Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Виды воды в порах горных пород
|
|
Поры и трещины горных пород всегда содержат воду в газообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют разнообразные классификации видов воды в горных породах.
В инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А.Ф. Лебедевым (1930), а потом уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характера физикохимического взаимодействия воды с минеральными частицами пород.
Таким образом, имеем современный вариант классификации А.Ф. Лебедева:
1.Вода в состоянии пара (водный пар)
2.Свободная вода:
-гравитационная;
-капиллярная.
3.Физически связанная вода:
-крепкосвязанная – адсорбированная (гигроскопическая) вода;
-слабосвязанная (пленочная) вода.
4.Вода в твердом состоянии (лед).
5.Вода в кристаллической решетке минералов (химически связанная):
-конституционная;
-кристаллизационная;
-цеолитная.
Водяной пар заполняет поры песчано-глинистыхи крупнообломочных пород, а также трещины и пустоты скальных пород. Здесь воздух обычно насыщен парами воды, то есть имеет относительную влажность 100 % или близкую к тому. Под влиянием изменения температуры и давления пар может конденсироваться и, наоборот, жидкая вода превращаться в пар. Пар перемещается из мест с более высокой температурой в места с более низкой температурой, где упругость водных паров меньше. В связи с этим зимой движение пара направлено к верхним слоям горных пород, а летом – наоборот, вглубь земли. Тем самым пар воды в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и с паром воды в атмосфере.
Свободная гравитационная вода – это подземная жидкость, которая движется в порах и трещинах горных пород под действием силы гравитации. Гравитационная вода имеет все свойства, которые присущи обычной воде: способность растворять, передавать гидростатическое давление, во время движения вызывать гидродинамические силы, которые влияют на минеральные частицы пород. Гидростатическое давление воды, которая находится в порах породы, уменьшает массу ее скелета соответственно закону Архимеда, а также создает давление на подошву фундаментов сооружений, построенных ниже уровня грунтовых вод.
Свободная капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты и тончайшие трещины в породах. Она поднимается от уровня грунтовых вод вверх по капиллярным пустотам под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой. Высота капиллярного поднятия воды достигает в песках 0,15 – 1,0 м, в суглинках 2 – 4 м, в глинах 5 – 20 м. В определенных условиях вода может заполнять капилляры, не имея непосредственной связи с уровнем подземных вод. Такие воды, в отличие от капиллярно поднятых, называются капиллярно подвешенными.
Физически связанная вода может быть крепко связанной (гигроско-
пической) и слабо связанной (пленочной). Гигроскопической водой называют ту, которая образовалась в процессе конденсации водяного пара путем адсорбирования ее минеральными частицами. Гигроскопическая вода не подлежит влиянию силы гравитации, не передает гидростатического давления, не имеет способности растворять вещества. Она имеет плотность до 1,7 т/м3 и не замерзает при температуре до минус 78 ºС. При нагревании породы до температуры 105 ºС гигроскопическая вода полностью удаляется.
Различают неполную и максимальную гигроскопичность. При макси-
мальной гигроскопичности вода покрывает всю поверхность частиц тонкой пленкой толщиной до 0,008 мкм. Последние исследования дали возможность выделить два слоя крепко связанной воды. Первый, который непосредственно прилегает к частице породы, обычно наблюдается при влажности, близкой к неполной гигроскопичности. Второй – (неподвижный по мнению Б.В. Дерягина) имеет толщину 1 – 3 молекулы, состоит из ориентированных молекул, а при увлажнении выделяет теплоту. По своим свойствам эта вода близка к твердому телу. Этот слой воды имеет четко выраженную границу, которая отделяет его от следующего «верхнего» слоя также крепко связанной воды. Его толщина составляет несколько молекул, ориентация которых менее соблюдена, а тепло при увлажнении не выделяется. Этот слой еще называют сольватным, или осмотическим, что соответствует влажности породы, равной максимальной гигроскопичности. Максимальная гигроскопичность обусловлена величиной минеральных частиц, из которых состоит горная порода, и составляет в песках
– до 1%, в суглинках – до 7%, в глинах – до 21% массы частиц. Гигроскопическую воду не могут усваивать растения (рис.4.2).
Пленочная вода, как и гигроскопическая, покрывает поверхности минеральных частиц глинистых пород пленкой толщиной 0,25 – 0,5 мкм. Эта вода также может быть отделена от частиц только путем высушивания. Образование пленочной воды не сопровождается выделением теплоты увлажнения. Она может перемещаться от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной пленки независимо от действия силы гравитации. Скорость движения ее зависит от температуры, а способность растворять существенно снижена, причем пленочная вода замерзает при температуре ниже нуля, а гидростатического давления передавать не может.
В классификации А.Ф. Лебедева гигроскопическая вода вместе с пленочной называется молекулярной водой. Самое большое количество такой воды, которое удерживается горной породой, называется максимальной моле-
кулярной влагоемкостью. Она составляет в песках 1 – 7 %, в супесях 9 – 13 %, в суглинках 15 – 23 %, в глинах 25 – 44 % массы частиц.
Молекулярная вода удерживается на поверхности минеральных частиц за счет электромолекулярных сил. Рассмотрим механизм действия этих сил. Диэлектрическая постоянная воды значительно больше диэлектрической постоянной минеральных частиц. По этой причине при столкновении минеральной частицы с водой последняя получает отрицательный электрический заряд, а вокруг нее возникает электрическое поле. В то же время молекулы воды – это диполи с положительными ионами водорода и отрицательными ионами кислорода. Попадая в электрическое поле минеральных частиц, диполи воды притягиваются к их поверхности и ориентируются в электрическом поле определенным образом (рис. 4.3). Так возникают слои связанной воды. Эффекты, сопровождающие образование гигроскопической и пленочной воды, проявляются
тем сильнее, чем мельче минеральные частицы. Это объясняется тем, что суммарная площадь поверхности частиц в 1 см3, или удельная поверхность, увеличивается с уменьшением их размера. Если сторона кубика равняется 1 см, то площадь его поверхности составляет 6 см2, а при размере стороны кубика 0,0001 см количество кубиков в 1 см3 будет равно 1012 при общей площади поверхности 60000 см2 (6 м2). Этим можно объяснить то обстоятельство, что породы, которые содержат в себе даже небольшое количество глинистых частиц, приобретают свойства, присущие собственно глинистым породам.
Какое же соотношение существует между связанной и свободной водой в породах? В песках, где удельная поверхность небольшая, вода преимущественно находится в свободном виде. В глинистых породах – супесях, суглинках
– почти вся, а в глинах вся вода – связанная. Это обстоятельство следует учитывать, проектируя водопонижение, дренаж и водозаборы. Так устройство дренажа в глинах неэффективно из-затого, что вода, будучи связанной, не отделяется от минеральных частиц.
Вэлектрическом поле минеральных частиц есть не только диполи воды,
аи катионы разных веществ, которые ориентируют диполи воды. Таким образом, можно говорить об оболочках водно-коллоидноготипа вокруг минеральных частиц. Такие оболочки играют важную роль в обеспечении связности глинистых пород.
Вода в твердом состоянии образуется при температуре пород ниже нуля, если гравитационная вода и часть связанной воды замерзают и находятся в породах в виде кристаллов, линз, прослоек, жил или значительных массивов льда. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличаются от свойств талых пород. Изучением первых занимается отдельная наука – мерзлотоведение.
Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки мине-
ралов в виде ионов, OH, H3O и других, как ее составляющая, например, Ca(OH)2. Причем из минералов гидроксильные группы могут быть удалены
лишь при нагревании до температуры от 300 до 1000ºС. При разрушении кристаллической решетки минералов ионы реагируют между собой, образуя молекулы воды.
Кристаллизационная вода принимает участие в построении кристаллической решетки некоторых минералов в виде молекул H2O, например гипс CaSO4 2H2O, мирабилит Na2SO4 10H2O и др. Эта вода может быть удалена,
как и конституционная, нагреванием (до температуры ниже 300 ºС), что приводит к разрушению кристаллической решетки и ее перестройки (например, гипс превращается в ангидрит).
Цеолитная вода – это часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и снова поглощаться минералом без разрушения кристаллической решетки. Она входит в состав кристаллической решетки некоторых минераловцеолитов, которые являются представителями водных алюмосиликатов.
2. Практическое занятие по курсу «Инженерная геология» на тему: «ПОСТРОЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ»
2.1. План практического занятия:
- введение;
- знакомство студентов с основными вопросами, которые будут разобраны в течение занятия;
- рассмотрение вопроса «Что такое геологический разрез»;
- ответы на возникшие вопросы;
- рассмотрение вопроса «Какие элементы грунтового массива показывают на геологическом разрезе»;
- ответы на возникшие вопросы;
- заключение и основные выводы по теме лекционного занятия;
- указания по выполнению самостоятельной работы студентов;
- проведения переклички студентов.
Date: 2016-05-17; view: 1022; Нарушение авторских прав