Состав грунтов. Форма, размеры, взаимное расположение и свойства минеральных частиц. Органические примеси. Виды воды в грунтах и их свойства. Роль газообразной составляющей

 

В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и воздуха или иного газа (газообразного тела), т.е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 2).

Соотношение этих компонентов обуславливает многие свойства грунтов. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой.

В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, растворенный в поровой воде, находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.

В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед (пластичное тело). Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.

 

 

Рис. 2. Состав грунта:

а – инертные минералы; б – растворимые минералы; в – коллоидно-активные минералы; г – органическое вещество;

☼ – биота

 

Биота (от греч. biotē — жизнь), исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объединённых общей областью распространения.

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует скелет (каркас) грунта. Поровая вода и газ располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами.

Инертные минералы не вступают во взаимодействие с водой и растворенными в ней веществами. Грунты, полностью сложенные инертными минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, большинство метаморфических и часть осадочных. Из осадочных пород инертными минералами сложены пески, крупнообломочные грунты и образующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты.

Растворимые в воде минералы, даже их малое содержание, оказывают существенное влияние на свойства грунтов. К ним относят галит NaCl, гипс CaSO₄·2H₂O, кальцит CaCO₃ и др. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно, поэтому такие грунты считаются надежными основаниями. Кислые дожди и утечки кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка. Также в грунтах встречаются нестойкие минералы, которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу. Существуют грунты, у которых в сухом состоянии частицы скреплены растворимыми минералами. При их увлажнении происходит разрушение водорастворимых связей, и грунт может деформироваться даже под действием собственного веса (лессовые просадочные грунты).

Глинистые минералы выделяют в отдельную группу коллоидно-активных минералов. Они не растворимы в воде, но в силу своих чрезвычайно малых размеров обладают высокой коллоидной активностью. Даже малое содержание глинистых частиц в общей массе грунта резко изменяет его свойства. К глинистым минералам относят каолинит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженные свойства гидрофильности.

Гидрофильность — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой.

Существуют грунты, обладающие способностью увеличивать свой объем при замачивании (набухающие грунты).

Минеральные частицы классифицируют по размеру на:

- крупнообломочные, размером крупнее 2 мм;

- песчаные, размером от 2 мм до 0,05 мм;

- пылеватые, размером от 0,05 до 0,005 мм;

- глинистые, размером менее 0,005 мм.

Частицы менее 0,0001 мм называют коллоидными.

Органическое вещество у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а на глубине – в виде нефти, угля, природного газа. Активизация жизнедеятельности в грунте, как правило, снижает его прочность, отмирание живых организмов приводит к повышению прочности грунтов. Гумус, образующийся при отмирании растений и микроорганизмов, изменяет свойства грунта, в котором он содержится.

Свойства всех разновидностей грунтов, а особенно песчаных, пылеватых и глинистых, существенным образом зависят от содержащейся в них жидкой составляющей. Выделяют следующие состояния воды в грунте (рис. 3): кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.

 

 

Рис. 3. Схема взаимодействия частиц грунта с водой: