2.2.10. Водоміцність грунтів

Під водоміцністю (водостійкістю) ґрунтів розуміється їх здатність зберігати механічну міцність і стійкість при взаємодії з водою. Ця взаємодія може бути статичною і динамічною. В першому випадку при взаємодії ґрунту і води у дисперсних ґрунтах відбуваються явища набрякання і розмокання, у скельних ґрунтах - їх розм'якшення, в іншому, коли на ґрунт відбувається гідродинамічна дія, - розмив ґрунтів. Відповідно до цього водоміцність ґрунтів може бути охарактеризована за їх розмоканням, розм’ягчанням і розмивом.

Під розмоканням розуміється здатність ґрунтів вт­рачати зв'язність і перетворюватися на рихлу масу з повною втратою міцності при взаємодії із спокійною водою. Це явище - наслідок послаблення структурних зв'язків між елементарними частинками або агрегатами ґрунту у процесі їх гідратації.

Здатність до розмокання мають дисперсні ґрунти, а також слабозцементовані осадові породи з розчинним або глинястим цементом.

Для характеристики розмокання ґрунтів використовують два показники: 1) час розмокання - час, протягом якого зразок ґрунту у воді втрачає зв'язність і розпада­ється на структурні елементи різного розміру і 2) характер розмокання, що відображає якісну картину розпаду зразка ґрунту. Ці показники визначаються хіміко-мінеральним складом ґрунтів (мінералогією частинок і складом обмінних катіонів), струк­турними особливостями (характером структурних зв'язків, дисперс­ністю і ін.), вологістю, складом і концентрацією взаємодіючого з ґрунтом водного розчину.

Велика частина порід з жорсткими структурними зв'язками практично не розмокає. Вони лише розм'якшуються при насиченні водою. у протилежність до них дисперсні ґрунти розмокаємі. На швидкість і характер розмокання цього типу ґрунтів впливає гранулометричний склад, що визначає в значній мірі порометричні харак­теристики ґрунтів і, отже, їх водопроникність. Водоміцність легких суглинків у спокійній воді мала. Розмокання середніх суглинків залежить від величини і характеру їх пір: за наявності малої пористості розмокання знижується з підвищенням вмісту глинястих частинок при більшій пористості середніх суглинків вона не залежить від вмісту глинястих частинок. Розмокаємість важких суглинків у спокійній воді залежить від вмісту в них глиняс­тих частинок: із збільшенням їх кількості вона підвищується. У глин з великою пористістю спостерігається така ж закономірність, у глин з малою пористістю величина водоміцності наближається до максимального значення для ґрунтів даного типу. Проте водоміцність важких глин зменшується із збільшенням вмісту в них глинястих частинок. Значна швидкість розмокання харак­терна для лесових суглинків і особливо для лесів.

Розмокання залежить від характеру складання ґрунтів. Їх макро­пористі, легко водопроникні і зі слабким структурним зчепленням різниці характеризуються великою швидкістю розмокання. Навпаки, тонкопористі маловодопроникні і щільні ґрунти з підвищеною величиною структурного зчеплення відрізняються великою водоміцністю і повільним розмоканням.

Впливає на швидкість і характер розмокання ґрунтів цементи (наприклад, кар­бонати, гіпс, гумус). Наявність у ґрунтах макро- і мікротріщин сприяє їх розмоканню. Ґрунти з порушеним складанням характе­ризуються набагато більшою швидкістю розмокання у порівнянні з по­родами непорушеної структури, оскільки перші відрізняються меншою зв'язністю.

Під розм’якшенням ґрунтів розуміють здатність скель­них ґрунтів знижувати свою міцність при взаємодії з водою. Єство розм'якшення, як і розмокання ґрунтів полягає в ос­лабленні зв'язків між частинками порід унаслідок проникнення у проміжки між ними молекул води. Проте у зв'язку з початковою високою міцністю ґрунти не втрачають повністю несучу здатність і не розмокають.

Розм’якшення характеризується коефіцієнтом, що є відношенням тимчасового опору ґрунту одновісному стисненню у водонасиченому і повітряно-сухому стані. Чим вище значення коефіцієнта розм’якшення, який взагалі змінюється від 0 до 1, тим менш розм'якаємим є ґрунт. Скельні ґрунти підрозділяються на ті що розм'якають (<0,75) і не розм’якають (>0,75).

Розм’якшення ґрунтів залежить від їх мінерального складу, міцності зв'язку між зернами, пористості і ряду інших чинників. Велика частина незвітрелих вивержених і багато різниць метаморфічних порід слабко розм'якшуються у воді: їх коефіцієнт розм’якшення змінюється в межах 0,95 - 1. Багато осадових по­рід, навпаки, розм'якшуються у більшому ступені. Особливо сильно розм'якшуються породи, що містять значну кількість глинястих частинок (мергелі, мергелісті вапняки, глинясті пісковики, глинясті сланці і ін.), карбонатні (вапняки, крейда і ін.) і кременисті породи (опоки, діатоміти) а також ґрунти з легкорозчинними цементами (пісковики з гіпсовим цементом і ін.). Коефіцієнт розм’якшення глинястих пісковиків не перевищує 0,45, у вапняків він коливається від 0,15 до 0,5. Породи мають коефіцієнт розм’якшення нижче 0,75, вважаються слабостійкими при використовуванні їх як природних будівельних матеріалів.

Розм’якшення ґрунтів є непрямим показником їх здатності чинити опір вивітрюванню і дії мерлої води. Усі породи, що сильно розм'якшуються, швидко звітрюються і не мають значної морозостійкості.

Під розмиванням ґрунтів розуміють їх здатність від­давати агрегати і елементарні частинки воді, що рухається, при взаємодії на поверхню ґрунтову. Ця властивість ґрунтів наря­ду з динамікою водної дії визначає розмив ґрунтового масиву.

Для характеристики розмивання ґрунтів використовують два показника: 1) розвиваючу (або критичну) швидкість водного потоку, середню швидкість пото­ку, при якій починається відрив окремих частинок і агрегатів і во­лочіння їх по потоку, 2) інтенсивність розмиву – відношення середньої товщини розмитого шару ґрунту при даній швидкості розмиву до діяльності розмиву. Розмірність першої з них - метри в секунду, другої - міліметри у хвилину.

Розмивання ґрунтів залежить від великої кількості взаємодіючих і взаємозв'язаних чинників, найголовнішими з яких є склад і характер структурних зв'язків у ґрунті. Розмивання нерозчинних ґрунтів з жорсткими зв'язками кристалізації обумовлено їх тектонічним порушенням і звітрюванням. Розмивання розчинних у воді ґрунтів визначається міцністю структурних зв'язків іонного типу, які під впливом води розчиняються, сприяючи винесенню частинок. Щільні глини і суглинки, що не розмокають у воді, при тривалому впливі текучої води у зв'язку із слабою літификациєю розмиваються. Розмокаємо зв'язні ґрунти розмиваються швидко, причому їх розмивання обумовлюється опором розмоканню. Розмивання незв'язних грубоуламкових і піщаних ґрунтів обумовлена гідравлічною крупною частинок.

Частіше за все доводиться зустрічатися з розмивом зв'язних ґрунтів. Він відбувається в результаті динамічної дії водного потоку на окремі частинки і агрегати, яке викликає руйнування зв'язків частинок і агрегатів з ґрунтовим масивом і подальший їх відрив. Процес розмиву глинястих ґрунтів визначається як гідравлічними параметрами потоку, так і властивостями ґрунту. Розмивання зв'язних ґрунтів залежить від дисперс­ності, хіміко-мінеральних особливостей, пористості, пластичності, розмокання, вологості, твердості, зчеплення і ряду інших харак­теристик, причому найбільш чітко цей зв'язок виражений відносно зчеплення глинястих ґрунтів при повному їх водонасиченні.

Опір розмиву ґрунтів з порушеною структурою значно нижче у порівнянні з ґрунтами непорушеного складання. Розмивання зв'язних ґрунтів при порушеному і непорушеному складанні у значній мірі залежить від їх природної вологості (до дії на них вод­ного потоку): із збільшенням її опір ґрунтів розми­ву при інших однакових чинниках зростає. Ґрунти з вологістю 25 - 27% витримують без

розмиву швидкості у 3 - 3,5 ра­зи більші у порівнянні з ґрунтами, що знаходяться у повітряно-сухому стані.

Розмивання глинястих порід залежить від величини їх зчеплення, яке можна розглядати як інтегральну характеристику структурних зв'язків. Зчеплення зв'язних ґрунтів при повній їх водонасиченості багато в чому визначає міцність зв'язків і водостійкість глинястих порід і краще інших показників інтегрально відображає весь комплекс властивостей ґрунтів. Встановлено, що із збільшенням зчеплення (у стані повного водонасичення) збільшується опір ґрунтів розмиву.