Структурные связи между минеральными частицами. Понятие о внутреннем трении в грунтах

Биота

 

Биота (от греч. biotē — жизнь), исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объединённых общей областью распространения.

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует скелет (каркас) грунта. Поровая вода и газ располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами.

Инертные минералы не вступают во взаимодействие с водой и растворенными в ней веществами. Грунты, полностью сложенные инертными минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, большинство метаморфических и часть осадочных. Из осадочных пород инертными минералами сложены пески, крупнообломочные грунты и образующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты.

Растворимые в воде минералы, даже их малое содержание, оказывают существенное влияние на свойства грунтов. К ним относят галит NaCl, гипс CaSO₄·2H₂O, кальцит CaCO₃ и др. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно, поэтому такие грунты считаются надежными основаниями. Кислые дожди и утечки кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка. Также в грунтах встречаются нестойкие минералы, которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу. Существуют грунты, у которых в сухом состоянии частицы скреплены растворимыми минералами. При их увлажнении происходит разрушение водорастворимых связей, и грунт может деформироваться даже под действием собственного веса (лессовые просадочные грунты).

Глинистые минералы выделяют в отдельную группу коллоидно-активных минералов. Они не растворимы в воде, но в силу своих чрезвычайно малых размеров обладают высокой коллоидной активностью. Даже малое содержание глинистых частиц в общей массе грунта резко изменяет его свойства. К глинистым минералам относят каолинит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженные свойства гидрофильности.

Гидрофильность — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой.

Существуют грунты, обладающие способностью увеличивать свой объем при замачивании (набухающие грунты).

Минеральные частицы классифицируют по размеру на:

- крупнообломочные, размером крупнее 2 мм;

- песчаные, размером от 2 мм до 0,05 мм;

- пылеватые, размером от 0,05 до 0,005 мм;

- глинистые, размером менее 0,005 мм.

Частицы менее 0,0001 мм называют коллоидными.

Органическое вещество у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а на глубине – в виде нефти, угля, природного газа. Активизация жизнедеятельности в грунте, как правило, снижает его прочность, отмирание живых организмов приводит к повышению прочности грунтов. Гумус, образующийся при отмирании растений и микроорганизмов, изменяет свойства грунта, в котором он содержится.

Свойства всех разновидностей грунтов, а особенно песчаных, пылеватых и глинистых, существенным образом зависят от содержащейся в них жидкой составляющей. Выделяют следующие состояния воды в грунте (рис. 3): кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.

 

 

 

Рис. 3. Схема взаимодействия частиц грунта с водой:

I – твердая частица; II – прочносвязанная вода; III – рыхлосвязанная вода; IV – свободная вода; 1 – частица; 2 – катион; 3 – анион; 4 – молекула воды

 

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток и находится внутри частиц грунта.

Связанная вода разделяется на прочносвязанную воду (слой из 1-3 молекул, окружающих глинистую частицу и притягивающихся к ней с большой силой), и рыхлосвязанную воду, тонким слоем примыкающую к прочносвязанной воде. Рыхлосвязанная вода почти в тысячу раз слабее притягивается к частице, чем прочносвязанная.

Свободной водой называют гравитационную воду, перемещающуюся под действием собственного веса или перепада давлений, а также капиллярную воду, перемещающуюся под действием сил поверхностного натяжения менисков.

В свою очередь, свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную.

В грунтовые поры объединяются в систему капиллярных каналов. За счет смачивания водой их вертикальных стенок и сил поверхностного натяжения в жидкости происходит подъем столба воды на некоторую высоту. Капиллярная вода образуют водную кайму. Обычно капиллярная вода содержится в песках от средней крупности до пылеватых песков, а также в глинистых грунтах.

Практически вся содержащаяся в грунтах вода относится к гравитационной. Этот вид воды подчиняется законам гидравлики, в том числе:

закону Архимеда;

закону Паскаля;

закону Бернулли.

Взаимодействие твердых частиц грунта с водой в значительной мере определяет свойства грунта. Например, при замерзании содержащаяся в грунте вода переходит в твердое состояние (лед) и увеличивается в объеме. В механике грунтов это явление принято называть морозным пучением. Имеют место и другие многочисленные примеры взаимодействия твердой и жидкой фаз, которые будут рассмотрены в соответствующих частях курса.

Кристаллизационную и прочносвязанную воду можно отделить только выпариванием, причем при этом возможно разложение минералов и изменение свойств грунта.

Рыхлосвязанную воду можно отделить с помощью выдавливания, создавая давление до нескольких МПа, или с помощью центрифуги. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках.

Предельная высота капиллярного поднятия в грунтах колеблется от 3,5 см (песок крупный) до 6,5 м (суглинок). В глинах высота капиллярного поднятия может отсутствовать вообще. В ходе промерзания глинистых грунтов возникает миграция воды из более толстых пленок (нижние слои грунта) в более тонкие (верхние слои грунта), что приводит к явлению морозного пучения грунтов.

Газообразные включения (пар, 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; 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.

При изменении давления и температуры, жидкость может выделяться из газа (конденсироваться) и, наоборот, газ может растворяться в жидкости. В грунтах могут содержаться и ядовитые газы (метан, сероводород, угарный газ), причем в слабопроветриваемых местах, например в котлованах, подвалах зданий и др. их концентрация может достичь пределов, опасных для жизни человека.