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.

 

Липкостью называют 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.

 

Набуханием глинистых 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.

 

Усадка глинистых грунтов

 

Усадка – свойство глинистых грунтов уменьшать свой объём при высыхании.

 

Усадкой называют процесс, обратный набуханию.

Высыхание грунтов может происходить вследствие испарения воды или отсасывания из грунтов воды корнями деревьев, которые посажены слишком близко к сооружению и их корни проникают в насыпи и под фундаменты. При усадке грунты растрескиваются, теряют монолитность и прочность.

Усадка определяется в лаборатории, где устанавливаются: 1) величина относительной усадки или, иначе говоря, предел усадки:

,

где h_d – высота образца грунта с W_max, а h_В – высота после его высыхания, 2) влажность грунта на пределе усадки (W_sh), 3) мощность грунтов, которые подвержены усадке (Н_sh). Наибольшая величина Е_sh бывает у глин, наименьшая – у суглинков. В супесях усадка не проявляется.

Грунт, достигший этого предела, свой объём больше не уменьшает.

 

Проявление процесса усадки предупреждают теми же мерами, что и набухание грунтов, но кроме этого ещё предусматривают покрытие склонов насыпей и откосов выемок слоями дёрна или производят посев трав. Деревья размешают от сооружений на расстоянии, согласно специально разработанных нормативных документов.