Лекция 4. Основы грунтоведения. Дисперсные грунты как природные многофазовые динамические системы

4.1. Строительная классификация грунтов

Изложенное в л.№2 показывает, что породы, по условиям образования относящиеся к различным группам, могут обладать прочностью одного порядка: например, гранит (МГП), мрамор (ММГП), песчаник с кремнистым цементом (ОГП). С другой стороны, в группе ОГП сжимаемость торфа на 3 – 4 порядка выше, чем твердой глины или аргиллита.

Поэтому по строительным свойствам выделяются следующие группы пород: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и особые.

К скальным и полускальным относятся породы с прочными кристаллизационными или цементационными связями отдельных частиц. Практически это все МГП, ММГП, ОГП обломочные цементированные, аргиллиты, алевролиты, химические и биохимические ОГП. Формальным критерием для выделения полускальных является меньшая прочность (расчетное сопротивление сжатию R < 5 МПа).

Три следующих группы представляют собой дисперсные (раздробленные) породы, состоящие из твердых частиц и пор, заполненных жидкостью (обычно вода) и газом (обычно воздух, иногда метан, сероводород и др.) В некоторых случаях присутствуют микроорганизмы, бактерии (биота). Таким образом, дисперсные грунты представляют собой многокомпонентные системы (обычно трехфазные) и их строительные свойства определяются как свойствами отдельных составных частей (компонент или фаз), так и их соотношением. Детально они изучаются в грунтоведении.

В последнюю группу особых объединены породы, обладающие тем или иным особым, характерным только для них свойством. Это, например, торф, лесс, мерзлые грунты.

4.2. Физические показатели, их использование в классификациях грунтов

Соотношение составных частей грунта можно охарактеризовать тремя основными физическими показателями:

Плотность ρ – отношение массы образца к его объему (обычно ρ= 1,5 …2,2 т/м³); плотность частиц грунта ρ_s – отношение массы частиц к их объему (обычно ρ_s = 2,5…2,7 т/м³); влажность ω – отношение массы воды в пробе к массе частиц. Обычно влажность значительно меньше единицы, но для торфа возможно и ω > 1, причем намного больше.

На практике часто используются показатели, которые можно рассчитать по основным, например:

- плотность сухого грунта _d - отношение массы частиц к объему (пробы) грунта;

- пористость n – отношение объема пор ко всему объему; пористость можно рассчитать по введенным показателям: n = 1 - _d/_s;

- коэффициент пористости е – отношение объема пор к объему частиц, причем n и е взаимосвязаны: е = n/(1- n);

- степень влажности S_r – отношение объема воды к объему пор; если поры грунта полностью заполнены водой, то S_r = 1 и такая влажность представляет собой полную влагоемкость, или водопоглощение грунта.

Значения пористости или коэффициента пористости позволяют характеризовать состояние грунта по плотности – плотное, средней плотности или рыхлое. По значению S_r грунты подразделяются на маловлажные (S_r <0,5), водонасыщенные (S_r > 0,8) и влажные при значении в указанном интервале.

Для глинистых грунтов, кроме приведенных, важными показателями являются влажности, соответствующие верхней и нижней границам пластичности, получившие названия верхнего и нижнего пределов пластичного состояния грунта, или, соответственно, его пределов раскатывания ω_p и текучести ω_L. Их разность называется числом пластичности; это интервал влажности, в котором глинистая порода находится в пластичном состоянии.

Для большинства глинистых пород число пластичности I_p тесно связано с содержанием глинистой фракции. Поэтому на практике используется классификация: при I_p< 0,07 грунт супесь, при I_p > 0,17 – глина; при изменении числа пластичности в указанном интервале грунт- суглинок.

Консистенция, т.е. состояние глинистого грунта по отношению к пределам пластичности, оценивается показателем текучести I_L= (ω – ω_p)/(ω_L – ω_p). Очевидно, при I_L < 0 консистенция твердая, при I_L > 1 – текучая, а в интервале от 0 до 1, т.е. при пластичной консистенции для суглинков и глин выделяют еще состояния полутвердое, тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное (с шагом I_L, равным 0,25).

4.3. Состав дисперсных грунтов

Для характеристики твердой фазы, или скелета грунта устанавливаются минеральный и гранулометрический составы грунта. Особенности их влияния на свойства грунтов отмечались ранее (см. л. №2 и рис. 2.4) и будут рассматриваться далее для различных генетических типов грунтов. Имеет значение также содержание органического вещества, повышающего дисперсность грунта и снижающего его плотность и водопроницаемость.

Вода в порах грунта разнообразна по свойствам и значению. Она подразделяется на свободную и связанную. Свободная может быть в газообразном состоянии (водяной пар) и жидком – гравитационная и капиллярная. Связанная вода подразделяется на химически и физически связанную.

Гравитационная вода заполняет открытые поры и трещины в грунтах, перемещаясь под действием силы тяжести. Для большинства грунтов закон этого движения, или фильтрации воды, имеет вид:

V = Q/A = k I,

где V – скорость фильтрации (фиктивная), м сутки;

Q – расход воды в единицу времени, м³/с;

А – площадь поперечного сечения;

I = (H – h)/L – гидравлический градиент, т.е. разность напоров на единицу пути фильтрации (рис.4.1);

k – коэффициент фильтрации, т.е. скорость фильтрации при единичном градиенте.

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунта и изменяется в широких пределах. Определяется экспериментально в полевых и лабораторных условиях. Примерные значения составляют (м/сутки): суглинки меньше 0,05; супеси 0,05…0,5; пески от пылеватого до крупного 0,5…50; гравий, галечник 50…500. Глины с коэффициентом фильтрации менее 0,001 можно считать практически водонепроницаемыми.

Рис. 4.1. Схема к пояснению закона фильтрации

Капиллярная вода перемещается в порах под действием сил поверхностного натяжения и возникающей вследствие этого подъемной силы менисков воды в порах-капиллярах. Поэтому в грунте выше уровня подземных вод, т.е. в зоне аэрации, поры частично заполнены капиллярной водой. Высота поднятия зависит от размеров пор, составляя в песках до 1м, супесях 1…2м, суглинках и глинах до 3…4м.

Опасность увлажнения капиллярной водой учитывается при проектировании дорог, фундаментов зданий и сооружений. Длительное испарение капиллярной воды с поверхности может приводить к засолению почв. Капиллярная вода влияет на прочность грунтов, сообщая им некоторую связность, что особенно заметно для увлажненного песка. Но при высыхании, или, наоборот, полном водонасыщении связность за счет капиллярных сил исчезает. Характер взаимодействия скелета грунта и воды сказывается на водопрочности грунта: растворимости, размягчаемости, размокании, размываемости. Имеют значение такие водные свойства грунтов, как влагоемкость – способность грунта вмещать воду и водоотдача – способность отдавать воду. Последняя больше у песчаных пород, чем у глинистых, хотя по влагоемкости соотношение может быть обратным.

Физически связанная вода в песках почти отсутствует, но для глинистых грунтов имеет большое значение. Вода адсорбирована поверхностью глинистых и коллоидных частиц и связана поверхностными силами ионно-электростатической и электромолекулярной природы. Непосредственно у поверхности частицы удерживается слой прочносвязанной воды с аномальными свойствами – повышенной плотностью и вязкостью, очень низкой температурой замерзания. Далее располагается рыхлосвязанная вода, близкая по свойствам к обычной, но не перемещающаяся под действием силы тяжести и замерзающая при температуре –(3…4)^о С. Прочносвязанная вода называется еще гигроскопической, а рыхлосвязанная – пленочной.

К перемещению в грунте способна только пленочная вода. Возможна ее миграция в направлении понижения температуры (например, к фронту промерзания, что усиливает пучение грунта) и уменьшения толщины водных оболочек.

Лекция 5. Основы гидрогеологии: подземные воды, их виды, состав, свойства. Режим подземных вод, закономерности их движения

5.1.Общие сведения и значение подземных вод (пв)

Поры, трещины, полости различных размеров в породах ЗК полностью или частично заполнены гравитационной водой, перемещающейся под действием разности напоров в сторону их уменьшения. Движение свободной (подземной) воды в условиях полного заполнения пор или трещин пород называется фильтрацией.

Слой или несколько слоев пород, содержащих воду, образуют водоносный горизонт. Для него выделяют области питания, распространения и разгрузки.

ПВ имеют большое значение. Они широко используются для водоснабжения, в различных областях промышленности, энергетики, медицины и др. Не менее важно, что ПВ влияют на все геологические процессы, в том числе опасные. Примером служат прорывы ПВ и плывунов в котлованы и другие выработки, оползни, пучение при промерзании, наледи и др. Охрана ПВ от истощения и загрязнения – важнейшая задача экологии.

5.2. Физические свойства и химический состав пв

К основным физическим свойствам относятся температура, цвет, прозрачность, мутность, вкус и запах.

Показателями химического состава являются:

1. Водородный показатель pH; при pH = 7 вода нейтральная, при pH < 7 кислая и при pH >7 щелочная.

2. Общая минерализация воды, оцениваемая по сухому остатку после выпаривания. Выделяют воды пресные (сухой остаток меньше 1 г/л), солоноватые (1…10), соленые (10…50) и рассолы при большем содержании.

3. Содержание катионов и анионов. По катионному составу различают воды кальциевые, магниевые и натриевые; по анионному – гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные.

4. Содержание сероводорода, углекислоты и других газов.

Анализ химического состава позволяет установить вид и степень агрессивности ПВ по отношению к строительным конструкциям, а также жесткость воды.

В изменении химического состава ПВ установлена зональность по распространению в плане и по глубине: с севера на юг и сверху вниз состав меняется от пресных гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатным и наконец, хлоридным. Исключением являются азональные воды – болотные, речных долин, карстовые.

По характеру заполняемого водой пространства выделяют поровые, трещинные и карстовые подземные воды.

5.3. Виды пв по условиям залегания

По условиям залегания выделяют следующие основные виды ПВ: верховодка, грунтовые, межпластовые.

Верховодкой называются временные скопления ПВ в зоне аэрации (рис.5.1), приуроченные к линзам и прослойкам малопроницаемых пород в общей водопроницаемой толще. Питание за счет атмосферных осадков. Возможно образование куполов верховодки в лессах при значительных утечках из сетей водоснабжения и водоотведения. В сухой период верховодка может полностью исчезать. Воды ненапорные, легко загрязняются с поверхности. Верховодка может вызвать неожиданное затопление котлованов, подвалов зданий, хотя в период изысканий она могла и отсутствовать.

Рис. 5.1. Типы подземных вод по условиям залегания:

1 – верховодка; 2 – грунтовые; 3 – межпластовые;

4 – линза глины; 5,6 - водоупоры

Грунтовые воды – постоянный и значительный по площади горизонт ПВ, залегающий на первом от поверхности грунта водоупоре. Характеризуются следующими свойствами:

- питание за счет атмосферных осадков, иногда также за счет поверхностных вод;

- области питания и распространения совпадают;

- воды ненапорные;

- связь с поверхностными водами;

- легкая загрязняемость.

Обобщая последние свойства, можно заметить, что для грунтовых вод характерна изменчивость их режима – положения зеркала или уровня (УГВ), направления и скорости движения, химического состава, температуры и других физических свойств. УГВ может меняться в зависимости от многих природных и техногенных факторов: метеорологических, гидрологических, тектонических, техногенных. Действие первых двух очевидно. Тектонические движения в виде длительных поднятий приводят к углублению эрозионных врезов (овраги, лога, русла рек) и следовательно, к понижению УГВ.

4.4. Структура и структурные связи. Природное и нарушенное состояния грунтов. Сжимаемость и прочность грунтов

Для дисперсных грунтов в понятие «структура» включается представление о связях между отдельными частицами. Если такие связи отсутствуют или имеют временный характер, грунты называются несвязными и прочность их всецело обусловлена трением. Прочность и сжимаемость связных, глинистых грунтов зависит не только от трения, но, прежде всего, от характера структурных связей.

Установлено, что глинистые грунты обладают структурными связями двух типов: водно-коллоидные (ВКС); цементационные (ЦС).

ВКС возникают еще в процессе накопления и уплотнения осадка; это «наследие» коллоидной формы его существования. Они зависят от толщины оболочек связанной воды, характера ионов, внешних условий. В зависимости от этих факторов ВКС могут ослабевать или восстанавливаться.

ЦС возникают как вторичные на некоторой стадии диагенеза вследствие цементирующего действия различных веществ (например, солей) на поверхности частиц. Это хрупкие, невосстанавливающиеся связи.

Преобладание связей того или иного типа сразу сказывается на свойствах грунта. Оно проявляется также при сопоставлении прочности образцов грунта природного и нарушенного сложения. В последнем случае грунт переминается и формуется вновь с сохранением первоначальных плотности и влажности. Очевидно, при этом ЦС утрачиваются полностью, а ВКС лишь частично, восстанавливаясь со временем.

Отношение прочности в природном и нарушенном состояниях называется коэффициентом чувствительности или структурной прочности. Обычно он равен 2…4, но для некоторых особо чувствительных грунтов возрастает до нескольких десятков.

Нарушение структурных связей не обязательно связано с полным перемятием грунта. Воздействия динамического характера (удары, вибрация и др.), связанные, например, с производством работ, могут привести к существенному разупрочнению грунта, если в нем преобладали ВКС. Такое разупрочнение, вплоть до перехода в текучее состояние, называют тиксотропным. Его механизм связывается с трансформацией части пленочной воды, а также защемленной в порах грунта ( иммобилизованной) в свободную гравитационную воду. После устранения воздействий ВКС постепенно восстанавливаются и грунт упрочняется.

Это характерно для условий забивки свай в глинистые грунты. Нагружать сваи можно лишь спустя некоторое время после забивки – после «отдыха» грунта. Тиксотропия проявляется и в природных условиях.

Преобладание ЦС уменьшает деформации уплотнения, набухания и усадки. До определенных давлений при уплотнении и пороговых влажностей набухания и усадки ЦС тормозят процесс. При разрушенных ЦС процессы развиваются активнее: при прочих равных условиях грунты нарушенного сложения сильнее уплотняются, дают большие деформации набухания, быстрее размокают. При строительстве Верхнесвирской ГЭС котлован в 1941 г. был затоплен и осушен лишь через семь лет; при этом откосы в глинистых породах, сохранивших природное сложение, не оползли, тогда как такие же породы в отвалах были в состоянии, близком к текучему.

Рассмотренные характеристики состава и состояния грунтов, их структура определяют сжимаемость и прочность грунтов. Сжимаемость грунтов характеризуется модулем деформации и коэффициентом бокового расширения. Прочностные показатели – сопротивление грунта сдвигу, коэффициент внутреннего трения и сцепление. Вопросы сжимаемости и прочности грунтов детально рассматриваются в последующем курсе «Механика грунтов».