Составные части (фазы) грунта. Характеристики физических свойств.

В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха или иного газа, т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.
Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.
В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества таких веществ в грунте, существенно отражается на его свойствах.

Для оценки строительных свойств грунтов пользуются рядом его характеристик.
Изобразим схему 1 см³ грунта (3-х фазная система).
1-ая группа характеристик, определяемых опытным путем.

1. Плотность грунта ненарушенной (естественной) структуры: т/м3

Удельный вес грунта: (кН/м3) [15…22 кН/м3]
2. Плотность твердых частиц грунта: т/м3

Удельный вес твердых частиц: (кН/м3) [25…28 кН/м3]
3. Весовая влажность грунта: % (изменяется в широких пределах и особенно важна для глинистых грунтов)
2-ая группа характеристик, определяемых расчетами.

1. Плотность сухого грунта: т/м3

Удельный вес сухого грунта: (кН/м3) [10…19 кН/м3]

; отсюда
2. Пористость грунта:

Если обозначить: n – объем пор в единице объема грунта; m – объем твердых частиц в единице объема грунта. n + m = 1
3. Коэффициент пористости грунта:

Для слабых грунтов может быть и больше (до 12 – в торфах).

тогда (2)

(3) m (4)

5Виды воды в грунтах. Свойства различных видов воды. Вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных обычно кристаллических минералов, имеют на поверхности заряд статического электричества, чаще всего отрицательный. Молекулы же воды, являясь диполями, и ионы различных веществ противоположного заряда, растворенных в грунтовой воде, попадая в поле заряда частицы грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, адсорбированных на поверхности твердой частицы с ее наружной стороны, будет иметь заряд, аналогичный заряду поверхности твердой частицы, и, следовательно, станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом возникают достаточно стройные цепочки молекул воды (рис. 1.2). Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля. Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной. Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С. Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный 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 твердой частицы и молекулами воды (см. рис. 1.2, б). Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины слоя рыхлосвязанной воды, может резко снижаться при нарушении определенного расположения молекул воды и частиц (например, при динамических воздействиях или перемятии). Со временем возможно восстановление прочности (явление тиксотропии). Итак, пылевато-глинистые грунты, особенно содержащие коллоидные частицы, обладают свойствами пластичности, связности, ползучести, набухаемости при увлажнении, усадки при высыхании, размокаемости, водонепроницаемости, тиксотропности и т. д. Рис, 1.2. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной поверхности частицы грунта (а) и график сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды (б)1 — прочносвязанная вода; 2 — рыхло-связанная вода; 3 — свободная вода

Связаная вода. Ее природа.

Выделяют две категории воды в горных породах - свободную и связанную. Связанная вода находится и удерживается в наиболее мелких порах и трещинах горных пород и испытывает со стороны поверхности твердой фазы минералов "связывающее" влияние разной природы и интенсивности, изменяющее ее структуру и придающее ей аномальные свойства, то есть не такие, как у обычной, свободной воды. Суммарное содержание связанной воды в литосфере Земли составляет около 42% от общего количества воды в земной коре. Однако связанную воду не так просто извлечь из породы, в которой она находится. Под действием поверхностных сил разной природы она относительно прочно удерживается на поверхности минералов, не подчиняется силам гравитации и ее передвижение в породах может происходить лишь под влиянием сил иной природы.
Первые представления о связанной воде возникли почти сто лет назад.

Рис. 1. Строение единичной молекулы воды: а - структура; б - модель электронных орбиталей; в - распределение зарядов (r - длина связи Н-Н, равная 1,41*10-4 мкм; l - длина связи Н-О, равная 0,96*10-4мкм; a - угол Н-О-Н, равный 104,5њ).

К настоящему времени достаточно хорошо изучено строение единичной молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Она характеризуется дипольным строением и тетраэдрическим распределением зарядов: два положительных - на атомах водорода, два отрицательных - на неподеленных парах электронов атома кислорода (рис. 1). Такое строение молекулы воды позволяет ей образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами.
Многочисленными экспериментами, было установлено, что некоторые свойства связанной воды, находящейся в породах в виде тонких, так называемых граничных, слоев вблизи твердой поверхности, существенно отличаются от свойств обычной свободной воды. Их стали называть аномальными. В последнее время было убедительно установлено, что плотность связанной воды в тонких пленках повышена всего лишь на 1,5% по сравнению со свободной водой и составляет в среднем около 1,02 г/см³.
Основная причина понижения температуры замерзания связанной воды - взаимодействие ее с твердой минеральной поверхностью, точнее - с ее активными центрами. Энергия взаимодействия молекул воды с активными центрами поверхности минералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия молекул воды между собой. Это и приводит к тому, что активный центр нарушает сетку водородных связей в воде, а фазовый переход осуществляется лишь при более низкой температуре. Не менее интересным свойством связанной воды в горных породах является ее пониженная по сравнению со свободной водой растворяющая способность. Связанная вода способна растворять меньше солей, чем обычная вода. Это обстоятельство также является следствием измененной структуры связанной воды.
Другое аномальное свойство связанной воды - понижение ее диэлектрической проницаемости в несколько раз по сравнению со свободной водой. Если для обычной воды диэлектрическая проницаемость равна 81, то для связанной воды эта величина уменьшается до 3 - 40, в зависимости от толщины водной пленки.