Составные элементы грунтов

В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы: 1 – твердые минеральные частицы; 2 – вода в различных видах и состояниях; 3 – газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения, также влияющие на физические свойства этих грунтов.

Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров – галечники –до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мкм – дисперсные глины) твердых минеральных зерен.

Весьма существенным фактором в оценке свойств твердых грунтовых частиц является их минералогический состав. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причем и характер взаимодействия их будет иным. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см³ или на 1 г) и больше возникает центров взаимодействия как с окружающей твердые частицы водой, так и в контактах самих твердых частиц. Например, частицы глинистого минерала каолина имеют удельную поверхность 10 м²/г, а монтмориллонита – 800 м²/г, т. е. огромную поверхность, измеряемую сотнями квадратных метров в 1 г грунта, что несомненно сказывается на свойствах природных грунтов, содержащих частицы монтмориллонита. Наличие в грунте частиц слюды (очень скользких, в массе ничтожно сопротивляющихся сдвигу) также существенно сказывается на физических свойствах такого вида грунтов, что и необходимо учитывать.

Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам минеральных частиц делятся (по СНиПу) на следующие виды.

1. Крупнообломочные грунты (валунные, галечниковые – при окатанной форме частиц и щебенистые – при остроугольной) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по массе в воздушно-сухом состоянии.

2. Песчаные грунты с содержанием частиц: крупнее 2 мм более 25% по массе – гравелистые; крупнее 0,5 мм более 50% по массе – крупнозернистые (кр/з); крупнее 0,25 мм более 50% по массе – среднезернистые (ср/з); крупнее 0,10 мм более 75% по массе – мелкозернистые (м/з); крупнее 0,10 мм менее 75% по массе – пылеватые (пески).

3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по величине, форме и минералогическому составу не разделяются на группы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов относят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мкм нескольких микрометров.

Содержание в грунте по массе того или иного количества глинистых частиц вследствие чрезвычайной их дисперсности, позволяющей им обволакивать твердые песчаные зерна и включения в грунтах, весьма существенно сказывается на физических свойствах грунтов; наименование таким глинистым грунтам придается в зависимости от суммарного содержания глинистых частиц в грунте, за которые принимают все частицы размером менее 5 мкм (<0,005 мм).

Глинистые частицы в отличие от песчаных, имеющих компактную форму, разнообразны по форме и представляют собой тонкие чешуйки, толщина которых в 10-50 раз меньше их большего размера, а форма может быть как многоугольной (у каолинитов, рис. 1.1), так и игольчатой (у аттапульгитов, рис. 1.2).

Следует также отметить существенное значение и минералогического состава глинистых частиц. Так, кристаллы монтмориллонита (из которых состоят монтмориллонитовые глины) обладают подвижной кристаллической решеткой, способной при соответствующих условиях втягивать внутрь кристаллов молекулы воды и значительно набухать, увеличиваясь в объеме, тогда как частицы каолинита, аттапульгита и гидрослюд такими свойствами обладают значительно меньше.

Все изложенное в высокой степени сказывается на свойствах природных глинистых грунтов.

Вода в грунте, ее виды и свойства могут быть весьма различными в зависимости от ее содержания в грунте и величины сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемой, главным образом, гидрофильностью минеральных частиц.

Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а молекулы воды представляют диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности минеральных частиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество молекул воды будет находиться в связанном состоянии. Электромолекулярные силы взаимодействия, по современным данным, очень велики и у поверхности минеральных частиц (для первого ряда связанных молекул воды) составляют величину порядка нескольких сотен мегапаскалей. По мере же удаления от поверхности твердых частиц они быстро убывают и на расстоянии, равном примерно 0,5 мкм, становятся близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твердой поверхностью, настолько связаны электромолекулярными силами притяжения с поверхностью, что их не удается удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды, и эти слои образуют пленки так называемой прочносвязанной адсорбированной воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные частицы, будут связываться и ориентироваться граничной фазой по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц все меньшими силами; они образуют слои рыхлосвязанной (лиосорбированной) воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких сотен килопаскалей (иногда и до нескольких мегапаскалей).

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, будут образовывать свободную (по проф. А. Ф. Лебедеву) – гравитационную воду, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня грунтовых вод силами капиллярного натяжения воды.

На рис. 1.3 показана схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральных частиц с водой.

Газообразные включения (пары, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды, свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой, в, наконец, растворенными в поровой воде.

Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта.

Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений между частицами грунта.