Грунтовые воды


 

 

Вода в горных породах может находиться в парообразном, жидком и твердом состоянии. Состояние и свойства воды, находящейся в горных породах, были детально изучены русским ученым А. Ф. Лебедевым. Позднее в классификацию А. Ф. Лебедева были внесены поправки и дополнения, но сущность его представлений не изменилась (см. схему). Жидкая вода в грунтах делится на два вида: связанная и свободная. В свою очередь, связанная вода включает в себя прочносвязанную и рыхлосвязанную. Каждый из видов воды в грунтах оказывает большее или меньшее влияние на физикомеханические свойства грунтов. Особенно это влияние сказывается на глинистых грунтах.

Грунтовые воды

Молекулярная вода (прочно и рыхлосвязанная) вступает во взаимодействие с поверхностью глинистой частицы. Молекула воды (диполь), попадая в электрическое поле отрицательной частицы, притягивается огромными электромолекулярными силами притяжения. Эти молекулы и составляют прочносвязанную воду (толщина слоя – 1-2 молекулы). Прочносвязанная (гигроскопическая) вода обладает рядом свойств, отличающих ее от жидкой воды. Она не растворяет солей, не проводит электричество, не передает гидростатического давления, имеет плотность 2 г/см3, замерзает при температуре -78°С. Она неподвижна, при t=105 ОС переходит в парообразное состояние и начинает перемещаться.

Рыхлосвязанная вода образует второй сплошной и более толстый (до 100 молекул) слой вокруг частиц. Удерживается на поверхности частиц пленочная вода за счет тех же сил, что и гигроскопическая, но значительно ослабленных. Силы электромолекулярного притяжения, чрезвычайно большие непосредственно у поверхности частиц, быстро уменьшаются по мере удаления от нее. Пленочная вода по свойствам отличается как от гигроскопической, так и от свободной воды. Она обладает повышенной вязкостью, упругостью, замерзает при температуре -2°С, не передает гидростатического   давления.   Пленочная вода может передвигаться от частицы к частице из мест, где пленки воды толще, к местам, где они тоньше. Общая толщина гидратной оболочки может быть различна для различных пород и увеличивается с уменьшением размера твердых частиц. С пленочной водой связаны такие важные свойства глинистых пород, как набухание, усадка, пластичность, липкость.

Максимальное количество связанной воды, которое может содержаться в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью.

Чем больше пористость и влажность грунта, тем слабее связи между его частицами. Поэтому пористость и влажность определяют прочность грунта.

При влажности больше максимальной молекулярной влагоемкости в породе содержится свободная вода. Свободная вода делится на капиллярную и гравитационную. Капиллярная вода заполняет мелкие поры, поднимается по ним против силы тяжести на некоторую высоту и удерживается силами поверхностного натяжения менисков.

В крупнообломочных грунтах (щебень, галька) высота поднятия около   1-2см, в мелких и пылеватых песках – 30-40см, в глинистых грунтах до 2,5м. Эта вода вызывает сырость в подвалах и нижних этажах зданий.

Гравитационная вода заполняет наиболее крупные поры и трещины. Она может находиться в состоянии покоя или движения (перемещается под действием силы тяжести или разности уровней). Если гравитационная вода находится в состоянии покоя и между частицами воды существует гидравлическая связь, то она будет взвешивать частицы породы по закону Архимеда. Такое взвешивающее давление воды называется гидростатическим. Явление взвешивания частиц породы водой необходимо учитывать при определении давления породы на ограждения, при расчете фундаментов, на которые также действует гидростатическое давление, при расчете устойчивости склонов, дна и откосов котлованов и т. д.

Если гравитационная вода в горных породах находится в движении, то она, кроме гидростатического давления, будет оказывать на частички породы и сооружениягидродинамическое давление. Гидродинамическое давление находится в прямой зависимости от значения гидравлического градиента.

Гидравлический градиент – разница пьезометрических уровней, отнесенная к пути фильтрации.

При постоянном увеличении гидродинамического давления частички рыхлых пород могут перейти в состояние невесомости. Гидравлический градиент, соответствующий состоянию невесомости горных пород, называется критическим и численно близок к единице. При больших значениях гидравлического градиента грунтовые частицы могут в определенных условиях увлекаться и уноситься водным потоком. Большое значение имеет направление действия гидродинамического давления. При действии его сверху вниз горные породы уплотняются, при действии снизу вверх — разрыхляются. Действующее снизу вверх гидродинамическое давление может приводить к подъему дна котлована и выталкиванию фундамента.

Парообразная вода содержится в воздухе, заполняющем поры, трещины и пустоты горных пород. Количество ее зависит от температуры и влажности породы, а также от упругости водяных паров в атмосфере данного района на определенный момент времени. Парообразная вода способна перемещаться от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей упругостью. При понижении температуры она может конденсироваться, образуя капельно-жидкую воду.

Твердая вода (лед) образуется в грунтах из гравитационной воды при температуре ниже 0 °С. Лед может содержаться в горных породах в виде отдельных кристаллов, линз или прослоек, достигающих иногда значительных мощностей, особенно в районах многолетней мерзлоты.



Реклама