Какие химические свойства грунтов
У этого термина существуют и другие значения, см. Грунт (значения).
Грунт — многокомпонентные динамичные системы (горные породы, почвы, осадки и техногенные образования), рассматриваемые как часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека[1]. Грунты используют в качестве оснований зданий и сооружений, материалов для строительства дорог, насыпей и плотин, среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др. Грунты изучаются в [[инженерная геология|инженерной геологии]
Классификация[править | править код]
Классы грунтов[править | править код]
По природе структурных связей между частицами они разделены на три класса:
- скальные — с жёсткими кристаллизационными и цементационными связями;
- дисперсные — с физическими, физико- химическими и механическими связями. Для дисперсных грунтов выделяются подклассы связанных и несвязанных грунтов.
- мерзлые — c дополнительными криогенными связями.
Типы грунтов[править | править код]
По генезису(происхождению) выделяются следующие типы грунтов:
- скальные: магматические интрузивные, магматические эффузивные, метаморфические, осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные, техногенные;
- дисперсные: осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные, техногенные;
- мёрзлые:
Скальные грунты[править | править код]
Имеют две разновидности — скальные и полускальные. Чисто скальным грунтом называется грунт, минералы которого имеют структурные связи кристаллизационного типа. Полускальные грунты состоят из минералов, имеющих структурные связи цементационного типа. Условная граница между скальными и полускальными грунтами определяется значением предела прочности на одноосное сжатие Rc. У полускальных разновидностей Rc < 5 МПа.
Дисперсные грунты[править | править код]
Состоят из минеральных частиц разного размера, слабосвязанных друг с другом. Дисперсные грунты образуются при выветривании скальных грунтов с последующим переносом продуктов выветривания водным или эоловым путём и переотложением.
Мёрзлые грунты[править | править код]
Имеют отрицательную или нулевую температуру в течение многих лет, содержат включения льда и(или) цементирующий лёд, содержат дополнительные криогенные структурные связи.
Свойства грунтов[править | править код]
Физические свойства[править | править код]
Плотность грунта ρ, г/см3 — это отношение общей массы образца грунта при естественной влажности и строении, к занимаемому образцом объёму. Плотность грунта зависит от минералогического состава, влажности и пористости.
где:
ρ — плотность грунта, г/см3;
m — масса грунта с естественной влажностью и сложением, г;
V — объём, занимаемый грунтом, см3.
Плотность скелета грунта ρd[2] — плотность сухого грунта , г/см3, определяемая по формуле
где
- ρ — плотность грунта, г/см3;
- W — влажность грунта, д. ед.
Коэффициент пористости е определяется по формуле:
где
- ρs — плотность частиц грунта, г/см3;
- ρd — плотность сухого грунта, г/см3.
Предел прочности грунта на одноосное сжатие Rc, МПа — отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади первоначального поперечного сечения.
Водно-физические свойства[править | править код]
Влажность грунта, W % — массовое(весовое) W или объёмное Wn относительное содержание воды в порах грунта. Объёмная влажность Wn изменяется от 0 до 100 %.
Коэффициент водонасыщения Sr, д. ед. — степень заполнения объёма пор водой. Определяется по формуле:
где
- W — природная влажность грунта, д. ед.;
- е — коэффициент пористости;
- ρs — плотность частиц грунта, г/см3;
- ρw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.
Число пластичности Ip — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания Wp.
WL и Wp определяют по ГОСТ 5180-84.
Количественные характеристики гранулометрического состава[править | править код]
Степень неоднородности гранулометрического состава Cu — показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле
, (А.3)
где d60, d10 — диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.
Кэффициент выветрелости Кwr, д. ед. — отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта.
Коэффициент выветрелости крупнообломочных грунтов Кwr, д. ед., определяется по формуле
где К1 — отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане;
К0 — то же, в природном состоянии.
Коэффициент истираемости крупнообломочных грунтов Кfr, д. ед., определяется по формуле:
где q1 — масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частицы размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане;
q0 — начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания на истирание).
Коэффициент размягчаемости в воде Кsof, д. ед. — отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.
Коэффициент сжимаемости мёрзлого грунта δf — относительная деформация мёрзлого грунта под нагрузкой.
Льдистость грунта за счёт видимых ледяных включений ii, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма видимых ледяных включений к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле:
- ρs — плотность мёрзлого грунта, г/см3;
- ρi — плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см3;
- Wtot — суммарная влажность мёрзлого грунта, д. ед.;
- Wm — влажность мёрзлого грунта, расположенного между ледяными включениями, д. ед.
- Ww — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.
Относительная деформация набухания без нагрузки εsw, д. ед. — отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 24143-80.
Относительная деформация просадочности εs, д. ед. — отношение разности высот образцов, соответственно, природной влажности и после его полного водонасыщения при определённом давлении к высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 23161-78.
Относительное содержание органического вещества Ir, д. ед. — отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.
Показатель текучести IL — отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip.
Степень водопроницаемости — характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации Кф, м/сут. Определяется по ГОСТ 25584-90.
Степень заполнения объёма пор мёрзлого грунта льдом и незамёрзшей водой Sr, д. ед., определяется по формуле:
где Wic — влажность мёрзлого грунта за счёт порового льда, цементирующего минеральные частицы (лёд-цемент), д. ед.;
Ww — влажность мёрзлого грунта за счёт содержащейся в нём при данной отрицательной температуре незамёрзшей воды, д. ед.;
ρs — плотность частиц грунта, г/см3;
еf — коэффициент пористости мёрзлого грунта;
ρw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.
Степень засолённости — характеристика, определяющая количество водорастворимых солей в грунте Dsal, %.
Степень зольности торфа Dds, д. ед. — характеристика, выражающаяся отношением массы минеральной части грунта ко всей его массе в абсолютно сухом состоянии. Определяется по ГОСТ 11306-83*.
Степень морозной пучинистости — характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения εfh, д. ед. (доли единицы), которая определяется по формуле:
где
ho, f — высота образца мёрзлого грунта, см;
ho — начальная высота образца талого грунта до замерзания, см.
Степень плотности песков ID определяется по формуле
, (A.6)
где е — коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении;
emax — коэффициент пористости песка в самом рыхлом сложении.
emin — коэффициент пористости песка в самом плотном сложении.
Степень разложения торфа Ddp, д. ед. — характеристика, выражающаяся отношением массы бесструктурной (полностью разложившейся) части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумицированных остатков растений, к общей массе торфа. Определяется по ГОСТ 10650-72.
Степень растворимости в воде — характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве воднорастворимых солей, qsr, г/л.
Структура грунта — пространственная организация компонентов грунта, характеризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта.
Суммарная льдистость мёрзлого грунта itot, д. ед. — отношение содержащегося в нём объёма льда к объёму мёрзлого грунта. Определяется по формуле:
, (A.10)
Состав грунта вещественный — категория, характеризующая химико-минеральный состав твёрдых, жидких и газовых компонентов.
Текстура грунта — пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др.).
Гранулометрический состав — количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536-79.
Приборы для исследования физико-химических свойств грунта[править | править код]
- Стабилометр
- Плотнометр
Ссылки[править | править код]
- ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация». Дата обращения 19 декабря 2009. Архивировано 23 февраля 2012 года.
- ГОСТ 24847-81 «Грунты. Методы определения глубины сезонного промерзания» (doc). Дата обращения 10 февраля 2010. Архивировано 23 февраля 2012 года.
- Классификатор грунтов в портале «Классификаторы Санкт-Петербурга»
Примечания[править | править код]
Химические свойства грунтов характеризуют происходящие в них химические изменения, их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами. Они проявляются во всевозможных химических реакциях, протекающих в грунтах, но наиболее важными из них являются растворимость грунтов, особенности кислотно-основных свойств, их химическая агрессивность.
Растворимость грунтов, ее основные характеристики и методы их определения
Растворимостью грунтов называется их способность образовывать с другими веществами растворы, т. е. гомогенные смеси переменного состава. Количественно растворимость характеризуется максимальным количеством грунта (или минерала), способным растворяться в данном растворителе при определенных Р и Т, т. е. концентрацией насыщенного, или равновесного, раствора, измеряемой, например, в мг/л, в молярной (моль/м3) или моляльной (кмоль/1000 кг) формах. Растворимость минералов и веществ в грунтах удобно также характеризовать произведением растворимости (ПР) — произведением молярных концентраций (активностей) катионов и анионов минерала или вещества в его насыщенном растворе [50].
В инженерно-геологических целях важно знать наиболее растворимые разности, к которым относятся, прежде всего, галоидные грунты, содержащие галит, сильвин, некоторые типы карбонатных грунтов (известняк, доломит, мел, мергель), сульфатные грунты, содержащие гипс, ангидрит, а также засоленные грунты и др. Во всех случаях примесь в грунтах хорошо растворимых в воде минералов класса простых солей с ионным типом связей и обладающих сравнительно невысокими энергиями кристаллических решеток повышает их растворимость.
К засоленным грунтам следует относить грунты, в которых содержание легко- и среднерастворимых (водорастворимых) солей превышает величины, указанные в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Минимальное содержание легко- и среднерастворимых солей в грунтах [111]
Наименование засоленных грунтов | Минимальное суммарное содержание солей в % от веса воздушно-сухого грунта |
Крупнообломочный: при Содержании песчаного заполнителя 40 % и более | 3 |
при содержании заполнителя в виде суглинка 30 % и более | 10 |
при содержании заполнителя в виде супеси 30 % и более | 5 |
Песок | 3 |
Супесь | 5 |
Суглинок | 10 |
К легкорастворимым солям относятся: хлориды NaCl, К.С1, СаСЬ, MgCb; бикарбонаты: NaHCC>3, Са(НСОз), Mg(HC(>3); карбонат натрия NaiCCb; сульфаты магния и натрия MgSOa, NaiSOj. К среднерастворимым солям относятся гипс CaSOj • 2НСЬ и ангидрит CaSCb.
Засоленные грунты приурочены к пустынным и полупустынным, реже — к степным зонам, то есть к районам с отрицательным водным балансом, а также к участкам, расположенным в зонах гипергенеза горных пород, содержащих нестойкие компоненты (сульфатные, галлоидные и др.). Они слагают солончаки, солоди, солонцы, такыры, которые различаются составом и содержанием легкорастворимых солей и формируются на пониженных элементах рельефа: шлейфах склонов, низменностях, берегах соленых озер и лиманов, во впадинах на поймах, в днищах степных блюдец суффозионного происхождения, где минерализованные воды стоят близко к земной поверхности (1…3 м).
Содержание водорастворимых солей в грунтах зоны аэрации зависит от многих факторов, прежде всего от климатических условий, которые определяют количество выпадающих осадков, способных вымывать соли. Процесс засоления грунтов проявляется в следующих условиях:
- • при горизонтальной миграции солей и осаждении их из подземных вод в районах юр и предгорий, в субаэральных дельтах и предгорных равнинах;
- • в результате вертикальной миграции солей при испарении поровых растворов; вследствие выветривания горных пород, содержащих нестойкие компоненты (карбонатные, сульфатные, галлоидные горные породы);
- • при фильтрации через грунты жидких отходов из шламонакопителей, солеотвалов, растворонесущих коммуникаций промышленных предприятий и т. п.
Засоленные грунты, залегающие в основании сооружений на континентальном шельфе, как правило, не оказывают негативного воздействия на устойчивость сооружений, поскольку в морских условиях невозможно их рассоление и возникновение деформаций суффозионного сжатия.
Засоленные грунты характеризуют следующие показатели [111):
- • степень растворимости в воде (q$r)
- • степень засоленности (Dsal);
- • абсолютное суффозионное сжатие (Δhsf);
- • относительное суффозионное сжатие (esf);
- • начальное давление суффозионного сжатия (psf);
- • степень выщелачивания солей (β).
Степень растворимости в воде qsr, г/л, — характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве водорастворимых солей. По степени растворимости грунты подразделяют согласно табл. 7.2.
Таблица 7.2
Классификация грунтов по степени растворимости в воде
Разновидность грунтов | Количество воднорастворимых солей </,,, г/л |
Нерастворимый | q„<0.01 |
Труднорастворимый | 0.01 <<qг< 1 |
Среднерастеоримый | 1 <<q’-< 10 |
Легкорастворимый | 10 <q„.< 100 |
Сильнорастворимый | q„> 100 |
Степенью засоленности Dsal %, называется отношение массы водорастворимых солей в определенном объеме грунта к массе сухого грунта данного объема. По степени засоленности D грунты подразделяются согласно табл. 7.3 (113].
Степенью выщелачивания солей β называется отношение массы выщелоченных из грунта солей к их начальной массе.
Абсолютным суффозионным сжатием Δhф мм, называется уменьшение первоначальной высоты образца грунта за счет химической суффозии при постоянном вертикальном давлении и непрерывной фильтрации воды или растворов, фильтрация которых возможна в основании сооружения.
Относительным суффозионным сжатием es/ называется отношение абсолютного суффозионного сжатия к высоте образца грунта природной влажности при природном давлении.
Начальным давлением суффозионного сжатия pd, МПа, называется минимальное давление, при котором проявляется суффозионное сжатие грунта.
Таблица 7.3
Классификация грунтов по степени засоленности [34]
Разновидность грунтов | Степень засоленности грунтов D , % | ||||
легко растворимыми солями | среднерастворимыми (гипс, ангидрит) солями | ||||
хлорндное суль- фатно-хлоридное засоление | сульфатное. хлоридно- сульфатное засоление | суглинок | супесь | песок | |
Незасоленный | <0,5 | <0,5 | D sal 5 5 | D sal 5 5 | ІЛ |
Слабозасоленный | 0.5 < D sal <2,0 | 0.5 < D sal < 1.0 | 5< D sal< 10 | 5 < D sal < 10 | 3<D sal<7 |
Среди езасоленный | 2,0 < D»/ < 5.0 | 1.0 < D sal < 3.0 | 10 < D sal 5 20 | 10 < D sal <20 | 7<D sal< 10 |
Сильнозасолен 11 ы й | 5,0 < D sal < 10,0 | 3,0 < D sal <8,0 | 20 < D sal <35 | 20 < D sal <30 | 10 < D sal < 15 |
Избыточно Засоленный | Аа/>10,0 | D sal > 8,0 | D> 35 | D sal >30 | D sal> 15 |
Последние три характеристики (Дh, ef/, psj) определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионно-фильтрационных приборах (см. п. 8.3.2.2), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при нагружении его вертикальной нагрузкой. Для детального изучения отдельных участков строительной площадки показатели определяют полевыми испытаниями статической нагрузкой с длительным замачиванием основания. При наличии результатов полевых испытаний и опыта строительства в аналогичных инженерно-геологических условиях указанные характеристики допускается определять только лабораторными методами. Нормативные значения характеристик засоленных грунтов £х/ и pst вычисляют как средние значения результатов их определений. Расчетные значения допускается принимать равными нормативным (yg= 1).
При проведении инженерно-геологических изысканий в районах распространения засоленных грунтов следует устанавливать качественный состав и количественное содержание водорастворимых солей и их способность к растворению.
Определение содержания солей в грунтах. Содержание легкорастворимых солей следует определять с помощью водной вытяжки, а среднерастворимых — с помощью солянокислой вытяжки.
Водная вытяжка. Отбирают среднюю пробу грунта (300…500 г), растирают и просеивают через сито с отверстиями в 1 мм. Определяют гигроскопическую влажность грунта. Отбирают «среднюю аналитическую пробу» 50 или 100 г (в зависимости от качественно-количественной пробы на СГ и S04’“). К навеске прибавляют пятикратное (1:5) количество дистиллированной воды, лишенной СО: (если в грунте содержится большое количество сульфата натрия, то лучше приготовить вытяжку 1:10). Смесь взбалтывают в течение 5 мин, после чего вытяжку полностью отфильтровывают через фильтр из плотной бумаги. Анализ водной вытяжки производят по общепринятым методикам с определением величины сухого остатка, pH и содержания ионов СОз2 , НСОз», СГ, S042-, Са2′, Mg2+, Na К+ в мг-экв на 100 г породы или в процентах к массе породы.
Солянокислая вытяжка. Из воздушно-сухого грунта, просеянного через сито 0,25 мм, берут навеску 2,5 г из расчета на абсолютно сухую массу. Разрушают карбонаты крепкой соляной кислотой (1:1). Замачивают навеску в 125 см2 соляной кислоты 0,2 н концентрации (соотношение грунта к кислоте 1:50), тщательно перемешивают и оставляют на 12 ч. Затем раствор отфильтровывают в мерную колбу (250 мл). Остаток на фильтре промывают соляной кислотой (0,2 н) до отрицательной реакции на Са2′ и S04 . Фильтр с осадком прокаливают в тигле и определяют силикатную часть грунта. Фильтрат в колбе доливают до отметки дистиллированной водой и используют для дальнейших определений. По результатам анализа солянокислой вытяжки определяют содержание гипса, а также сульфат-, кальций- и магний-ионов в процентах к массе абсолютно сухого грунта.
Состав и содержание легкорастворимых солей следует определять по результатам анализов водных вытяжек по следующим стандартам: сухой остаток и pH — по ГОСТ 26423, ионов карбонатов и бикарбонатов — по ГОСТ 26424, иона хлорида — аргентометрическим методом или ионометрическим титрованием по ГОСТ 26425, иона сульфата — весовым способом по ГОСТ 26426, ионов кальция и магния — комплексометрическим методом по ГОСТ 26428, ионов калия и натрия — по ГОСТ 26427 с применениям пламенного фотометра.
Для исследования состава поровых вод их следует выделять из грунта следующими методами (в зависимости от влажности, консистенции и гранулометрического состава грунтов): центрифугированием, отжатием под давлением, замещением порового раствора нейтральной жидкостью и др.