Геологические изыскания грунтов

Органические частицы являются основной частью твердого компонента биогенных грунтов — торфов и сапропелей. Они образуются и накапливаются в земной коре в результате жизне­деятельности и отмирания растительных и мелких животных организмов.

Отмирая, растительные и животные организмы в результате биохимического процесса распадаются (разлагаются) на частицы различной крупности, сохраняя клеточное строение, а часть этих организмов превращается в совершенно новое вещество, называемое гумусом.

Гумус представляет собой темное бесструктурное вещество, частицы которого имеют форму шара диаметром (8 ... 10) 10'' мм и относятся к коллоидным частицам. Они наиболее энергетически активны среди органических твердых частиц грунтов. Частицы гумуса при взаимодействии с различными растворителями могут растворяться. Обладая кислотными свойствами, они могут раз­лагать минералы, образуя различные коллоидные гуминовые соединения. В состав гумуса входят соединения, называемые гуминами и ульминами, которые в воде практически не раство­ряются. Гумин и ульмин очень прочно связываются поверхностью глинистых частиц, особенно частиц монтмориллонита.

3^. Вода в грунтах, ее виды н свойства

Вода в грунтах может находиться в парообразном, жидком и твердом состоянии. От содержания того или иного количества различных видов воды зависят свойства и качества грунтов, а в глинистых грунтах вода служит главным фактором, обусловли­вающим их свойства.

Впервые подробные и обстоятельные исследования видов и свойств воды, находящейся в песчаных и глинистых грунтах, были проведены в 1916—1936 гг. А, Ф. Лебедевым. Им была пред­ложена классификация видов воды в грунтах, которая послужила ряду исследователей основой для разработки своих классифика­ций. В современном грунтоведении пользуются классификацией, предложенной Е. М. Сергеевым, который подразделяет воду на пять видов: в виде пара; связанная — прочносвязанная (гигро­скопическая) и рыхлосвязанная; свободная — капиллярная и гравитационная; в твердом состоянии; кристаллизационная и хи­мически связанная.

Воды в виде пара в грунтах содержится не более 0,001 % массы грунта. Однако она играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах. Такая вода способна передвигаться в грунте как вместе с газообразным компонентом (воздухом), так и самостоятельно — под влиянием разности упругости пара и разности температур.

Молекулы парообразной воды под влиянием снижения темпе­ратуры или действия электрического заряда твердых частиц могут оседать на их поверхности. Оседание молекул воды в ре­зультате снижения температуры называют термической конден­сацией, а под воздействием электрического заряда — молекулярной конденсацией. В результате термической конденсации парообраз­ной воды в грунте могут образовываться практически все другие виды воды, а в результате молекулярной конденсации на поверх­ности частиц образуется только связанная вода. Процесс конденса­ции обратим, т. е. из образовавшегося нового вида воды она может обратно перейти в парообразное состояние.

Связанная вода — это вода, удерживаемая на поверхности твердых частиц силами электрического заряда. По свойствам она существенно отличается от обычной, свободной воды. Так, ее средняя плотность составляет 1,2 ... 1,4 г/см^. Связанную воду нельзя всю удалить (отжать) из грунта статическим давлением, возникающим в грунтах оснований. В лабораторных исследова­ниях на грунты, содержащие только связанную воду, передавали среднее уплотняющее давление, равное нескольким сотням мега-паскалей, и грунт оставался влажным. Содержание воды в грунте уменьшалось с увеличением среднего давления только до 20 ... 50 МПа, далее влажность грунта оставалась постоянной, поэтому связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхло-связанную.

Прочносвязанная вода по некоторым свойствам сходна о твер­дым телом: ее плотность достигает 2,4 г/см, в ней не проявляются законы гидростатики, она не растворяет солей, обладает значи­тельной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг. Однако это жидкость. Температура ее замерзания равна —78 °С и ниже, что существенно, так как в определенной степени объясняет некоторые свойства мерзлых грунтов.

По мнению ряда исследователей, прочносвязанную воду можно удалить из грунта только путем высушивания при температуре 105 0С, которая является стандартной для определения влажности грунта. Некоторые категории прочносвязанной воды не удаляются (Сергеев, 1971 г.). Другие исследователи (Гольдштейн, 1979 г.) считают, что часть прочносвязанной воды все же может быть отжата путем внешнего давления. Причем сразу после отжатия она имеет повышенную растворяемость.

Если молекулы воды покроют сплошным слоем всю поверх­ность глинистой частицы, то вокруг частицы образуется как бы сплошная пленка прочносвязанной воды. Максимальное количе­ство такой воды в грунтах приблизительно соответствует коли­честву гигроскопической воды, которое, в свою очередь, при­равнивается к количеству воды адсорбционного слоя. Следова­тельно, термины «прочносвязанная», «гигроскопическая» и «адсорбционная» вода можно считать синонимами.

Вода, заполняющая межпакетные пространства глинистых минералов, имеющих раздвижную кристаллическую решетку, входит в состав прочносвязанной воды.

Прочносвязанная вода в грунте, очевидно, может передви­гаться в любом направлении от частицы к частице под влиянием разности их электрического потенциала или же переходя в паро­образное состояние.

Рыхлосвязанную воду (воду диффузного слоя) подразделяют на вторично ориентированную воду и воду, удерживаемую осмоти­ческими силами. Вторично ориентированная вода представляет собой несколько рядов (полислоев) молекул, притянутых к твер­дой частице самостоятельно или вместе с катионами благодаря неизрасходованному на удержание прочносвязанной воды заряду поверхности частицы. Осмотическая вода образуется в результате проникновения из раствора молекул воды в диффузный слой вследствие большей концентрации ионов в этом слое, чем в рас­творе.

По свойствам осмотическая вода не отличается от свободной. Средняя плотность вторично ориентированной воды полислоев несколько выше, чем плотность свободной воды. Очевидно, плот­ность ее в слоях, расположенных ближе к поверхности частицы, выше, чем у внешней границы. Средняя температура замерзания воды полислоев —1,5°С.

Рыхлосвязанная вода так же, как и прочносвязанная, может передвигаться в любом направлении от частицы к частице под действием разности их электрического потенциала  или же переходя в паро­образное состояние.  В первом случае передвижение происходит до тех пор, пока на внешней границе общей пленки не образуется заряд одной силы.

Свободную воду, согласно приведенной выше классификации, разделяют на капиллярную и гравитационную. Капиллярную воду, в свою очередь, подразделяют на три вида: вода углов пор, подвешенная и собственно капиллярная.

Капиллярная вода углов пор (ее еще называют капиллярно-стыковой) может образоваться вследствие конденсации паро­образной воды или же вследствие обезвоживания водонасыщенного грунта. Если при максимально возможном количе­стве воды углов пор будет происходить дальнейшая конденсация паров воды, то она постепенно заполнит все мелкие капиллярные поры, которые могут быть заполнены и в случае промачивания грунта как сверху, так и снизу. При промачивании сверху обра­зуется подвешенная, а при промачивании снизу — собственно капиллярная вода. Подвешенная вода может образоваться и при резком понижении уровня грунтовых вод. Она отличается от собственно капиллярной лишь тем, что не имеет контакта с поверх­ностью грунтовых вод, а следовательно, и не может за их счет пополняться. Собственно капиллярная вода может пополняться непрерывно. Она поднимается от поверхности грунтовых вод только на определенную высоту, называемую высотой капилляр­ного поднятия, которая зависит от диаметра пор в грунте. При среднем диаметре пор более 0,1 мм силы капиллярного поднятия практически равны нулю. В таких порах вода перемещается только под действием сил тяжести. Капиллярная вода может передвигать­ся в грунте в любом направлении (этот факт вызывает сомнение в правильности отнесения капиллярной воды к разряду свободной).

В отличие от гравитационной капиллярная вода замерзает при температуре ниже О °С. В зависимости от размеров капилляр­ных пор она может замерзать при —12 ''С и ниже. Это так же, как и температура замерзания связанной воды, объясняет в опре­деленной степени свойства мерзлых грунтов. Капиллярная вода создает дополнительные нагрузки на грунт и придает ему не­которую связность — дополнительное сопротивление сдвигающим и растягивающим внешним силам.

Гравитационная вода — это вода, которая может передви­гаться в грунте под действием силы тяжести. Ее подразделяют на просачивающуюся воду, которая передвигается сверху вниз, и на воду грунтового потока, передвигающуюся в сторону падения поверхности водоупорного пласта. Гравитационная вода обла­дает всеми свойствами обычной воды. Она оказывает взвешива­ющее действие на твердые частицы грунта и на фундаменты соору­жений, замерзает и превращается в лед при температуре 00С, имеет плотность, принимаемую в расчетах оснований сооружений Рш = 1 г/см, может содержать вещества в коллоидальном со­стоянии, растворять соли и газы.

Вода в твердом состоянии — это лед, в который превращается свободная и связанная вода при замерзании и который может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде линз и прослоек, достигающих в вечномерзлых грунтах значи­тельной мощности.

Кристаллы льда в мерзлых грунтах служат, как правило, цементирующим веществом. Однако в зависимости от ряда условий масса льда в грунтах оснований сооружений в период отрицатель­ных температур (при промерзании грунта) может увеличиваться, что приводит к негативным последствиям, особенно в районах с суровым климатом.

Кристаллизационная вода и химически связанная вода — это вода, принимающая участие в строении кристаллических решеток минералов. Ее наличие имеет большое значение для улучшения свойств грунтов, так как при удалении, например, кристаллиза­ционной воды из состава минералов свойства последних сильно изменяются, а при удалении химически связанной воды обра­зуются новые химические соединения.