Физика процесса пучения

Как именно происходит морозное пучение грунтов?

Оглавление:

  1. Введение
  2. Влияние влажности и уровня грунтовых вод
  3. Влияние гранулометрического состава (размера частиц грунта) на процессы пучения  2
  4. Влияние пористости на процессы пучения
  5. Заключение
  6. Связанные статьи

1. Введение

Почему песок не увеличивается в объеме даже в водонасыщенном обводненном состоянии? Почему разные грунты имеют разный показатель пучинистости? Почему пучение происходит неравномерно?

Суть процесса морозного пучения достаточно сложна и многообразна. Многим известно, что при замерзании определенного объема воды получается лед, занимающий больший объем и имеющий меньшую плотность (плотность льда 917 кг/м3, плотность воды ). Увеличение объема при этом составляет примерно 9 %. Но морозное пучение грунтов связано не только с этим свойством воды.

Пучение в полной мере проявляется только тогда, когда фронт промерзания достигает слоя капиллярного поднятия грунтовых вод – так называемой морозоопасной «каймы», которая в зависимости от дисперсности грунта меняется пределах от 0,3 до 3,5 м над уровнем грунтовых вод. Так же возможно появление техногенного источника замачивания, например прорыва водопровода.

[Чтобы произошел значительный подъем поверхности от пучения должно выполниться сразу несколько условий: наличие в пределах глубины промерзания  зоны капиллярного поднятия грунтовых вод, наличие в составе грунта достаточного количества пылеватых и глинистых частиц (более 15%), проникновение отрицательных температур в толщу водонасыщенных грунтов]

Одними из наиболее значимых факторов, определяющих величину поднятия дневной поверхности (степень пучинистости) при промерзании грунтов являются глубина и скорость их промерзания.

Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания грунт меньше увеличивается в объеме.

Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают заметно меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.

[Чем более крупные частицы слагают грунт, тем больше будет глубина его промерзания при прочих равных условиях, однако крупнодисперсные грунты меньше или совсем не подвержены пучению]

2. Влияние влажности и уровня грунтовых вод

При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышает 3…4% (в закрытой системе). В то же время в природном залегании объем грунта при его промерзании увеличивается на 10—50 и даже 100%.

Пучение грунта достигает таких показателей вследствие кристаллизации в порах грунта воды и последующего поступления дополнительной влаги по капиллярам (миграции) к фронту промерзания из еще не промерзших нижележащих слоев (открытая система). Это сопровождается резким увеличением влажности грунта с образованием в нем льда в виде линз, прослоек, кристаллов и др. структур.

[Чем медленнее промерзает грунт, тем большее количество воды накапливается в нем в процессе промерзания за счет миграции влаги из нижележащих слоев, и тем сильнее он увеличится в объеме]

Фото: Кристалл льда

В процессе промерзания грунтов в области интенсивных фазовых переходов воды в лед (фронт промерзания с температурой от 0 до —3°), при наличии уровня грунтовых вод в зоне досягаемости капиллярного поднятия, происходит значительное перераспределение воды, содержащейся в грунте. Обычно в песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах наблюдается подтягивание ее снизу вверх (миграция) к фронту охлаждения и промерзания.

Миграция воды в промерзающих грунтах — явление очень сложное. Перемещение воды происходит в том числе и за счет молекулярно-ионных связей.

На качественную сторону процесса миграции оказывают влияние многие факторы: гранулометрический и химико-минералогический состав грунтов, гидрофильность (смачиваемость) частиц грунта, влажность перед замерзанием и наличие подтока воды извне к промерзающему грунту, плотность грунта, скорость промерзания, наличие и значение нагрузки (давления) в слоях грунта, повторность циклов замерзания и оттаивания и др.

[Важнейшим фактором, влияющим на степень пучинистости грунта, является наличие и близость уровня грунтовых вод и возможность притока воды к фронту промерзания по капиллярам в течении зимы]

В грунтах так же присутствует небольшое количество связанной воды, то есть воды котора присоединена к частицам грунта силами молекулярных взаимодействий — эта вода замерзает при очень низких температурах и в обычных условиях не замерзает и не испаряется.

3. Влияние гранулометрического состава (размера частиц грунта) на процессы пучения

Миграция влаги наблюдается только в гидрофильных (смачивающихся водой) замерзающих системах. Наиболее интенсивное перемещение влаги по капиллярам происходит в грунтах с малой скоростью промерзания и с высоким содержанием пылеватых и глинистых частиц (частицы размером 0,05…0,005 мм). Это объясняется тем, что грунты, содержащие в своем составе преобладающее количество (более 50%) пылеватых и глинистых частиц, в природных условиях характеризуются высоким капиллярным поднятием и, следовательно, легкой отдачей воды и быстрым ее поглощением. Структурная связность этих грунтов очень слабая. Такие физические свойства грунтов создают наиболее благоприятные условия для образования льда в промерзающем грунте и, соответственно, пучения.

Наличие в глинистых грунтах большого количества коллоидных частиц (размером менее 0,005 мм) сильно затрудняет передвижение воды по капиллярам, что резко ограничивает возможность большого накопления льда, образующегося за счет подтягивания воды по капиллярам из нижних слоев грунта к фронту промерзания. Кроме того, мелкодисперсные глинистые грунты обладают большой удельной поверхностью частиц и за счет поверхностной энергии притягивают к себе воду; таким образом, эти грунты затрудняют передвижение воды по тонким капиллярам к слою промерзания и, следовательно, уменьшают возможность накопления линз и прослоек льда.

В крупнодисперсных грунтах (крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, пески крупные и средние) миграция при промерзании практически отсутствует, что объясняется малой величиной удельной поверхности, наличием фильтрационных и других свойств (при любом положении уровня подземных вод). При промерзании таких грунтов происходит отжатие («поршневой эффект») воды из промерзающего слоя гидростатическими силами, развивающимися вследствие увеличения объема воды при замерзании, и незамерзшая еще вода перемещается от фронта промерзания вниз в талый грунт — отжимается.

Фото: Кристаллы льда в песчаном грунте

[Песчаные грунты с достаточно крупными частицами не позволяют влаге мигрировать при промерзании из-за отсутствия узких капилляров и малой поверхности смачивания, а наоборот создают условия для «отжатия» влаги в сторону еще не промерзших слоев, поэтому увеличение объема при промерзании в них практически отсутствует даже при полном водонасыщении. Очень мелкие частицы размером менее 0,005 мм так же затрудняют процесс миграции влаги и снижают пучинистость]

В свою очередь в крупнодисперсных грунтах при содержании в виде заполнителя частиц размером менее 0,1 мм более 10% по массе наблюдается интенсивная миграция влаги. В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относиться к средне- и даже сильнопучинистым грунтам.

В мелкодисперсных грунтах (супесях, суглинках, глинах, песках пылеватых и мелких), промерзающих в условиях водонасыщения происходит активное перемещение влаги. Перечисленные грунты при промерзании дают деформации до десятков сантиметров (например, ленточные глины Карелии — до 20 см на 1 метр промерзания) и причиняют значительные повреждения фундаментам зданий и сооружений. Как правило чем ближе уровень подземных вод к границе промерзания, тем большей степенью пучинистости обладают пылевато-глинистые грунты при прочих равных условиях.

Наиболее пучинистыми грунтами являются грунты с содержанием пылеватых и глинистых частиц от 30 до 80%. Дело в том, что подобные грунты имеют слабо выраженную текстуру и незначительное сцепление между пылеватыми частицами, поэтому при промерзании ледяные кристаллы в таких грунтах образуются внутри структурных элементов и вызывают значительные деформации морозного пучения. При увлажнении пылеватые грунты теряют сцепление между частицами, при промерзании в них образуется большое количество ледяных прослоек и линз.

4. Влияние пористости грунта на процессы пучения

На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает плотность их сложения. Так, если грунты очень плотные (с малым количеством пор), то при их промерзании наблюдается незначительное пучение (хотя все поры заполнены водой), поскольку такие грунты содержат малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании.

В очень пористых грунтах много пустот, которые обычно свободны от воды, и эти пустоты при промерзании грунта и образовании льда могут сжиматься, уменьшая деформации пучения. Таким образом наиболее пучинистыми являются грунты средней плотности.

5. Заключение

Пучение в полной мере проявляется только тогда, когда фронт промерзания достигает слоя капиллярного поднятия грунтовых вод – так называемой морозоопасной «каймы», которая в зависимости от дисперсности грунта меняется пределах от 0,3 до 3,5 м.

Увеличение объема грунта при промерзании происходит не только за счет увеличения при переходе в твердое состояние объема воды, содержащейся в порах грунта перед замерзанием, но и во многом за счет дополнительной влаги, мигрирующей в промерзающий грунт из нижележащих слоев.

На способность грунта перемещать влагу по капиллярам влияют в основном смачиваемость частиц грунта и количество пылеватых и глинистых частиц (размером 0,05…0,005 мм) – наиболее пучинистые грунты с содержанием таких частиц от 30 до 80%. Так же влияние оказывает пористость грунта – чем она ниже тем более затруднено капиллярное передвижение воды.

Всегда при проектировании фундаментов следует учитывать колебания уровня и возможность поднятия грунтовых вод.

6. Связанные статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *