Составные элементы грунтов.

В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые можно объединить в следующие три группы:

- твёрдые минеральные частицы;

- вода в различных видах и состояниях;

- газообразные включения.

Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения, также влияющие на физические свойства грунтов.

Свойства этих компонентов, их количественные соотношения в грунте, а также электромолекулярные, физико-химические, механические и прочие взаимодействия между компонентами грунтов и их агрегатами и определяют природу грунтов.

Если грунт состоит из твёрдых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда его называют грунтовой массой.

В большинстве же случаев в грунте кроме твёрдых частиц и воды имеется воздух или иной газ, растворённый в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окружённых поровой водой, или свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трёхкомпонентной (трёхфазной) системой.

В мёрзлом грунте, кроме того, содержится лёд (пластичное тело). Лёд придаёт грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномёрзлых грунтов. Мёрзлый грунт является четырёхкомпонентной (четырёхфазной) системой.

В некоторых грунтах содержатся органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества органических веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5% в глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

2.1.2.1. Твёрдые минеральные частицы.

Твёрдые частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мК) твёрдых минеральных зёрен.

Минералогический состав твёрдых частиц зависит, главным образом, от состава материнской породы грунтов. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причём и характер взаимодействия их будет иным. На их свойства существенно влияют поверхностные явления, интенсивность которых для различных минералов неодинакова.

Кору выветривания верхней оболочки Земли образуют, главным образом следующие элементы:

- кислород O – 49,3%,

- кремний Si – 25,7%,

- алюминий Al – 7,5%,

- железо Fe – 4,7%,

- кальций Ca, натрий Na, калий K, магний Mg – около 10,4%.

Из них большинство находится в форме окислов, из которых 58,2% - окиси кремния SiO₂ и 16% - окиси алюминия Al₂O₃.

Можно выделить четыре основные группы минеральных образований:

- первичные минералы (кварц, полевые шпаты, слюда и др.);

- глинистые (вторичные) минералы (монтмориллонит, каолинит, иллит и др.), образовавшиеся в процессе выветривания магматических и метаморфических пород;

- соли – сульфаты (гипс, ангидрит и др.), карбонаты (кальцит, доломит и др.), галоиды;

- органические вещества.

Форма твёрдых частиц грунтов весьма разнообразна от компактной шарообразной до пластинчатой листообразной и тонкоигольчатой. Как правило, крупные фракции (диаметром более 0,05 мм) имеют округлую или остроугольную компактную форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов – пластинчатую и реже игольчатую форму.

Большинство тонких фракций глин содержит много мономинеральных частиц, относящихся к трём группам минералов: монтмориллониты, иллиты и каолиниты. Все эти минералы имеют ярко выраженное пластинчатое строение и пластинчатую молекулярную структуру, но обладают разной поверхностной энергией. Наиболее активными являются монтмориллониты, наименее – каолиниты. Кристаллы группы монтмориллонита не только имеют наибольшую удельную поверхность (каолинит ~ 10 м²/г, а монтмориллонит ~ 800 м²/г), но и наибольшую адсорбционную способность и свойство сильно набухать в воде, втягивая молекулы воды внутрь кристаллической решётки, особенно, если они насыщены натрием Na (связь между пакетами атомов монтмориллонита ослаблена, так как слои атомов двух соседних пакетов обращены друг к другу одноимённо заряженными атомами кислорода с наличием отталкивающих сил между ними, куда и проникают молекулы воды, раздвигая кристаллическую решётку монтмориллонита).

Самые мелкие фракции глин (менее 1 мК) обладают свойствами коллоидов. Для кварца коллоидная активность близка к нулю, для каолинита составляет около 0,4, для иллита – 0,9, монтмориллонита – от 1,5 до 7,2, в зависимости от насыщения кальцием или натрием.

Различие не только в удельной поверхности, но и в молекулярной структуре глинистых минералов создаёт различия в их взаимодействии с водой, второй составной частью любых природных грунтов.

Модуль объёмного сжатия частиц минералов, слагающих грунты (в МПа):

,

где A – некоторое число в пределах от 1 до 9.

Частицы многих минералов обладают ярковыраженной анизотропией сжимаемости (неодинаковой сжимаемостью по разным направлениям), различающейся до 10 раз. Поэтому, если все частицы ориентированы более или менее одинаково, модуль сжимаемости будет неодинаков по направлениям вдоль ориентации и поперёк неё. Если же частицы скелета расположены беспорядочно, то грунт практически изотропен по сжимаемости. За счёт смятия в точках контакта и вследствие сдвига частиц объёмный модуль сжимаемости скелета на два-четыре порядка меньше, чем модуль сжимаемости отдельной частицы, и находится у разных грунтов в зависимости от их влажности и сложения в пределах от A до A·10² МПа.

Относительное содержание в скелете частиц различных размеров (обычно в процентах) называют зерновым, гранулометрическим или механическим составом грунта.

Гранулометрический состав весьма разнообразен. Размер частиц меняется от 10^-6 до 1000 мм. Это можно хорошо представить, если сравнить относительные размеры воздушного шарика и нашей планеты. Определение гранулометрического состава состоит в разделении составляющих грунт частиц на отдельные группы (фракции).

Методы гранулометрического анализа:

- ситовой (для крупных и средних фракций);

для мелких фракций (диаметром менее 0,05 мм):

- седиментационный (основан на разделении фракций грунта в искусственно приготовленных суспензиях вследствие разной скорости осаждения частиц различной крупности);

- ареометрический (основан на использовании свойства уменьшения плотности грунтовой суспензии по мере выпадения из неё в осадок различных фракций);

- центрифугирование (основан на разделении фракций на центрифуге);

- комбинированные.

На основании изучения физических свойств отдельных фракций предложено их классифицировать по размерам.

Классификация частиц грунтов.

Деление частиц грунтов на фракции обусловлено тем, что грунты, состоящие из частиц одной фракции, обладают специфическими особенностями и свойствами.

Грунт, состоящий только из галечниковых частиц (щебня), весьма водопроницаем, имеет жёсткий скелет и высокую несущую способность. Такой грунт встречается редко.

Грунт, состоящий только из гравелистых частиц, также обладает большой водопроницаемостью, сравнительно жёстким скелетом и достаточно высокой несущей способностью. В некоторых случаях при динамических воздействиях он может уплотняться. Оба эти грунта не обладают связностью (сыпучи); капиллярное поднятие в них отсутствует.

Песчаные частицы слагают различные по крупности пески, которые обладают водопроницаемостью, не пластичны, имеют сравнительно жёсткий, мало сжимаемый при действии статической нагрузки скелет. В зависимости от плотности сложения частиц пески способны существенно уплотняться при динамических воздействиях. Они характеризуются небольшой высотой капиллярного поднятия (до 0,5 м) и в сухом состоянии являются сыпучими телами.

Грунт, состоящий только из глинистых частиц, практически водонепроницаем, во влажном состоянии характеризуется высокой пластичностью, может обладать большой сжимаемостью при действии статической нагрузки, при динамических воздействиях не уплотняется, но может терять свою прочность. После прекращения динамических воздействий прочность глинистого грунта частично или полностью постепенно восстанавливается, т. е. он обладает специфическими тиксотропными свойствами. Такой грунт при изменении содержания в нём воды изменяет объём – набухает при увлажнении и получает усадку при высыхании. Все эти свойства, характерные для глины, особенно ярко проявляются, когда она содержит некоторое количество весьма мелких коллоидных частиц и состоит из минерала монтмориллонита.

Пылеватые частицы составляют пылеватый грунт, который имеет в строительном отношении все недостатки песка и глины. Пылеватый грунт слабо водопроницаем, плохо отдаёт воду и обладает свойством плывунности – перемещается вместе с водой даже при малой скорости её движения. Капиллярное поднятие в нём развивается быстро и высота его обычно достигает 2 - 3,5 м.

Большинство естественных грунтов представляет собой смеси различных фракций.

В настоящее время принято изображать гранулометрический состав грунтов в виде так называемой кривой однородности, которая строится по результатам гранулометрического анализа (рис. 2.1):

Рисунок 2.1. Интегральная кривая гранулометрического состава.

По горизонтальной оси откладывают логарифмы диаметров зёрен в мК (что вызвано желанием оттенить в составе грунта содержание мелких, наиболее активных фракций), а по вертикальной оси – суммарное содержание в грунте частиц диаметром более данного. Отношение диаметров частиц, , соответствующих 60% и 10% содержанию частиц, характеризует неоднородность состава грунта и называется коэффициентом неоднородности. Чем больше этот коэффициент, тем грунт будет неоднороднее по составу; при коэффициенте неоднородности, меньше 3, грунт считается однородным.

Согласно ГОСТ 25100-95 грунты классифицируются следующим образом:

Классификация песчаных и крупнообломочных грунтов по гранулометрическому составу.

Классификация глинистых грунтов по гранулометрическому составу.

2.1.2.2. Вода в грунте, её виды и свойства.

В природных грунтах всегда содержится некоторое количество воды. Вода находится в различных состояниях, при этом, чем дисперснее грунт, тем влияние воды на его свойства будет больше.

Профессор А.Ф. Лебедев разделяет воду, находящуюся в грунте на семь видов:

1. Вода, химически связанная с грунтом, то есть такая, которую при обычной температуре сушки грунта (105º C) нельзя отделить от грунта.

2. Вода в виде пара, способная передвигаться из пор с большим давлением в поры с меньшим давлением.

3. Вода гигроскопическая, то есть конденсирующаяся на поверхности твёрдых частиц. Если сухой грунт поместить во влажный воздух, то вес его будет увеличиваться, пока не достигнет некоторой величины, соответствующей максимальной гигроскопичности. Максимальная гигроскопичность для различных грунтов имеет следующие значения: для песков – около 1%; для пыли – до 7%; для глины – до 17% от массы сухого вещества грунта.

4. Плёночная вода – слой, окутывающий частицы грунта и удерживающийся силами молекулярного притяжения. Плёночная вода обволакивает частицы грунта и не может быть от них отделена ни давлением порядка десятков бар, ни дренажём. Плёночная вода удаляется путём испарения лишь при высушивании грунта. Влажность грунта, соответствующая максимальной толщине молекулярных плёнок воды, по Лебедеву называется максимальной молекулярной влажностью грунта. Количество молекулярно-связанной воды, содержащейся в данном грунте, и её свойства существенно сказываются на физико-механических свойствах грунта.

5. Гравитационная вода, которая, не заполняя полностью пор грунта, имеет возможность свободно передвигаться под влиянием собственного веса.

6. Грунтовая вода, попавшая тем или иным путём в грунт, просочившаяся в глубь его и скопившаяся на водонепроницаемых слоях пород. В отличии от гравитационной, грунтовая вода обычно полностью насыщает все поры грунта.

7. Вода твёрдая, находящаяся в порах грунта в виде льда или инея.

Важно отметить, что количественное содержание воды в грунте обуславливает различные её свойства. Молекулы воды в первую очередь располагаются на поверхности минеральных частиц, а затем уже постепенно заполняют промежутки между частицами. При малом количестве воды будем иметь только гигроскопическую и плёночную воду, т. е. воду, связанную (адсорбированную) поверхностью минеральных частиц. При большем количестве – капиллярно-разобщённую, а ещё при большем – капиллярно-подвижную (собственно капиллярную) воду, если она соединяется с уровнем грунтовых вод, и капиллярно-подвешенную, если не соединяется. И, наконец, при насыщении грунта водой – подвижные грунтовые воды, полностью подчиняющиеся гидравлическим законам движения в пористой среде (фильтрации).

Капиллярной водой называют воду, заполняющую капилляры грунта и имеющую связь с грунтовой водой; подвешенная – это собственно тоже капиллярная вода, но не имеющая связи с грунтовой водой. В то время как капиллярная вода при испарении не снижает своего уровня, подвешенная вода, будучи оторванной от грунтовой, при испарении резко снижает свой уровень.

Капиллярная вода, двигаясь против силы тяжести, испытывает под её действием растягивающие напряжения, равные в каждом сечении весу столба воды ниже этого сечения (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость высоты капиллярного поднятия h_к от диаметра капилляров (а) и эпюры гидростатического давления (б): 1 –отрицательное давление в капиллярной воде (растяжение); 2 – положительное давление в свободной воде (сжатие); стрелками показаны сжимающие силы в стеках трубки.

Таким образом, эти напряжения убывают книзу и равны нулю у основания столба. Капилляры испытывают в уровне менисков сжимающее давление (на рис. 2.2. б показано условными стрелками), равное весу поднятого столба воды и называемого капиллярным давлением. Сопротивление сдвигу частиц, создаваемое этим давлением, называют капиллярным сцеплением.

Рис. 2.3. Схема капиллярного сцепления, создаваемого кольцевыми менисками воды (2), окружающими точки контакта частиц (1) песчаного грунта (стрелки – силы поверхностного натяжения частиц).

У маловлажных песчано-пылеватых грунтов капиллярное сцепление (Рис.2.3.б) достигает при малой влажности довольно большого значения, так как создаётся менисками малого радиуса R₂, окружающими точки контакта частиц, наподобие кольцевых манжет радиусом R₁ (Рис. 2.3.а). Однако при насыщении грунта водой, так же как и при полном высыхании, капиллярное сцепление исчезает.

Давление от внешней нагрузки на воду и от её собственного веса по как угодно проведённой в покоящейся поровой воде площадке всегда действует только нормально к этой площадке. В любой точке свободной воды нормальные давления равны по всем направлениям. Такое распределение давлений называют гидростатическим.

По закону Архимеда, свободная поровая вода оказывает на находящуюся в ней твёрдую частицу скелета выталкивающее действие. Значение выталкивающей силы равно весу жидкости в объёме частицы. Одновременно сама вода испытывает действие силы, равной выталкивающей, но противоположно направленной. Поэтому давление в свободной поровой воде в водонасыщенном грунте на любой глубине такое же, как если бы вода одна занимала весь объём, заполненный грунтом. Следовательно, в насыщенном водой грунте на глубине h от его поверхности гидростатическое давление

(2.1)

В отличие от твёрдых тел, у которых упругая деформация сдвига всегда конечна, у жидкости всякое касательное напряжение, как бы мало оно ни было, вызывает течение со скоростью, пропорциональной этому напряжению, и продолжающееся, пока оно действует. Следовательно, в покоящейся жидкости отсутствуют касательные напряжения.

На свойствах жидкости не отражаются прошлые деформации, и как только действовавшие в ней касательные напряжения исчезают, она приходит в состояние покоя. Модуль объёмного сжатия поровой воды на порядок больше, чем у частиц скелета (несколько более 2·10³ МПа).

При анализе перемещений поровой воды её деформациями можно пренебрегать и считать её несжимаемой.