Состав грунтов

В общем случае грунт состоит из трех компонентов (трехфазная система):

· твердые минеральные частицы;

· вода в различных видах и состояниях;

· газообразные включения.

Твердые минеральные частицы

Состав грунта:

		Поры (воздух, вода)

Грунт, состоящий из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, является двухкомпонентной (двухфазной) системой.

Мерзлые грунты содержат лед и являются четырехкомпонентными (четырехфазными) системами.

Состав грунтов оказывает существенное влияние на его механические свойства.

Твердые минеральные частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам твердых минеральных зерен.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов, которые в совокупности образуют пространственную структуру грунта, способную сопротивляться изменениям объема и формы.

Такие минералы, как кварц, полевой шпат, гидрофобны и не меняют свойств в водной среде. Среди осадочных пород такими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующиеся при их цементации песчаники и конгломераты.

К растворимым в воде минералам относятся гипс, кальцит, галит и некоторые другие. Такие породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены водорастворимыми минералами.

В состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения. Органические вещества в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса. Наличие небольшого количества таких веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5 % в пылевато-глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

Вода в грунтах, ее виды и свойства могут быть весьма разнообразными в зависимости от ее содержания и величины электромолекулярных сил взаимодействия с минеральными частицами. Твердые частицы грунта имеют на поверхности кристаллических минералов отрицательный заряд статического электричества. Молекулы воды, являющиеся диполями (атом кислорода заряжен положительно, два атома водорода – отрицательно), попадая в поле заряда минеральной частицы, притягиваются к ее поверхности. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоями молекул воды.

Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной. Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул образуют пленки прочно связанной адсорбированной воды. Свойства этой воды существенно отличаются от свойств свободной воды, а плотность достигает 1,2-1,4 г/см³, она имеет повышенную вязкость и не замерзает при температуре до –100^о С.

Следующие слои молекул связаны с минеральной частицей значительно меньшими силами, образуют слой рыхлосвязанной воды. Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью твердых частиц, образуют свободную (гравитационную) воду и капиллярную. Свободная вода подчиняется законам гидравлики, передает гидростатическое давление и может перемещаться под действием разности напоров. За счет сил поверхностного натяжения вода в капиллярах поднимается над уровнем подземных вод на высоту от 3,5 см в песках до 6,5 м в суглинках.

Газы в грунте могут быть в свободном или в растворенном в воде состоянии. Свободный газ подразделяется на незащемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся между твердыми частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится некоторое количество растворенного газа. Содержание в грунте защемленного и растворенного газа существенно отражается на свойствах грунта и протекающих в них процессах.

Структурные связи образуются между отдельными частицами и агрегатами в грунте на протяжении всей истории формирования и изменения горной породы. Для скальных грунтов характерны жесткие необратимые кристаллизационные связи, которые не восстанавливаются при разрушении.

Нескальные грунты по характеру структурных связей подразделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины). К несвязным – крупнообломочные и песчаные грунты.

Структурные связи в глинистых грунтах определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталкивания между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Такие связи называются водно-коллоидными. Они являются вязкопластичными, мягкими и обусловливают связность глинистых грунтов. Их прочность зависит от расстояния между частицами, заряда на их поверхности, состава и содержания ионов в поровой воде. При повышении влажности прочность водно-коллоидных связей быстро уменьшается почти до нуля. По классификации акад. П.А. Ребиндера, водно-коллоидные связи водонасыщенных глинистых грунтов подразделяются на коагуляционные (первичные, возникающие при выпадении частиц в воде и свертывании коллоидов) и конденсационные (возникающие при уплотнении коагуляционных структур).

Структура грунта определяется размерами, формой частиц грунта, их количественным соотношением в единице объема.

В условиях естественного залегания грунты состоят из совокупностей частиц разного размера и формы.

Твердые частицы грунта принято классифицировать по размерам, мм:

· валунные > 200 мм;

· галечные (щебенистые) 200 – 20 мм;

· гравелистые (дресвяные) 20 – 2 мм;

· песчаные 2 – 0,5 мм;

· пылеватые 0,05 –0,005 мм;

· глинистые < 0,005 мм.

Песчаные частицы подразделяются на крупные, средней крупности, мелкие и тонкие, а пылеватые – на крупные и мелкие. Крупные частицы грунта разделяют просеиванием через сита, а частицы менее 0,1 мм определяют по скорости падения частиц в воде.

Глинистые минералы в большинстве случаев гидрофильны, что обусловлено их поверхностной активностью по отношению к воде. Глинистые минералы имеют пластинчатую (каолинит, монтмориллонит) или игольчатую (аттапульгит) форму с размерами кристаллов 1-2 мкм. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см³ или 1 г). Например, частицы глинистого минерала каолинита имеют удельную поверхность 10 м²/г, а монтмориллонита – 800 м²/г. Содержание глинистых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунтов.

В зависимости от процентного соотношения (по массе) в единице объема того или иного размера частиц грунты подразделяются на типы (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

по гранулометрическому составу

Наименование грунта	Размер частиц, мм	Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта
Крупнообломочный: валунный (глыбовый) галечный (щебенистый) гравийный (дресвяный) Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	> 200 > 10 > 2 > 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1	> 50 > 50 > 50 > 25 > 50 > 50 75 < 75

Пылевато-глинистые грунты принято классифицировать в зависимости от количества глинистых частиц в процентах (по массе) (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классификация пылевато-глинистых грунтов

Наименование грунта	Содержание глинистых частиц по массе, %	Число пластичности
Глина Суглинок Супесь	> 30 30-10 10-3	> 17 17 7

Текстура грунта определяет пространственное расположение частиц и их агрегатов, зависящих от условий образования грунта. Различают слоистую, слитную и ячеистую текстуры.