­ции обратим, т. е. из образовавшегося нового вида воды она может обратно перейти в парообразное состояние.

Связанная вода — это вода, удерживаемая на поверхности твердых частиц силами электрического заряда. По свойствам она существенно отличается от обычной, свободной воды. Так, ее средняя плотность составляет 1,2 ... 1,4 г/см². Связанную воду нельзя всю удалить (отжать) из грунта статическим давлением, возникающим в грунтах оснований. В лабораторных исследова­ниях на грунты, содержащие только связанную воду, передавали среднее уплотняющее давление, равное нескольким сотням мега-паскалей, и грунт оставался влажным. Содержание воды в грунте уменьшалось с увеличением среднего давления только до 20 ... 50 МПа, далее влажность грунта оставалась постоянной, поэтому связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхло-связанную.

Прочносвязанная вода по некоторым свойствам сходна о твер­дым телом: ее плотность достигает 2,4 г/см, в ней не проявляются законы гидростатики, она не растворяет солей, обладает значи­тельной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг. Однако это жидкость. Температура ее замерзания равна —78 °С и ниже, что существенно, так как в определенной степени объясняет некоторые свойства мерзлых грунтов.

По мнению ряда исследователей, прочносвязанную воду можно удалить из грунта только путем высушивания при температуре 105 ⁰С, которая является стандартной для определения влажности грунта. Некоторые категории прочносвязанной воды не удаляются (Сергеев, 1971 г.). Другие исследователи (Гольдштейн, 1979 г.) считают, что часть прочносвязанной воды все же может быть отжата путем внешнего давления. Причем сразу после отжатия она имеет повышенную растворяемость.

Если молекулы воды покроют сплошным слоем всю поверх­ность глинистой частицы, то вокруг частицы образуется как бы сплошная пленка прочносвязанной воды. Максимальное количе­ство такой воды в грунтах приблизительно соответствует коли­честву гигроскопической воды, которое, в свою очередь, при­равнивается к количеству воды адсорбционного слоя. Следова­тельно, термины «прочносвязанная», «гигроскопическая» и «адсорбционная» вода можно считать синонимами.

Вода, заполняющая межпакетные пространства глинистых минералов, имеющих раздвижную кристаллическую решетку, входит в состав прочносвязанной воды.

Прочносвязанная вода в грунте, очевидно, может передви­гаться в любом направлении от частицы к частице под влиянием разности их электрического потенциала или же переходя в паро­образное состояние.

Рыхлосвязанную воду (воду диффузного слоя) подразделяют на вторично ориентированную воду и воду, удерживаемую осмоти­ческими силами. Вторично ориентированная вода представляет собой несколько рядов (полислоев) молекул, притянутых к твер­дой частице самостоятельно или вместе с катионами благодаря неизрасходованному на удержание прочносвязанной воды заряду поверхности частицы. Осмотическая вода образуется в результате проникновения из раствора молекул воды в диффузный слой вследствие большей концентрации ионов в этом слое, чем в рас­творе.

По свойствам осмотическая вода не отличается от свободной. Средняя плотность вторично ориентированной воды полислоев несколько выше, чем плотность свободной воды. Очевидно, плот­ность ее в слоях, расположенных ближе к поверхности частицы, выше, чем у внешней границы. Средняя температура замерзания воды полислоев —1,5°С.

Рыхлосвязанная вода так же, как и прочносвязанная, может передвигаться в любом направлении от частицы к частице под действием разности их электрического потенциала или же переходя в паро­образное состояние. В первом случае передвижение происходит до тех пор, пока на внешней границе общей пленки не образуется заряд одной силы.

Свободную воду, согласно приведенной выше классификации, разделяют на капиллярную и гравитационную. Капиллярную воду, в свою очередь, подразделяют на три вида: вода углов пор, подвешенная и собственно капиллярная.

Капиллярная вода углов пор (ее еще называют капиллярно-стыковой) может образоваться вследствие конденсации паро­образной воды или же вследствие обезвоживания водонасыщенного грунта. Если при максимально возможном количе­стве воды углов пор будет происходить дальнейшая конденсация паров воды, то она постепенно заполнит все мелкие капиллярные поры, которые могут быть заполнены и в случае промачивания грунта как сверху, так и снизу. При промачивании сверху обра­зуется подвешенная, а при промачивании снизу — собственно капиллярная вода. Подвешенная вода может образоваться и при резком понижении уровня грунтовых вод. Она отличается от собственно капиллярной лишь тем, что не имеет контакта с поверх­ностью грунтовых вод, а следовательно, и не может за их счет пополняться. Собственно капиллярная вода может пополняться непрерывно. Она поднимается от поверхности грунтовых вод только на определенную высоту, называемую высотой капилляр­ного поднятия, которая зависит от диаметра пор в грунте. При среднем диаметре пор более 0,1 мм силы капиллярного поднятия практически равны нулю. В таких порах вода перемещается только под действием сил тяжести. Капиллярная вода может передвигать­ся в грунте в любом направлении (этот факт вызывает сомнение в правильности отнесения капиллярной воды к разряду свободной).

В отличие от гравитационной капиллярная вода замерзает при температуре ниже О °С. В зависимости от размеров капилляр­ных пор она может замерзать при —12 ''С и ниже. Это так же, как и температура замерзания связанной воды, объясняет в опре­деленной степени свойства мерзлых грунтов. Капиллярная вода создает дополнительные нагрузки на грунт и придает ему не­которую связность — дополнительное сопротивление сдвигающим и растягивающим внешним силам.

Гравитационная вода — это вода, которая может передви­гаться в грунте под действием силы тяжести. Ее подразделяют на просачивающуюся воду, которая передвигается сверху вниз, и на воду грунтового потока, передвигающуюся в сторону падения поверхности водоупорного пласта. Гравитационная вода обла­дает всеми свойствами обычной воды. Она оказывает взвешива­ющее действие на твердые частицы грунта и на фундаменты соору­жений, замерзает и превращается в лед при температуре 0⁰С, имеет плотность, принимаемую в расчетах оснований сооружений Рш = 1 г/см, может содержать вещества в коллоидальном со­стоянии, растворять соли и газы.

Вода в твердом состоянии — это лед, в который превращается свободная и связанная вода при замерзании и который может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде линз и прослоек, достигающих в вечномерзлых грунтах значи­тельной мощности.

Кристаллы льда в мерзлых грунтах служат, как правило, цементирующим веществом. Однако в зависимости от ряда условий масса льда в грунтах оснований сооружений в период отрицатель­ных температур (при промерзании грунта) может увеличиваться, что приводит к негативным последствиям, особенно в районах с суровым климатом.

Кристаллизационная вода и химически связанная вода — это вода, принимающая участие в строении кристаллических решеток минералов. Ее наличие имеет большое значение для улучшения свойств грунтов, так как при удалении, например, кристаллиза­ционной воды из состава минералов свойства последних сильно изменяются, а при удалении химически связанной воды обра­зуются новые химические соединения