Природа грунтов, их состав и строение

Грунты являются преимущественно осадочными обломочными горными породами, т.е. представляют собой продукты выветривания различных горных пород, прошедшие стадии изменения в процессе их переноса, отложения и диагенеза. Механика грунтов рассматривает грунты, которые по определению ГОСТ 25100-2011[5] называются дисперсными, то есть грунты, состоящие из совокупности твердых частиц, зёрен, обломков и других элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи.

Грунты имеют весьма сложный состав и этим существенно отличаются от любых других материалов, применяемых в строительстве.

Грунты являются многофазными системами. В их состав входят следующие компоненты: твердый (минеральные частицы грунта), жидкий (вода) и газообразный (воздух). Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов. Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или паром, называют порами. Систему минеральных частиц, составляющих грунт, называют его скелетом. Между минеральными частицами грунта могут существовать структурные связи, прочность которых определяет степень связности грунта (рис.1.1).

В состав некоторых грунтов входят органические вещества, которые существенно влияют на их физические свойства.

Рис. 1.1. Компоненты грунта как многофазной системы:

1 – минеральные частицы (твердая фаза); 2 – структурные связи между минеральными частицами; 3 – поры, заполненные газом; 4 – поры, заполненные водой и растворенным в воде газом; 5 – защемленные в воде пузырьки газа

Твердые частицы. Свойства грунтов в значительной степени определяются размерами и минералогическим составом слагающих их твердых частиц. Минеральные частицы могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами. Согласно ГОСТ 25100-2011[5] слагающие грунт элементы разделяются на фракции (табл.1.1).

  Грунты, в которых более 50 % массы составляют частицы размером от 2 до 0,05 мм, относятся к песчаным, а грунты, состоящие, в основном, из пылеватых и глинистых (не менее 3 %) частиц, - к глинистым.  

  Минералогический состав твердых частиц грунта оказывает существенное влияние на его физические свойства. Часть минералов (кварц, полевой шпат, слюда и др.) инертна по отношению к воде, окружающей минеральные частицы. Эти минералы не меняют своих свойств при изменении содержания воды. Грунты, сложенные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. К таким грунтам относятся, в основном, пески и крупнообломочные грунты. Другие минералы (монтмориллонит, каолинит, иллит и другие глинистые минералы) активно взаимодействуют с водой за счет своей большой удельной поверхности. Поэтому даже малое содержание таких частиц резко изменяет свойства грунтов.

Таблица 1.1

Гранулометрические фракции грунтов

  Вода в грунте, ее виды и свойства. Содержание воды в грунтах в значительной степени предопределяет их свойства. Это объясняется взаимодействием молекул воды с твердыми частицами грунта вследствие наличия электромолекулярных сил. Твердые частицы грунта имеют на поверхности отрицательный электрический заряд, а молекулы воды представляют собой диполи. Попадая в поле заряда частицы грунта, молекулы воды ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоем молекул воды. Электромолекулярные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности очень велики, но по мере удаления от нее быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля. Самые близкие к твердой частице слои 1 – 3 ряда молекул воды называются прочносвязанной адсорбированной водой. Такую воду невозможно удалить из грунта ни огромным внешним давлением, ни действием напора воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей твердые частицы, образуют слои рыхлосвязанной воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта только высоким внешним давлением. Такую воду называют пленочной водой. Количество пленочной воды в глинистых грунтах определяет их пластичность, прочность, ползучесть и другие свойства.

Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил, образуют свободную воду. Свободной является гравитационная вода, движение которой происходит под действием силы тяжести, и капиллярная, движущаяся силами капиллярного натяжения воды. Так как эта вода заполняет поры грунта, ее также называют поровой водой. Минеральные частицы специфических грунтов, а также связи между ними могут состоять из растворимых солей. Миграция поровой воды может приводить к растворению солей и появлению в поровой воде растворов солей, кислот и щелочей, что делает ее агрессивной по отношению к конструкциям фундаментов.

На рис. 1.2 показана схема расположения молекул воды около поверхности частицы грунта.

Рис. 1.2. Схема расположения молекул воды

  Газообразные включения. Газ в грунтах может находиться в виде пузырьков, окруженных поровой водой, в растворенном виде (в поровой воде) или в свободном виде (сообщающийся с атмосферой). В основном, газообразную фазу грунта составляет атмосферный воздух или водяной пар. Но кроме этого в грунтах могут содержаться другие газы, например, метан или родон. Пузырьки газа, находящиеся в порах грунтов, и растворенный в поровой воде газ придают грунтам упругие свойства и оказывают влияние на их сжимаемость и деформируемость во времени. Газ, сообщающийся с атмосферой, не имеет особого значения в механике грунтов.

  Органические вещества в грунтах находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса. Наличие органических веществ ухудшает строительные свойства грунтов.

  Следует различать структуру грунта, т.е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними, и текстуру грунта, т.е. сложение грунта в массиве.