3Составные части (компоненты) грунтов

Грунты представляют собой пористые материалы, поры которых могут быть полностью или частично заполнены водой. Составные части (компоненты) грунтов показаны на рис. 3.

В большинстве глинистых грунтов воздуха мало, т.е. преобладают твердые частицы и вода. Примерно 70…75% глинистых грунтов, лежащих вблизи поверхности земли (до глубины 8…10м), являются водонасыщенными, т.е. их поры можно считать полностью заполненными водой. Это может наблюдаться и в случаях, когда такие грунты располагаются выше уровня подземных вод. Органические вещества встречаются лишь в некоторых видах грунтов (почвы, илы и т.д.). Лед бывает только в мерзлых грунтах.

Твердые частицы (скелет грунта) в дисперсных грунтах составляют обычно 50…70% общего объема грунта, в скальных – 97…98%.

Связи между частицами скальных и полускальных грунтов являются преимущественно кристаллизационными (т.е. химическими, внутримолекулярными). Они прочны, хрупки и не способны восстанавливаться после разрушения.

В дисперсных несвязных грунтах (пески, гравий и т.д.) связи вообще отсутствуют. Взаимному смещению препятствуют только трение и зацепление. В дисперсных связных грунтах (глины, суглинки и т.д.) превалируют водно-коллоидные (т.е. физико-химические, межмолекулярные) связи. Они мягкие, вязкие, способные восстанавливаться после разрушения. В ограниченном количестве в некоторых глинистых грунтах (обычно элювиального происхождения) могут присутствовать кристаллизационные связи.

Прочность и жесткость скальных грунтов могут быть на несколько порядков выше, чем у дисперсных грунтов, но она сильно зависит от их трещиноватости. По этой причине изучение трещин в скальных грунтах часто имеет большее значение, чем проведение механических испытаний образцов (кернов), взятых из таких грунтов.

Твердые частицы дисперсных несвязных грунтов классифицируются по размерам, и в зависимости от доли этих частиц в грунте производится классификация несвязных грунтов. Несвязные грунты, в которых превалируют частицы более 2мм (по массе более 50%), относят к крупнообломочным, если же таких частиц менее 50% – к пескам. Существуют более детальные классификации, т.е. разделение несвязных грунтов на песок, гравий, галечник и т.д., что рассматривается ниже в разделе о свойствах грунта.

Глинистые частицы имеют размер менее 0,002мм.

Минеральный состав твердых частиц несвязных грунтов аналогичен составу материнской (скальной) породы, так как эти грунты являются продуктом физического выветривания. Это обычно кварц, реже – полевой шпат и т.п. Минеральный состав таких грунтов мало отражается на их строительных свойствах (по крайней мере, применительно к грунтам нашей страны).

Минеральный состав твердых частиц глинистых грунтов существенно отличается от состава материнской породы, так как глинистые грунты являются продуктом химического выветривания скальных пород. Свойства глинистых грунтов существенно зависят от минерального состава твердых частиц. Известно более 50 глинистых минералов, которые разделяются на три группы, именуемые по названиям группообразующих минералов группами каолинита, гидрослюды и монтмориллонита. Для упрощения часто пренебрегают различиями внутри этих групп и условно сводят классификацию к трем минералам – каолиниту, гидрослюде и монтмориллониту (рис. 4).

М инеральный состав дисперсных грунтов непосредственно в расчетах оснований не фигурирует. Он определяется редко, в основном для нужд производства строительных материалов, в изысканиях для строительства крупных гидротехнических сооружений, в научных исследованиях.

В ода в грунте может быть четырех видов, не считая замерзшей (рис. 5).

Гравитационная вода подчиняется законам гидравлики. При этом свободная вода способна перемещаться в грунте под действием гидродинамических сил (разности напоров), а капиллярная – обычно неподвижна, она «зависает» в порах грунта благодаря действию капиллярных сил. Влияние капиллярной воды в наибольшей мере проявляется в песках, поры которых заполнены водой лишь частично, ибо такая вода придает песку связность. При полном водонасыщении таких грунтов капиллярная вода переходит в свободную.

Связанная вода образуется благодаря действию вокруг глинистых частиц электромолекулярных сил. Такая вода характерна в основном для глинистых грунтов, так как из-за малых размеров глинистых частиц площадь их контакта с окружающей водой очень велика. Поверхность глинистых частиц всегда заряжена отрицательно, что является причиной образования вокруг них электромагнитного поля. Молекулы воды, как известно из химии и молекулярной физики, представляют диполь, который, попадая в электромагнитное поле, ориентируется в соответствии с направлениями силовых линий этого поля. В связи с этим вокруг каждой глинистой частицы происходит ориентация молекул воды, которые поворачиваются своими положительными полюсами к поверхности этих частиц и образуют вокруг каждой частицы так называемые диффузные оболочки из ориентированных молекул воды (рис. 6).

Наиболее близкие к поверхности твердой частицы слои молекул образуют прочно связанную воду (рис. 6 а). Такая вода находится в особом твердом состоянии, при котором ее прочность соизмерима с прочностью твердых частиц. Тем не менее, она обладает структурой, отличной от структуры льда, ее молекулы ориентированы в строгом порядке в виде цепочек (у льда они образуют кристаллическую решетку). Этот вид воды следует относить к твердому компоненту грунта. Рыхло связанная вода образуется в более отдаленных слоях диффузной оболочки (рис. 6б). Ориентация молекул выражена в ней слабее, чем у прочно связанной воды, прочность ниже, и в целом она занимает промежуточное положение между твердым и жидким состоянием.

По сравнению с гравитационной водой связанная вода обладает большей плотностью, большей вязкостью, более низкой температурой замерзания (глины полностью замерзают лишь при –20…–30⁰С).

В несвязных грунтах доля связанной воды мала настолько, что всю воду в них допустимо считать гравитационной.

При изучении грунтовых условий наибольшее внимание уделяется гравитационной воде. Это основной вид воды в грунте, определяющий его поведение под нагрузкой, набухание, морозное пучение и прочие свойства. Проблемы защиты заглубленных помещений от подтопления, также связаны именно с этим видом воды.

Воздух в грунте может быть

• защемленным (в виде отдельных пузырьков);

• свободным, т.е. сообщающимся с атмосферой;

• растворенным в воде.

В несвязном грунте весь воздух можно считать свободным.

Воздух в глинистом грунте может (при прочих равных условиях) придавать этому грунту упругость, увеличивать подвижность. Однако такие суждения очень условны, ибо любые изменения содержания воздуха в связаны с изменениями других физических свойств (влажности, пористости и проч.), влияние которые всегда является превалирующим.

Органические вещества в грунте представлены продуктами разложения растительных остатков. Они обычно придают грунту более темную окраску или

обнаруживаются в виде черных («углистых») включений. Такие вещества особенно характерны для почв, илов, сапропелей (пресноводных илов), торфов и т.д. В зависимости от содержания органических веществ для глинистых грунтов установлена следующая классификация:

• сильнозаторфованные грунты – 40…50%,

• среднезаторфованные грунты – 25…40%,

• слабозаторфованные грунты – 10…25%,

• грунты с примесью органических веществ 5…10%

Пески рассматриваются как грунты с органическими примесями при содержании последних 3…10%.

Торфами считаются грунты с содержание «органики» более 50%.

Органические вещества всегда придают грунту неблагоприятные строительные качества: увеличенную сжимаемость, набухаемость, способность удерживать влагу. Торфы и почвы вообще нельзя использовать в качестве основания, даже для временных сооружений. Они должны полностью удаляться из оснований или прорезаться сваями (с соблюдением специальных правил).