книги / Механика грунтов

Значительные работы проведены также по изучению видов и свойств воды в мерзлых грунтах1.

Перечисленные работы позволяют уже в настоящее время дать отвечающую действительности схему взаимодействия твер­ дых минеральных частиц грунтов с водой, что имеет существен­ ное значение для установления внутренних связей в грунтах, обусловливающих их прочность и устойчивость структуры. Эти вопросы будут подробно рассмотрены ниже.

Газообразная фаза в грунтах

Следует прежде всего отметить, что наличие в том или ином количестве и виде газов в грунтах существенно меняет подход к ним, как к дисперсной системе. Если грунт состоит только из минеральных частиц и его поры заполнены газом (воздухом), что может быть лишь в сухих песках и других сухих скелетных грунтах, то будем иметь одну механическую систему; если все поры грунта заполнены водой — то совершенно иную систему, изучение которой должно базироваться на исследовании взаи­ модействия твердых минеральных частиц с водой, и, нако­ нец, наиболее сложная система будет тогда, когда грунт со­ стоит из твердых минеральных частиц, поровой воды и поровых газов.

В грунтах следует рассматривать два основных вида газов: свободные и растворенные в грунтовой воде.

Свободные газы в свою очередь разделяются на: сообщаю­ щиеся с атмосферой и не сообщающиеся (так называемые замкнутые, или з а щ е м л е н н ы е газы).

Состав газообразной фазы в грунтах может значительно от­ личаться от состава атмосферного воздуха: так, в нем важную роль могут играть газы биохимического происхождения (метан и др.), а также большое содержание углекислоты, присутствие сернистых и других газов, наличие которых в атмосферном воздухе может быть ничтожным.

Газы, с о о б ща ющи е с я с атмосферой, принимают темпе­ ратуру и давление ближайших к данной точке частей атмосфе­ ры. При повышении температуры или при понижении давления атмосферы, а также под действием нагрузки на грунт такие

встречается в большинстве случаев в песчаных грунтах и особого значения при решении задач механики грунтов не имеет.

Газы з а мкну т ые (защемленные) наблюдаются в связных грунтах, главным образом в глинах. Возникновение замкнутых (защемленных) газов в глинах можно себе представить сле­ дующим образом. Чешуйки глины отделены одна от другой уз­ кими щелеобразными порами. При заполнении более широких щелей водой, которая движется под напором, находящиеся в крупных порах газы будут выходить, соединяясь с атмосферой, а пузырьки газов в узких горловинах или мелких замкнутых порах могут остаться в грунте, так как в крупных порах дви­ жение воды и газов происходит с большей скоростью, чем в узких.

Наличие в дисперсных грунтах, особенно в глинах, замкнутых пузырьков газов имеет известное значение в механике грунтов. Присутствие замкнутых газов обусловливает существование свободных поверхностей между частицами грунта, водой и пу­ зырьками газов, вследствие чего возникают силы поверхност­ ного натяжения, или капиллярные силы. Наличие в грунте пу­ зырьков газов уменьшает водопроницаемость грунта; кроме того, замкнутые газы увеличивают его упругость, так как при повышении давления (атмосферного, гидростатического или под действием нагрузки) газы претерпевают чисто упругие дефор­ мации.

Наконец, газы, ра с т в о ре нные в воде, в зависимости от химического состава по-разному могут оказывать влияние на минеральную часть грунтов; одни газы обусловливают процессы окисления, другие — карбонизацию грунтов и т. п. При повы­ шении температуры грунта и при уменьшении внешнего давле­ ния газы, растворенные в поровой воде, будут выделяться и с тем большей интенсивностью, чем выше температура грунта или большее уменьшение давления. При выделении газов происхо­ дит взрыхление (разбухание) грунтов, что существенно может сказаться, например, на объемном весе и степени насыщения водой образцов грунта, взятых из буровых скважин. Послед­ нее необходимо учитывать при инженерно-геологических ис­ следованиях и оценке механических свойств грунтов ненарушен­ ной структуры.

Окисление и карбонизация грунтов, а также растворение поровой водой тех или иных солей и минералов и выпадение их при изменении физических условий вызывают в грунтах фор­ мирование новых внутренних цементационных связей, которые существенно могут изменять и прочностные свойства грунтов.

Соотношение твердых, жидких и газообразных составляющих грунтов не остается постоянным, а претерпевает изменения под

влиянием внешних воздействий (давления, температуры и пр.), что и необходимо учитывать при оценке состава и свойств грунтов.

§ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДИСПЕРСНОЙ ЧАСТИ ГРУНТОВ

Электромолекулярные силы в грунтах

Самыми активными являются мелкие и мельчайшие мине­ ральные частицы грунтов. Удельная поверхность этих частиц (поверхность в 1 г) тем больше, чем меньше их размеры. Так, нри размере частиц в 0,001 мм удельная поверхность их изме­ ряется несколькими квадратными метрами, а еще более мел­ ких — десятками и сотнями квадратных метров. При весьма малых размерах частиц и огромной их удельной поверхности существенное значение имеют молекулярные силы, определяю­ щие природу взаимодействия как минеральных частиц между собой, так и минеральных частиц с водой.

Кристаллическая решетка минеральных частиц грунтов об­ разуется атомами составляющих ее химических элементов (см. рис. 4). Большинство атомов внутри кристаллической решетки минеральных частиц являются нейтральными, т. е. положитель­ но заряженные ядра в них уравновешиваются отрицательно за­ ряженными электронами. Потеря или присоединение к нейтраль­ ному атому одного или нескольких электронов делает атом за­ ряженным положительно или отрицательно. Такие атомы носят название ионы: с положительным зарядом — катионы и с отрицательным — анионы. Внутри минеральных частиц ионы с различными зарядами уравновешены, а на поверхности наблю­ дается неполное их уравновешивание, так как внешние электри­ ческие заряды у поверхности минеральных частиц остаются неиспользованными — свободными. Поэтому минеральные ча­ стицы ведут себя как заряженные тела, причем опыты показы­ вают, что грунтовые частицы (глинистые) заряжены отрица­ тельно. Интенсивность поверхностного заряда частиц зависит главным образом от их минералогического состава. Физические и химические проявления поверхностного заряда определяют пове рхнос тную активность минеральных частиц.

Если частицы любого вещества настолько малы, что поверх­ ностная активность существенно влияет на их свойства, то го­ ворят, что вещество находится в к о лл о ид но м с о с т о я н и и . Размер грунтовых коллоидов колеблется от 2 до 0,1 мк. Типич­ ными коллоидными свойствами является способность частиц ис­ пытывать броуновское движение (обусловленное толчками мо­ лекул) и ко а г у ли ро в а т ь с я (слипаться) в воде при нали­ чии электролитов.

Особенно поверхностная активность минеральных частиц проявляется во взаимодействии их с молекулами воды. Как из­ вестно, вода состоит из полярных молекул с ионами водорода, заряженными положительно, и ионом кислорода, заряженным отрицательно. При действии внешнего электрического поля про­ исходит поляризация молекул, которая для диполей воды вы­ ражается в орие нт ации их в электрическом поле.

Известно далее, что диэлектрическая постоянная минераль­ ных частиц значительно больше диэлектрической постоянной воды, поэтому при соприкосновении минеральных частиц с во­ дой возникает электрическое поле с избыточной энергией на по­ верхности минеральных частиц, что и обусловливает притяже­ ние ориентированных диполей воды к поверхности минераль­ ных частиц.

Электромолекулярные силы притяжения действуют на весьма близких расстояниях от поверхности грунтовых частиц. Величи­ на этих сил у поверхности минеральных частиц, определяемая молекулярным строением частиц, огромна, но по мере удаления от грунтовой частицы быстро падает до нуля. Сфера действия мо­ лекулярных сил зависит также от состава грунтовой воды и по данным Гохбера1 распространяется от нескольких молеку­ лярных слоев воды до десятков их при общей толщине слоя по Дерягину2 до 0,1 м к.

Молекулы воды адсорбируются поверхностью минеральных частиц и в свою очередь притягивают другие слои воды, образуя гидратные оболочки вокруг минеральных частиц.

По исследованиям Ф. Лоу3, упорядочение структуры воды поверхностью глинистых частиц распространяется на расстояние до 60 А° (ангстремов) и по мере удаления от поверхности ста­ новится менее правильной. Однако структуры адсорбирован­ ной воды и льда неидентичны, но сходны тем, что имеют плот­ ность, меньшую, чем несвязанная вода, и в обоих случаях структурная связность обусловлена атомами водорода.

Гидратные оболочки частиц (лиосфера)

На рис. 5 представлена схема взаимодействия молекулярных сил на границе раздела твердой частицы и воды, а также схе­ ма связанности (ориентации) молекул воды в электрическом

поле грунтовой частицы. Рис. 5,а дает схематическую картину ориентации поверхностью твердой частицы и отдельными ка­ тионами диполей воды, при этом минеральная частица (как, например, у природных глин) заряжена отрицательно. Рис. 5, б схематически показывает ориентацию молекул воды в электри-

ческом поле грунтовой частицы. Наибольшие силы притяжения испытывают ряды молекул, непосредственно соприкасающихся с поверхностью минеральной частицы. По мере удаления от нее электромолекулярные силы значительно уменьшаются, и на не­ котором расстоянии молекулы воды будут уже неориентирован­ ными, находящимися в свободном от поверхностных сил состоя­ нии. На рис. 5, в схематически изображена эпюра изменения

электромолекулярных сил в зависимости от расстояния до по­ верхности грунтовой частицы. Как видно из этой схемы, вели­ чина электромолекулярных сил быстро снижается по мере уве­

Св я з а н н а я вода имеет совершенно иные свойства, чем вода свободная. Как показали исследования проф. Б. В. Деря­ гина1, А. В. Раковского12 и др., связанную воду следует рас­ сматривать как находящуюся в особо тве рдом состоянии, так как ее молекулы не обладают подвижностью и ориентированы в строгом порядке в виде цепочек. Слои связанной воды обла­ дают определенной структурой, отличной, однако, от структуры обыкновенного льда. При этом необходимо иметь в виду, что не всю молекулярно связанную воду (как это делают некото­ рые авторы), а только лишь прочно связанные слои следует относить к системе твердых частиц.

По исследованиям проф. А. В. Думанского3, в торфах проч­ но связанная вода составляет около 30%, а вода диффузных оболочек — около 1500% от веса сухого торфа (т. е. приблизи­ тельно в 50 раз больше). Опыты также показывают, что и в других высокодисперсных грунтах количество воды диффузных оболочек во много раз превосходит количество связанной. По­ этому в физике и механике грунтов следует обращать особое внимание на свойства диффузной воды. Прочно связанную воду (твердую) следует объединять с системой твердых минераль­ ных частиц.

Плотность связанной воды больше, чем свободной. Так, по данным А. Котукова 4, при коэффициенте гидрофильности (отно­ шение веса связанной воды к весу сухого вещества), равном 0,25, плотность связанной воды равнялась 1,36 г/см3, при коэф­ фициенте же гидрофильности 0,15 плотность достигала 1,81 г!см3.

Еще ранее А. В. Раковский и Т. Полянский5 нашли, что плот­ ность связанной воды на поверхности порошка крахмала состав­ ляла 1,28—2,45 г/см^. Из приведенных данных следует, что чем

тоньше слой связанной воды (меньше коэффициент гидрофиль­ ности), тем больше ее плотность.

Вязкость связанной воды также отличается от вязкости во­ ды свободной, при этом, чем тоньше пленки связанной воды, тем больше ее вязкость, что можно установить непосредственными опытами.

Как показали исследования Б. В. Дерягина6, связанная во­

будет тем больше, чем тоньше слой воды. Так, при толщине пленки воды в 0,15 мк модуль сдвига еще очень мал, а при толщине около 0,09 мк (т. е. пленка тоньше примерно в 2 раза) модуль сдвига достигает 200 кг/см2.

Своеобразными свойствами обладает связанная вода при замораживании, обнаруживая в зависимости от толщины пленки различную температуру замерзания, причем значительно более низкую по сравнению с водой свободной.

Рассмотренные аномальные свойства связанной воды обусло­ вливают неподвижность адсорбированных у поверхности мине­ ральных частиц слоев воды, лишая их свободной текучести, свойственной жидкостям, и тем самым блокируя наиболее узкие и сужая более широкие поры между частицами грунта. В ре­ зультате, наблюдается значительное уменьшение водопроницае­ мости особенно глинистых грунтов, а при небольших гидравли­ ческих градиентах — даже полная их водонепроницаемость.

Отметим, что вода диффузного слоя может перемещаться в водонасыщенных грунтах под влиянием разности напоров сво­ бодной воды. Молекулы связанной воды значительно труднее изменяют свое положение, однако и они могут отрываться под влиянием фильтрационного потока, для чего требуется началь­ ный градиент напора некоторой величины. При этом, чем боль­ ше скорость фильтрационного потока, тем большие изменения он может вносить в слои связанной воды.

Отметим также, что перемещение связанной и ориентирован­ ной (диффузной) воды наблюдается и при увеличении внешнего давления, когда часть воды диффузных оболочек будет выжи­ маться из областей контактов минеральных частиц. При сжа­ тии полностью гидратированных частиц уменьшается расстоя­ ние между катионами диффузного слоя, возникают электроста­ тические силы отталкивания, которые уравновесят внешнее дав­ ление. При дальнейшем увеличении давления диффузные обо­ лочки вновь сжимаются, выдавливается новая порция воды, на более близком расстоянии возникают увеличенные силы от­ талкивания, которые вновь уравновешивают внешнее увеличен­ ное давление. При разгрузке вследствие преобладания сил от­ талкивания и электроосмотических явлений твердые частицы раздвинутся и будет наблюдаться «расклинивающий эффект» тонких слоев воды (по Дерягину).

Значение ионного обмена в грунтах

Вода, наполняющая поры грунта, представляет собой сла­ бый раствор тех или иных солей, в котором при соприкасании с минеральными частицами возникает ионный обмен, или об­ менная адсорбция — ионы из раствора заменяются ионами из

минеральных частиц. Поэтому при ионном обмене поверхность минеральных частиц резко изменяется, что в свою очередь ока­ зывает влияние на водопроницаемость грунта, его пластичность и пр.

Состав обменных ионов в гидратных оболочках частиц силь­ но влияет на свойства и поведение глинистых грунтов. При ион­ ном обменё натяжение воды изменяется, что обусловливает и изменение капиллярных сил в грунтах — положительно адсор­ бирующиеся вещества понижают поверхностное натяжение, а отрицательно адсорбирующиеся — повышают, увеличивая кон­ центрацию оставшейся части раствора.

На ионный обмен в дисперсных грунтах влияют: минерало­ гический состав твердых частиц и их дисперсность, строение частиц, концентрация электролитов в растворе (чем больше кон­ центрация, тем больше и ионный обмен), природа обменных ионов, их валентность (наибольшей активностью обладают трех­

валентные ионы железа Ре, затем двухвалентные М§, Са и т. д.), а также концентрация водородных ионов рН. Вода всегда дис­ социирует (распадается), хотя и в небольшом количестве, на ионы водорода (Н+) и гидроокисные ионы ОН. В химически чистой воде концентрация водородных ионов рН= 7, в кислых водах рН<7, а в щелочных, наоборот, рН>7. Чем больше рН, тем адсорбируется большее количество вещества.

Важно отметить, что ионный обмен в дисперсных грунтах является областью, действуя на которую даже очень малым количеством химических веществ (электролитов) можно весьма существенно изменить свойства грунтов, их пластичность, проч­ ность и пр., что открывает широкие возможности преобразова­ ния грунтов в нужном для практики направлении.

Влияние электролитов

Одним из свойств грунтовых коллоидов является способ­ ность их коагулировать, т. е. слипаться в хлопья при наличии в воде электролитов.

Электролитная коагуляция происходит под влиянием увели­ чения в растворе количества солей (электролитов), что также может быть в грунтах при испарении влаги, при заморажива­ нии и пр., снижая С-потенциал до некоторой критической вели­ чины.

Коагулируют ионы, обеспечивающие дегидратацию, зарядом, противоположным заряду коллоидных частиц; например, в гли­ нистых коллоидах — катионы, ионы же, заряженные одноимен­ но, являются пептизаторами, увеличивающими дисперсность си­ стемы частиц.