 |
Электрические и молекулярные взаимодействия влаги с поверхностью глинистых частиц. Удельная поверхность
|
|
|
|
Удельнаяповерхность – суммарная площадь поверхности частиц на единицу массы [м2/г], зависит от размера частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше их удельная поверхность.Удельная поверхность глинистых частиц много больше удельной поверхности песчаных частиц. Поэтому взаимодействие влаги с поверхностью частиц наиболее выраженно проявляются в глинистых грунтах.
Для глинистых грунтов характерно присутствие некоторых минералов, обладающих весьма интересными свойствами.Мы рассмотрим только два из них - каолинит и монтмориллонит.Их частицы хорошо видно только в электронном микроскопе при увеличении порядка 25000 -30000 раз.
Каолинит состоит из пластинчатых шестигранных кристаллов крупностью порядка 0,005 мм.Монтмориллонит состоит из тончайших иголок диаметром порядка 0,00005 мм. Удельнаяповерхность каолинита среди других глинистых минералов самая маленькая – 10 м2/г, у монтмориллонита – самая большая – 800 м2/г. В соответствии с этим, взаимодействие с влагой у каолинита умеренное,а у монтмориллонита весьма интенсивное. Кроме того, кристаллическая решетка монтмориллонита подвижная и допускает проникновение влаги внутрь кристалла,что вызывает сильное разбухание.У каолинита этого нет.
Общим для обоих минералов является одно очень важное обстоятельство,строение кристаллических решеток всех глинистых минералов таково, что на их поверхности всегда присутствует большое число неуравновешенных электрических зарядов. В глинистых минералах это главным образом заряды отрицательные.
В свою очередь, на молекулах воды имеются положительныеи отрицательные заряды.Расстояние между ними равно 0,96 ангстрем или 1х10-8 см.Благодаря этому, молекула воды ориентируется в электрическом поле минеральных частиц,как магнитная стрелка в магнитном поле Земли.Она притягивается своим положительно заряженным концом к местам отрицательных зарядов на поверхности минеральных частиц с большой силой.
|
|
|
Если в воде нет растворенных солей,то происходит прямое взаимодействие молекул воды с электрическими зарядами на поверхности.
| г.в. |
| Частица |
| Прочно - |
| связанаявода |
| Рыхло - |
| связаннаявода |
| Рис. 1.7. Схема взаимодействия частиц с водой. |
В формировании описанных водных пленок, кроме электрических сил принимают участие молекулярные силы Ван-дер-Ваальса,имеющие более сложную физическую природу. Поэтому сумма прочно- и рыхлосвязанной воды называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунта(ММВ).
Эта величина имеет большое значение для строительных свойств грунта. По значению она близка к влажности на границе раскатывания WP. При влажности меньше максимальной молекулярной,грунт имеет твердую консистенцию,при равной ей он хорошо обрабатывается строительными машинами и хорошо уплотняется,при дальнейшем повышении влажности он становится липким и пластичным.
По мере уменьшения содержания воды,прочность глинистого грунта растет.Когда последняя влага испарится из грунта, его прочность достигает максимума.Но тогда прочность обеспечивается силами прямого молекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса,которые действуют вконтактах между самими минеральными частицами. Так как глинистые частицы очень малы,то число таких контактов громадно.
|
|
|
Если сухой глинистый грунт поместить в воду, то пленки влаги будутпроникать между частицами,вклинятся между ними в контактах, грунт сделается пластичным, и прочность его резко упадет.При дальнейшемувлажнении в результате капиллярного взаимодействия заполняются поры, и грунт постепенно перейдет в текучее состояние.
Разница в строении кристаллов каолинита и монтмориллонита, о которой мы говорили раньше,приводит к тому, что среди всех глин каолинитовые наименее пластичны,наиболее проницаемы для воды, лучше других разрабатываются строительными машинами и поддаются уплотнению. Монтмориллонитовые глины наиболее пластичны, отличаются вязкостью,липкостью, сильным набуханием и исключительно низкой водопроницаемостью. Их используют в качестве смазки между грунтом и фундаментами глубокого заложения для облегчения их погружения.
Электромолекулярное взаимодействие характерно для глин.
Вариант2 Виды линейных деформаций – упругие, остаточные, общие - показать на графике компрессионной кривой. Принцип линейной деформируемости – формула. Параметры деформируемости (буквенное обозначение, размерность). Определение компрессии.
На графиках правильно обозначить оси. В формулах выделить параметры сжимаемости. Напр. mv [кПа]-1- коэффициент сжимаемости
Наиболее надежным способом определения сжимаемости грунта служит испытание его в полевых условиях вдавливанием жесткого штампа. Штамп должен иметь площадь не менее 0,5 м2. Его бетонируют на месте или устанавливают на слое жидкого быстротвердеющего цементного раствора для уничтожения неплотностей в контакте подошвы штампа с грунтом. Штамп постепенно загружается кирпичом, бетонными блоками или арматурной сталью. Осадка штампа под действием нагрузки измеряется нивелиром или специальными измерительными приборами, по результатам испытанийвычерчивается кривая зависимости осадки штампа от нагрузки.
|
|
|
В более совершенных установках для вдавливания штампа используют гидравлические домкраты, которые упираются в специальные балки, укрепленные на винтовых сваях, или передают нагрузку на стенки шурфа с помощью шарнирного механизма. Штамп моделирует фундамент.
| Рис. 2.1. Схема штамповых испытаний. |
График вдавливания штампа в общем случае нелинеен.Однако, в его начале кривизна невелика,ей пренебрегают и выделяют начальный спрямленный участок, по которому определяют модуль общей деформации.При этом используется формула теории однородного линейно-деформируемого полупространства:
 [кПа],
| (2.1) |
где: р – среднее давление под подошвой штампа, кПа;
S – осадка штампа при этом давлении, см;
d – диаметр или ширина штампа, см;
– коэффициент Пуассона;
– коэффициент формы штампа. У круглого штампаω=0,79, у квадратного ω = 0,88,у штампа в виде бесконечной полосыω=2,12.
Коэффициент постели вычисляется по данным штамповых испытаний по формуле:
| С = р/S [кН/м3]. | (2.2) |
Он используется при расчете фундаментов глубокого заложения, плитных фундаментов.
| Рис. 2.2. График штамповых испытаний. |
| S, см |
| Dp |
| p, МПа |
 |
| Δ р |
2.4. Определение коэффициента относительной сжимаемости m v и модуля деформации Е в компрессионном приборе|
|
|
Коэффициент относительной сжимаемости mv имеет размерность[кПа-1]. Его определяют в лаборатории на образцах грунта, которые вырезают из монолитов, доставленных со строительных площадок. Сыпучие грунты укладываются с природным коэффициентом пористости.Образец, заключенный в металлическое кольцо, испытывается в условиях компрессии, то есть сжимается в вертикальном направлении без возможности бокового расширения рычажным прессом, причем в процессе испытания обеспечивается свободный выход воды и воздуха из пор. Испытания проводят в компрессионном приборе. Испытания можно также проводить под водой.
О ходе испытаний подробно рассказано в методических указаниях по проведению лабораторных работ. По результатам испытаний строится компрессионная кривая – зависимость между коэффициентом пористости е и давлением р.
Компрессионная зависимость нелинейна. Грунты ненарушенной структуры обладают структурной прочностью рстр. При нагрузках меньше рстр развиваются только упругие деформации, величина которых невелика.
При возрастании нагрузки разрушаются непрочные связи между частицами и деформации носят более интенсивный характер. Металлические кольца препятствуют расширению образца, поэтому при дальнейшем возрастании нагрузки деформации постепенно затухают.
| Рис. 2.3. Компрессионная кривая. |
| р, кПа |
| D р |
| D e |
При небольших изменениях давления участок компрессионной кривой с достаточной точностью можно заменить отрезком прямой. Такое упрощение называют принципом линейной деформируемости, и часто используют в инженерной практике. Отношение изменения коэффициента пористости к изменению давления на спрямленном участке графика определяется коэффициентом сжимаемости:
 .
| (2.3) |
Получив по компрессионной кривой коэффициент сжимаемости, можно определить и другие параметры сжимаемости:
коэффициент относительной сжимаемости:
 ;
| (2.4) |
модуль деформации:
 .
| (2.5) |
Коэффициент β зависит от коэффициента Пуассона (коэффициента бокового расширения грунта) ν, но обычно определяется приближенно, по таблице.
Вариант3 Прочность, параметры прочности(буквенное обозначение, размерность), закон Кулона для песков и для глин (формулы). Нарисовать графики Кулона для песков и для глин 2 графика, правильно обозначить оси.
Прочность (в общем случае) – способность оказывать сопротивление внешнему воздействию без разрушения. Прочность грунта характеризуется предельным сопротивлением грунта сдвигу, при котором касательные напряжения в плоскости сдвига достигают предельного значения.
|
|
|
Разрушение происходит в результате образования в массиве грунта поверхности скольжения, по которой происходит сдвиг. В момент формирования поверхности скольжения, массив грунта находится в предельном состоянии. В этом состоянии определяются параметры прочности грунта.
Основные параметры прочности грунта, наиболее часто используемые в расчетах – угол внутреннего трения φ и удельное сцеплениес [кПа].
Грунт закладывают в обойму,нагружают поршнем,который передает вертикальную сжимающую нагрузку, а затем медленно сдвигают верхнюю часть обоймы по нижней с помощью специального механизма.
Опыт повторяют с несколькими одинаковыми образцами грунта, но при разных значениях вертикальной нагрузки и строят графики зависимости горизонтального перемещения верхней части обоймы от горизонтального сдвигающего напряжения (А).Получается семейство кривых, на основе которого строят второй график, выражающий зависимость предельного сопротивления сдвигу от вертикального сжимающего напряжения (Б).Предельное сопротивление сдвигу соответствует сдвигу верхней части обоймы на 3-5 мм относительно нижней,а в некоторых конструкциях приборов оно проявляется во внезапном срыве верхней части.
Рис. 3.4. Кривые горизонтальных перемещений образцов при разных значениях σ (А) и график сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта (Б).
Обычно испытания производят с грунтом природной плотности, причем, образец предварительно выдерживают несколько часов под нагрузкой, соответствующей давлению от собственного веса грунта на глубине,с которой был взят образец. Конструкция прибора позволяет,кроме того, проводить испытания при полном водонасыщении образцов, что имеет важное значение при переменном горизонте грунтовых вод.
|
|
|
