Грунтоведение

Грунтоведение – это наука о грунтах. Грунтами называются горные породы, слагающие верхние слои земной коры и используемые в инженерных целях.

Для правильного использования горных пород в качестве грунтов необходимо знать их инженерно-строительные свойства:

- прочность, устойчивость и деформируемость (сжимаемость) при различного рода нагрузках – статических, ударных, вибрационных и т.п.;

- поведение при действии внешних природных факторов (температурных условий, гидравлического режима и т.п.), а также технологических воздействий от сооружения (химических, температурных и т.д.);

- трудность разработки в котлованах и карьерах;

- удобство отсыпки и уплотнения в земляных сооружениях.

Перечисленные свойства зависят от многих факторов и, прежде всего от состава, физических свойств и генетических особенностей грунтов. Деление грунтов на скальные и нескальные обусловлено их различными строительными свойствами. Если скальные грунты по механическим свойствам приближаются к сплошным телам и отличаются относительным постоянством свойств, то нескальные являются дисперсными системами, свойства которых более разнообразны и могут изменяться под действием сооружения и внешних факторов.

Грунты представляют собой сложные многофазные дисперсные системы, состоящие из комплекса минеральных частиц и обломков горных пород – скелета, пространство между которыми – поры – заполнено водой, газами или парами.

Свойства скелета грунта определяются его минеральным составом, крупностью и формой частиц. Отличительной особенностью скелета является поверхностная активность, обусловленная тем, что минеральные частицы на поверхности несут заряд отрицательного электричества. В связи с этим скелет обладает адсорбирующей способностью – то есть способностью притягивать к поверхности и удерживать воду и растворенные в ней вещества.

Количество фаз систем может быть различным. Встречаются грунты в виде одно-, двух- и трехфазных систем.

Однофазные – это сухие грунты (обычно песчаные), состоящие из твердой и газообразной фазы. Однофазными их называют потому, что газообразная часть в данном случае практически не влияет на механические свойства грунтов.

Газы в порах грунтов могут находиться в различном состоянии: свободном, адсорбированном и защемленном. Адсорбированные и защемленные газы оказывают определенное влияние на свойства грунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности грунтовых частиц, удерживаемое молекулярными силами, зависит от минералогического состава грунтов и др.характеристик. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих грунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5 – 10% становится равным нулю.

При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в грунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри грунта. Это так называемые «защемленные газы», часто являющиеся характерными для пород поверхностных зон земной коры. Защемленные газы занимают значительные участки в толще грунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах грунта, что является обычным для пылеватых и глинистых грунтов.

Адсорбированные и защемленные газы с большим трудом удаляются из грунтов внешним давлением. Наличие в грунтах таких газов обуславливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов.

Двухфазные грунты состоят практически из твердой части и воды, т.е. это водонасыщенные грунты.

В зависимости от того, в каком состоянии вода она классифицируется следующим образом:

- парообразная (в виде пара);

- связанная;

- свободная;

- в твердом состоянии (лед);

- кристаллизационная;

- химически связанная.

Существенное влияние на свойства грунта оказывает поровая вода (находящаяся в порах между частицами скелета). Различают свободную и связанную поровую воду; последняя в свою очередь, делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Вода в форме парасодержится в грунте в небольших количествах (не более 0,001% от всей массы грунта). Передвигается в порах грунтов от участков с большей влажностью и температурой к участкам с их меньшими значениями.

Свободная вода по физическим и механическим свойствам не отличается от обычной.

Свойства связной воды отличны от обычной: удельный вес ее больше 1 г/см3, температура кипения выше 100^оС, температура замерзания ниже 0^оС. По механическим свойствам связанная вода ведет себя подобно вязким жидкостям, т.е. для ее перемещения необходимо приложить усилие, иногда значительное. Она способна перемещаться под действием температурного градиента (перепада) и под действием электрического тока (так называемый электроосмос).

Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называется конституционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов

Трехфазные – это грунты, в порах которых содержится вода и воздух, причем воздух в оценке свойств грунта начинает играть заметную роль.

Свойства грунта в целом определяются свойствами каждой фазы в отдельности, количественным соотношением между различными фазами, характером их взаимного расположения и физико-химическим взаимодействием на границах раздела между ними.