Свойства глинистых грунтов при взаимодействии с водой

Набухание глинистого грунта при взаимодействии с водой и их свойства

Глинистая фракция играет основную роль при взаимодействии грунта с водой. Сочетание отдельных частиц и агрегатов приводит к образованию структурных систем. Под структурной системой твердой части подразумевается порядок расположения в рыхлой породе простых частиц и агрегатов без учета влияния воздушной и жидкой частей, формирующихся в седиментационных, диагенетических и постдиагенетических процессах. Исследования показали существенное влияние структуры на механические, в частности на личностные, свойства грунта.

При увеличении температуры свойства воды могут не только изменяться, но и проявляться в новом качестве при взаимодействии с растворенными в ней веществами или при соприкосновении с нерастворимыми телами, т. е. с твердой фазой. Эти особенности являются результатом физико-химических свойств самой воды. Так, молекулы воды обладают большим междипольным электростатическим эффектом, достигающим до 80% ван-дер-ваальсовых сил.

С другой стороны, отсутствие электростатической нейтральности приводит к тому, что молекулы (диполи) воды могут притягиваться к ионам, имеющим собственный некомпенсированный электрический заряд, образуя гидратные оболочки. Силой, обусловливающей гидратацию, является притяжение полярных молекул воды под действием электростатических сил, что в свою очередь приводит к взаимной поляризации и появлению индукционных и диссационных эффектов.

Свойства воды предопределяют осмотические явления, происходящие в грунтах. Особенностями молекул воды, обуславливающими связывание их в грунтах, являются:

• способность образовывать водородную связь;
• отсутствие электрической нейтральности, приводящее к гидратации ионов;
• наличие осмотических явлений.

Газообразная фаза может занимать до 50% объема всего грунта, количество ее зависит от вида грунта, уменьшается по мере возрастания глинистости. Исследования газообразных компонентов грунта выявили влияние свободных газов на объемные изменения грунта, а следовательно, и на изменение его свойств. Общее содержание газов завися от минералогического состава, влажности и дисперсности грунтов, а также типа обменных катионов. Вследствие значительной полярности молекулы водяного пара и воды будут сильнее притягиваться поверхностью грунта, вытесняя адсорбированные молекулы других газов.

При взаимодействии глинистого грунта с водой (или иной жидкостью) происходит набухание грунта, т. е. увеличение объема, которое можно объяснить следующим образом. Благодаря особенности строения глинистого минерала на его свободной поверхности сосредоточены некомпенсированные заряды, обусловливающие притяжение молекул воды. Адсорбция происходит под действием межмолекулярных сил (электростатических, дисперсионных и индукционных) на поверхности твердой части грунта и жидкости, что приводит к уменьшению свободной поверхности энергии.

Под действием рассмотренных сил на поверхности частицы образуется гидратный слой. Молекулы воды связываются не только с ионами кристаллической решетки, но и с обменными катионами, расположенными на внешней поверхности частиц. Первые слои молекул воды оказываются ориентированными к поверхности частицы и создают собственное силовое поле, которое, складываясь с молекулярными поверхностными слоями, притягивает молекулы воды к гидратированному слою. Процесс многослойной сорбции продолжается до тех пор, пока указанные совместные силы будут уравновешиваться силами диссоциации молекул воды.

Образовавшиеся гидратные слои стремятся раздвинуть частицы грунта. Раздвижка частиц обусловливается появлением «расклинивающего эффекта» тонких пленок в местах контакта грунтовых частиц. Таким образом, набухание грунта связано с образованием гидратной оболочки вокруг его частиц.

Раздвижка частиц, а следовательно, и набухание грунта есть результат взаимодействия двух фаз — твердой и жидкой. Раздвижка частиц происходит под действием расклинивающего давления, возникающее при образовании жидкого слоя на поверхности частиц. Этот гидратный слой образуется не только под действием собственных ионов глинистого минерала, обменных катионов, расположенных в поверхностном слое. Набухание, вызванное образованием слоев воды вокруг частиц или агрегатов, называется «межчастичным набуханием».

Источник

Виды воды в грунте. Водопроницаемость грунтов. Свойства грунтов, выявляемые при взаимодействии с водой.

Виды воды в грунтах:

I. Вода в форме пара.

II. Связанная вода:
1) прочносвязанная,
2) рыхлосвязная

III. Свободная (поровая) вода.

IV. Вода в твердом состоянии.

V. Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

Коэффициент фильтрации- скорость движения воды при градиенте напора равном 1 и линейном законе фильтрации. Коэффициент фильтрации основная хар-ка водопроницаемости пород. По коэф. фильтрации дисперсные породы подразделяются на: 1) очень сильно водопроницаемые К_ф> 30 м/сутки, 2) сильно водопроницаемые К_ф=3-30 м/сутки, 3) водопроницаемые К_ф=0,3-3 м/сутки, 4) слабоводопроницаемые К_ф=0,005-0,3 м/сутки, 5) водонепроницаемые К_ф

Источник

Свойства грунтов, выявляемые при взаимодействии их с водой

Рис.1.4. Зависимость консистенции глинистых грунтов

Пределы и число пластичности

Пластичность – способность грунта под действием внешнего усилия изменять форму без изменения объема и образования трещин и сохранять измененную форму после устранения внешнего действия. Глинистые грунты проявляют свойство пластичности при увлажнении, причем в зависимости от степени увлажнения проходят три состояния – твердое, пластичное и текучее.

Весовые влажности, соответствующие переходу грунта из одного состояния в другое, называются пределами пластичности.

Нижний предел пластичности или просто предел пластичности W_p – это влажность грунта при переходе из твердого состояния в пластичное. Эту влажность называют еще границей раскатывания.

от влажности (а) и числа пластичности (б)

Верхний предел пластичности или предел текучести W_L – это влажность грунта при переходе из пластичного состояния в текучее (рис.1.4).

Предел пластичности определяют в лаборатории с помощью специальных приемов. Влажность на пределе раскатывания W_p определяется по влажности раскатываемого жгутика глинистого грунта диаметром 3 мм, который начинает растрескиваться поперечными трещинами.

Влажность на пределе текучести W_L соответствует условию, когда балансирный конус массой 76 г при угле заострения 30 0 погружается в глинистый грунт в течение 5 секунд на глубину 10 мм (до риски).

Число пластичности – это разность между значениями пределов пластичности:

Число пластичности характеризует степень глинистости грунта, т.е. содержание глинистых частиц и их свойства (гидрофильность, степень дисперсности). Чем выше степень глинистости грунта, тем большее количество воды может быть удержано грунтом с сохранением им пластичного состояния. Таким образом, число пластичности характеризует качество слагающего грунта и позволяет по его значению установить вид глинистого грунта и присвоить ему наименование.

Классификация глинистых грунтов по числу пластичности и содержанию глинистых частиц приведена в табл.1.5.

Грунт

Число пластичности Jp, %

Содержание глинистых частиц d 17

3-10 10-30 >30

Сравнение естественной влажности грунта с влажностью на границе пластичности (раскатывания) и текучести позволяет устанавливать его состояние по показателю текучести J_L:

. (1.22)

По показателю текучести J_L глинистые грунты подразделяют на следующие разновидности:

Супесь: твердая. JL пластичная. текучая.	менее 0 от 0 до 1 включительно свыше 1
Суглинки и глины: твердые. JL полутвердые. тугопластичные. мягкопластичные. текучепластичные. текучие.	менее 0 от 0 до 0,25 включительно свыше 0,25 до 0,50 включительно свыше 0,50 до 0,75 включительно свыше 0,75 до 1 включительно свыше 1

1.5.2. Об оптимальной плотности скелета грунта

и оптимальной влажности

При отсыпке земляного полотна дорог, устройстве искусственно улучшенных оснований, возведении насыпей при планировке территорий приходится уплотнять грунты, в том числе и пылевато-глинистые, катками или другими способами. При этом повышается прочность, жесткость грунта, понижается его водопроницаемость и капиллярность, ускоряется консолидация глинистых грунтов. Максимальная степень уплотнения необходима в верхних слоях насыпи, в которых возникают наибольшие напряжения от внешних нагрузок. Эффект уплотнения оценивается величиной достигнутой плотности скелета грунта. Затрачивая одну и ту же работу на уплотнение грунтов с разной влажностью, получают различные значения величины плотности скелета грунта.

Влажность, при которой достигается наибольшая плотность скелета грунта при стандартном уплотнении, называется оптимальной W_опт.

В лабораторных условиях W_опт и определяют, используя прибор и метод СоюздорНИИ. Метод заключается в последовательном уплотнении в одинаковых условиях проб одного и того же грунта при последовательном увеличении его влажности. Грунт насыпают в стакан прибора слоями примерно 0,3 высоты емкости и уплотняют каждый слой ударами груза массой 2,5 кг, падающего с высоты 30 см. Число ударов равно 1/3 общего количества ударов, для песков и супесей оно принято равным 75, а для остальных грунтов – 120. Проводят не менее 5 опытов при разной влажности грунтов. После уплотнения в каждом опыте определяют влажность W_i и плотность r_di и строят график зависимости r_d=f(W).

Рис.1.5. Зависимость r_d(W) от оптимальной влажности и максимальной плотности грунта

По графику (рис.1.5) определяют влажность, при которой стандартным уплотнением достигается наибольшая плотность скелета грунта r_d. Эта влажность называется оптимальной влажностью W_опт, так как грунт при этой влажности при одной и той же затрате энергии уплотнен до наибольшей плотности скелета грунта. Наибольшее значение r_d, достигнутое при стандартном уплотнении и оптимальной влажности, называется оптимальной плотностью скелета грунта .

Весьма важные свойства грунта могут быть выявлены при взаимодействии их с водой:

1. Водопроницаемость – способность грунта с той или иной скоростью пропускать через себя воду. Наименее водопроницаемы глинистые грунты твердой консистенции.

2. Влагоемкость – способность поглощать и удерживать воду. Наибольшей влагоемкостью обладают глинистые грунты и торф.

3. Капиллярность – удержание в порах воды в напряженном (подвешенном) состоянии. Наивысшее капиллярное поднятие наблюдается в супесях и суглинках.

4. Растворимость – неустойчивость грунтового скелета, приводит к выносу твердого вещества грунта в растворенном состоянии (например, в лессах).

5. Вымываемость (суффозия) – вынос части грунта (твердого вещества) во взвешенном состоянии. Чаще всего наблюдается в загрязненных песках.

6. Размокаемость – потеря связанности грунта при насыщении водой. Характерна для лессов, некоторых видов супесей и суглинков.

7. Набухание и усадка – соответственно увеличение объема грунта при увлажнении и уменьшение при высыхании. Характерна прежде всего для глинистых грунтов.

По относительной деформации набухания без нагрузки e_sw (доли единиц) глинистые грунты подразделяют на ненабухающие – e_sw менее 0,04; слабонабухающие – 0,04. 0,08 включительно; средненабухающие – свыше 0,08 до 0,12 включительно и сильнонабухающие – свыше 0,12.

В целом грунты по взаимодействию с водой можно разделить на водостойкие, свойства которых при действии влаги существенно не меняются (например, галька, гравий, крупнозернистый песок) и неводостойкие, свойства которых при действии влаги существенно изменяются (например, лессы, глинистые грунты).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Физические свойства глинистых грунтов

Глинистый грунт — связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности Ip >= 1.

Пластичность глинистых пород — способность глинистых пород изменять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил без разрыва сплошности и сохранять полученную при деформации новую форму после прекращения действия внешних сил.

Пластичные свойства глинистых пород зависят от влажности породы, степени дисперсности, минералогического состава, концентрации норового раствора, состава обменных катионов и пр.

Пластичность глинистых пород — характеризуется так называемыми пределами пластичности.

В инженерно-геологической практике пользуются показателями верхнего и нижнего пределов пластичности.

Верхним пределом пластичности (границей, пределом текучести) называется влаж­ность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние.

Нижним пределом пластичности (границей, пределом раскатывания) называется влажность, при которой грунт переходит из пластичного в твердое состояние.

Разность между верхним и нижним пределами пластичности называют числом пластичности.

По числу пластичности (согласно строительным нормам и правилам 1954 г.) грунты подразделяются на следующие группы.

Группа грунтов	Число пластичности
Глины ……..	>17
Суглинки ……	17 — 7
Супеси …….	7 — 0
Пески ……..	0

Консистенция глинистых грунтов — степень подвижности частиц грунта при механическом воздействии на них.

Зависит от влажности грунта, степени дисперсности, минералогического состава и пр. Форма консистенции глинистых грунтов определяет несущие свойства их и, следовательно, поведение их под сооружениями.

Для глинистых грунтов характерна пластичная форма консистенции, поэтому глинистые грунты называют пластичными.

Показатель текучести I_L — отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания W_p, к числу пластичности I_p.

По показателю текучести I_L глинистые грунты подразделяют согласно таблице

Разновидность глинистых грунтов	Показатель текучести IL
Супесь:
твердая	менее 0
пластичная	от 0 до 1
текучая	свыше 1
Суглинки и глины:
твердые	менее 0
полутвердые	от 0 до 0,25
тугопластичные	от 0,25 до 0,50
мягкопластичнык	от 0,50 до 0,75
текучепластичные	от 0,75 до 1
текучие	свыше 1

Пористость — общий объем всех пустот в горной породе. Количественно пористость обычно выражают процентным отношением объема пустот (Vn) к общему объему грунта (V).

Пористость грунта может характеризоваться также отношением объема пустот (Fn) к объему твердой фазы (Fs); эта вели­чина называется коэффициентом пористости, или приве­денной пористостью, и выражается обычно в долях единицы.

Величина пористости может быть выражена и по весу (весовая пористость) как отношение веса воды (Gw ), полностью заполняющей поры грунта, к весу абсолютно сухого грунта (Gs).

По происхождению различают первичную пористость — возникающие при образовании данной породы пустоты между частицами, слагающими породу, пустоты в лавах и т. п., и вторичную пористость — пустоты, образующиеся в сформировавшихся породах в результате последующих процессов (поры растворения, трещины и пустоты, возникающие при кристаллизации, сокращении объема, выветривании и т. д.).

По размеру выделяют поры трех групп:

1) сверхкапиллярные >0,5 мм;

2) капиллярные 0,5 — 0,0002 мм;

3) субкапиллярные 3 ;
ρw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см 3 .

Объемная влажность горной породы — отношение объема воды, находящейся в порах, трещинах и других пустотах горной породы, к объему всей породи, выраженное в процентах.

Объемный вес влажного грунта — отношение веса данного объема грунта (G) к весу воды при 4° С, взятой в объеме (V) всего грунта (объем зерен -f- объем пор):

Объемный вес влажного грунта зависит от минералогического состава, пори­стости и влажности грунта. Численно он равен весу еди­ницы объема грунта при данной пористости и влажности.

Максимального значения при данной пористости объемный вес влажного грунта достигает при полном заполнении пор водой.

Объемный вес твердой фазы (скелета) грунта— отношение веса твердых частиц или веса абсолютно сухой породы к весу воды при 4° С, взятой в объеме, равном объему всей породы (объем зерен -]- объем пор) при дан­ной пористости.

Численно объемный вес твердой фазы грунта — равен весу единицы объема грунта за вычетом веса воды в порах (при естественной пористости грунта).

Чем больше объемный вес твердой фазы грунта, тем меньше пористость и больше плотность грунта.

Для грунтов, не изменяющихся в объеме при высушивании, объемный вес твердой фазы грунта может быть определен непосредственным взвешиванием абсолютно сухого образца. Для грунтов, сжимающихся при высушивании (связные грунты), он вычисляется по формуле:

G= A/1+0,01W

где W — естественная влажность; А — объемный вес грунта при естественной влажности.

где W — естественная влажность; А — объемный вес грунта при естественной влажности.

Плотность скелета грунта — плотность сухого грунта ρ_d, г/см 3 , определяемая по формуле:

Источник