Файл: Образовательная автономная некоммерческая организация высшего образования Московский открытый институт.pdf
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 804
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Тема 7. Динамика подземных вод
Вопросы темы:
1. Динамика подземных вод.
2. Движение воды в зоне аэрации.
3. Движение воды в зоне насыщения.
Вопрос 1. Динамика подземных вод.
Динамика подземных вод изучает количественные закономерности движения подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы гидрогеологических расчетов и управления режимом подземных вод.
В соответствии с видами воды в горных породах движение подземных вод может происходить под действием различных причин и в разных состояниях.
Вопрос 2. Движение воды в зоне аэрации.
В зоне аэрации подземные воды могут передвигаться в виде пара при наличии градиента упругости паров. Рыхло связанная вода
(пленочная) передвигается под действием молекулярных (сорбционных) сил, капиллярная вода – под действием менисковых сил и силы тяжести, гравитационная вода – под действием силы тяжести.
Движение подземных вод в виде паров. Впервые закономерности движения паров воды в почвах и породах были изучены А. Ф. Лебедевым, русским ученым, почвоведом. Специально поставленными опытами А. Ф.
Лебедев показал, что движение паров воды обусловлено различием в упругости водяных паров. Если влажность грунтов меньше максимальной гигроскопичности, движение водяных паров направлено от более влажных грунтов к менее влажным. При влажности грунтов, превышающей максимальную гигроскопичность, упругость водяных паров определяется температурой среды; пары воды передвигаются от слоев с более высокой температурой к слоям менее нагретым (зимой пары перемещаются снизу вверх, а летом – сверху вниз).
Водяные пары могут передвигаться также и в горизонтальном или наклонном направлении, вследствие неоднородности упругости водяных паров по площади.
Движение связанных вод. Движение прочно связанной
(гигроскопической) воды имеет место в виде пара при температуре выше
100 °С. Рыхло связанная вода (пленочная) передвигается под влиянием молекулярных (сорбционных) сил с частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной пленки. Этот процесс имеет место, если влажность грунтов неодинакова и меньше максимальной молекулярной влагоемкости. Движение пленочной воды направлено от более влажных
175 участков к менее влажным. При влажности, превышающей максимальную молекулярную влагоемкость, происходит движение капиллярных вод.
Движение капиллярных вод. Капиллярные воды передвигаются в любом направлении под влиянием капиллярных (менисковых) сил и вниз под действием силы тяжести. Направление движения или равновесие капиллярных вод зависит от преобладания одной из этих сил или их равенства.
Большое значение при оценке мелиоративного состояния земель имеет высота капиллярного поднятия от поверхности почвенных вод, верховодки и грунтовых вод. Данные о высоте капиллярного поднятия воды в некоторых породах (по И. Г. Глухову) приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Высота капиллярного поднятия в некоторых породах
Порода
Высота капиллярного поднятия, см
Песок крупнозернистый
2 – 5
Песок среднезернистый
12 – 35
Песок мелкозернистый
35 – 70
Супесь
70 – 120
Суглинок
120 – 150
Глина
150 – 300
Движение гравитационных вод. В зоне аэрации происходит инфильтрация поверхностных вод и атмосферных осадков.
Инфильтрация (по Г. Н. Каменскому) делится на свободное просачивание и нормальную инфильтрацию. При свободном просачивании движение воды происходит в виде отдельных струек через зону аэрации под действием гравитационных и капиллярных сил. При свободном просачивании часть пустот или пор занята воздухом и водяными парами.
Струйки воды при свободном просачивании образуют в зоне аэрации сложную сеть, то разветвляясь, то соединяясь вновь (рис. 74).
Сопротивление свободному просачиванию воды оказывают сила трения и воздух в порах грунта.
176
Рис. 73. Схема просачивания воды через зону аэрации
Изучение миграции влаги в зоне аэрации показало, что в одних случаях идет сквозное движение до уровня грунтовых вод, в других между зоной инфильтрации и грунтовыми водами в породах содержится только связанная и капиллярная вода.
При количественной оценке движения в зоне аэрации все виды воды, способной передвигаться, рассматриваются как единая гидродинамическая система.
При отсутствии инфильтрации воды сверху эта система включает пленочные и капиллярные воды. В разрезе зоны аэрации влажность почв или пород в этом случае увеличивается с глубиной; в общем случае – от участка с гигроскопической и пленочной влагой в верхней части до участка с капиллярной водой в нижней части. Между ними находится переходный, капиллярно-пленочный участок.
Движение свободной воды в зоне аэрации в условиях неполного насыщения, согласно опытным данным, подчиняется закону Дарси.
Коэффициент водопроницаемости (К
п
) в этом случае зависит не только от состава и пористости, но и от влажности породы. Его рекомендуется определять по степенной зависимости
, где
К – коэффициент фильтрации породы;
w – фактическое содержание свободной воды в породе;
w
0
– предельно возможное содержание воды в породе;
п – показатель степени просачивания. По С. Ф. Аверьянову, он составляет 3,5; по Н. Н. Биндеману – 3.
Скорость инфильтрации воды при неполном насыщении зависит также от давления всасывания. Величина его для песчано-глинистых пород зависит от их влажности.
177
Наибольшее практическое значение при изучении влагопереноса в зоне аэрации имеет инфильтрация воды по породам этой зоны вниз при выпадении на поверхность земли атмосферных осадков, поступлении талых или оросительных вод.
Вопрос 3. Движение воды в зоне насыщения.
Движение гравитационных подземных вод в зоне насыщения в пористых, трещиноватых или закарстованных породах называется фильтрацией. Это движение может быть ламинарным и турбулентным.
При ламинарном или параллельно-струйчатом движении струйки воды двигаются параллельно друг другу. При турбулентном движении происходит перемешивание воды, завихрение, пульсация.
Для подземных вод характерно ламинарное движение.
Турбулентное движение воды имеет место лишь в крупных порах или широких трещинах горных пород при больших скоростях, (в карстовых пещерах, на участках, примыкающих к скважинам, из которых ведется откачка с большими понижениями).
При ламинарном движении наблюдается линейная зависимость скорости фильтрации от сил сопротивления
, где
V – скорость фильтрации;
К – коэффициент фильтрации;
I – напорный градиент (отношение напора к длине пути фильтрации).
Силы сопротивления движению воды пропорциональны напорному градиенту. Эта закономерность впервые была установлена французским гидравликом Дарси (1856) и получила название закона Дарси.
При турбулентном движении силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости фильтрации
, где
К
к
– коэффициент водопроницаемости трещиноватой, закарстованной или крупнообломочной породы.
Аналогичен коэффициенту фильтрации зернистых грунтов. Эта закономерность носит название закона Шези – Краснопольского.
178
Скорость фильтрации V представляет собой некоторую фиктивную скорость, с которой двигалась бы подземная вода по всей площади зоны насыщения, перпендикулярной к направлению движения. По определению, скорость фильтрации равна
, где
Q – расход подземных вод, м
3
/сут;
F – площадь поперечного сечения потока подземных вод, м
2
179
Тема 8. Грунтоведение
Вопросы темы:
1. Состав и строение грунта. Виды грунтов.
2. Основные виды грунтов.
3. Классификация грунтов.
Вопрос 1. Состав и строение грунта. Виды грунтов.
Все геологические образования (горные породы, осадки, почвы) могут быть основаниями для различных сооружений (гражданских, промышленных, гидротехнических), средой, в которой строятся сооружения (метро, тоннели, каналы), и, наконец, могут быть материалами, из которых создаются инженерные сооружения (плотины, насыпи, дамбы). Во всех этих случаях геологические образования называют грунтами. Грунты представляют собой многофазные системы, состоящие в общем случае из трех фаз:
1) твердой минеральной;
2) газообразной;
3) порового водного раствора.
В некоторых грунтах содержатся микроорганизмы. Свойства грунтов, используемые при проектировании или строительстве сооружений, зависят прежде всего от происхождения (генезиса). Эти условия в природе разнообразны, поэтому и грунты имеют различные свойства. На свойства грунтов осадочного происхождения влияют также процессы диагенеза, в результате которых грунты упрочняются, и свойства грунтов обычно улучшаются. В дальнейшем на изменение свойств грунтов влияет среда, в которой они будут находиться.
Свойства грунтов могут изменяться также вследствие тектонических процессов (поднятия, опускания, смятия в складки), когда изменяются условия залегания грунтов и в них появляются трещины
(свойства грунтов ухудшаются).
Таким образом, при оценке свойств грунтов следует учитывать их происхождение (генезис), в том числе процессы диагенеза, условия залегания и условия среды, в которой они находятся и находились со времени образования.
Минеральный состав грунтов.
Минеральный состав грунтов оказывает влияние на их свойства, при этом тем большее, чем слабее связи между отдельными частицами грунта (кристаллами, зернами, агрегатами и др.). Все минералы в грунтах делят обычно на две группы – первичные и вторичные. Первичные образуются в процессе образования и формирования магматических пород, вторичные – обычно в процессе выветривания или метаморфизма.
180
Последние делятся на растворимые и не растворимые в воде минералы. В некоторых грунтах, кроме того, присутствуют органические соединения
(табл. 4).
Таблица 4.
Состав грунтов
Первичные минералы
Вторичные минералы
Органические соединения не растворимые в воде растворимые в воде
Кварц, слюда, полевые шпаты, роговая обманка, пироксен и др.
Каолинит, монтмориллонит, иллит, тальк, графит, хлорит и др.
Галит, гипс, ангидрит, кальцит, доломит и др.
Гуминовые кислоты, протеин, клетчатка и другие сложные соединения. Живые организмы
По содержанию в грунтах все минералы обычно делятся на породообразующие, второстепенные, акцессорные и случайные. Первые составляют основную часть грунта. Акцессорные минералы содержатся в количестве не более 5%, и присутствие их в грунте необязательно.
Случайные минералы содержатся в грунте редко и в незначительном количестве. Большая часть минералов имеет кристаллическое строение.
Аморфные минералы встречаются в грунтах реже.
Гранулометрический состав.
Для обломочных и глинистых горных пород, осадков и почв, кроме минерального, определяется также и гранулометрический состав.
Гранулометрическим составом называют содержание в грунте частиц
(обломков) различной крупности, выраженное в процентах к весу сухого образца. Гранулометрический состав песчаных грунтов определяется ситовым методом, а состав мягких связных грунтов (глин, суглинков, супесей, лёссов) – ареометрическим или пипеточным методами, основанными на различной скорости оседания частиц грунта в воде (табл.
5). Кроме лабораторных, существуют и полевые методы определения гранулометрического состава грунтов, из которых наибольшее распространение получил метод Рутковского.
Таблица 5.
Трехчленная классификация песчано-глинистых грунтов, % (по В. В. Охотину)
Название породы
Глинистые диаметром
< 0,005 мм
Пылеватые частицы диаметром 0,05 – 0,005 мм
Песчаные частицы диаметром 0,05 –
2 мм
Глина тяжелая
> 60
–
–
Глина
60 – 30
–
–
181
Трехчленная классификация песчано-глинистых грунтов, % (по В. В. Охотину)
Название породы
Глинистые диаметром
< 0,005 мм
Пылеватые частицы диаметром 0,05 – 0,005 мм
Песчаные частицы диаметром 0,05 –
2 мм
Суглинок тяжелый
30 – 20
–
Больше, чем пылеватых
Суглиноктяжелый пылеватый
30 – 20
Больше, чем песчаных
–
Суглиноксредний
20 – 15
–
–
Суглиноксредний пылеватый
20 – 15
Больше, чем песчаных
–
Суглиноклегкий
15 – 10
–
Больше, чем пылеватых
Суглиноклегкий пылеватый
15 – 10
Больше, чем песчаных
–
Супесь тяжелая
10 – 6
–
Больше, чем пылеватых
Супесьтяжелая пылеватая
10 – 6
Больше, чем песчаных
–
Супесьлегкая
6 – 3
–
Больше, чем пылеватых
Супесьлегкая пылеватая
6 – 3
Больше, чем песчаных
–
Песок
<3
–
Больше, чем пылеватых
Песок пылеватый
<3
Больше, чем песчаных
–
Результаты определения гранулометрического состава грунтов изображаются в форме таблиц и графически, в виде интегральных
(кумулятивных) кривых, циклограмм, гистограмм и на диаграмме- треугольнике (Фере). С помощью равностороннего треугольника (Фере), по углам которого отмечается обычно стопроцентное содержание песчаных, пылеватых и глинистых фракций, можно изобразить гранулометрический состав практически любого количества анализов, так как каждый анализ изображается в виде точки.
Циклограмма представляет собой круг, площадь которого принимается за 100%. Каждая фракция изображается в круге в виде сектора, площадь которого пропорциональна, процентному содержанию данной фракции. В столбчатых диаграммах (гистограммах) содержание каждой фракции изображается в виде столбиков, имеющих общее основание и один масштаб в соответствии с процентным их содержанием.
Природные грунты (песчаные, обломочные и глинистые) состоят обычно из частиц разных размеров. Для определения названия грунта существуют классификации (табл. 6).
182
Таблица 6.
Классификация твердых частиц
Наименование частиц
Поперечный размер
(мм)
Примечания
1. Галечные
(щебень)
> 10 (20)
Классификация по шкале Сабанина (по скорости падения
частиц в воде)
2. Гравелистые
2 ¸ 10 (20)
3. Песчаные
0,05 ¸ 2 4. Пылеватые
0,005 ¸ 0,05 5. Глинистые
< 0,005
Структура и текстура грунта.
Структура и структурные связи. Применительно к грунтам в понятие «структура» включен такой важный фактор, определяющий свойства грунтов, как способ взаимосвязи элементов, слагающих грунт, или так называемые структурные связи.
По современным представлениям, структурные связи в грунтах имеют преимущественно электрическую природу. Они формируются в течение всего периода образования грунта и последующего периода его существования в земной коре. Те связи, которые образуются в результате формирования самого грунта, называются первичными. В магматических породах они возникают в результате остывания магмы, в метаморфических – в результате перекристаллизации исходных пород, в осадочных – в результате процессов диагенеза осадков.
В период существования грунтов в земной коре первичные структурные связи могут измениться (при процессах выветривания, суффозии, тектонических процессах, процессах цементации и др.) в сторону их упрочнения или ослабления при одновременном возникновении новых структурных связей
(при химическом выветривании и цементации пород). С изменением же структурных связей изменяются и свойства грунтов. По своей прочности структурные связи в грунтах могут быть самыми различными – от очень прочных, соизмеримых с прочностью ионных и ковалентных связей в минералах, до очень слабых, существование которых почти не влияет на свойства грунтов.
В магматических, большей части метаморфических и части осадочных горных пород имеет место химическая связь. Она является наиболее прочным типом структурной связи. В основе ее лежат электрические силы взаимодействия между атомами с помощью так называемых периферийных, или валентных, электронов. Химические структурные связи могут быть кристаллизационными и твердыми аморфными.
Кристаллизационные связи присущи спаянным магматическим, метаморфическим и химическим осадочным породам с кристаллической структурой, а также осадочным цементированным породам с кристаллическим цементом. Кристаллизационные связи
183 являются наиболее прочными. Твердые аморфные связи формируются в цементированных грунтах, в которых цементом является аморфное вещество. Они характерны главным образом для осадочных, цементированных пород и некоторых излившихся магматических
(вулканические стекла). Грунты с химическими структурными связями отличаются высокой прочностью, слабой сжимаемостью и упругостью в определенном диапазоне нагрузок. При больших нагрузках грунты разрушаются, и химические связи в них не восстанавливаются.
В тонкодисперсных грунтах осадочного происхождения
(глинистых и пылеватых) проявляется молекулярная и молекулярно- ионно-электростатическая связь. Молекулярные силы притяжения проявляются между твердыми телами, молекулами, атомами и ионами, т. е. являются универсальными. Они значительно слабее химических связей. С увеличением расстояния между частицами грунта прочность молекулярных связей снижается.
Количество молекулярных взаимодействий возрастает с увеличением в грунте удельной поверхности, т. е. степени дисперсности. Лучше всего молекулярная связь проявляется в высушенных уплотненных тонкодисперсных (глинистых) грунтах. При увлажнении тонкодисперсных грунтов между частицами
(вокруг частиц) образуются гидратная оболочка и диффузионный слой ионов. Вследствие этого между дисперсными частицами проявляются, с одной стороны, молекулярные силы притяжения, а с другой – ионно- электростатические силы отталкивания. Результирующая этих сил и будет определять прочность структурных связей в дисперсных грунтах.
Такие структурные связи называют молекулярно-ионно- электростатическими, или водно-коллоидными. Водно-коллоидные связи характерны для глинистых грунтов. Они менее прочны в сравнении с кристаллизационными и твердыми аморфными и, кроме того, их прочность уменьшается с увеличением влажности грунта. В рыхлых грунтах, в которых связи в сухом их состоянии отсутствуют, проявляются слабые водные связи при капиллярном увлажнении.
В одном и том же грунте прочность структурных связей зависит от состояния его в разных участках и от направления. Прочность связей в одних грунтах во всех направлениях одинакова (изотропные грунты), в других она изменяется по отдельным направлениям (анизотропные грунты).
Текстура грунта.
Текстура грунтов характеризует пространственное расположение элементов (частиц, агрегатов частиц, кристаллов, цемента) и плотность сложения элементов друг с другом.
Текстура грунтов оказывает большое влияние на свойства. Наиболее прочные грунты обычно имеют плотную массивную текстуру (большая часть магматических пород, некоторые метаморфические и осадочные породы). Грунты, имеющие слоистую и сланцевую текстуру, как правило, являются анизотропными, а грунты пористые обычно менее прочны в сравнении с плотными.
Вопросы темы:
1. Динамика подземных вод.
2. Движение воды в зоне аэрации.
3. Движение воды в зоне насыщения.
Вопрос 1. Динамика подземных вод.
Динамика подземных вод изучает количественные закономерности движения подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы гидрогеологических расчетов и управления режимом подземных вод.
В соответствии с видами воды в горных породах движение подземных вод может происходить под действием различных причин и в разных состояниях.
Вопрос 2. Движение воды в зоне аэрации.
В зоне аэрации подземные воды могут передвигаться в виде пара при наличии градиента упругости паров. Рыхло связанная вода
(пленочная) передвигается под действием молекулярных (сорбционных) сил, капиллярная вода – под действием менисковых сил и силы тяжести, гравитационная вода – под действием силы тяжести.
Движение подземных вод в виде паров. Впервые закономерности движения паров воды в почвах и породах были изучены А. Ф. Лебедевым, русским ученым, почвоведом. Специально поставленными опытами А. Ф.
Лебедев показал, что движение паров воды обусловлено различием в упругости водяных паров. Если влажность грунтов меньше максимальной гигроскопичности, движение водяных паров направлено от более влажных грунтов к менее влажным. При влажности грунтов, превышающей максимальную гигроскопичность, упругость водяных паров определяется температурой среды; пары воды передвигаются от слоев с более высокой температурой к слоям менее нагретым (зимой пары перемещаются снизу вверх, а летом – сверху вниз).
Водяные пары могут передвигаться также и в горизонтальном или наклонном направлении, вследствие неоднородности упругости водяных паров по площади.
Движение связанных вод. Движение прочно связанной
(гигроскопической) воды имеет место в виде пара при температуре выше
100 °С. Рыхло связанная вода (пленочная) передвигается под влиянием молекулярных (сорбционных) сил с частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной пленки. Этот процесс имеет место, если влажность грунтов неодинакова и меньше максимальной молекулярной влагоемкости. Движение пленочной воды направлено от более влажных
175 участков к менее влажным. При влажности, превышающей максимальную молекулярную влагоемкость, происходит движение капиллярных вод.
Движение капиллярных вод. Капиллярные воды передвигаются в любом направлении под влиянием капиллярных (менисковых) сил и вниз под действием силы тяжести. Направление движения или равновесие капиллярных вод зависит от преобладания одной из этих сил или их равенства.
Большое значение при оценке мелиоративного состояния земель имеет высота капиллярного поднятия от поверхности почвенных вод, верховодки и грунтовых вод. Данные о высоте капиллярного поднятия воды в некоторых породах (по И. Г. Глухову) приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Высота капиллярного поднятия в некоторых породах
Порода
Высота капиллярного поднятия, см
Песок крупнозернистый
2 – 5
Песок среднезернистый
12 – 35
Песок мелкозернистый
35 – 70
Супесь
70 – 120
Суглинок
120 – 150
Глина
150 – 300
Движение гравитационных вод. В зоне аэрации происходит инфильтрация поверхностных вод и атмосферных осадков.
Инфильтрация (по Г. Н. Каменскому) делится на свободное просачивание и нормальную инфильтрацию. При свободном просачивании движение воды происходит в виде отдельных струек через зону аэрации под действием гравитационных и капиллярных сил. При свободном просачивании часть пустот или пор занята воздухом и водяными парами.
Струйки воды при свободном просачивании образуют в зоне аэрации сложную сеть, то разветвляясь, то соединяясь вновь (рис. 74).
Сопротивление свободному просачиванию воды оказывают сила трения и воздух в порах грунта.
176
Рис. 73. Схема просачивания воды через зону аэрации
Изучение миграции влаги в зоне аэрации показало, что в одних случаях идет сквозное движение до уровня грунтовых вод, в других между зоной инфильтрации и грунтовыми водами в породах содержится только связанная и капиллярная вода.
При количественной оценке движения в зоне аэрации все виды воды, способной передвигаться, рассматриваются как единая гидродинамическая система.
При отсутствии инфильтрации воды сверху эта система включает пленочные и капиллярные воды. В разрезе зоны аэрации влажность почв или пород в этом случае увеличивается с глубиной; в общем случае – от участка с гигроскопической и пленочной влагой в верхней части до участка с капиллярной водой в нижней части. Между ними находится переходный, капиллярно-пленочный участок.
Движение свободной воды в зоне аэрации в условиях неполного насыщения, согласно опытным данным, подчиняется закону Дарси.
Коэффициент водопроницаемости (К
п
) в этом случае зависит не только от состава и пористости, но и от влажности породы. Его рекомендуется определять по степенной зависимости
, где
К – коэффициент фильтрации породы;
w – фактическое содержание свободной воды в породе;
w
0
– предельно возможное содержание воды в породе;
п – показатель степени просачивания. По С. Ф. Аверьянову, он составляет 3,5; по Н. Н. Биндеману – 3.
Скорость инфильтрации воды при неполном насыщении зависит также от давления всасывания. Величина его для песчано-глинистых пород зависит от их влажности.
177
Наибольшее практическое значение при изучении влагопереноса в зоне аэрации имеет инфильтрация воды по породам этой зоны вниз при выпадении на поверхность земли атмосферных осадков, поступлении талых или оросительных вод.
Вопрос 3. Движение воды в зоне насыщения.
Движение гравитационных подземных вод в зоне насыщения в пористых, трещиноватых или закарстованных породах называется фильтрацией. Это движение может быть ламинарным и турбулентным.
При ламинарном или параллельно-струйчатом движении струйки воды двигаются параллельно друг другу. При турбулентном движении происходит перемешивание воды, завихрение, пульсация.
Для подземных вод характерно ламинарное движение.
Турбулентное движение воды имеет место лишь в крупных порах или широких трещинах горных пород при больших скоростях, (в карстовых пещерах, на участках, примыкающих к скважинам, из которых ведется откачка с большими понижениями).
При ламинарном движении наблюдается линейная зависимость скорости фильтрации от сил сопротивления
, где
V – скорость фильтрации;
К – коэффициент фильтрации;
I – напорный градиент (отношение напора к длине пути фильтрации).
Силы сопротивления движению воды пропорциональны напорному градиенту. Эта закономерность впервые была установлена французским гидравликом Дарси (1856) и получила название закона Дарси.
При турбулентном движении силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости фильтрации
, где
К
к
– коэффициент водопроницаемости трещиноватой, закарстованной или крупнообломочной породы.
Аналогичен коэффициенту фильтрации зернистых грунтов. Эта закономерность носит название закона Шези – Краснопольского.
178
Скорость фильтрации V представляет собой некоторую фиктивную скорость, с которой двигалась бы подземная вода по всей площади зоны насыщения, перпендикулярной к направлению движения. По определению, скорость фильтрации равна
, где
Q – расход подземных вод, м
3
/сут;
F – площадь поперечного сечения потока подземных вод, м
2
179
Тема 8. Грунтоведение
Вопросы темы:
1. Состав и строение грунта. Виды грунтов.
2. Основные виды грунтов.
3. Классификация грунтов.
Вопрос 1. Состав и строение грунта. Виды грунтов.
Все геологические образования (горные породы, осадки, почвы) могут быть основаниями для различных сооружений (гражданских, промышленных, гидротехнических), средой, в которой строятся сооружения (метро, тоннели, каналы), и, наконец, могут быть материалами, из которых создаются инженерные сооружения (плотины, насыпи, дамбы). Во всех этих случаях геологические образования называют грунтами. Грунты представляют собой многофазные системы, состоящие в общем случае из трех фаз:
1) твердой минеральной;
2) газообразной;
3) порового водного раствора.
В некоторых грунтах содержатся микроорганизмы. Свойства грунтов, используемые при проектировании или строительстве сооружений, зависят прежде всего от происхождения (генезиса). Эти условия в природе разнообразны, поэтому и грунты имеют различные свойства. На свойства грунтов осадочного происхождения влияют также процессы диагенеза, в результате которых грунты упрочняются, и свойства грунтов обычно улучшаются. В дальнейшем на изменение свойств грунтов влияет среда, в которой они будут находиться.
Свойства грунтов могут изменяться также вследствие тектонических процессов (поднятия, опускания, смятия в складки), когда изменяются условия залегания грунтов и в них появляются трещины
(свойства грунтов ухудшаются).
Таким образом, при оценке свойств грунтов следует учитывать их происхождение (генезис), в том числе процессы диагенеза, условия залегания и условия среды, в которой они находятся и находились со времени образования.
Минеральный состав грунтов.
Минеральный состав грунтов оказывает влияние на их свойства, при этом тем большее, чем слабее связи между отдельными частицами грунта (кристаллами, зернами, агрегатами и др.). Все минералы в грунтах делят обычно на две группы – первичные и вторичные. Первичные образуются в процессе образования и формирования магматических пород, вторичные – обычно в процессе выветривания или метаморфизма.
180
Последние делятся на растворимые и не растворимые в воде минералы. В некоторых грунтах, кроме того, присутствуют органические соединения
(табл. 4).
Таблица 4.
Состав грунтов
Первичные минералы
Вторичные минералы
Органические соединения не растворимые в воде растворимые в воде
Кварц, слюда, полевые шпаты, роговая обманка, пироксен и др.
Каолинит, монтмориллонит, иллит, тальк, графит, хлорит и др.
Галит, гипс, ангидрит, кальцит, доломит и др.
Гуминовые кислоты, протеин, клетчатка и другие сложные соединения. Живые организмы
По содержанию в грунтах все минералы обычно делятся на породообразующие, второстепенные, акцессорные и случайные. Первые составляют основную часть грунта. Акцессорные минералы содержатся в количестве не более 5%, и присутствие их в грунте необязательно.
Случайные минералы содержатся в грунте редко и в незначительном количестве. Большая часть минералов имеет кристаллическое строение.
Аморфные минералы встречаются в грунтах реже.
Гранулометрический состав.
Для обломочных и глинистых горных пород, осадков и почв, кроме минерального, определяется также и гранулометрический состав.
Гранулометрическим составом называют содержание в грунте частиц
(обломков) различной крупности, выраженное в процентах к весу сухого образца. Гранулометрический состав песчаных грунтов определяется ситовым методом, а состав мягких связных грунтов (глин, суглинков, супесей, лёссов) – ареометрическим или пипеточным методами, основанными на различной скорости оседания частиц грунта в воде (табл.
5). Кроме лабораторных, существуют и полевые методы определения гранулометрического состава грунтов, из которых наибольшее распространение получил метод Рутковского.
Таблица 5.
Трехчленная классификация песчано-глинистых грунтов, % (по В. В. Охотину)
Название породы
Глинистые диаметром
< 0,005 мм
Пылеватые частицы диаметром 0,05 – 0,005 мм
Песчаные частицы диаметром 0,05 –
2 мм
Глина тяжелая
> 60
–
–
Глина
60 – 30
–
–
181
Трехчленная классификация песчано-глинистых грунтов, % (по В. В. Охотину)
Название породы
Глинистые диаметром
< 0,005 мм
Пылеватые частицы диаметром 0,05 – 0,005 мм
Песчаные частицы диаметром 0,05 –
2 мм
Суглинок тяжелый
30 – 20
–
Больше, чем пылеватых
Суглиноктяжелый пылеватый
30 – 20
Больше, чем песчаных
–
Суглиноксредний
20 – 15
–
–
Суглиноксредний пылеватый
20 – 15
Больше, чем песчаных
–
Суглиноклегкий
15 – 10
–
Больше, чем пылеватых
Суглиноклегкий пылеватый
15 – 10
Больше, чем песчаных
–
Супесь тяжелая
10 – 6
–
Больше, чем пылеватых
Супесьтяжелая пылеватая
10 – 6
Больше, чем песчаных
–
Супесьлегкая
6 – 3
–
Больше, чем пылеватых
Супесьлегкая пылеватая
6 – 3
Больше, чем песчаных
–
Песок
<3
–
Больше, чем пылеватых
Песок пылеватый
<3
Больше, чем песчаных
–
Результаты определения гранулометрического состава грунтов изображаются в форме таблиц и графически, в виде интегральных
(кумулятивных) кривых, циклограмм, гистограмм и на диаграмме- треугольнике (Фере). С помощью равностороннего треугольника (Фере), по углам которого отмечается обычно стопроцентное содержание песчаных, пылеватых и глинистых фракций, можно изобразить гранулометрический состав практически любого количества анализов, так как каждый анализ изображается в виде точки.
Циклограмма представляет собой круг, площадь которого принимается за 100%. Каждая фракция изображается в круге в виде сектора, площадь которого пропорциональна, процентному содержанию данной фракции. В столбчатых диаграммах (гистограммах) содержание каждой фракции изображается в виде столбиков, имеющих общее основание и один масштаб в соответствии с процентным их содержанием.
Природные грунты (песчаные, обломочные и глинистые) состоят обычно из частиц разных размеров. Для определения названия грунта существуют классификации (табл. 6).
182
Таблица 6.
Классификация твердых частиц
Наименование частиц
Поперечный размер
(мм)
Примечания
1. Галечные
(щебень)
> 10 (20)
Классификация по шкале Сабанина (по скорости падения
частиц в воде)
2. Гравелистые
2 ¸ 10 (20)
3. Песчаные
0,05 ¸ 2 4. Пылеватые
0,005 ¸ 0,05 5. Глинистые
< 0,005
Структура и текстура грунта.
Структура и структурные связи. Применительно к грунтам в понятие «структура» включен такой важный фактор, определяющий свойства грунтов, как способ взаимосвязи элементов, слагающих грунт, или так называемые структурные связи.
По современным представлениям, структурные связи в грунтах имеют преимущественно электрическую природу. Они формируются в течение всего периода образования грунта и последующего периода его существования в земной коре. Те связи, которые образуются в результате формирования самого грунта, называются первичными. В магматических породах они возникают в результате остывания магмы, в метаморфических – в результате перекристаллизации исходных пород, в осадочных – в результате процессов диагенеза осадков.
В период существования грунтов в земной коре первичные структурные связи могут измениться (при процессах выветривания, суффозии, тектонических процессах, процессах цементации и др.) в сторону их упрочнения или ослабления при одновременном возникновении новых структурных связей
(при химическом выветривании и цементации пород). С изменением же структурных связей изменяются и свойства грунтов. По своей прочности структурные связи в грунтах могут быть самыми различными – от очень прочных, соизмеримых с прочностью ионных и ковалентных связей в минералах, до очень слабых, существование которых почти не влияет на свойства грунтов.
В магматических, большей части метаморфических и части осадочных горных пород имеет место химическая связь. Она является наиболее прочным типом структурной связи. В основе ее лежат электрические силы взаимодействия между атомами с помощью так называемых периферийных, или валентных, электронов. Химические структурные связи могут быть кристаллизационными и твердыми аморфными.
Кристаллизационные связи присущи спаянным магматическим, метаморфическим и химическим осадочным породам с кристаллической структурой, а также осадочным цементированным породам с кристаллическим цементом. Кристаллизационные связи
183 являются наиболее прочными. Твердые аморфные связи формируются в цементированных грунтах, в которых цементом является аморфное вещество. Они характерны главным образом для осадочных, цементированных пород и некоторых излившихся магматических
(вулканические стекла). Грунты с химическими структурными связями отличаются высокой прочностью, слабой сжимаемостью и упругостью в определенном диапазоне нагрузок. При больших нагрузках грунты разрушаются, и химические связи в них не восстанавливаются.
В тонкодисперсных грунтах осадочного происхождения
(глинистых и пылеватых) проявляется молекулярная и молекулярно- ионно-электростатическая связь. Молекулярные силы притяжения проявляются между твердыми телами, молекулами, атомами и ионами, т. е. являются универсальными. Они значительно слабее химических связей. С увеличением расстояния между частицами грунта прочность молекулярных связей снижается.
Количество молекулярных взаимодействий возрастает с увеличением в грунте удельной поверхности, т. е. степени дисперсности. Лучше всего молекулярная связь проявляется в высушенных уплотненных тонкодисперсных (глинистых) грунтах. При увлажнении тонкодисперсных грунтов между частицами
(вокруг частиц) образуются гидратная оболочка и диффузионный слой ионов. Вследствие этого между дисперсными частицами проявляются, с одной стороны, молекулярные силы притяжения, а с другой – ионно- электростатические силы отталкивания. Результирующая этих сил и будет определять прочность структурных связей в дисперсных грунтах.
Такие структурные связи называют молекулярно-ионно- электростатическими, или водно-коллоидными. Водно-коллоидные связи характерны для глинистых грунтов. Они менее прочны в сравнении с кристаллизационными и твердыми аморфными и, кроме того, их прочность уменьшается с увеличением влажности грунта. В рыхлых грунтах, в которых связи в сухом их состоянии отсутствуют, проявляются слабые водные связи при капиллярном увлажнении.
В одном и том же грунте прочность структурных связей зависит от состояния его в разных участках и от направления. Прочность связей в одних грунтах во всех направлениях одинакова (изотропные грунты), в других она изменяется по отдельным направлениям (анизотропные грунты).
Текстура грунта.
Текстура грунтов характеризует пространственное расположение элементов (частиц, агрегатов частиц, кристаллов, цемента) и плотность сложения элементов друг с другом.
Текстура грунтов оказывает большое влияние на свойства. Наиболее прочные грунты обычно имеют плотную массивную текстуру (большая часть магматических пород, некоторые метаморфические и осадочные породы). Грунты, имеющие слоистую и сланцевую текстуру, как правило, являются анизотропными, а грунты пористые обычно менее прочны в сравнении с плотными.