РАСЧЕТ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГРУНТА
В общем случае грунт рассматривается как многокомпонентная система (рис. 9.1), суммарный объем которой (Vtot) складывается из: 1) объема твердой минеральной части (Fk); 2) объема жидкого компонента — порового раствора (К,); 3) объема газовой фазы — порового воздуха (Va); 4) объема биотической (живой) составляющей (Vb). 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 Кк=0,25; 0,5 и 0,75). Линии, выходящие из левого нижнего угла, соответствуют одинаковым значениям весовой влажности (w = const). Линии одинаковой объемной влажности (wn) 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 (Kw), газу (К) и биоте (Уь) 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 Sr< 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.