Типы пор дисперсных грунтов

Название пор	Размер пор	Связь пор со структурой породы Движение воды в порах	В каких породах преобладают
Макропо-ры	>1 мм	поры, между обломками горных пород, макро-и мезоструктурными элементами и остатками растительных организмов	свободное движение гравитационной воды; капиллярное поднятие воды практически отсутствует	крупнообломочные; биогенные; лессы
Мезопоры	1—0,01 мм	поры, образуемые мезоструктурными эле-ментами, песчаными и пылеватыми зернами, остатками растительных организмов	движение гравитационной воды происходит при определенном напоре. Капиллярное поднятие происходит быстро на небольшую высоту	песчаные; лёссовые; биогенные
Микропо-ры	10—0,1 мкм	поры, образуемые микроагрегатами и мик-роблоками, отдель-ными минеральными частицами, остатками растительных и животных организмов	капиллярное поднятие воды происходит медленно на большую высоту. Движение гравитационной воды отсутствует	органо-химические и слабоцементированные; глинистые; биогенные
Ультрокапиллярные поры	<0,1 мкм	поры микроагрегатов и микроблоков	поры заполнены связанной водой	глинистые

Плотность грунта (А) — это масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением. Ее величина зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости) грунтов; с увеличением содержания тяжелых минералов, степени заполнения пор водой и уменьшением пористости плотность грунта увеличивается.

Размеры пор, связь их со структурными элементами и зависимость от дисперсности и генезиса пород показаны в табл. 1.

От общей пористости и размера пор зависят свойства грунтов. По величине пористости судят о степени уплотнения пород и их сжимаемости в различных условиях. С величиной пористости тесно связаны водо- и газопроницаемость пород, их термические и электрические свойства и др. Значения общей пористости горных пород изменяются в очень широких пределах — от долей процента до 90%. Наиболее низкую пористость (1—3%) имеют большинство нетрещиноватых интрузивных и метаморфических пород. Как видно, пористость имеют все грунты, но наибольшая она у дисперсных грунтов; для них ее значение колеблется от 20 до 90%.

Трещиноватость тоже свойственна почти всем грунтам, но, в отличие от пористости, она имеет наибольшее значение, для скальных грунтов. Многие породы с кристаллизационными структурными связями (особенно магматические и метаморфические) при пористости 1—5% могут иметь трещинную пустотность, достигающую 10—20%. Разумеется, что проницаемость, термические и механические свойства таких пород будут определяться не столько их пористостью, сколько трещиноватостью.

При изучении горных пород бывает трудно разделить трещинную и поровую пустотность, поскольку трещиноватость может рассматриваться как линейная пористость. В этом случае приходится указывать общую пустотность породы.

По ширине трещины подразделяются на тонкие (<1 мм), мелкие (1—5 мм), средние (5—20 мм), крупные (20—100 мм) и очень крупные.

Прочносвязанная вода. Замерзание связанной воды зависит от минерального состава грунта. Замерзание практически всей жидкой воды происходит у каолинита в интервале от —10 до —20°; в монтмориллоните при —70° еще содержится около 7% незамерзшей воды.

Прочносвязанная вода неоднородна. Прочносвязанная вода н а-ибольшего уровня энергии связи образуется, когда молекулы воды вступают в координационные связи с поверхностными атомами кристаллической решетки. Ее можно назвать «водой боковых сколов глинистых минералов». Эта категория прочносвязанной воды характеризуется наименьшей подвижностью и свойствами, резко отличными от свойств свободной воды.

Второй вид прочносвязанной воды — это вода «ближней» гидратации ионов (преимущественно катионов), образующаяся при гидратации обменных катионов. По своей подвижности и свойствам она близка к воде первой категории. Вода боковых сколов глинистых минералов и вода «ближней» гидратации ионов суммарно составляют 1/10 часть от максимальной гигроскопической влажности грунтов. Установлено, что присутствие этих категорий прочносвязанной воды в глинистых, лёссовых и других высокодисперсных грунтах существенно не снижает прочность; величина прочности остается близкой к максимальной. Это связано с тем, что обе описанные категории прочносвязанной воды не образуют вокруг частиц сплошную пленку воды, а располагаются «островами», приуроченными к наиболее энергетически активным местам частицы — к боковым сколам кристаллической решетки и обменным катионам.

Прочносвязанная вода, располагающаяся по базальным поверхностям глинистых минералов и взаимодействующая преимущественно через водородные связи со структурными группами ОН и О их поверхности, называется водой базальных поверхностей глинистых минералов. Уровень энергии связи воды базальных поверхностей глинистых минералов с частицами меньше, чем у первых двух видов прочносвязанной воды, но значительно больше, чем у рых-лосвязанной воды. С образованием воды базальных поверхностей глинистых минералов вокруг их частиц возникают сплошные пленки прочносвязанной воды. Величина ионно-электростатических связей между частицами уменьшается, и вследствие этого снижается прочность грунтов.

Содержание прочносвязанной воды увеличивается с увеличением содержания глинистых минералов с раздвижными кристаллическими решетками, с ростом дисперсности породы и с увеличением среди обменных ионов трех- и двухвалентных катионов и Н+.Наибольшую величину будут иметь Са-монтмориллонитовые глины.

Слабосвязанная вода имеет меньший уровень энергии связи, чем прочносвязанная вода. Слабосвязанная вода по своим свойствам резко отлична от прочносвязанной и имеет плотность, близкую к плотности свободной воды; по своим свойствам она мало отличается от последней.

Слабосвязанная вода подразделяется на вторично ориентированную воду и воду, удерживаемую осмотическими силами.

Вторично ориентированная вода образуется вокруг частиц благодаря дальнодействующим поверхностным силам минералов, обусловливающим упорядоченность молекул воды даже на значительном расстоянии от поверхности. Она образует вокруг частиц как бы пленку, и поэтому А. Ф. Лебедев назвал ее «пленочной» водой. Этот вид связанной воды характеризуется малой связью с поверхностью, значительной подвижностью, но по структуре и свойствам отличается от свободной воды. Температура замерзания вторично ориентированной воды полислоев —1,5°.

Присутствие вторично ориентированной воды полислоев обусловливает дальнейшее снижение прочности грунтов. У грунтов появляется липкость, если тело прижимается к ним под достаточно высоким давлением (более 5 МПа). При этом максимальное значение липкости будет при влажности максимальной молекулярной влагоемкости.

Максимальная молекулярная влагоемкость грунтов — это суммарное содержание всех видов прочносвязанной воды и ориентированной воды полислоев. Величина максимальной молекулярной влагоемкости зависит от дисперсности породы и состава обменных катионов: с увеличением дисперсности и количества одновалентных ионов среди обменных катионов содержание слабосвязанной воды в глинистых породах, лёссах и почвах увеличивается. Величина будет наибольшей у Na-монтмориллонитовых глин.

Второй вид слабосвязанной воды — осмотическая вода, образуется в результате проникновения молекул воды из раствора в диффузный слой мицеллы (минеральная частица, окруженная адсорбционным и диффузным слоями ионов), где концентрация ионов оказывается большей, чем в растворе. Она очень слабо связана с поверхностью частиц, поскольку с ней связаны окружающие частицы — ионы. Подвижность осмотической воды близка к подвижности свободной воды, по структуре и свойствам она не отличается от последней.

Присутствие в грунтах осмотической воды обусловливает у них небольшую прочность, липкость и пластичность в определенном диапазоне влажности. Пластичность глинистых и лёссовых грунтов, а также почв начинается при влажности выше величины максимальной молекулярной влагоемкости.

Капиллярная вода подразделяется на три разновидности: вода углов пор, подвешенная вода, собственно капиллярная вода.

Вода углов пор обычно образуется в местах соприкосновения частиц в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками. Движение газов в порах свободное, вода находится в защемленном состоянии.

Подвешенная вода отличается от собственно капиллярной тем, что не имеет непосредственной связи с уровнем грунтовых вод, вследствие чего не может питаться ими.

Собственно капиллярная вода поднимается кверху от уровня грунтовых вод. В практике инженерно-геологических исследований капиллярное поднятие воды характеризуется максимальной величиной и скоростью капиллярного поднятия.

Высота капиллярного поднятия в среднезернистых песках равна 0,15—0,35 м, в мелкозернистых — 0,35—1,0 м, в супесях она возрастает до 1 —1,5 м, в суглинках — до 3—4 м. В глинах вода может подниматься на высоту до 8 м, а в лёссах — до 4 м (за два года).

Все три категории капиллярной воды обусловливают капиллярные структурные связи, которые рассматриваются ниже.

Влажность грунта, у которого все капиллярные поры заполнены водой, называют капиллярной влагоемкость ю. Капиллярная влагоемкость различных грунтов определяется величиной их капиллярной пористости и в конечном итоге их составом и структурой, а величина капиллярного поднятия зависит от гранулометрического состава, минерального состава и состава обменных катионов.

Влияние минерального состава на величину капиллярного поднятия двоякое: за счет формы частиц, присущей различным минералам и их неодинаковой смачиваемости. У песчаных частиц крупнее 0,25 мм высота капиллярного поднятия изменяется по следующей закономерности: слюда; > окатанный кварц > полевой шлат; > остроугольный кварц. Величина краевого угла смачивания изменяется от 13 до 58° в зависимости от минерального состава и различного состояния поверхности частиц. Состав обменных катионов влияет на высоту капиллярного поднятия в глинистых и лёссовых породах неодинаково, в зависимости от их гранулометрического состава. Капиллярное поднятие-у пылеватых песков, супесей, суглинков при замене агрегирующих катионов (Са++) на диспергирующие (Na⁺) возрастает. У глин, наоборот, вследствие того что при диспергации микропоры переходят в ультрака-пилляриые поры, поднятие капиллярной воды снижается или прекращается вовсе.

Свободная (гравитационная) вода подразделяется на просачивающуюся воду и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода-находится преимущественно в зоне аэрации и передвигается под влиянием силы тяжести сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока она не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью, — фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит" под влиянием напора в виде грунтового потока. Слой грунта,, в котором движется вода грунтового потока, называется водоносным горизонтом. Просачивающаяся вода оказывает локальное воздействие на толщу пород. В частности, глинистые, лёссовые и другие связные грунты теряют прочность лишь на пути ее движения. Вода грунтового потока оказывает воздействие на весь пласт в целом, по которому она движется.

Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью, а движение воды в грунтах под действием напора — фильтрацией. Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси

Коэффициент фильтрации Кф является мерой водопроницаемости грунта и равен скорости движения воды при градиенте напора, равном единице. Кф измеряется в сантиметрах на секунды или метрах на сутки. Величина коэффициента фильтрации для различных грунтов изменяется в широких пределах.

По химическому составу гравитационная вода может быть различной. В ней среди катионов чаще всего встречаются Са²⁺ и Mg²⁺, затем Na+ и К⁺, а среди анионов — Cl~, SО₂^- и НСОз~. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней. В гравитационной воде в коллоидном состоянии находятся кремнекислота и полуторные окислы.

Свободная (гравитационная) вода подразделяется на просачивающуюся воду и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода находится преимущественно в зоне аэрации и передвигается под влиянием силы тяжести сверху вниз. Это движение продолжается до тех; пор, пока она не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью, — фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит-под влиянием напора в виде грунтового потока. Слой грунта, в котором движется вода грунтового потока, называется водоносным горизонтом.

Просачивающаяся вода оказывает локальное воздействие на толщу пород. В частности, глинистые, лёссовые и другие связные грунты теряют прочность лишь на пути ее движения. Вода грунтового потока оказывает воздействие на весь пласт в целом, по которому она движется. Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью, а движение воды в грунтах под действием напора — фильтрацией. Фильтрация в полностью водонасы щенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси.

По химическому составу гравитационная вода может быть различной. В ней среди катионов чаще всего встречаются Са²⁺ и Mg²⁺, затем Na+ и К⁺, а среди анионов — CI^-, S0₄^2- и НСОз^-. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней. В гравитационной воде в коллоидном состоянии находятся кремнекислота и полуторные окислы.

Среднее значение рН для грунтовых вод колеблется около 7. С повышением общей минерализации значение рН увеличивается. В районах развития известняков, солонцеватых глин и солонцовых почв величина рН природной воды может достигать 9—10.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении пор называют полной влаго- емкостью грунта. При полной влагоемкости глинистых грунтов прочность может практически отсутствовать и они будут вести себя как текучие тела.

При температуре грунта ниже 0° гравитационная вода замерзает я содержится в нем в виде льда. Лед может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде прослоев чистого льда, достигающих местами значительной мощности. Кристаллы льда в большинстве случаев играют роль цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Поэтому свойства грунтов резко изменяются при изменении фазового состояния воды. Эта проблема настолько большая, сложная и практически важная, что является предметом изучения другой науки — мерзлотоведения.

Кристаллизационная вода и химически связанная (конституционная) вода принимают участие в строении кристаллических решеток различных минералов. Кристаллизационная вода входит в состав минералов типа CaS0₄х2H₂0 (гипс). Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму. Химически связанная вода входит в гидраты типа гидроокисей Са(ОН)^-. Молекулы ее в результате химической реакции распадаются на ионы Н> и ОН^-. Химически связанная вода не сохраняет своего молекулярного единства. Эти категории воды имеют некоторое инженерно-геологическое значение, но главным образом изучаются в минералогии в связи с исследованиями содержащих их минералов.

Таблица 2

Коэффициент фильтрации различных грунтов и характеристика их водопроницаемости (по Н. Н. Маслову)

Грунты	Кф- м/сут	Характеристика грунтов по водопроницаемости
Глины, монолитные скальные грунты Суглинки, тяжелые супеси, нетрещиноватые песчаники Супеси, слаботрещиноватые глинистые сланцы, песчаники, известняки и т. д. Пески тонко- и мелкозернистые, трещиноватые скальные грунты Пески среднезернистые, скальные грунты повышенной трещиноватости Галечники, гравелистые пески, сильнотрещиноватые скальные грунты	<5-10^-5 до 5-10^-3 до 0,5 до 5 до 50 >50	практически водонепроницаемые весьма слабоводопроницаемые слабоводопроницаемые водопроницаемые хорошо водопроницаемые сильноводопроницаемые