Свойства грунтов. Факторы их определяющие

Под свойством грунта понимается особенность, обуславливающая его различие или сходство с другими грунтами (или телами) и проявляющаяся во взаимодействии с ними или с различными полями и веществами (например, цвет, пластичность, прочность, электропроводность и др.). Существует бесчисленное множество свойств грунтов. Выделяют классы химических, физико-химических, физических, физико-механических и биотических свойств грунтов, отличающиеся своей природой.

Химические свойства грунтов характеризуют происходящие в них химические изменения, их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами. Они проявляются во всевозможных химических реакциях и равновесиях, протекающих в грунтах, в растворимости грунтов, их химической поглотительной способности, особенностях кислотно-основных свойств, химической агрессивности грунтов и др. Растворимостью грунтов наз-ся их способность образовывать с другими веществами растворы, т.е. гомогенные смеси переменного состава, количественно характеризуется концентрацией насыщенного раствора (г/л, моль/л…), также особой величиной – произведением растворимости ПР. Химической поглотительной способностью грунтов наз-ся образование в них труднорастворимых соединений в результате протекания химических взаимодействий между твердой жидкой и газовой фазами. Кислотность – свойство грунта, обусловленное его химическим составом, активностью и распределением ионов Н+. Общая кислотность обусловлена суммой актуальной и потенциальной кислотности. Выделяют общую и актуальную щелочность первая характеризуется общим количеством основных компонентов в грунте, вторая обусловлена свободными ионами ОН-, также она характеризуется величиной рН. В широком смысле под агрессивностью грунтов принимают их негативное влияние на различные компоненты природно-технических систем, включая развитие неблагоприятных процессов, влияние на биоту и др. В узком смысле под агрессивностью понимают негативное химическое и физико-химическое влияние грунтов на строительные материалы инженерного сооружения, приводящее к разрушению его частей.

К физико-химическим относят свойства грунтов, проявляющиеся в ходе различных физико-химических взаимодействий и явлений, происходящих на границах раздела фаз или в объеме всего грунта. Значительную роль среди них играют взаимодействия на поверхностях или границах раздела фаз грунта, обладающих поверхностной энергией, и обуславливающие различные поверхностные физико-химические явления, такие как концентрирование фаз на границах раздела (адсорбция), ионный обмен, адгезия, смачивание, капиллярность и т.д. Эту группу свойств можно назвать физико-химическими поверхностными. Другие физико-химические свойства, хотя и связаны с поверхностными процессами и явлениями, но проявляются во всем объеме грунта, как например, процессы диффузии, осмоса, набухания, усадки, размокания и др. Эту группу физико-химическими объемными. Обе эти группы свойств, деление между которыми условно, играют очень очень важную роль в оценке инженерно-геологических особенностей грунтов, в первую очередь дисперсных. Адсорбцией называется концентрирование вещества (адсорбата) из объема фаз на поверхности раздела между ними. Различают физическую адсорбцию, являющуюся результатом проявления молекулярных сил и электростатических взаимодействий, и химическую адсорбцию (хемосорбцию), при которой адсорбат вступает в химические реакции с адсорбентом. Ионный обмен – процесс поглощения поверхностным слоем грунта ионов их порового раствора электролита, сопровождающийся переходом в раствор эквивалентных количеств ионов из грунта (без разрушения его кристаллической структуры), поглощенных им ранее. Оценивается емкостью обмена грунта (конц.свособных к обмену ионов в поглощенном комплексе ионита). Адгезия – прилипание жидкости или твердых частиц к разнородным твердым поверхностям. Когезия – взаимодействие молекул внутри одного тела, например, жидкости или минерала. Аутогезия – слипание друг с другом минеральных частиц одинакового состава в воздушной или жидкой среде. Липкость грунтов – способность прилипать к внешним разнородным предметам, взаимодействующим с данным грунтом. Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации одного вещества в объеме другого под влиянием теплового движения атомов и молекул или более крупных частиц, например, коллоидных. Осмос – движение растворителя через полупроницаемую перегородку, причиной которого является наличие градиента концентрации. Капиллярные свойства обусловлены искривлением поверхности поровой жидкости при смачивании минеральной поверхности и возникновением капиллярного давления, наиболее ярко они проявляются в капиллярно-пористых грунтах в виде капиллярного поднятия воды и смачивания. Набухаемость – способность грунтов увеличивать свой объем и развивать давление набухания в процессе их гидратации или взаимодействия с химическими растворами. Характеристики: относительная деформация набухания, влажность свободного набухания, давление набухания, скорость набухания, период набухания. Усадочность – способность уменьшать свой объем в процессе дегидратации, характерно для дисперсных грунтов с коагуляционными структурными связями. Характеристики: относительная линейная усадка, относительная линейная усадка, влажность на пределе усадки, коэффициент усадки. Водопрочность- способность сохранять свою механическую прочность и устойчивость в водной среде. Характеризуется размокаемостью (потеря связности при замачивании в спокойной воде), размягчаемостью (способность скальных грунтов снижать прочность при взаимодействии с водой), размываемость (способность разрушаться под влиянием движущейся воды) – поверхностная, волновая, суффозионная.

Физические свойства грунтов. Плотностные свойства. Плотность – физическое свойства грунтов, количественно оцениваемое величиной отношения из массы к занимаемому объему. При ИГ исследованиях используют следующие характеристики: плотность твердых частиц грунта, плотность грунта, плотность скелета грунта, плотность грунта под водой, плотность скелета высушенного грунта и т.д.

Гидрофизические свойства. Влагоемкость грунта – способность вмещать максимальное кол-во воды, обусловленное структурными связями, прежде всего – категорией пористости (полная, капиллярная…). Влагоотдача – способность водонасыщенных грунтов отдавать воду путем ее свободного вытекания. Водопоглощение – способность грунта поглощать воду при погружении его в воду в обычных условиях, при атмосферном давлении и комнатной температуре. Водонасыщение – способность впитывать воду грунтом при помещении его в воду при специальных условиях. Водопроницаемость – способность водонасыщенных грунтов пропускать сквозь себя воду за счет градиента напора. Существует еще влагопроводность (в не водонасыщенных грунтах, термовлагопроводность – под действием градиента температуры).

Теплофизические свойства. Теплоемкость – способность грунтов поглощать энергию при теплообмене. Удельная = количество тепла, которое необходимо сообщить единице массы грунта для изменения его температуры на 1С при отсутствии фазовых перезодов (Дж/г*К). Объемная теплоемкость = количество тепла, которое необходимо сообщить единице объема грунта для изменения его температуры на 1С (Дж/м³*К). Теплопроводность характеризует способность грунтов проводить тепло, оценивается коэффициентом теплопроводности, который представляет собой величину, равную количеству тепла, проводимого грунтом в единицу времени через единицу площади при температурном градиенте равном 1 (Вт/м*К). Температуропроводность характеризует скорость распространения изменения температуры вследствие полглощения или отдачи тепла. Коэффициент температуропроводности = теплопроводности грунта с объемной теплоемкостью, равной 1. Морозостойкость – способность грунтов сопротивляться воздействию отрицательных температур, оценивается коэффициентом морозостойкости (=R после замораживания /R до замораживания).

Электрические свойства. Электропроводность – способность грунтов проводить эл.ток, характеризуется удельным электрическим сопротивлением. Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическая сила, действующая на любой заряд в данной системе, меньше, чем в вакууме.

Электрокинетические свойства. Электроосмос – движение жидкости в капиллярно-пористой системе под действием приложенной к ней разности электрических потенциалов (от анода к катоду). Электрофорез – движение дисперсных частиц в жидкости под действием приложенной к систем разности электрических потенциалов.

Магнитные свойства. Намагниченность – результирующий магнитный момент объема или единицы массы грунта, вызванный однородным магнитным полем (диамагнетики, ферромагнетики, парамагнетики). В геологии широко используют еще показатели магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности.

Есть еще радиоационные, газофизические свойства, думаю, и без них достаточно…

Биотические свойства грунтов. Это особенности,обусловленные присутствием и жизнедеятельностью в них живых компонентов от макро- до микроуровня. Биологическая активность – способность создавать относительно благоприятные условия для развития и жизнедеятельности в них биоты. Биологическая поглотительная способность – их возможность, обусловленная присутствующими в них макро- и микроорганизмами, потреблять из внешней среды, взаимодействующей с грунтом, различные компоненты – жидкие, газовые и твердые. Есть еще биоагрессивность и биокоррозия.

Физико-механические свойства грунтов – особенности, которые обуславливают их различие или сходство с другими грунтами при механическом воздействии и проявляются при их взаимодействии с внешними нагрузками. В зависимости от условия взаимодействия грунта с нагрузкой выделяются деформационные (нагрузки ниже критических) и прочностные (нагрузки выше критических). В зависимости от характера приложения выделяются статические и динамические физ-мех свойства. Особенности проявления физ-мех свойств во времени характеризуются их реологическими или виброреологическими свойствами.

Деформационные свойства. Скальные грунты в значительном диапазоне напряжений проявляют упругие свойства, деформируются по закону Гука. Основные характеристики – модуль упругости и коэффициент Пуассона. Магматические и особенно метаморфические грунты проявляют анизотропию упругих свойств – зависимость величины упругих параметров от направления деформирования. Коэффициент анизотропии = Е мах / Е мин или Е параллельно слоистости / Е перпендикулярно слоистости. Дисперсные грунты обладают значительно более низкими упругими характеристиками. Упругость зависит влажности и степени водонасыщения грунтов, для глинистых – от консистенции.

Компрессионная сжимаемость дисперсных грунтов – способность грунта сжиматься под постоянной, но ступенчато возрастающей нагрузке без возможности бокового расширения в условиях открытой системы. Компрессионные испытания грунтов иллюстрируют компрессионными кривыми (е,w,n от напряжения, деформации от напряжения). Параметры: коэффициент сжимаемости грунтов = ∆е/∆сигма (1/МПа). Коэффициент компрессии = ∆е/∆lgсигма. Модуль общей компрессионной деформации = Ео/β, где Ео – модуль общей деформации, бетта – безразмерный коэффициент, учитывающий невозможность бокового расширения при компрессии. Просадочность – способность уплотняться при замачивании водой в условиях компрессии. Основные показатели: , коэффициент относительно просадочности

По коэффициенту просадочности судят по ГОСТу о просадочности грунта. Начальное просадочное давление – минимальное давление, при котором проявляются просадочные свойства грунтовпри их замачивании. Начальная просадочная влажность – минимальная влажность, при которой проявляются просадочные свойства у грунтов. Просадочностью обладают недоуплотненные, маловлажные грунты, например, лёссы. Основные факторы – пористость, влажность грунтов, давление на грунт.

Прочностные свойства. Прочность – способность грунтов сопротивляться разрушению. При одноосном сжатии прочность грунта оценивается величиной временного сопротивления сжатию Rсж, определяемого как Pсж/S, (Па). При одноосном растяжении – величиной временного сопротивления растяжению Rр=Рр/S, (Па). Rр<Rсж. При сдвиге прочность грунта зависит от величин нормально сжимающего и касательно сдвигающего напряжений, действующих на одной площадке. Из уравнения предельного равновесия (Кулона) определяют основные прочностные параметры грунтов: угол внутреннего трения (град) и сцепление (МПа). Для сыпучих грунтов сцепление равно нулю. Для них также определяют угол естественного откоса. При трехосном сжатии прочность грунтов зависит от соотношения трех главных нормальных напряжений.

Реологические свойства грунтов. Реология – наука о механическом поведении тел во времени при действии на них напряжений. Ползучесть – процесс изменения деформаций (осевых, сдвиговых, объемных) во времени при действии постоянного напряжения (соответственно нормального, касательного, объемного). Развитие ползучести в несколько стадий: затухающая, когда уменьшается скорость деформирования, установившаяся ползучесть происходит на значительном интервале времени с постоянной скоростью деформирования и прогрессирующая ползучесть – с возрастающей скоростью деформирования, заканчивается разрушением образца. Частный вид объемной ползучести – консолидация грунта – развитие во времени затухающих деформаций уплотнения грунта в условиях компрессии. Параметры консолидации: коэффициент консолидации, характеризующий скорость процесса уплотнения, степень консолидации – отношение величины деформации на данны момент к конечной деформации, когда уплотнение завершилось; периоод первичной консолидации – время от начала уплотнения до завершения фильтрацонного этапа уплотнения. Релаксация напряжений – падения напряжений во времени при сохранении постоянной деформации. Время релаксации – врея достижения системой состояния равновесия. Длительная прочность – прочность, сохраняемая грунтом при длительном действии нагрузки.

4. Деформационные свойства. Скальные грунты в значительном диапазоне напряжений проявляют упругие свойства, деформируются по закону Гука. Основные характеристики – модуль упругости и коэффициент Пуассона. Упругости скальных грунтов зависит от способа испытания, длительности действия нагрузки, скорости ее приложения и т.д. Также особенности состава и строения (влияние минерального состава, пористости, трещиноватости, выветрелости, водонасыщенности, текстурных особенностей, характер заполнения пор и трещин…). Магматические и особенно метаморфические грунты проявляют анизотропию упругих свойств – зависимость величины упругих параметров от направления деформирования. Коэффициент анизотропии = Е мах / Е мин или Е параллельно слоистости / Е перпендикулярно слоистости. Дисперсные грунты обладают значительно более низкими упругими характеристиками. Упругости зависит влажности и степени водонасыщения грунтов, для глинистых – от консистенции. Упругость мерзлых грунтов. Параметры те же, что и для немерзлых грунтов, добавляются такие факторы, как температура, льдистость и криогенное строение.

Компрессионная сжимаемость дисперсных грунтов – способность грунта сжиматься под постоянной, но ступенчато возрастающей нагрузке без возможности бокового расширения в условиях открытой системы. Компрессионные испытания грунтов иллюстрируют компрессионными кривыми (е,w,n от напряжения, деформации от напряжения). Параметры: коэффициент сжимаемости грунтов = ∆е/∆сигма (1/МПа), грунты делятся на сильно>1, повышенно 1-0,1, средне 0,1-0,05, слабо 0,05-0,01, практически несжимаемые. Коэффициент компрессии = ∆е/∆lgсигма. Модуль общей компрессионной деформации = Ео/β, где Ео – модуль общей деформации, бетта – безразмерный коэффициент, учитывающий невозможность бокового расширения при компрессии. Компрессионная сжимаемость различается у связных и несвязных грунтов. Для первых основными факторами, влияющими на нее, являются изменение структуры и текстуры – разрушение части структурных связей, смыкание крупных пор, переориентация частиц при одновременном уменьшении пористости, отжатие из пор воды и воздуха. Для несвязных грунтов основные факторы – крупность и форма обломков, плотность сложения, наличие и характер заполнителя пор.

Просадочность – способность уплотняться при замачивании водой в условиях компрессии. Основные показатели: , коэффициент относительно просадочности

По коэффициенту просадочности судят по ГОСТу о просадочности грунта. Начальное просадочное давление – минимальное давление, при котором проявляются просадочные свойства грунтовпри их замачивании. Начальная просадочная влажность – минимальная влажность, при которой проявляются просадочные свойства у грунтов. Просадочностью обладают недоуплотненные, маловлажные грунты, например, лёссы. Основные факторы – пористость, влажность грунтов, давление на грунт.