3.2. Вода и газ в горных породах.

Вода в порах грунта может находиться в жидком, парообразном и твердом состоянии. В твердом состоянии вода находится в виде льда и в виде кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов. В жидком состоянии вода находится в связанном и свободном виде. Образование связанной воды происходит вследствие взаимодействия молекул воды с поверхностями частиц грунта и с ионами веществ, растворенными в воде. На поверхности частицы имеется, как правило, отрицательный заряд. Чем меньше частицы, тем больше их поверхностная энергия, поэтому процесс взаимодействия вода - частица в наибольшей степени характерен для глинистых грунтов. Отрицательно заряженные твердые частицы притягивают к себе и удерживают положительно заряженные катионы водорода, натрия, калия, кальция, алюминия. и др., содержащиеся в поровой воде. Хотя молекула воды в целом нейтральна, но т.к. атомы водорода и кислорода в ней расположены несимметрично, поэтому молекулы представляют собой диполи с положительным и отрицательным зарядом на концах. Молекулы воды, находящиеся вблизи твердых частиц и ориентированные положительным полюсом относительно их поверхностей, под действием сил электростатического взаимодействия образуют вместе с катионами гидратныйслой (слой прочносвязанной воды). Электромолекулярные силы с расстоянием резко убывают, поэтому на большом расстоянии от твердых частиц молекулы воды расположены хаотически. Имеющиеся катионы, в свою очередь, удерживают вблизи себя по несколько ориентированных по отношению к ним молекул воды, и в результате образуетсядиффузныйслой (слой рыхлосвязанной воды), плотность которого возрастает с приближением к поверхности частицы. Отрицательно заряженная поверхность каждой твердой частицы вместе с катионами, расположенными в пределах диффузного и гидратного слоя составляют двойной электрический слой.

По мере увеличения расстояния от частицы возрастает число анионов, которые также могут присоединять соответствующим образом ориентированные молекулы воды, и вместе с отдельными молекулами образуют слой свободной воды.

Связанная вода, в отличие от свободной воды, обладает повышенной плотностью, имеет большую вязкость, температуру замерзания ниже 0°. В связанной воде мала роль сил собственного веса по сравнению с силами молекулярного взаимодействия с твердыми частицами. Поэтому количественное соотношение свободной и связанной воды в значительной степени определяет свойства грунтов. В рыхлых грунтах вследствие малой удельной поверхности твердых частиц объем связанной воды, распределенной по поверхности частиц, очень мал. В глинистых грунтах, частицы которых имеют большую удельную поверхность, почти все поры могут быть заполнены прочносвязанной водой. Этим определяется роль удельной поверхности и активности глинистых частиц в формировании свойств глинистых грунтов и резком качественном различии свойств песчаных и глинистых грунтов.

Свободную воду в грунтах подразделяют на гравитационную и капиллярную.Гравитационнаявода обладает обычными, общеизвестными свойствами и перемещается в порах грунта под действием силы тяжести. Необходимым условием движения воды на участке является наличие разности (градиента) напоров на этом участке. Поры в грунте образуют сложную по конфигурации систему капиллярных каналов, и поэтому в них наблюдается капиллярное поднятие воды. Движениекапиллярнойводы обуславливается силами поверхностного натяжения и определяется процессом смачивания водой поверхности минеральных частиц. Чем уже поры, тем на большую высоту может подниматься по капиллярам вода. В крупных песках высота капиллярного поднятия достигает нескольких сантиметров, в пылеватых песках и супесях - 1.5 - 3 метров. Если вода заполняет поры грунта только частично, то она сосредотачивается в контактах между частицами и в наиболее узких порах. Такая вода называетсякапиллярно-стыковой и создает внутренне капиллярное давление (напряжения всестороннего сжатия) по всему объему влажного грунта. В результате сухой сыпучий песок при небольшом увлажнении приобретает связность и может держать хотя и небольшие, но вертикальные откосы. При высыхании или значительном увлажнении мениски и силы внутреннего капиллярного давления исчезают, и песок снова становится сыпучим.

При распространении в толщу грунта отрицательных температур в первую очередь замерзает свободная вода, при дальнейшем понижении температуры замерзает и рыхлосвязанная вода (в отличие от прочносвязанной). При замерзании вода расширяется и, раздвигая частицы, нарушает структуру грунта. Особая текстура промороженного грунта, называемая криогенной, образуется из линз и прослоек чистого льда, разделенного слоями мерзлого грунта со льдом в порах. При движении фронта промерзания одновременно происходит процесс миграции влаги из окружающего еще незамерзшего грунта в сторону фронта льдообразования, обуславливаемого подсосом воды вследствие сужения пор в результате промерзания, и другими капиллярными и температурными и процессами. В результате за счет дополнительного образования линз и прослоек льда происходят существенные деформации за счет расширения грунта, называемыепучением илиморозным пучением грунта.

В верхних слоях газообразная составляющая грунта представлена атмосферным воздухом, ниже - азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Кроме того, в порах грунта обязательно присутствует водяной пар. Газы могут быть либо в свободном состоянии, либо растворенными в воде. При любом изменении давления или температуры воды, заполняющей поры грунта, происходит процесс газо- и паровыделения или растворении и конденсации пара, расширения или сжатия газовых пузырьков. Это сопровождается изменением напряженного состояния и объема грунта и, как следствие, изменением его деформационных и прочностных свойств.