CC BY
77
УДК 55 ^ШШШШМШШ^
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ВОДЫ В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЗОНЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЛАЖНОСТНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ ГРУНТОВ
ON CLASSIFYING THE TYPES OF WATER IN THE NEAR-SURFACE LAYER OF THE EARTH 'S CRUST AND MOISTURE PROPERTIES OF SOILS ON CONSTRUCTION SITES
Рассматриваются классификации видов воды, разработанные отечественными учеными. Предлагается новая обобщенная классификация видов воды во всех трех ее агрегатных состояниях в приповерхностной зоне земной коры. Кратко описываются влажностные свойства тонкодисперсных грунтов, важные для инженерной геологии и геотехники.
Ключевые слова: гидрогеология, вода, классификация, приповерхностный слой земной коры, дисперсные грунты, влажностные свойства, строительные свойства
© Э.И. МУЛЮКОВ,
доктор технических наук
профессор*
Н.Э. УРМАНШИНА,
кандидат технических наук доцент*
© E.I. Mulyukov, Some classifications of water types developed by the scientists of our
N.E. Urmanshina country are presented. A new generalized classification is proposed for the water
in its three aggregate states within the near-surface layer of the Earth crust. The moisture properties of fine-disperse soils being important for engineering geology and geotechnics are briefly described.
Key words: hydrogeology, water, classification, crust near-surface layer of the Earth, disperse soils, moisture properties, construction properties
Вода выполняет определяющую роль в геологической истории планеты, представляет собой фактор развития физико-геологических процессов, является обязательным компонентом жизни на земле и регулирования практически всех технологических процессов в деятельности человечества. Обладает уникальными свойствами во всех физических ее состояниях. Человек всегда старается глубже познать свойства воды и понять ее сущность. В этом ему помогают классификации воды, находящиеся в постоянном развитии и совершенствовании.
Французский естествоиспытатель Ж.Б. Ла-марк назвал 1802 г. геологическую деятельность воды гидрогеологией [1]. Становление гидрогеологии началось с трудов Ф.П. Саваренского, который сформулировал ее основную теоретическую проблему: «исследование взаимосвязанных процессов образования в земной коре воды, эволюции ее химического состава, закономерностей движения, существования и изменения в геологическом времени при взаимодействии со всеми геосферами» [2].
Вода - удивительная субстанция. Она, видимо, единственная, способная выдерживать всевозможные воздействия, нагрузки и состояния.
Не разрушается. Перевоплощается. Воспроизводится, что бы с ней ни происходило. Объяснение простое: молекула воды обладает общими парами электронов на заселенных оболочках кислорода и водорода, образуя самую устойчивую ковалент-ную (атомную) связь [3].
Известные классификации видов воды. Наиболее полная систематизация видов воды в горных породах была выполнена А.Ф. Лебедевым в 1936 г., включающая семь номинаций: пар, гигроскопическая, пленочная, гравитационная, твердая (лед), кристаллизационная и химически связанная вода [4]. Капиллярная вода как вид была упомянута в иных публикациях в том же году [5]. Н.А. Цытович достаточно подробно обобщил исследования о воде как жидкой фазе грунтов, о влиянии воды на поверхностные свойства тонкодисперсных грунтов с учетом результатов исследований Б.В. Дерягина, П.А. Ребиндера, Ф. Лоу, А.В. Думанского и др. [6].
Интересным является высказывание Б.М. Гу-менского о том, что взгляды Лебедева о видах воды в грунтах требуют серьезных коррективов на основе новых данных [7]. О прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воде читаем с 80-х годов ХХ в. в учебниках [8]. Однако ясно, что
^Уфимского государственного нефтяного технического университета.
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/21
качественные термины «прочно», «рыхло» не отражают природу количественных сил взаимодействия частиц грунта с водой. И в наши дни перечислены те же традиционные вышеупомянутые виды воды в горных породах [9].
Теоретические и экспериментальные данные по воде отечественных ученых обобщены в классическом учебнике «Грунтоведение» [10], в котором подробно изложено развитие взглядов на классификацию воды в грунтах. Особо привлекает внимание самооценка Р.И. Злочевской своей классификации [10]: «Наиболее обоснованная в настоящее время является классификация Р.И. Злочевской (1988), согласно которой вода в грунтах может относиться к трем основным категориям : связанной, переходного типа и свободной». Структура и сущность этой классификации воды опубликованы еще в 1983 г. в вышеназванном одноименном учебнике прежнего издания.
Классификация Р.И. Злочевской полностью воспроизведена ниже (табл. 1), в которой вышеназванные три категории (типы) воды включают суммарно шесть видов и разновидностей воды. Однако вышеупомянутые пар и лед, по А.Ф. Лебедеву, исчезли. Отдельно включен вид текучей воды.
Таблица 1 Классификация видов воды в грунтах [см. 10]
Категория (тип) воды Вид и разновидность воды
Связанная Вода кристаллической решетки минералов (конституционная, кри- сталлизационно связанная) Адсорбционная вода (островной, мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции)
Переходного типа (от связанной к свободной) Осмотически поглощенная вода Капиллярная вода (капиллярной конденсации и капиллярного впитывания)
Свободная Замкнутая в крупных порах (иммобилизованная) Текучая
Все известные классификации и положения о видах воды в горных породах отражают состояние научной информации в рассматриваемой области в соответствующий период. На данном этапе сформулируем концепцию классификации,
* Термин «категория» в рассматриваемую лексику не вписывается, поскольку является родовым понятием, отражающим разряд предметов или социума одного крупного класса.
а затем предложим новую классификацию видов воды, подытоживая и систематизируя положения вышеперечисленных ученых и общеизвестную научную информацию.
Новая классификация видов воды. Сформулируем концепцию классификации видов воды в приповерхностной зоне земной коры: она должна корреспондироваться с гидрогеологией, быть иерархически построенной, включать воду во всех ее агрегатных (обратимых) состояниях и учитывать широкие возможности ее пребывания в сложной сообщающейся системе, каковой является поровое пространство грунтов и поверхность земной коры. Рассмотрим предлагаемую авторами классификацию видов воды в соответствии с этой концепцией, которая включает 5 классов, 16 видов и 42 разновидности (табл. 2). Каждому классу, виду и разновидности присвоены цифровые шифры. Строгая структура классификации позволяет быстро найти требуемую номинацию, допускает дополнения либо корректировки по мере накопления новых сведений, сохраняя предлагаемую стройность классификации.
Таблица 2 отличается от 1-й (классификация Р.И. Злочевской) следующими изменениями:
- вода связанная (первого класса и первого вида) дополнена третьей разновидностью (см. табл. 2, шифр 1.1.3), т.е. координационно-ненасыщенная атомами и ионами;
- вода переходного типа (второго класса) дополнена третьим видом (2.3) и пятой разновидностью (2.3.5), т.е. мельтинговой водой, вытаян-ной из льда под гипердавлением. (По Цытовичу это наблюдается в многолетнемерзлых толщах [11]);
- число видов свободной воды (третьего класса) доведено с двух (3.1...3.2) до пяти (3.3...3.5), т.е. включены вода на поверхности грунтового массива, термальная и незамерзшая в мерзлых грунтах, а текучая заменена на тяжелую воду; общее число разновидностей четырнадцать (3.1.1.3.5.14);
- внесена вода четвертого класса - водяной пар с тремя видами (4.1.4.3) и шестью разновидностями (4.1.1.4.3.6), т.е. пар приповерхностный, подземный, изолированный, вулканический, метаморфический и радиогенный;
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
V
/21
Таблица 2
Классификация видов воды в приповерхностной зоне земной коры
Класс Вид Разновидность
Шифр Наименование Шифр Наименование Шифр Наименование
1 Вода связанная (аномальная) 1.1 Вода кристаллическая в решетках минералов 1.1.1 Конституционная
1.1.2 Кристаллизационная в кристаллогидратах
1.1.3 Координационно-ненасыщенная атомами и ионами
1.2 Вода адсорбционная 1.2.4 Пятнисто-локальная
1.2.5 Мономолекулярная
1.2.6 Полимолекулярная
2 Вода переходного типа (от связанной к свободной) 2.1 Осмотически поглощенная в двойном электрическом слое 2.1.1 Внутренняя (адсорбционная)
2.1.2 Внешняя (диффузная)
2.2 Капиллярная в порах (конденсированная) 2.2.3 Подземная, восходящая до уровня капиллярной каймы
2.2.4 Подвешенно замкнутая в порах
2.3 Мельтинговая, в ледниках 2.3.5 Оттаянная в ледниках при гипердавлении
3 Свободная вода 3.1 На поверхности грунтового массива 3.1.1 Поверхностная самотечная, гравитационная
3.1.2 В водоемах, накопителях
3.1.3 Принудительно транспортируемая либо совершающая работу
3.1.4 Роса (капельно-конденсационная)
3.2 В грунтовом массиве (замкнутая) 3.2.5 Защемленная в порах, кавернах, полостях, трещинах
3.2.6 Естественная артезианская
3.2.7 Межпластовая
3.3 Термальная подземная 3.3.8 Относительно теплая, К20 °С
3.3.9 Теплая, 20<К37 °С
3.3.10 Горячая г>37 °С
3.4 Незамерзшая в мерзлых грунтах 3.4.11 Насыщенно связанная
3.4.12 Дискретно связанная переменного фазового состава
3.5 Тяжелая вода 3.5.13 Обычная с примесью изотопа водорода Д
3.5.14 Послеэлектролизная из молекул Д20
4 Водяной пар (газообразная вода) 4.1 В приземном слое 4.1.1 Атмосферный приповерхностный
4.2 В деятельном слое грунта 4.2.2 Подземный, сообщающийся с атмосферой
4.2.3 Изолированный в поровом пространстве
4.3 В составе геологических газов 4.3.4 Вулканический
4.3.5 Метаморфический
4.3.6 Радиогенный
5 Лед (твердая модификация воды) 5.1 Атмосферный 5.1.1 Снег, в т.ч. с дождем
5.1.2 Град, в т.ч. с дождем
5.2 Поверхностный 5.2.3 Иней (сублимационный)
5.2.4 Снежный покров, лавины, заносы
5.2.5 Наст
5.2.6 Устилающий гололед, фирн
5.3 Подземный 5.3.7 Лед-цемент, омоноличивающий грунт
5.3.8 Сегрегационный (линзы)
5.3.9 Инъекционный, бугры пучения
5.3.10 Жильный, в усадочных горных породах
5.3.11 Режеляционный, смерзшийся
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2012, том 17, № 1 111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111Н
- включен лед как вода пятого класса; этот класс подразделен на три вида (5.1. 5.3) и 11 разновидностей, учитывающих в т.ч. известные номинации льда [см. 10]. Кроме того, в пятом классе «сидят» такие разновидности: иней (5.2.3), сублимирующийся при скачкообразном понижении температуры воздуха ниже, чем - 9,5 °С, и режеля-ционный лед (5.3.11), кристаллизующийся мгновенно в мельтинговой воде (2.3.5). (Живой режим «мельтинг-режеляция» исследован англичанином Д. Т. Боттомли в 1872 г. [12]).
Влажностные свойства строительных грунтов. Геологическое обоснование инженерно-строительной и хозяйственной деятельности проводится для установления фактических параметров строительных свойств грунтов, наиболее важные из которых влажностные. Свойства тонкодисперсных грунтов, преимущественно связанных, предопределяются их природной влажностью и учитываются при устройстве оснований и фундаментов, освоении подземного (подводного) пространства, возведении грунтовых сооружений и производстве строительных материалов и изделий из минерального сырья. Другими словами, строительная отрасль - лидер по объему использования грунтов, т.е. горных пород, осадков (илов), почв и техногенных образований.
Свойства тонкодисперсных грунтов: пыле-ватых, глинистых, заиленных и др. чувствительны к внешнему природному воздействию температурного, влажностного, динамического и иных полей, называемых природными факторами выветривания. При этом изменяются состав, структура и свойства грунтов либо направленно человеком формируются новые свойства, что достаточно широко используется в строительстве (закрепление, уплотнение и др.).
Тиксотропия (греч. thixis - прикосновение и trope - поворот, изменение) - способность дисперсных композиций восстанавливать исходную структуру, разрушенную механическим воздействием. Наблюдается в глинистых грунтах под воздействием перемятия, вибрации, ударных нагрузок. Представляет собой физико-химическое явление, состоящее из двух противоположных взаимообратимых процессов разупрочнения и упрочнения, которые протекают при определенных условиях.
Проявление тиксотропных изменений в
грунтах обеспечивается наличием в них глины бентонитовой, монтмориллонитовой хотя бы в ко -личестве 1,5.2 %. Играет роль и величина гли -нистых частиц: чем они мельче, тем содержащие их грунты более тиксотропны. Установлено, что монтмориллонит имеет «Равноразмерные чрезвычайно тонкодисперсные чешуйки неправильной формы, но линейные размеры частиц, вероятно, от 10 до 100 раз превышают их толщину» [13]. Наши исследования монтмориллонитовой глины подтвердили эти выводы. В частности, глина Степановского полигона НИИпромстроя (г. Уфа) была исследована с помощью комплекса методов: гранулометрия, метод красителей, термография, электронная микроскопия и валовой химический анализ [14, 15]. При этом было обнаружено, что степановская глина состоит из минералов Са-монтмориллонитовой группы с примесью гидрослюды и не предрасположена к проявлению морозного пучения, что и было экспериментально подтверждено на натурных фундаментах в условиях вышеупомянутого полигона.
Такая глина достаточно медленно диспергируется в воде до частиц чрезвычайно мелкого размера, нежели «глина, содержащая № в качестве обменного катиона» [см. 13]. Очевидно, что № -монтмориллонитовая глина более тиксотропна и стабильна в тиксотропных растворах, применяемых в геотехнике. Следует заметить, что именно монтмориллонит проявляет в наибольшей степени тиксотропные свойства, а его подвижная (пакетная) кристаллическая решетка обеспечивает сильное набухание и удержание связанной воды в межпакетном пространстве. Опытным путем получено соотношение влажности (числитель, %) и межпакетного расстояния (знаменатель, н): 8,6 42 55,1 83 120 320 125,5,154,0,187,8,190,4,194,1 и 194,1 [см. 7]
Динамическое воздействие на глинистые грунты, вызывающее размягчение (тиксотропию), является следствием временного перехода связанной воды (1.2) в свободную (3.1) и наоборот при снятии воздействия. Это явление реализуется в тиксотропных растворах и широко используется, например, в геотехнике при устройстве бурона-бивных свай. Разработка скважины и бетонирование сваи производятся не в обсадных стальных трубах, а под глинистым раствором, обеспечивающим геометрическую неизменяемость скважи-
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2012, том 17, № 1IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIПНННППННШ
ны и абсолютную геостойкость соседних зданий (сооружений) на весь период устройства свай [16].
Применение тиксотропного раствора при погружении опускных колодцев для подземных насосных станций, скиповых ям и подобных сооружений позволяет сократить расход тяжелого бетона и трудозатраты до 66 % [17].
Острая необходимость освоения подземного пространства реализуется благодаря прогрес-сивнейшему техническому решению, каковым оказалась стена в грунте, предложенная в 60-е годы ХХ в. в Италии. В Москве она получила применение в 1972 г. при строительстве подземного 8-этажного гаража на 1 693 автомобиля. Идея зиждется на тиксотропном растворе. Сегодня эта технология успешно используется в густо застроенных городах при создании подземных комплексов на глубине до 70 м, при этом сохраняется абсолютная надежность соседних наземных строений с их подземной инфраструктурой. На стыке ХХ и ХХ1 вв. российский опыт создания стены в грунте вышел на современный международный уровень [18].
Явление тиксотропии используется для снижения отрицательных составляющих ударной технологии погружения железобетонных свай. В 1969 г. БашНИИстрой предложил погружать сваи в рубашке [19]. Суть метода заключается в подаче воды шлангом в околосвайную полость, которая всегда самопроизвольно образуется во время забивки свай. Вода формирует вдоль ствола сваи на глубину 2.4 м водо-грунтовую смесь - тиксо-тропную рубашку, эффективность которой исследована на полигонах и в производственных условиях. При этом достигается:
- снижение числа ударов дизель-молота по свае и сокращение расхода топлива;
- облегчение режима работы молота и смягчение динамического воздействия на соседние объекты, в т.ч. подземные конструкции и сооружения;
- повышение ударостойкости верхнего торца сваи, что позволит дозабить сваю глубже, т.е. до заданной отметки и требуемой несущей способности;
- резкое повышение экологичности забивки (уменьшение шума, отработанных газов, сотрясений);
- на несущую способность сваи использо-
вание воды никак не может отразиться.
Метод рекомендуется при забивке свай в соответствующх грунтовых условиях без какого-либо согласования и разрешения [20]. Если при забивке свай используется вода, метод называется в тиксотропной рубашке. При использовании вместо воды, например, карбамидной смолы - в полимерной рубашке, цементного раствора - в минеральной рубашке, т.е. свая вклеивается в грунт.
Плывуны - рыхлые отложения в виде специфических влажных прослоек тонкодисперсных грунтов, представленных смесью песка, супеси, глины и органо-минеральных компонентов тоньше 0,001 мм, залегающих на некоторой глубине и перекрытых (обжатых) поверхностными горными породами. Специфичность прослоек заключается в их способности переходить только при обнажении в текучее (плывунное) состояние в виде сплошной взвешенной жидели с утраченными водно-коллоидными структурными связями.
Причина плывунности заключается в гидродинамическом давлении поровой воды, которое создается в результате перепада (градиента) давления грунтовых вод при вскрытии названных прослоек котлованами либо подземными горными выработками . Вибрация и ударные воздействия усиливают плывунность, тиксотропию и распад структуры грунта.
Плывуны проблемны и опасны только при их вскрытии. В Уфе на строительстве автодорожного двухочкового тоннеля длиной 1 249 м и глу -биной до 60 м дважды произошел сход плывуна в забой тоннеля. Первый раз в начале ХХ1 в. Потребовалось срочное раскрепление прорана стальными конструкциями. Во второй раз в забой вывалилось 1 475 м3 плывунной массы (2004). И здесь были реализованы срочные аварийно-восстановительные работы.
Набухание-усадка - обратимое свойство, характерное для тонкодисперсных связанных грунтов, содержащих глинистые минералы преимущественно монтмориллонитового типа. Сущность процесса заключается в увеличении объема грунтов при впитывании воды, которая попадает в межпакетное пространство и «застревает» там, превратившись в связанную воду. Кроме того, кол -лоидные частицы грунта могут набухать за счет увеличения толщины адсорбционных гидратных оболочек. Величина набухания грунтов зависит
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
/ 2012, том 17, № 1 111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111Н
от количества содержащихся в них коллоидов, минералогического состава грунта и других факторов. Как правило, тяжелые глины имеют максимальную величину набухания.
Усадка происходит без приложения сжимающей нагрузки, как это имеет место при осадке основания под нагрузкой. Засыпанные пазухи
Рис. 1. Механизм пучения морозного грунта: ПГ - пучинистый грунт; МВ - миграция влаги в зону промерзания; Д - друзы льда под подошвой; ПМ - песок мелкий; СГ - суглинок макро-пористый; Г - глубина промерзания грунта; Бс/ - величина пучения (поднятия); С - глубина заложения фундамента (до пучения)
фундаментов, коммуникационные траншеи и иные грунтовые выемки сопровождаются усадкой, что учитывается технологией земляных и благоустроительных работ.
Капиллярные явления - физические явления, происходящие в системе сообщающихся пор горной породы и им подобных пористых материалов, состоящих из двух или нескольких фаз. При взаимодействии воды с твердыми частицами благодаря гидрофильности, обусловленной дипольным взаимодействием молекул воды и минерального тела, внутри грунтового массива формируется водная поверхность (кайма). Вода самопроизвольно поднимается по своеобразному капилляру до тех пор, пока масса воды в нем не уравновесится действующим капиллярным давлением (напором) в воде.
Определяющее значение в этом явлении имеет диаметр условного капилляра. Чем меньше диаметр, тем выше высота условного столбика воды и наоборот. Например, высота капиллярного поднятия (м) в песках крупных - менее 0,1, средней крупности - 0,1... 0,4, мелких - 0,4... 0,8, пы-леватых - 0,8. 1,2, супесях - 1,2. 3,5, суглинках - 3,5. 6,5, глинах - 6,5. 10,0 [21]. Следует отметить, что в связных грунтах преобладает осмотический перенос влаги.
Капиллярные явления участвуют в сезонном морозном пучении грунтов в основании малоза-глубленных легких зданий и сооружений, а также в дорожном полотне. На рисунке 1 показан механизм морозного пучения грунта в основании сборного ленточного фундамента. Промерзание грунта на глубину Б сопровождается миграцией воды по капиллярам из теплых горизонтов в холодную зону основания, где температура минусовая, т.е. под подошву фундамента. При этом под подошвой формируются друзы - агрегаты кристаллов льда, объем которого превышает природную пористость и влажность грунта. Так возникают силы морозного пучения. Фундамент поднимается, вызывая деформации несущих конструкций. В июне за счет оттаивания льда происходят обратные (просадоч-ные) деформации, что многократно наблюдалось нами воочию. Ошибочным является бытующее мнение о необходимости закладки фундаментов зданий и сооружений, прежде всего, ниже глубины промерзания грунтов. Все о глубине заложения фундаментов прописано в СНиП 2.02.01-83 (2002).
Оптимальная влажность грунта, грунтовой смеси, пасты и других грунтосодержащих композиций является основным критерием пригодности грунта для переработки его в заданном направлении. Максимальная плотность грунта при отсыпке и уплотнении дорожного полотна достигается только при оптимальной влажности. Если же грунт несколько подсушен либо переувлажнен, требуемая плотность не достигается Так, максимальная плотность суглинка, как видно из рисунка 2, равная 1,71 г/см3, обнаруживается только при влажности 20 %.
Подсушенный грунт требует расхода энергии грунтоуплотняющих механизмов на преодоление сухого трения между частичками. При повышенной же влажности частички «плавают», не уплотняясь. Вода при мгновенном механическом
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2012, том 17, № 1111111111111111111111111111111111111111111111111111ПНННППННШ
и и
н о
<и
о
А Н о о X н о с
1,70 1,65 1,60 1,55
0
Тм„с=1>715 ---
/ ¡^1 С Ч \>
/ / / Л
¿1 \ \
Т =20%
8 16 24 32
В I а ж н о с т ь , %
Рис. 2. Зависимость плотности скелета грунта от влажности при стандартном уплотнении:
YMaкc - максимальная плотность скелета грунта; wопт - оптимальная влажность грунта
воздействии грунтоуплотняющих машин не успевает отжаться. В обоих случаях требуемая плотность не достигается.
Дисперсные грунты различаются по гранулометрическому составу. Для каждой разновидности грунта наблюдаются свои соотношения «плотность -влажность», что показано на рисунке 3 (см. а, б, в, г). Просматривается мысленная огибающая линия (д), показывающая уменьшение оптимальной влажности по мере укрупнения зернового состава (от глины до песка крупного), что объясняется уменьшением удельной поверхности грунта.
Оптимальная влажность строго соблюдается в производстве строительных материалов и изделий. Например, керамическую массу увлажняют до формовочной влажности 18-24 %, затем подают в пресс для изготовления кирпича. Причем для каждого состава и метода получения гли -няных изделий подбирается своя влажность.
Качество и состав грунтовых вод. Нормальные воды. Химический состав вод земной коры является результатом сложного взаимодействия воды, пара, льда, газов с вмещающими горными породами. При этом подземные воды насыщаются минеральными и органическими веществами. В строительных целях определяют четыре основных показателя состава воды: общая минерализация, водородный показатель (рН), жесткость и агрессивность.
В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей воды подразделяют на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (1___10 г/л), соленые
(10...50 г/л), рассолы (более 50 г/л). Общая минерализация в природных условиях исключительно разнообразна. Встречаются воды с минерализацией от 0,1 г/л (высокогорные источники) до 400 г/л (к примеру, в Тюменской обл.). Общая минерализация - один из главных показателей качества подземных вод.
Природная жесткость и агрессивность подземных вод связана с присутствием в ней солей кальция и магния. По степени жесткости воду разделяют на очень мягкую (менее 1,5 мг-экв/л), мягкую (1,5_3,0), средней жесткости (3,0_6,0), жесткую (6,0_9,0) и очень жесткую (более 9,0 мг-экв/л) [см. 21].
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на подземные строительные бетонные и железобетонные изделия и конструкции. Поэтому при устройстве фундаментов и различных подземных сооружений учитывают агрессивность воды по отношению к бетону, химический состав воды и коэффициент фильтрации пород [22].
Непреднамеренная агрессивность воды. Агрессивность грунтовых вод возникает на территории промышленных предприятий, на которых технологическое производство связано с химическими растворами. По мере износа оборудования, гидроизоляционных элементов и дренажных систем в основания фундаментов зданий, фундаментов технологических установок и в целом в подземное пространство попадают агрессивные реагенты как результат проливов, утечек, аварийных сбросов и смывов, т.е. по неосторожности, халатности и т.п.
В 1972 г. исследованы деформации электролизного цеха (156^36 м), построенного в 1964 г. в Стерлитамаке (Башкирия). Уже через 2 года произошло химическое пучение грунтов под полами и фундаментами легкого оборудования. В дальнейшем начали подниматься и фундаменты тяжелых несущих железобетонных колонн цеха. За период с 1966 по 1972 год произошли неравномерные деформации пучения до 300 мм. Цех угрожающе перекосился [23].
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
г.......................классификация видов воды в приповерхностной зоне земной корьщ
Оказалось, что глинистые грунты основания при воздействии щелочных растворов, имеющих концентрацию от 5 до 40 % (максимально возможную), претерпевают химическое пучение, способное преодолеть внешнее давление от полезной нагрузки и структурную связность грунта. Закладкой в действующем цехе котлована на площади 400 м2 до уровня подошвы фундаментов колонн позволило выявить значительные повреждения всей подземной техносферы. Бурением 7 скважин установлено, что грунтовая вода содержала щелочь в количестве 38.. .122 г/л, которая распространилась на глубину не менее 6 м, т.е. на глубину скважин.
Материалы диагностики аварийной ситуации и лабораторные исследования были положены в основу методических рекомендаций [24].
Аналогичные вышеописанному загрязненные грунтовые воды исследованы и в других регионах [25, 26]. Установлено, что щелочные растворы с концентрацией щелочи более 4 % агрессивны к глинистым грунтам, растворяют окислы кремния, железа, алюминия и разрушают глинистые минералы [27].
Преднамеренная умышленная агрессивность грунтовых вод возникает при инъекционной обработке глинистых толщ все той же щелочью, применяемой якобы для закрепления о снований фундаментов. Однако защелачивание как метод не находит поддержки [28].
В НИИОСП, в головном НИИ по геотехнике, неоднократно пытались закрепить глинистый грунт концентрированными растворами каустика. Но все оказалось безуспешным: образцы распадались в воде, не выдержав и трех циклов водонасыщения-высушивания [29]. И наши эксперименты в этом направлении оказались безуспешными [см. 28].
Щелочь жадно взаимодействует с глинистыми грунтами - вторичными силикатными минералами, образуя лиофильные коллоидные системы с присущими им физико-химическими свойствами разрушать поверхность минералов.
Защелачивание глинистых грунтов оснований преподносится как метод цементации грунтов, о чем провозглашается в стереотипных статьях и рекомендациях [30, 31].
Современные достижения теории и прак-
Рис. 3. Зависимость оптимальной влажности от дисперсности грунта:
а - песок крупный; б песок средней крупности; в -суглинок; г - глина; д - огибающая линия
тики фундаментостроения, геотехники, освоения подземного, подводного пространства во всех странах однозначно позволяют блестяще обходиться без заражения подземных вод и разрушения горных пород [32].
Выводы. 1. Вода представляет академический интерес как неотъемлемая часть горных пород земной коры. Она выступает как регулятор свойств водно-грунтовой природной либо искусственной композиций, используемых человеком в созидательной деятельности.
2. Систематизация видов воды создает научную базу для геотехнических решений и технологических процессов. Разработанная новая классификация воды основана на достижениях теории и практики в рассматриваемой области.
3. Знание водно-строительных свойств грунтов обеспечивает надежность геотехнических решений в массовом строительстве и реконструкции оснований и фундаментов, а также при освоении подземного пространства.
4. Проблему сокращения непреднамеренного загрязнения подземных вод требуется решать путем обеспечения надежности технологических устройств и повышения культуры их эксплуатации.
5. Недопустимым является преднамеренное разрушение глинистых толщ и загрязнение грунтовых вод щелочью, а также продуктами разложения стихийных свалок.
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ / ^^
/ 2012, том 17, № ППНПНПППЕЭ
ЛИТЕ РАТУРА
1. Гидрогеология / Рос. геол. энцикл. В 3 т. Т. 1 (А-И). М.; СПб.: ВСЕГЕИ, 2010. С. 398-399.
2. Вклад академика Ф.П. Саваренского в становление и развитие отечественной гидрогеологии и инженерной геологии / отв. ред. акад. В.И. Осипов. М.: Наука, 2002.
3. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Ермакова. М.: Интеграл-Пресс, 2005.
4. Виды воды в горных породах // Рос. геол. энцикл. В 3 т. Т. 1. С. 190-191.
5. Основания и фундаменты: справочное руководство по гражданскому и промышленному строительству. В 17 т. Т. VIII / под ред. Н.Н. Богословского и Н.К. Николаева. М.; Л.: ОНТИ, 1936.
6. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Госстройиздат, 1963.
7. Гуменский Б.М. Основы физико-химии глинистых грунтов и их использование в строительстве. Л.; М.: Стройиздат, 1965.
8. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Стройиздат, 1981.
9.Короновский Н.В. Общая геология. М.: КДУ, 2010.
10. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А., Го-лодковская Г.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Грунтоведение / под ред В.Т. Трофимова. М.: Изд-во МГУ, 2005.
11. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов: учеб. М.: Высш. шк., 1973.
12. Мерзляков В.П. Основные явления, характерные для механического взаимодействия твердых частиц со льдом // Осн., фунд. и мех. грунтов. 2007. № 1. С. 2-7.
13. Грим Р.Э. Минералогия и практическое использование глин / пер. с англ. В.И. Финько и С.С. Чекина. М.: Мир, 1967.
14. Мулюков Э.И., Валиуллина Р.Т. Минералогический состав полигона НИИпромстроя / сб. тр. НИИпромстроя. Вып. XI. М.: Стройиздат, 1973. С. 94-100.
15. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1961.
16. Тер-Галустов С.А. Буровые опоры глубокого заложения. М.: Изд-во Минкомхоза РСФСР, 1961.
17. Основания, фундаменты и подземные сооружения: справочник проектировщика / под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1986.
18. Колыбин И.В. Подземные сооружения и котлованы в городских условиях - опыт последнего десятилетия: труды юбил. конф. «Российская геотехника - шаг в XXI век». В 4 т.
Т. 1. М.: НИИОСП, 2007. С. 107-140.
19. Мулюков Э.И. Погружение свай в полимерной рубашке // Осн., фунд. и мех. грунтов. 1970. № 3. С. 9-11.
20. ВСН-67.259-88. Инструкция по проектированию и устройству фундаментов из свай в рубашке / МинУралСиб-строй СССР. Уфа: НИИпромстрой, 1988.
21. Чернышев С.Н., Чумаченко А.Н., Ревелис И.Л. Задачи и упражнения по инженерной геологии: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2001.
22. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. М.: Госстрой СССР, 1986.
23. Волков Ф.Е., Мулюков Э.И., Колесник Г.С., Гарифзя-нов Г.Г. Деформации оснований фундаментов промышленных зданий от воздействия щелочных растворов // Пром. стр-во. 1972. № 11. С. 23-25.
24. Волков Ф.Е., Мулюков Э.И. Методические рекомендации по учету набухаемости глинистых грунтов под воздействием растворов щелочи при проектировании оснований зданий и сооружений. Уфа: НИИпромстрой, 1978.
25. Корженко Л.И. Основания и фундаменты в условиях Урала. Свердловск: Книжн. изд-во, 1963.
26. Феклин В.И. Исследование набухания глинистых грунтов, насыщенных щелочными растворами // Осн. и фунд. в слож. инж.-геол. усл. Казань, 1978. № 2. С. 19-22.
27. Зиангиров Р.С., Лаврова Н.А., Окнина Н.А. Изменение прочностных и деформационных свойств глинистых пород при взаимодействии с кислыми и щелочными растворами // Изменения свойств грунтов под влиянием природных и антропогенных воздействий. ПНИИИС. М.: Стройиздат, 1981. С. 3-15.
28. Мулюков Э.И. Последствия защелачивания грунтов оснований фундаментов // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2008. Т. 13. № 4. Уфа. С. 44-49.
29. Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов и окружающая среда // Осн., фунд. и мех. грунтов. 1987. № 6. С. 16-17.
30. Волков Ф.Е. Рекомендации по укреплению водона-сыщенных слабых глинистых грунтов защелачиванием. Уфа: НИИпромстрой, 1985.
31. Волков Ф.Е. Рекомендации по укреплению глинистых грунтов оснований зданий и сооружений защелачиванием. Уфа: БашНИИстрой, 2005.
32. Российская геотехника - шаг в XXI век: труды юбил. конф., посвящ. 50-летию Рос. общ-ва. по мех. грунтов и фун-даментостроению. В 4 т. М.: НИИОСП, 2007.
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2012, том 17, № 1 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
