Какие воды могут содержаться в грунтах
Вода в грунтах находится в различных видах и состояниях (парообразном, жидком и твердом). Это обусловливает изменение свойств грунтов при изменении содержания в них влаги. Например, кусок глины в сухом состоянии обладает свойствами твердого тела, а при увлажнении приобретает пластичные свойства, т.е. может изменять свою форму без разрыва сплошности (целостности) под действием нагрузки. Основываясь на работах А.Ф. Лебедева, Е.М. Сергеева и др., классификацию воды, содержащуюся в порах грунта, можно представить в следующем виде:
- • вода в форме пара;
- • связанная вода: прочносвязанная, рыхлосвязанная;
- • свободная вода: гравитационная, капиллярная;
- • вода в твердом состоянии;
- • кристаллизационная вода.
Воды в форме пара в грунтах содержится не более 0,001% массы грунта. Однако она играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах. Такая вода способна перемещаться в грунте как вместе с газообразным компонентом (воздухом), так и самостоятельно — под влиянием разности упругости пара или зон с большей температурой грунта независимо от расположения этих зон.
Из физико-химических представлений известно, что при понижении температуры грунта удельная поверхностная энергия минеральных частиц возрастает и, следовательно, возрастает притяжение молекул воды и растворенных в ней веществ к поверхности частиц. Поэтому в грунте при понижении температуры меняется количественное соотношение объемов имеющихся видов воды. В частности, молекулы парообразной воды попадают в более сильное поле свободной поверхностной энергии минеральных частиц в зависимости от первоначальной влажности. В то же время при повышении температуры грунта количество парообразной воды увеличивается за счет изменения энергетических связей между поверхностью минеральных частиц и водными молекулами. Часть молекул прочносвязанной воды, утрачивая силовое притяжение поверхностной энергии минеральных частиц, приобретает свойства рыхлосвязанной воды, а часть молекул рыхлосвязанной воды переходит в свободную воду.
Связанная вода по своим свойствам резко отличается от свободной. Чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество воды будет находиться в связанном состоянии. По своим свойствам она существенно отличается от обычной свободной воды, так как средняя плотность составляет от 1,2 до 1,4 т/м3. Связанную воду нельзя всю удалить (отжать) из грунта статическим давлением. В лабораторных исследованиях на грунты, содержащие только связанную воду, передавали среднее уплотняющее давление, равное нескольким сотням мегапаскалей, и грунт оставался влажным. Содержание воды в грунтах уменьшалось с увеличением среднего давления только до 20—50 МПа, далее влажность грунта оставалась постоянной. Поэтому связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную, а вместе эти два слоя составляют гидратную оболочку минеральных частиц.
Прочносвязанная вода (гигроскопическая) по некоторым свойствам сходна с твердым телом: ее плотность достигает 2,4 т/м3, в ней не проявляются законы гидростатики, она не растворяет солей, обладает значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг. Температура ее замерзания равна —79 °С и ниже. Однако этот слой водных молекул имеет свойства жидкости, и это объясняет некоторые свойства мерзлых грунтов.
Прочносвязанную воду можно удалить из грунта путем высушивания при температуре 105 °С, которая является стандартной для определения влажности грунта. Если молекулы воды покроют сплошным слоем всю поверхность глинистой частицы, то вокруг нее образуется как бы сплошная пленка прочносвязанной воды. Максимальное количество такой воды в грунтах приблизительно соответствует количеству гигроскопической воды, которая, в свою очередь, приравнивается к количеству воды адсорбционного слоя. Следовательно, термины «прочносвязанная», «гигроскопическая», «граничная» и «адсорбционная» вода можно считать синонимами.
Вода, заполняющая межпакетные пространства глинистых минералов, имеющих раздвижную кристаллическую решетку, входит в состав прочносвязанной воды.
Прочносвязанная вода в грунте, очевидно, передвигаться не может, за исключением перехода в парообразное состояние.
Рыхлосвязанная вода (пленочная) образует на поверхности частиц более толстые пленки, чем прочносвязанная. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках. Ее свойства также отличаются от свойств свободной воды: она замерзает при температуре ниже 0 °С, имеет высокую плотность, не подчиняется законам гравитации. Она поддается выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких сотен килопаскалей.
Рыхлосвязанную (приграничную) воду (воду диффузного слоя) подразделяют на вторично ориентированную и воду, удерживаемую осмотическими силами. Вторично ориентированная вода представляет собой несколько рядов (полислоев), ориентированных на поверхность твердой частицы самостоятельно или вместе с катионами благодаря неизрасходованной на удержание прочносвязанной воды свободной поверхностной энергии частицы. Осмотическая вода образуется в результате проникновения из раствора молекул воды в диффузный слой вследствие большей концентрации ионов в этом слое, чем в растворе.
По свойствам осмотическая вода не отличается от свободной. Средняя плотность вторично ориентированной воды (полислоев) несколько выше, чем плотность свободной воды. Очевидно, плотность ее в слоях, расположенных ближе к поверхности частицы, выше, чем у внешней границы. Средняя температура замерзания рыхлосвязанной воды равна —1,5 °С. Рыхлосвязанная вода в однородных грунтах может передвигаться в любом направлении от частицы к частице под действием градиента влажности из зон с большей влажностью в зоны с меньшей влажностью или переходить в парообразное состояние. Ее передвижение происходит до тех пор, пока вся поверхностная энергия не будет израсходована на формирование гидратных оболочек частиц.
Свободная вода находится вне сферы действия электромолеку- лярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц (рис. 2.4). Свободную воду согласно приведенной выше классификации разделяют на капилярную и гравитационную.
Рис. 2.4. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности отрицательно заряженной частицы с водой (о) и график сил их взаимодействия (б):
I — твердая частица; II — связанная вода; III — свободная вода; 7 — катион;
2 — анион; 3 — молекула воды; 4 — прочносвязанная вода; 5 — рыхлосвязанная
вода
Гравитационная вода содержится в трещиноватых скальных, крупнообломочных, гравелистых породах и крупных песках. Эта вода может передвигаться в грунте под действием силы тяжести. Ее подразделяют на просачивающуюся воду, которая передвигается сверху вниз, и на воду грунтового потока, передвигающуюся в сторону падения поверхности водоупорного пласта. Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной воды. Она оказывает взвешивающее действие на твердые частицы грунта и на фундамент сооружения, замерзает и превращается в лед при температуре О °С, имеет плотность, принимаемую в расчетах оснований сооружений р* = 1,0 т/м3, может содержать вещества в коллоидном состоянии, растворять соли и газы.
Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах. Она поднимается по капиллярам на определенную высоту, которую называют высотой капиллярного поднятия. Эта высота зависит от диаметра пор и от удельной свободной поверхностной энергии твердых частиц грунта, образующих стенки пор. Например, предельная высота капиллярного поднятия воды в некоторых типах грунтов (по А.М. Овчинникову): песок крупный — 0,035 м; песок средней крупности — 0,35 м; песок мелкий — 1,2 м; супесь — 3,5 м и суглинок — 6,5 м. Таким образом, чем меньше диаметр капилляра, тем больше высота поднятия воды.
В качестве примера на рис. 2.5 показано, что влияние неучтенного капиллярного поднятия приводит к фильтрации воды через плотину при недостаточной высоте замыкающего глинистого ядра (рис. 2.5, а) или к плохой работе перехватывающего дренажа на откосе (рис. 2.5, б) (Бабков В.Ф., 1986).
Основываясь на физико-химических представлениях взаимодействия составных элементов грунта, можно утверждать, что поднятие воды возможно только при наличии свободной поверхностной энергии твердых частиц (Cq) капилляров, неизрасходованной на формирование своих гидратных оболочек, т.е. при влажности грунта меньше максимальной гигроскопической (В этом случае минеральные частицы, обладая неизрасходованной свободной поверхностной энергией, подтягивают молекулы свободной воды вверх по капиллярам.
В зависимости от величины удельной свободной поверхностной энергии частиц при одинаковых диаметрах капилляров и начальной влажности грунтов поднятие грунтовой воды будет больше в том случае, когда минеральные частицы имеют большую удельную свободную поверхностную энергию, при одинаковой величине — в капиллярах с меньшим диаметром. Таким образом, с одной стороны, свободная поверхностная энергия минеральных частиц совершает работу по капиллярному поднятию грунтовой воды, а с другой стороны, этому препятствуют межмолекулярные силы воды, ее гравитационный вес и сила атмосферного давления. Мениск капиллярной воды формируется в результате взаимодействия всех этих сил.
Рис. 2.5. Примеры фильтрации воды в зоне капиллярного поднятия:
а — обтекание имеющего недостаточную высоту водонепроницаемого ядра в плотине; б — обтекание прерывающего дренажа на косогоре;
7 — водонепроницаемое ядро; 2 — горизонт воды; 3 — граница капиллярного насыщения; 4 — движение капиллярной воды; 5 — изолирующая глиняная прослойка; 6 — дренажная труба
Пылеватые супеси и суглинки, обладающие мелкими порами, особенно если они уплотнены, характеризуются значительной высотой капиллярного поднятия, однако меньшей, чем может быть получено расчетом, исходя из размеров их пор. Движение капиллярной воды в таких грунтах происходит весьма медленно.
В глинах, особенно при сильном их уплотнении, характеризующемся наиболее тонкой, волосяной пористостью, капиллярное поднятие обычно не превышает 1,5—2,0 м. Это объясняется сильным набуханием глинистых частиц, повышением вязкости воды в тонких порах, наличием в них защемленного воздуха и др.
В отличие от гравитационной капиллярная вода замерзает при температуре ниже 0 °С. В зависимости от размеров капиллярных пор она может замерзать при —12 °С и ниже. Это явление, так же как и температура замерзания связанной воды, объясняет в определенной степени свойства мерзлых грунтов. Капиллярная вода создает дополнительные нагрузки на грунт и придает ему некоторую связность — дополнительное сопротивление сдвигающим и растягивающим внешним силам.
Вода в твердом состоянии. При температуре ниже 0 °С вода, содержащаяся в порах, замерзает и превращается в лед в виде прослойки линз кристаллов. Лед играет роль цемента, повышая прочность грунта и придавая ему свойства твердого тела. Эти свойства проявляются у сезонно- и многолетнемерзлых грунтов.
Процесс формирования льда в мерзлом грунте имеет физикомеханическую природу и связан с возникновением нового твердого тела, обладающего свободной поверхностной энергией. Миграция воды к фронту промерзания приводит к тому, что молекулы рыхлосвязанной воды переходят в твердое состояние, увеличивая объем льда, но при этом удельная свободная поверхностная энергия не уменьшается. Поэтому при соответствующих условиях процесс миграции и накопления льда в грунте развивается интенсивно. С одной стороны, происходит уплотнение грунта за счет уменьшения пористости при объемном расширении льда, а с другой — уменьшается объем намерзшей воды в грунте, которая сохраняется в виде прочносвязанной воды. В свою очередь, грунтовая система, пополненная водой (твердой фазой) в виде льда, армируется пленками прочносвязанной воды. Чем ниже температура грунта, тем прочнее армирующее действие прочносвязанной воды. Таким образом, при сосредоточенном льдонакоплении прочность грунта зависит от прочности льда, а не от прочности минеральных частиц и прочносвязанной воды.
Кристаллизационная и химически связанная вода разделяется на воду, входящую в состав минералов и адсорбированную на поверхности минералов.
Эта вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов. Ее наличие имеет большое значение для улучшения свойств грунтов, так как при удалении, например, кристаллизационной воды из состава минералов свойства последних сильно изменяются, а при удалении химически связанной воды образуются новые химические соединения.
Таким образом, вода в грунтах может, как было ранее сказано, находиться в различных видах и состояниях и изменение ее количества в грунте или переход из одного состояния в другое приводит к изменению свойств грунтов.
Рассмотренные выше признаки и свойства воды в грунтах сведены в табл. 2.5.
В природных условиях приведенные в табл. 2.5 формы связей воды редко наблюдаются обособленно друг от друга. Обычно во влажном грунте вода находится одновременно в нескольких состояниях и может переходить из одной формы в другую. Такой переход непрерывно совершается как под действием природных факторов (температура воздуха, осадки и др.), так и в результате деятельности человека (искусственное осушение, увлажнение, уплотнение грунтов).
Грунтовая вода, воздействуя на гипс, известняки, мергели и некоторые другие породы полускальных грунтов, образует в массивах трещины и пустоты, в результате чего на поверхности земли появляются впадины, воронки и провалы, т.е. происходят так называемые карстообразующие процессы.
Категории и формы связей воды в грунтах
Степень связности грунтов | Форма связи | Главнейшие признаки и свойства |
Прочносвязанная | Адсорбционная | Вода, молекулы которой прочно удерживаются адсорбционными силами. Поглощается поверхностью грунтовых частиц из воздуха, содержащего водяные пары. Удерживается на поверхности частиц с большой силой, при перемещении не подчиняется действию силы тяжести. Передвигается, только переходя в пар |
Рыхлосвязанная | Молекулярная (пленочная) | Образуется в грунте при сгущении водяных паров или остается в нем после удаления капельно-жидкой воды. Удерживается силами молекулярного притяжения на поверхности грунтовых частиц, но меньше связана, чем гигроскопическая вода. Образует слой пленочной воды, которая передвигается очень медленно из мест, где пленка воды толще, в места, где они тоньше. По свойствам эта категория воды отличается от капельно-жидкой. Она замерзает при температуре ниже 0 °С в зависимости от толщины пленки |
Капиллярносвязанная | Капиллярная (восходящая или подвешенная) | Капиллярная вода, передвигающаяся и удерживаемая в грунте силами капиллярного натяжения, сравнительно легко удаляется при высушивании и замерзает примерно при — 1 °С. Над поверхностью свободных грунтовых вод образует зону капиллярно-увлажненного грунта и передвигается с различной скоростью (в пылеватых грунтах относительно быстрее) под действием как сил капиллярного натяжения, так и силы тяжести |
Связь отсутствует | Свободная (гравитационная просачивающаяся вода) | Обладает обычными свойствами жидкой воды. Передвигается под влиянием силы тяжести или разности гидростатического давления. Заполняет свободные пустоты. Полное насыщение грунта свободной водой действует резко отрицательно на его физические свойства |
Взависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; связанная – прочносвязанная (гигроскопическая); рыхлосвязанная; свободная – капиллярная,; гравитационная. В твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная (рис. 4.1.).
Парообразная вода. Наряду с другими компонентами в состав грунтовой атмосферы входит водяной пар. Обычно количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того, что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности (что отличает его от всех других видов воды в грунтах), а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.
Парообразная вода в грунте находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды, например, с гигроскопической и с водяным паром в атмосфере. Парообразная вода способна при определенных условиях конденсироваться.
Возможность образования из парообразной воды других видов связана со способностью и интенсивностью адсорбции парообразной воды минеральными частицами.
Интенсивность адсорбции определяется различными факторами, в частности, она зависит от относительной упругости водяного пара. С ростом упругости количество адсорбируемой влаги возрастает. Около 50 % конденсационной воды адсорбируются поверхностью грунтовых частиц, а оставшаяся часть конденсируется в микропорах грунта, где она переходит в связанную воду.
Особенностью адсорбции водяного пара на поверхности грунтовых частиц является то, что помимо отдельных молекул формируются комплексы молекул водяного пара, а это сказывается как на количестве адсорбированной влаги, так и на интенсивности ее взаимообмена с грунтовой атмосферой и с атмосферой вообще.
Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздействует на их естественную влажность.
Рис. 4.1. Виды воды в грунтах (по А. Ф. Лебедеву):
1 — частицы грунта; 2 — молекулы воды в виде пара; а — частицы с неполной гигроскопичностью; б — частицы с максимальной гигроскопичностью; в и г — частицы с пленочной водой (вода движется от частицы г к частице в, окруженной более тонкой пленкой воды); д — частица с гравитационной водой
Связанная вода. Установлено, что минеральные частицы в почве и грунтах окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами молекулярными силами с различной силой в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к минеральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан.
Связанная вода составляет более 40 % от всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связанной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства.
По своим характеристикам связанная вода существенно отличается от свободной воды (в частности от той, которую мы знаем в обыденной жизни). Средняя плотность ее лежит в диапазоне 1,20–1,40 г/см3, и механическими способом удается уплотнить воду на доли процента, и обычно во всех расчетах в диапазоне нагрузок, возникающих в строительной практике, вода принимается как практически несжимаемая. Связанная вода перемещается в грунтах в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, большего содержания глинистых минералов, в сторону падения температур грунта. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к -4 °С.
Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.
Прочносвязанная вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100 %.
Прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей, каждая из которых существенно влияет на свойства пород; например, так называемая вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки), образует вокруг глинистых частиц сплошные пленки воды, вследствие этого величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, указанная потеря прочности глинистыми грунтами весьма значительна.
Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц, а также составом обменных катионов в них.
В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит в пределах 0,2–30 % (в монтмориллонитовых глинах содержание этой воды доходит до 20 %, а в каолинитовых всего около 1 %).
Рыхлосвязанная вода по своим свойствам существенно отличается от прочносвязанной, например, имеет плотность, близкую к плотности свободной воды. Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в значительно меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весьма близка к поведению прочносвязанной влаги, но она подвижнее и диполи молекул воды в водной оболочке сориентированы относительно частицы грунта в значительной мере хуже. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пленочной воды составляет влажность, которая называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунтов Wм.м.в. Величина максимальной молекулярной влагоемкости показывает, какое количество связанной воды содержится в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения грунтовых частиц. Максимальная молекулярная влагоемкость у песка в среднем около 1–2 %, а в монтмориллонитовых глинах может достигать почти 135 %.
Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма слабо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды и по структуре и свойствам практически от нее не отличается.
Наличие в грунтах осмотической влаги обусловливает, особенно в глинистых грунтах, их пластичность во вполне определенных для различных грунтов диапазонах влажности.
Свободная вода. Рассмотрим сначала капиллярную влагу.
Капиллярную воду подразделяют на три вида: 1) вода углов пор, 2) подвешенная вода, 3) собственно капиллярная вода.
Первый вид воды (вода углов пор или стыковая вода) иногда называют капиллярно-разобщенной водой или капиллярно-неподвижным состоянием свободной грунтовой воды. Этими названиями вполне четко характеризуется данный вид воды. Вода углов пор обычно образуется в местах соприкосновения – на контактах частиц – в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды. Содержание этого вида воды, например в песках, составляет 3–5 %, в супесях – 4–7 %., суглинках – 5–9 %. С ростом дисперсности количество воды до определенного предела растет.
При увеличении влажности грунта капиллярные поры могут быть полностью заполнены водой, в этом случае капиллярную воду подразделяют на собственно капиллярную и подвешенную воду (в зависимости от того, соединяется она с уровнем грунтовых вод или нет.)
Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. Мощность капиллярной каймы определяется высотой капиллярного поднятия Нк. Капиллярное поднятие зависит от ряда факторов, например, степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта (например, в песках она равна в среднем 0,50 м, а в супесях 1,5–2 м и других глинистых грунтах доходит до 2–3 м).
При уменьшении капиллярной воды в связи с высыханием грунта наблюдается ее восстановление благодаря подъему по капиллярным порам новых порций воды из водоносных горизонтов, подобно тому, как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду.
Влажность грунта, у которого все капиллярные поры заполнены водой, называют капиллярной влагоемкостью, которая зависит от тех же факторов, что и высота капиллярного поднятия, а также специфической характеристики, как капиллярная пористость.
При промачивании грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, а также в других случаях, возникающих в строительной практике, в грунтах образуется подвешенная вода. Наиболее часто формирование ее происходит в песках, как в однородных, так и слоистых их толщах. Образование подвешенной воды зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности.
Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удерживаться грунтом, называют наименьшей влагоемкостью или водоудерживающей способностью грунта. Вся влага, которая поступает в грунт сверх величины наименьшей влагоемкости, стекает по порам в нижележащие слои массива или слоистой толщи грунта.
Капиллярная вода, подобно гравитационной воде, передает гидростатическое давление, по другим свойствам она имеет как сходства, так и различия, например, температура замерзания у нее, как и у связанной воды, может быть значительно ниже нуля (если капилляры d=1,6 мм; tз = – 6,4 °С; при d=0 0,06 мм tз= – 19 °С.)
Эта вода способна передвигаться за счет разности температур (от холода к теплу), растворять и переносить соли; при испарении воды эти соли кристаллизуются и этим разрушают структуру грунтов и строительных материалов, например, в дорожных одеждах.
Переходим к рассмотрению гравитационной воды, которую подразделяют на: 1) просачивающуюся и 2) воду грунтового потока.
Первый вид воды преимущественно располагается в зоне аэрациии перемещается под действием гравитационной силы сверху вниз. Зона аэрации – это часть грунтового массива, располагающегося между поверхностью земли и поверхностью грунтовых вод; в этой зоне грунт находится в трехфазном состоянии: минеральные частицы–воздух–вода.
Это движение продолжается до тех пор, пока вода не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде потока грунтовых вод. Слой грунта, в котором движется вода грунтового потока, называют водоносным горизонтом.
В различных по степени дисперсности и неоднородности грунтах количество гравитационной воды может быть различным: так, в крупнообломочных грунтах (гравий, галечник) и в крупнозернистых песках гравитационная вода преобладает над другими видами воды.
Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта.
Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте как прослои различной, иногда значительной мощности, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед в большинстве случаев играет роль природного цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта.
Свойства мерзлых рыхлых грунтов зависят от изменений температуры, особенно при колебаниях ее около 0 °С, так как вблизи этой границы резко меняется количество в грунте незамерзшей воды. Соотношение содержания незамерзшей воды и льда в грунте влияет на изменение большей части физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов.
Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых, грунтов. Эти изменения влекут за собой естественное изменение физических и механических свойств грунтов. Следует иметь в виду то, что повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород приводят к необратимым изменениям структуры (и в том числе степени дисперсности) и свойств этих пород, так, например, увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяется прочность, электрические и другие свойства.
Мерзлые грунты распространены в России широко, кроме того, значительные территории страны относятся к климатическим зонам, где грунты испытывают постоянное (ежегодное) сезонное промерзание –оттаивание.
Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называемая конституционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Так, вода входит в состав таких минералов, как гипс (CaSO4 × 2Н2О) и ряда других. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму.
Химически связанная вода входит в состав таких соединений, как гидроксиды (СаО ×Н2О) или, например, лимонит (Fe2O3 × nН2О). Эта вода не сохраняет своего молекулярного единства, однако более прочно, по сравнению с кристаллизационной, связана с другими молекулами кристаллических решеток.
Для того чтобы удалить химически связанную воду из минерала, его нужно нагреть примерно до 200 °С, а это может привести к распаду (разрушению) минерала.
В химически связанной воде, в отличие от кристаллизационной, в некоторых случаях ион водорода может замещаться ионом металла (Са, Mg, Na, К, Fe).
Химически связанная и кристаллизационная вода или одна из них присутствуют во вторичных минералах. Среди первичных минералов значительное количество безводных. Поэтому в глинистых грунтах вода, входящая в кристаллические решетки минералов, играет более значительную роль, чем в песчаных.