П.Я. Полубаринова-Кочина - Теория движения грунтовых вод (1132345), страница 5
Текст из файла (страница 5)
4,а). другая укладка, еще более разре- 22 Физические и мАтемАтические ОснОВы теОРии 1гл.! женная, дает пористость, равную 0,875 (рнс. 4,б). Это, по-видимому, наибольшая из известных пористость правильной твердой решетки одинаковых шаров, при которой шары удерживаются друг другом (последнее обстоятельство обеспечивается тем, что каждый шар касается четырех шаров, центры которых не лежат в одной плоскости). Рис.
4 сделан Г. К. Михайловым (1952, 1). В естественных грунтах пористость должна меняться в широких лу пределах, так как структура грунтов может быть сложной и разнообразной, Так, почвы имеют сложную комковатую структуру. На рис. 5 дан пример неоднородной глинистой породы, состояау щей из крупных песчаных зерен (1), мелких Рис. 4. пылеватых зерен (2), неуплотненных глинистых частиц в порах между крупными частицами (3) и уплот. ненных глинистых частиц на контакте между крупными частицами (4) (Роде 1965). В таблице 3 даются значения пористости для ряда грунтов (Аравии и Нумеров 1948). Таблица 3 Пористость грунтов Наименование гРунта Порнстость 0,30-0,40 0,30-0,45 0,35 — 0,45 0,35 — 0,50 0,40 — 0,55 0,50-0,80 Гравий (с диаметром частиц от 2 до 20 мм) Пески (с диаметром частиц от 0,05 до 2 мм) Супесь Суглинок Глинистый грунт Торфяной грунт В книге А. А.
Роде (!965) пределы пористости почвы указаны от 25 до 90% и выше. Для трещиноватых горных пород по аналогии вводится понятие трен(иноватости, т. е. отношения объема трещин образца данного грунта к общему объему образца (Ломизе 195!), пОРистость ГРуптА 23 Бывает, что после дождя уровень грунтовых вод, залегающих на некоторой глубине под поверхностью земли, сильно поднимается.
Так, если дождя выпало 2 — 3 см, то грунтовые воды могут подняться на 20 — 30 см. Если бы непосредственно над свободной поверхностью грунтовых вод грунт был сухим, то, принимая во внимание значения пористости, приведенные в таблице 3, можно было бы ожидать подъема грунтовых вод, превышающего высоту выпавших осадков максимум в 3 — 4 раза. Рис. 5. Получающиеся же 10 — 12-кратные подъемы объясняются тем, что у поверхности грунтовых вод грунт является увлажненным, что уменьшает объем просветов между частицами грунта, могущих быть заполненными водой. Нужно еще заметить, что при подъеме грунтовых вод не весь объем этих просветов будет заполняться водой, так как в порах остается некоторое количество защемленного воздуха. При опускании уровня грунтовых вод от воды освобождается также не весь объем порового пространства, так как грунт остается влажным. В связи с этим вводят понятие об активной пористости грунта, взятого из зоны осушения или зоны, прилегающей к поверхности грунтовых вод: это есть отношение объема пор, не занятых связанной с грунтом водой, к общему объему образца Акзивная пористость может быть порядка О,1 и меньше.
24 физические и мхтвмлтическив основы твогии !гл. ~ $3. Электромолекулярные силы в грунте. Между твердыми частицами грунта и водой существуют электромолекулярные силы взаимодействия. Вода состоит из полярных молекул с ионами водорода, заряженными положительно, и ионами кислорода, заряженными отрицательно. При действии внешнего электрического поля происходит поляризация молекул и ориентация диполей воды в электрическом поле (Цытович 1963).
Так как диэлектрическая постоянная твердых частиц ) сильно отличается от дна) электрической постоянной воды, то при соприкоснове- .р кзэ - — р~ иэ нии частиц грунта с водой '3" С . ~ - ~м ии возникает электрическое по- 01~,фФ~', ~-«х ~~ иэ ле с избыточной энергией на чи поверхности частиц грунта ~с и диполн воды притягиваются к поверхности минеральных частиц.
! Силы притяжения дей))яаяяа сРяяаяяая ствуют на весьма близких ГадСаяааяазаяяая) расстояниях от поверхности ! Рю~ч с3яяаяяая частицы: до 0,01 мкм для Гяааааяйрпйиная) очень чистых неполярных ! неполимерных жидкостей до ! 1О мкм для полимерных рас- Р яяаяяая Отрад~ жид творов (1 мкм = 0,001 мм). <Рдея Величина молекулярных сил огромна у поверхности часРис.
6. тицы (порядка десятков ты- сяч килограммов на квадратный сантиметр) и быстро убывает с расстоянием. Область силовогодействия измеряется толщиной нескольких слоев молекул На рис. 6 показана схема взаимодействия молекулярных сил на границе раздела воды и твердой частицы. Рис, б,а представляет в увеличенном виде часть рис. 6, б. На ней показана ориентация диполей воды возле глинистой частицы (Цытович !963). Электрический заряд глинистых фракций имеет большое значение при осушении грунтов методом электродренажа (Ломизе и Нетушил 1958). й 4.
Различные состояния воды в грунте. Молекулы воды, непосредствянно окру)кающие частицу грунта, подвержены столь большим силам притяжения (см. 3 3), что они оказываются з 4] РАЗЛИЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В ГРУНТЕ прочно связанными с поверхностью частиц. Это те частицы воды, которые не удается отделить даже центрифугированием, развивающим силы, в несколько десятков тысяч раз превосходящие силу тяжести.
Эти молекулы образуют так называемую прочно связанную воду. Слои прочно связанной воды, толщина которых имеет порядок нескольких десяп<ов рядов молекул, в свою очередь связывают и ориентируют прилега]ощие к ним молекулы воды. Последние образуют рыхло связанную воду. Провести строгую границу между прочно связанной и рыхло связанной водой трудно. Основы классификации видов влаги в почвах и грунтах были даны А. Ф. Лебедевым (!936). Он различает следующие формы воды в грунтах: 1) водяной пар, 2) гигроскопическую воду, 3) пленочную воду, 4) гравитационную воду, 5) воду в твердом состоянии, 6) кристаллическую воду и 7) химически связанную воду.
Последние три категории А. Ф. Лебедев не изучал. Рассмотрим четыре первые. 1. Водяной пар заполняет все свободные пустоты грунта и передвигается из областей с повышенным давлением в области с более низким давлением. А. Ф. Лебедев считал конденсацию перемещающихся в грунте паров воды одной из причин образования грунтовых вод, особенно в глубоких горизонтах. 2. Гигроскопическая вода — это вода, конденсирующаяся на поверхности частиц. Если сухой грунт поместить во влажный воздух, то частицы грунта будут адсорбировать пары, вес грунта будет увеличиваться, пока не достигнет некоторой величины, соответствующей максимальной гигроскопичности.
Для различных грунтов максимальная гигроскопичность может иметь такие значения: для песков — около ! %, для пыли †7%, для глины — до !7% от веса сухого вещества. Согласно А. Ф. Лебедеву гигроскопическая вода может передвигаться в грунте, только переходя в парообразное состояние. 3. Пленочная вода образуется на частицах под влиянием молекулярных сил сцепления. Она удерживается с большой силой и не может быть удалена из грунта центрифугированием с ускорением, в десятки тысяч раз превышающим ускорение силы тяжести. Пленочная вода способна передвигаться как жидкость от более толстых пленок к более тонким. Сила тяжести не оказывает влияния на движение пленочной влаги. Влажность грунта, отвечающая максимальной толщине пленочной воды, названа Лебедевым максимальной молекулярной влагоемкостью. Пленочная вода удаляется при высушивании грунта.
4. Гравитационная вода — это вода свободная, не подвер>кеииая действию сил притяжения к поверхности твердых частиц. Она передвигается под влиянием силы тяжести, в ней 26 ФНЗ!и!еские и мхтемАтические ОснОВы теОРии !Гл. ! действует только гндродинамнческое давление.
Мы будем называть гравитационную воду грунтовой водой и будем в дальнейшем изучать законы движения именно грунтовой воды. К грунтовым водам причисляют обычно и капиллярну!о воду — это вода, заполняющая частично нли полностью поры грунта и имеющая поверхааааьааьааь зрунтьььс ааа ность, ограниченную вогнуЫерюнпааьь ааа~ы тымн менисками (см. з 9). Отметим, что некоторые ще- 1 лочные воды могут давать выпуклые мениски н отрицательную высоту капиллярного поднятия, т. е. капиллярное опускание.
4 Представления А. Ф. Ле- бедева были уточнены и доа полнены последующими исследованиями ряда ученых. а а В настоящее время прида- а ется большое значение роли а а коллоидных частиц в грунте. Коллоидные вещества а р откладываются на поверх- а а ности минеральных зерен в 7 виде тонких оболочек. Сорбпруемые водяные пары впитываются этими оболочками, входя с ними в химическое взаимодействие.
Электрически заряженные коллоидные частицы, назыур ваемые мицеллами, сорбируют пары воды до известного предела максимальной Рис. 7. гигроскопичности, о которой мы говорили выше. Этот предел характеризуется прекращением выделения теплоты смачивания. В дальнейшем коллоидная оболочка может набухать, впитывая капельно-жидкую влагу без выделения тепла.
Таким образом, частицы влажного грунта имеют гигроскопическую оболочку, а при дальнейшем увлажнении грунта, после освобождения всей теплоты смачивания, они приобретают пленочную воду. В натуре частицы грунта сближены между собой так, что пленочный слой не развивается до наибольшего возможного предела. В углах пор между частицами грунта собирается вода, поверхность которой образует мениск поверхно- РАЗЛИЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В ГРУНТЕ стного натяжения. При дальнейшем увлажнении грунта скопления воды в уголках пор увеличиваются, и их меннски соприкасаются. В поре остается просвет, по которому может перемещаться вода.
Когда вода заполняет все поры (в них может оставаться некоторое количество воздуха), то она получает способность передвигаться (за исключением пленочной воды) под влиянием силы тяжести. Такая вода, как мы уже говорили, называется гравитационной, или грунтовой. Движение этой воды в пористой среде называется Фильтрацией. Таким образом, физическая картина движения воды в грунте является сложной. В любом грунте, полностью или не полностью насыщенном водой, имеется вода, не участвующая в движении, связанная адсорбционными силами со скелетом грунта. Вследствие обволакивания частиц грунта прочно связанной водой увеличивается объем твердой фазы и сокращается объем пор грунтовой массы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
