Виды воды в грунтах

После своего образования подземная вода может находиться в горных породах (грунтах) в различных видах:

- кристаллизационная и химически связанная вода входит в состав минералов, например, как вышеуказанный гипс и может быть удалена из них только нагреванием;

- вода в твёрдом состоянии (лёд) встречается в породах с отрицательной температурой в виде кристаллов и прожилков льда;

- парообразная вода находится в воздухе, заполняющем пустоты пород; при незначительном количестве этого вида воды (до 0,001% от веса породы) она способна к быстрому перемещению в толщах грунтов, существенно влияя на их свойства;

- гигроскопическая (прочносвязанная) вода располагается на мельчайших частицах грунта в виде прерывистой молекулярной пленки, удерживается на них за счёт электромолекулярных сил, не подвергается воздействию гравитации и обладает специфическими физическими свойствами (температура замерзания близка к – 4 ^оС; плотность >1,0 г/см³, движется: в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, пониженных температур и др.);

- плёночная (рыхлосвязанная) вода представляет собой плёнку уже из нескольких тысяч молекулярных слоёв, также удерживается электромолекулярными силами, способна к перемещению от более толстых слоёв воды к менее толстым плёнкам, но также как и гигроскопическая не зависит от сил гравитации; не передаёт гидростатического давления;

- капиллярная вода, как следует из её названия, находится в тончайших капиллярах (лат. «капиллярис» – волосяной) трубочках или порах, удерживается в них силами поверхностного натяжения (капиллярными силами) и либо подтягивается вверх (на высоту до 1,5-3,0 м) от скоплений подземных вод, либо существует самостоятельно в виде капиллярно-подвешенной воды; капиллярная вода в капиллярах диаметром 1,6 мм замерзает при минус 6,4^оС, а при диаметре в 0,06 мм – около минус 19^оС. Эта вода способна передвигаться за счёт разности температур, растворять и переносить соли;

- гравитационная (свободная, текучая) вода находится в породах в капельно-жидком состоянии и обладает способностью перемещаться в них по порам и трещинам под действием силы тяжести.

Следует отметить, что основным объектом изучения гидрогеологии является лишь последний вид воды, тогда как в инженерной геологии все перечисленные виды воды играют ответственную роль, обуславливая основные свойства грунтов и многие неблагоприятные с точки зрения строителя и проектировщика геологические процессы и явления.

Глава 5. Водные показатели грунтов.

Глава 5. Водные показатели грунтов.

Для горных пород, используемых в качестве грунтов, основными водными показателями являются влагоёмкость, водоотдача, водопроницаемость и в качестве результирующего показателя грунта по отношению к воде – его естественная (природная) влажность. Помимо указанных, для классификации и оценки свойств, прежде всего глинистых грунтов, используются такие «характерные показатели», как пластичность, консистенция, липкость, набухание, усадка и некоторые другие.

Влагоёмкость – способность горных пород вмещать и удерживать в себе воду.

При полном заполнении пор и трещин водой порода находится в состоянии полного насыщения. Такое состояние называют полная влагоёмкость (W_в.п.):

,

где n – пористость и ρ – плотность скелета породы.

Наибольшее значение W_в.п. совпадает с величиной пористости породы. По величине W_в.п. породы разделяют: 1) на весьма влагоёмкие (торф, суглинки), 2) слабо влагоёмкие (мергель, мел, рыхлые песчаники, мелкие пески) и 3) невлагоемкие, т.е. породы, которые не удерживают в себе воду (галечники, гравий, щебень, крупнозернистые пески).

Водоотдача (Wв) – способность пород, насыщенных водой, отдавать свободную воду в виде стока.

Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, пески, в которых величины W_в колеблется от 25 до 43%. В глинах водоотдача практически отсутствует.

Водопроницаемость – способность пород пропускать через свои поры и трещины воду с той или иной скоростью. Чем больше размер пор или крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород.

Водопроницаемость пород, т.е. их фильтрационная способность, оценивается коэффициентом фильтрации Кф м/сут, который характеризует собой движение подземной воды в каждой породе.

Весовая влажность (W) – отношение массы воды, которое содержится в грунте, к массе данного грунта в сухом состоянии.

Этот показатель является одним из основных при характеристике дисперсных грунтов и может определяться как в лаборатории, так и в полевых условиях и измеряется либо в %, либо в долях единицы.

Степень (коэффициент) влажности (Sr, % или доли ед.) характеризует относительную долю заполнения пор водой в данном грунте.

Её величина численно равна отношению объёма воды (V_w) к объёму пор грунта (V_n):

,

Пластичность – это способность глинистых грунтов под действием внешнего давления изменять свою форму без разрыва сплошности, т.е. без образования трещин, и сохранять полученную форму.

Пластичные свойства обуславливаются наличием плёночной воды и проявляются только в определённом диапазоне влажности глинистого грунта, т.е. между двумя определёнными величинами влажности. Меньшая величина называется нижним пределом пластичности или границей раскатывания (W_p), а большая – верхним пределом пластичности, или границей текучести (W_L). При влажности W ниже W_p грунт находится в твёрдом состоянии, а когда она выше W_L грунт растекается, т.е. находится в текучем состоянии. Разница между величинами W_L и W_p называется числом пластичности (I_p, доли ед.).

По значениям I_p глинистые грунты согласно ГОСТу 25100-95 разделяют на три литологические разновидности: супеси (I_p <0,07), суглинки (I_p = 0,07-0,17) и глины (I_p>0,17). Эти разновидности грунтов имеют разные свойства, что учитывается в расчётах при проектировании оснований, насыпей и т.д.

Консистенция тесно связана с пластичностью, отражает физическое состояние грунтов и показывает степень подвижности частиц в зависимости от различного количества в грунтах воды. Другими словами,консистенция– состояние глинистого грунта, зависящее от его влажности и структуры (естественная, нарушенная).

Количественно консистенция грунта выражается показателем консистенции (I_L в долях единиц), который определяется по формуле:

,

где W – влажность грунта в естественных условиях.

По значениям I_L с помощью специально разработанных таблиц устанавливают, в каком состоянии находится грунт, например, суглинки и глины могут иметь консистенцию твёрдую, полутвёрдую, тугопластичную, мягкопластичную, текучепластичную, текучую. Супеси бывают в твёрдом состоянии, пластичном, текучем.

Липкостьюназывают способность грунтов во влажном состоянии прилипать к поверхности предметов и прочно удерживаться в виде достаточно толстого слоя.

Липкость обуславливается плёночной водой, которая окутывает частицы глинистых грунтов, а в почвах, кроме того, и за счёт присутствия гидрофильного гумуса.

Пески и супеси липкостью не обладают.

Липкость является отрицательным свойством глинистых грунтов (прежде всего глин), которые прилипают к колесам и тракам машин, усложняют выгрузку грунта из ковша экскаваторов или кузовов машин, усложняют работу конвейеров, резко ухудшают условия передвижения транспорта.

Липкость выражается в силе прилипания глинистого грунта к поверхности предмета. Наибольшая величина липкости проявляется при оптимальной влажности грунта (W_опт) и составляет 0,04-0,1 МПа. Увеличение давления рабочих органов землеройных и других машин на глинистые грунты вызывает повышение величины липкости. Свойство липкости необходимо учитывать при производстве строительных работ.

Набуханиемглинистых грунтов называют способность грунтов увеличивать свой объём в результате увлажнения.

Этот процесс свойственен глинам и тяжелым суглинкам. Набухающие грунты обычно залегают слоями и чаще всего приурочены к поверхности земли в сухих районах. Мощность слоёв набухающих глин обозначается Н_SW.

Набухание грунта происходит после соприкосновения с водой, если грунт до этого был сухим или слабовлажным. Вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются до уровня W_MMB (максимальной молекулярной влагоёмкости), частицы грунта раздвигаются, и грунт увеличивает свой объём. Одновременно в увеличении объёма грунта принимает участие минерал монтмориллонит, который поглощает воду и увеличивает свой объём во много раз.

Оценка способности грунтов к набуханию в лаборатории. Опытным путём на образцах грунтов устанавливается величина относительного набухания Е_SW:

,

где h – начальная высота образцов, h_нс – высота после набухания. При значении Е_SW больше 0,04 грунт считают набухающим. Одновременно с Е_SW определяют влажность набухания (W_SW), при которой проявляется максимальная величина набухания, и давление набухания (Р_SW), проявляющееся при увеличении объёма грунта. Р_SW может достигать 0,8 МПа. Такая сила набухания легко поднимает и деформирует дорожное покрытие, нарушает целостность земляных насыпей.

В период инженерно-геологических изысканий выявляют наличие набухающих грунтов. А во время строительства принимают защитные меры. К ним относятся: 1) водозащита грунтов; 2) замена набухающего на ненабухающий грунт; 3) переработка набухающего грунта с песком, что делает его ненабухающим; 4) прорезка слоя набухающих глин, например, свайными фундаментами.