Глинистые грунты

К глинистым грунтам с известной условностью можно отнести почвы, которые покрывают практически всю поверхность земли (кроме песчаных пустынь, крутых склонов гор и т.д.) довольно тонким слоем – от несколько сантиметров до 3-4 м (чернозёмы). По гранулометрическому составу это чаще всего суглинки, обогащенные гумусом и остатками корневой системы растительности, лиственного опада, отмерших растительных и животных останков. Среди почв различают тундровые глеевые, подзолистые, серозёмы, чернозёмы, желтозёмы, краснозёмы и ряд других видов этих образований.

Пористость (n) глинистых грунтов по величине может колебаться в диапазоне от 10% до 90%. Сам характер пористости также может быть различен. В супесях, легких и средних суглинках поры имеют открытый характер, т.е. практически соединяются друг с другом, что позволяет достаточно свободно проникать в грунт, как воздуху, так и воде. В глинах же большинство пор имеет закрытый характер, поры изолированы друг от друга, могут содержать защемлённые воздух и воду. Закрытость пор придает глинам характер водоупоров и через глины вода не фильтруется.

В порах глинистых грунтов кроме воздуха и воды иногда содержится органическое вещество в форме гумуса. Гумус очень гидрофилен и поэтому существенно влияет на свойства глинистых грунтов, повышая их активность во взаимоотношениях с водой. В грунтах повышается влагоёмкость, пластичность, сжимаемость под нагрузками и т.д.

Вообще, вода в порах грунтов играет значительную, подчас определяющую роль. Она может создавать и резко менять их свойства и, следовательно, «управлять» поведением грунта, как в естественном залегании, так и под нагрузками. Более подробно вопросы о воде в порах грунтов будут рассмотрены ниже в разделе, посвящённом подземным водам, т.к. именно вода в порах горных пород и является подземной водой.

Поглотительная способность глинистых грунтов, также отчасти связана с водой в их порах и определяется активной поверхностью глинистых частиц, которая энергично взаимодействует с окружающей частицы средой. Наивысшей активностью отличаются глинистые частицы, которые несут на своей поверхности электрические заряды. В природных условиях все поверхности грунтовых частиц и, прежде всего глинистых, обязательно несут на себе какие-либо вещества. Это могут быть как катионы, так и анионы. Это могут быть плёнки окислов железа и алюминия или органических веществ типа гумуса, соединений из битума и др. Все эти вещества называют обменными, так как они могут приходить и уходить из грунтов. Обменные вещества активно влияют на свойства глинистых грунтов, но характер воздействия различен и зависит от вида поглощённых веществ. Наиболее активную роль играют молекулы воды, органические соединения и катионы химических элементов, таких как К, Na, Ca, Mg. Специальными способами эти обменные катионы можно вводить и выводить из грунтов, заменять один катион на другой, например К на Na или Са на Mg и тем самым целенаправленно управлять свойствами грунтов.

При прохождении через грунты жидкостей и газов поверхность частиц притягивает к себе содержащиеся в них вещества или, наоборот, отдаёт в эти жидкости и газы какие-либо вещества со своей поверхности в виде мельчайших частиц. Характеристика этого процесса получила наименование поглотительной способности грунтов.

Каждый грунт может поглотить только определённое количество катионов. Максимальное количество поглощенных катионов зависит от ёмкости обмена данного грунта и выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г сухого глинистого грунта. Величина ёмкости обмена зависит: 1) от дисперсности частиц, т.е. чем мельче частицы и их больше в единице объёма грунта, тем больше будет суммарная поверхность частиц, больше будет общая величина поверхностной энергии; 2) от того, какие минералы присутствуют, например, наибольшей поглотительной способностью обладает минерал монтмориллонит.

Поглотительная способность во многих случаях оказывает решающее значение при выборе методов и осуществлении работ по искусственному улучшению свойств грунтов в целях строительства.

Коррозия возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов на поровый водно-солевой раствор. В этом процессе вода пор становиться электролитом. Коррозионные разрушения наиболее типичны для городских территорий, где развито трамвайное движение. При проектировании сооружений следует предусматривать меры защиты против коррозии.

Этот процесс характеризуется определённой продолжительностью. Способность к размоканию понижается по мере увеличения глинистости грунтов, т.е. от супесей до глин. Способность к размоканию необходимо учитывать при решении вопросов устойчивости стенок и откосов насыпей и котлованов.

Степень размываемости зависит от гранулометрического состава и структурных связей грунтов, скорости потоков воды. Глины размываются медленнее, чем пески, суглинки, супеси. Критическая скорость размыва глинистых грунтов составляет 0,7-1,2 м/с. Данные о размываемости необходимы для проектирования откосов сооружений. Так, например, крупнообломочные грунты (щебень, галечник, дресва, гравий) считаются не размываемыми. Пески, в зависимости от своего гранулометрического состава, могут быть от слаборазмываемых до легкоразмываемых. Лёссовые грунты считаются легкоразмываемыми. Супеси в зависимости от своего гранулометрического состава, могут быть от легкоразмываемых до слаборазмываемых. Суглинки, а тем более глины, считаются слаборазмываемыми.

После копания (рыхления) плотность грунтов уменьшена. Но разрыхлённый грунт, уложенный в земляное сооружение, начинает уплотняться под собственным весом. Однако такой грунт не занимает первоначального объёма, который имел до разработки и сохраняет некоторое разрыхление, характеризуемое коэффициентом остаточного разрыхления – К_о.р., значение которого для песков 1,01-1,025, суглинков – 1,015-1,05 и глин – 1,04-1,09.