РАСЧЕТ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГРУНТА 

В общем случае грунт рассматривается как многокомпонентная система (рис. 9.1), суммарный объем которой (V_tot) складывается из: 1) объема твер­дой минеральной части (F_k); 2) объема жидкого компонента — порового раствора (К,); 3) объема газовой фазы — порового воздуха (V_a); 4) объема биотической (живой) составляющей (V_b). При этом объем пор грунта (К) складывается из объемов компонентов, заполняющих его поры:

V = V + V+ V 

Пористость грунта (п) и коэффициент пористости (е) соответственно равны:

п = V /V

Количественное соотношение объемов твердой минеральной части, воды, газа, биотических составляющих в грунте может быть различным. Например, на рис. 9.1 показан грунт с порами объемом 50% (и, соответственно, с пори­стостью 50% и коэффициентом пористости 1,0), которые на 30% заполнены водой, на 15% — газом и на 5% — биотой.

Все эти и другие возможные соотношения компонентов необходимо иметь в виду при анализе их содержания в грунте и исследовании факторов, влияю­щих на изменение свойств грунтов и содержание компонентов. Соотношение объемов компонентов в грунте не постоянно: при изменении условий среды (например, испарении влаги и др.) оно меняется. Наиболее не постоянны в грунтах мобильные компоненты: жидкий, газовый и биотический.

 

 

При оценке соотношения компонентов в грунтах и расчете их физических характеристик следует иметь в виду, что при наличии в мелкозер­нистом грунте круп­ных включений (кам­ней, щебня, гальки и др.) или при изучении крупнообломочных грунтов с заполните­лем необходимо учи­тывать несжимаемость и низкую (вплоть до отсутствия) порис­тость крупных включе­ний. Поэтому неправильно при расчетах распространять пористость или влаж­ность мелкозернистого материала на весь объем грунта. Например, пористость заполнителя в крупнообломочном грунте может составлять 30%, но если ее отнести ко всему объему грунта, то она может уменьшиться в два раза и более.

В этих случаях следует отдельно определять фазовые характеристики в та­ких грунтах и при описании грунта указывать два значения каждой фазовой характеристики — для мелкозернистой составляющей и пересчитанные для грунта в целом. Одновременно указывается процентное соотношение в грунте крупнообломочной составляющей. При этом в большинстве случаев прини­мается, что крупные камни, щебень не имеют внутренней пористости и не содержат влаги.

МЕТОДЫ ГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ 

В общем случае объемные содержания указанных четырех компонентов в грунте можно рассматривать как независимые переменные. Поэтому отраже­ние каким-либо наглядным способом всех возможных сочетаний этих компо­нентов является довольно трудной задачей.

Если грунт имеет постоянную пористость, то переменными будут уже только три компонента, причем лишь два из них будут независимыми. Если же грунт, помимо постоянной пористости, имеет и постоянное, например, содержание биоты, то в этом случае переменными будут уже два компонента, из которых только один будет независимым, поскольку содержание одного из них будет определять и объемное содержание другого. Наиболее сложная ситу­ация возникает при анализе многокомпонентного грунта, например, с не­сколькими несмешивающимися жидкими или биотическими составляющими.

Если не учитывать объем последних (что вполне оправданно при нали­чии, например, в грунте микроорганизмов, объемная доля которых незначи­тельна или пренебрежимо мала), то грунт можно рассматривать как трехкомпонентную систему. Такую систему удобно отражать графически на треуголь­ной диаграмме фазового или компонентного состава, характеризующей соотношение основных фаз или компонент грунта (рис. 9.2).

Отметим основные свойства этой диаграммы (см. рис. 9.2 и 9.3). Каждая сторона равностороннего треугольника отражает содержание объемных долей твердого, жидкого и газового компонентов. Точка А внутри диаграммы отра­жает соотношение рассматриваемых трех компонентов (фаз) грунта, высота треугольника равна 100%. Линии, выходящие из правого нижнего утла, соот­ветствуют одинаковым значениям степени влажности (5). На рис. 9.2 эти ли­нии соответствуют 5 = 0,25; 0,5; и 0,75 (или К_к=0,25; 0,5 и 0,75). Линии, выходящие из левого нижнего угла, соответствуют одинаковым значениям весовой влажности (w = const). Линии одинаковой объемной влажности (w_n) соответствуют объемным долям воды (К,), откладываемым по правой сторо­не треугольника. Пористость грунта (п) откладывается на правой стороне тре­угольника (справа — налево), а сетка значений коэффициента пористости (е) совпадает с линиями одинаковой пористости (см. рис. 9.3).

 

 

При изменении соотно­шения компонент в грунте координаты точки А будут меняться. Следовательно, из­менение компонентного со­става грунта на этой диаграм­ме будет отражаться в виде вектора или линии.

 

 

 

Для графического анали­за соотношения компонент в четырехкомпонентных грунтах можно использовать диаграм­мы, построенные по типу рис. 9.2. Однако использование подобных диаграмм для ана­лиза грунтов при меняющих­ся соотношениях всех четырех компонентов неудобно. В этом случае можно использовать объемные диаг­раммы четырехкомпонентных систем, построенные в трехмерной системе координат в виде правильных тетраэдров (рис. 9.4).

 

 

Вершины данного тетраэдра соответствуют объемному содержанию рас­сматриваемых четырех компонентов грунта: твердым минералам (^_к), воде (K_w), газу (К) и биоте (У_ь) в любом агрегатном состоянии; ребра — двойным системам, образуемым попарно перечисленными компонентами системы; четыре грани тетраэдра — соответствующие трехкомпонентные системы (см. рис. 9.2). Состояние такого грунта отражается точкой (А), расположенной внутри тетраэдра. Для определения координат этой точки длина ребра тетраэдра при­нимается за 100% объемного содержания соответствующего компонента. Про­екции точки А на различные грани тетраэдра (А_{, А₂, А₃, А₄) характеризуют состояние соответствующих трехкомпонентных систем грунта.

При изменении соотношения каких-либо компонентов в грунте координаты точки А будут соответствующим образом изменяться. Путь перемещения точки А будет отражать при этом характер изменения соотношения компонент в данном грунте (в виде вектора). Например, при увеличении в грунте биоты точка А будет смещаться в верх тетраэдра, а при ее уменьшении точка А будет смещаться вниз, как показано стрелками на рис. 9.4. При неизменном содержании биоты, но меняющемся соотношении твердой минеральной части, порового раствора и газовой фазы точка А будет смещаться в горизонтальной плоскости. Нижняя грань рассмат­риваемого тетраэдра (см. рис. 9.4) представляет собой диаграмму компонент­ного состава трехкомпонентного грунта, не содержащего биоты, аналогично рис. 9.2.

ОСОБЕННОСТИ КОМПОНЕНТНЫХ СОСТАВОВ ГРУНТОВ

Природные и искусственные фунты имеют не произвольный, а законо­мерный фазовый состав, который определяется его литолого-петрографическими и генетическими особенностями. Так, для дисперсных фунтов харак­терны специфические поля на диафаммах их компонентного состава (рис. 9.5-9.7).

 

 

 

 

Как следует из рис. 9.5, для различных песков характерна довольно широ­кая область изменения их компонентного состава. Доля твердой фазы в них меняется от 38—40 до 78—80%, а пористость соответственно — от 20—22 до 60—62%. При этом максимальная пористость характерна для эоловых и элю­виальных песков, находящихся в рыхлом сложении. Для них же характерно и незначительное содержание жидкой фазы (менее 5—10%), в отличие от ал­лювиальных, делювиальных, пролювиальных и морских песков.

Для лёссовых и лёссовидных грунтов, имеющих пылеватый состав, харак­терно иное соотношение твердой, жидкой и газообразной компонент (см. рис. 9.6). Так, для их просадочных разностей характерна пористость 40—55%, не­высокая весовая влажность при степени водонасыщения S_r< 0,7—0,8 и отно­сительно высокое содержание воздуха в порах. Для непросадочных лёссовид­ных суглинков, напротив, при той же пористости характерна более высокая влажность и степень водонасыщения более 0,8.

Глинистые грунты различного генезиса также характеризуются специфи­ческим соотношением их компонентов (см. рис.9.7). Величина их пористости, влажность и плотность в общем случае зависят от степени их литификации и уплотненности в природных условиях: с увеличением уплотненности порис­тость и влажность снижаются, а плотность возрастает. Наименьшей пористос­тью обладают сильно уплотненные литифицированные морские и моренные глины. Для глин характерно значительное содержание жидкой фазы и не ха­рактерно большое содержание воздуха в порах.

 

 

 

С помощью таких диаграмм могут характеризоваться фазовые составы и прочих грунтов, включая природные скальные и искусственные. Кроме того, для каждого конкретного грунта можно построить диаграмму предельно воз­можного изменения его компонентного состава в ходе различных процессов.