Структура грунта
Под структурой грунта подразумевается расположение твёрдой фазы в земляной массе. Как известно, грунт состоит из твёрдых частиц и пор, заполненных водой, воздухом или водяным паром, чаще всего частично воздухом, частично водой. По расположению твёрдых частиц в грунте определяется его структура. Структуры несвязанного и связанного грунта существенно различаются между собой.
Структура несвязанного грунта
Структура несвязного грунта формируется под действием силы тяжести. Твердые частицы этого грунта крупнее и опускаются вниз, осаждаются под действием силы тяжести, тогда как межмолекулярные силы притяжения таких частиц отсутствуют или незначительны и преодолеваются силой тяжести. Поэтому в несвязном грунте твердые частицы располагаются одна рядом с другой, занимая свободное пространство между уложенными частицами (рис. 1_a_). Если частицы несвязного грунта имеют примерно округлую форму и одинаковый размер, как это может быть в случае песка однородного состава, то структура может быть наиболее плотной (рис. 1_b_) или наиболее рыхлой (рис. 1_c_), в зависимости от расположения твердых частиц в грунте. Наиболее плотная структура соответствует наибольшей возможной плотности несвязного грунта, и его пористость равна nmin=26%. Наиболее рыхлая структура соответствует наименьшей возможной плотности несвязного грунта, и его пористость равна nmax=48%. Так, например, рыхлый песок дюн имеет n=47%.
Рис. 1 Структура несвязного грунта
Если несвязный грунт имеет зерна различной крупности, так что более мелкие частицы заполняют пустоты между более крупными (рис. 2), пористость грунта значительно меньше (n=20% и меньше).
Рис. 2. Структура несвязного грунта различной крупности зерен
Структура связного грунта
У связного грунта структура иная, чем у несвязного. В связном грунте возникают силы сцепления, которые сильнее силы тяжести мелких частиц и склеивают их в местах соприкосновения. Поэтому эти частицы не оседают последовательно вниз, а остаются слепленными одна на другой и одна рядом с другой (рис. 3_a_), образуя таким образом цепочно-сетчатую структуру (рис. 3_b_), хлопьевидную (рис. 3_c_) и т. д., которые называются структурами высшего порядка. Такие структуры обладают большой пористостью, которая может достигать 60-80% общей массы, чего не бывает у несвязного грунта.
Рис. 3. Структура связного грунта
Пористость и коэффициент пористости
Пористость грунта определяется отношением объема пор к общему объему грунта (рис. 4).
Рис. 4. Пористость и коэффициент пористости грунта
Если обозначим
- Vp = объем пор в грунте
- Vm = объем твердых частиц
- V = общий объем грунта,
пористость грунта n по определению
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
то есть в % общего объема грунта
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Коэффициент пористости грунта определяется отношением объема пор к объему твердых частиц:
e = VP / Vm.
Из формулы для пористости n имеем:
nVP + nVm = VP, откуда Vm = VP(1-n) / n.
Подставляя это значение в формулу для e, получаем
e = n / (1-n).
Из этого уравнения получаем
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Коэффициент пористости показывает плотность грунта. Чем больше коэффициент e, тем меньше плотность грунта, и наоборот. Если какой-либо сжимаемый грунт под нагрузкой оседает, по коэффициенту пористости до и после осадки можно определить величину осадки Δ_h_.
Рассмотрим слой сжимаемого грунта толщиной h (рис. 5_a_). Если нагрузить этот слой, он осядет на величину Δ_h_, так что его толщина вследствие нагрузки уменьшится до h1. Следовательно
Δ_h_ = h – h1.
Поскольку осадка сжимаемого грунта происходит за счет пор, так как твердые частицы практически несжимаемы, а также и вода, если поры грунта заполнены ею частично или полностью, то эту осадку можно схематически представить на рис. 5_b_.
Рис. 5. Осадка Δh сжимаемого слоя грунта толщиной h под нагрузкой
Если обозначим через h0 воображаемую высоту слоя твердых частиц без пор, называемую сокращенной высотой, тогда осадку Δ_h_ по отношению к сокращенной высоте h0 можно выразить соотношением:
Если рассматривать слой грунта шириной и длиной, равными единице, то высоты h, h1 и h0 представляют собой объемы, и тогда
где e — коэффициент пористости до, e1 после осадки. Из предыдущего получается осадка
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Осадку можно выразить по отношению к высоте слоя h до осадки, если заменить значение приведенной высоты h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
поскольку n = VP / V = VP / h_, откуда VP = nh.
Следовательно, получается
Отдельные виды грунтов имеют следующие средние значения пористости n и коэффициента пористости e:
Влажность грунта
Виды воды в грунте
Вода в грунте встречается в виде воды в порах между твердыми частицами, так называемой поровой воды, затем как адсорбированная вода на твердых частицах и как конституционная вода.
Поровая вода состоит из свободной воды между твердыми частицами, движение которой происходит по закону Дарси, затем из гравитационной воды, которая движется под действием силы тяжести сверху вниз во всех направлениях, но ее движение не подчиняется закону Дарси, капиллярной воды, которая движется под действием капиллярных сил, и воды поверхностного натяжения, которая удерживается поверхностным натяжением в углах между твердыми частицами грунта и называется также угловой поровой водой. Вся эта вода может быть полностью удалена сушкой грунта при температуре 110oC.
Адсорбированная вода — это вода, которая покрывает твердые частицы, с которыми она связана молекулярными силами. Это так называемая водяная пленка, толщина которой составляет 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, миллимикрон). Влияние адсорбированной воды у более крупных частиц незначительно, однако чем мельче частицы, тем больше ее влияние, поскольку увеличивается общая поверхность частиц, а тем самым и отношение адсорбированной воды к твердым частицам в единице объема грунта. Эта вода может быть лишь частично удалена сушкой при 110oC.
Конституционная вода химически связана в кристаллах минералов твердых частиц грунта. Этой воды очень мало, и она не может быть удалена сушкой грунта. Поэтому эту воду можно считать составной частью твердой частицы.
Количество воды в грунте
По определению количество воды в грунте, или влажность грунта, — это отношение веса воды, содержащейся в грунте, к весу его твердых составляющих. По содержанию воды в грунте различают три случая: грунт полностью насыщенный водой, грунт частично насыщенный водой и грунт полностью сухой.
Грунт полностью насыщен водой
Если обозначить n как пористость грунта, γs как объемный вес всех частиц, γw как объемный вес воды, то влажность насыщенного грунта wZ можно выразить следующим уравнением
Грунт частично насыщенный водой
Если обозначить Ww вес воды, содержащейся в грунте, а Wd — вес твердых частиц, то есть сухой вес грунта, то влажность грунта w
w = Ww / Wd , то есть в процентах от сухого веса грунта: w = 100 Ww / Wd.
В этом случае влажность грунта можно выразить степенью влажности Sr, которая представляет собой отношение фактического веса воды в грунте к тому весу воды в том же грунте, который был бы, если бы все поры были заполнены водой, т. е. к весу воды насыщенного грунта:
соотв. для _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Предельные значения степени влажности таковы:
- для полностью сухого грунта w = 0; Sr = 0
- для полностью насыщенного грунта w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Рис. 6. Образец грунта, частично насыщенный водой
Степень насыщения (которую иногда также называют насыщенностью или степенью влажности) выражается еще и отношением объема пор, заполненных водой, к общему объему пор (рис. 6):
Sr = V2 / V1
где V2 — объем пор, заполненных водой, V1 — общий объем пор, заполненных водой, воздухом и газами. Если w — влажность грунта в % от сухого веса грунта Wd, то имеем
V2 * γW = w Wd, отсюда V2 = w Wd / γw.
С другой стороны, имеем, что V1 = V – Vd, а поскольку Vd * γs = Wd, то
Vd = Wd / γs и V1 = V – Wd / γs.
Следовательно, степень насыщения грунта Sr будет
то есть в процентах от сухой массы почвы
Грунт полностью сухой
В этом случае w = 0. Вся поровая вода удалена, тогда как адсорбированная вода удалена лишь частично, то есть водяная пленка все еще существует, но ее толщина уменьшена.