Геология. 38. Удельный вес грунтов
 Скачать 155.87 Kb.
|
|
54. Физические свойства воды Плотность воды в зависимости от температуры Принято считать, что плотность воды равна 1000 кг/м3, 1000 г/л или 1 г/мл, но часто ли мы задумываемся при какой температуре получены эти данные? Максимальная плотность воды достигается при температуре от 3,8 до 4,2°С. В этих условиях точное значение плотности воды составляет величину 999,972 кг/м3. Такая температурная зависимость плотности характерна только для воды. Другие распространенные жидкости не имеют максимума плотности на этой кривой — их плотность равномерно снижается по мере роста температуры. Вода существует как отдельная жидкость при температуре от 0 до 374,12°С — это ее критическая температура, при которой исчезает граница раздела между жидкостью и водяным паром. Какова плотность воды (или ее удельная масса) при этих температурах можно узнать в таблице ниже. Данные о плотности воды представлены в размерности кг/м3 и г/мл. Плотности воды в кг/м3 и в г/мл (г/см3), допускается интерполяция данных. Например, плотность воды при температуре 25°С можно определить, как среднее значение от величин ее плотности при 24 и 26°С. Таким образом, при температуре 25°С вода имеет плотность 997,1 кг/м3 или 0,9971 г/мл. 55. Химический состав подземных вод Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов, а также микроорганизмы. Сумма растворенных в воде веществ, исключая газы, определяет её минерализацию (выражаемую в г/л или мг/л). По химическому составу различают следующие виды подземных вод: — пресные (до 1 г солей на 1 л воды), — слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды), — минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды). При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными. Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бывает углекислая вода (Кисловодск и другие курорты района Кавказских Минеральных вод, Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхал-тубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др. 56. Агрессивность подземных вод Подземные воды определенного состава могут оказывать разрушительное воздействие на различные строительные материалы, в том числе на бетонные сооружения и железные конструкции. Эта разрушительная способность воды получила название агрессивности. Различают следующие виды агрессивности воды: 1) углекислотная; 2) выщелачивающая; 3) общекислотная; 4) сульфатная; 5) магнезиальная; 6) кислородная. 1. Углекислотная агрессивность - состоит в разрушении бетона в результате растворения СаСО3 под действием агрессивной углекислоты (СО2) и может быть выражена уравнением: СаСО3 + Н2О + СО2 ↔ Са(НСО3)2 ↔ Са2+ + 2НСО3- Количество углекислоты, вызывающее подвижное равновесие между СаСО3 и Са(НСО3)2 называется равновесной углекислотой, допускается в природных водах, не вызывая активного растворения СаСО3. Количество углекислоты, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение СаСО3 бетона со смещением хода реакции необратимо вправо, называется агрессивной углекислотой. Если содержание свободной углекислоты в воде окажется меньше, чем необходимо для равновесия, то из воды будет выделяться СаСО3, который тонкой коркой будет покрывать поверхность бетонной конструкции, защищая его от разрушения. Если же содержание свободной углекислоты будет больше, чем необходимо для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСО3 бетона будет происходить его растворение до тех пор, пока не наступит равновесие. Таким образом, вода будет проявлять углекислотную агрессивность тогда, когда содержание в ней свободной углекислоты будет больше, чем необходимо для равновесия с твердым углекислым кальцием. Измеряется в мг/л. В нормах и технических условиях предусматривается различное допустимое содержание агрессивной угольной кислоты в зависимости от количества НСО3- и общей минерализации, а также от условий, в которых происходит агрессия (толщина конструкции, коэффициент фильтрации, напор, сорт цемента). Максимальным содержанием агрессивной СО2, допустимым при наиболее опасных условиях, является 3 мг/л, при наименее опасных – 8,3 мг/л. 2. Выщелачивающая агрессивность - происходит за счет выщелачивания (растворения) карбоната кальция и вымывания из бетона гидрата окиси кальция. При малых концентрациях карбоната кальция в воде часть карбоната кальция бетона переходит в раствор через гидрокарбонатную стадию - Са(НСО3)2. Выщелачивающая агрессия – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО3-, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО3. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами. В зависимости от состава (сорта) цемента и условий в которых находится сооружение, вода согласно нормам обладает выщелачивающей агрессивностью при минимальном содержании НСО3- от 0,4 до 1,5 мг-экв/л. 3. Общекислотная агрессивность воды зависит от содержания в воде свободных водородных ионов - величины рН. Особенно активны воды с рН < 5. Кислая среда является активным растворителем для вмещающих пород – солей, карбонатов, опасна для железных конструкций. 4. Сульфатная агрессивность имеет место при высоком содержании ионов SО42-, в результате чего, в случае проникновения воды в тело бетона, при кристаллизации образуются соли, образование которых сопровождается резким увеличением объема (СаSО4*Н2О, соль Деваля и др.), производящие вспучивание и разрушение бетона. По нормам принято, что вода обладает сульфатной агрессией в зависимости от условий, в которых находится сооружение и от содержания ионов Сl-. При применении обычных цементов вода считается агрессивной при содержании SO42- от 250 мг/л и более, а при применении сульфатостойких цементов – от 4000 мг/л и более. 5. Магнезиальная агрессивность возникает при высоких содержаниях иона Мg2+, предельно допустимое количество, которого колеблется в зависимости от сортов цемента, условий и конструкции сооружения и от содержания SO42- (от 750 мг/л и более). 6. Кислородная агрессивность вызывается содержащимся в воде растворенным кислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическим конструкциям, и в частности, к водопроводным трубам, в которых кислород образует ржавчину. Процесс окисления происходит по следующей схеме: 2Fе+О2 → 2FеО; 4FеО + О2 → 2Fе2О3; Fе2О3 + ЗН2О → 2Fе(ОН)3; 57. Естественная влажность горных пород Для характеристики горных пород по отношению к воде необходимо иметь представление о таких ее свойствах как гранулометрический состав, плотность и объемная масса, кроме порозности и пористости. Гранулометрический состав - процентное содержание в рыхлой горной породе частиц различного размера. Гранулометрический состав служит классификационным признаком, позволяющим установить название грунта. Плотность - масса единицы объема твердой фазы (минеральных частиц), породы, г/см3. Для большинства горных пород она изменяется от 2,6 до 2,7 г/см3. Плотность входит в ряд расчетных формул для определения физических и механических свойств пород. Объемная масса - масса единицы объема породы (г/см3, т/м3). К основным водным свойствам горных пород относят: влажность, влагоемкость, водопроницаемость, водоотдача и водоподъемная способность. 1. Влажность горных пород Естественная влажность — отношение массы воды к массе минеральной части грунта (массовая влажность Wa.) или отношение объема воды к объему всей породы (объемная влажность W,) выражается в процентах. Объемная влажность равна Wo = W *б где б - объемная масса твердой фазы Wd - массовая влажность в %. Массовую влажность определяют взвешиванием образца до высушивания и после него. Полученную разность делят на массу высушенного образца. Для определения влажности применяют и другие методы - ядерные, тензометрические и другие. 2. Влагоемкость – это способность горных пород вмещать и удерживать в пустотах определенное количество воды. Выражается в процентах отношением массы воды, заключенной в пустотах, к массе сухой породы, или отношением объема воды, заключенной в пустотах, к общему объему породы. Различают следующие виды влагоемкости: 1) гигроскопическую влагоемкость Wa - наибольшее количество прочно-связанной воды, которое порода может адсорбировать из воздуха, насыщенного водяными парами; 2) максимальную молекулярную влагоемкость W, количество связанной воды, которое может быть удержано породой под воздействием поверхностных сил притяжения. Наибольшей максимальной молекулярной влагоемкостью обладают глинистые породы; 3) W - капиллярную влагоемкость - это наибольшее количество капиллярной влаги, которое может содержаться в породе при полном заполнении только капилляров. Величина переменная, зависит от высоты слоя, для которого она определяется над уровнем свободной воды. 4) W, (ПВ) - полная влагоемкость - наибольшее количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое может содержаться в породе при заполнении всех пор и пустот. 5) W, - (НВ, 111 IB) - наименьшая или 111 1В - наибольшее количество подвешенной воды, которое может прочно удерживаться породой. По степени влагоемкости выделяют 3 группы пород: 1. влагоемкие - торф, глина, суглинок; 2. слабовлагоемкие - глинистый песок, лёсс, мергель и др.; 3. невлагоемкие - песок, гравий, галечник, метаморфические горные породы. 4. Водопроницаемость – это способность горных пород пропускать через себя воду. Она обусловлена наличием в породе пустот. Водопроницаемость зависит от особенностей структуры породы. Так у лессов, отличающихся макропористостью, она значительно уменьшается при разрушении естественной структуры и уплотнении при оптимальной влажности. Водопроницаемость лессовых пород в естественном залегании по вертикали выше, чем по горизонтали. Это объясняется тем, что поры ориентированы преимущественно по вертикали. В других породах может быть наоборот. Это характерно для глинистых, речных, озерных и морских отложений, если они содержат песчаные пропластки. Обменные катионы, содержащиеся главным образом в глинистых породах и в воде, также влияют на водопроницаемость. Са+ и Mg+2 повышают ее, Na+ и К+ - уменьшают. Это влияние обменных катионов используется в мелиорации. Например для удаления из 1111К Na+ и замены его кальцием проводят гипсование солонцов, что существенно повышает водопроницаемость почв и соответственно улучшает их водный и солевой режим. Коэффициент увеличивается с повышением температуры. Показателем водопроницаемости пород является коэффициент фильтрации. Коэффициент м/сут. Водопроницаемость скальных горных пород зависит от их трещиноватости. Вот примерно какие коэффициенты фильтрации м/сут: Глина - менее 0,001 м/сут; Лесс - 0,25 - 0,5 м/сут; Песок пылеватый - 0,5 - 1 м/сут; Песок крупнозернистый - 20 - 50 м/сут; Гравий - 20 - 150 м/сут; Галечник - 100 - 500 м/сут. По-видимому водопроницаемость тем выше, чем больше площадь сечения пустот. Поэтому галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые скальные породы обладают хорошей водопроницаемостью. То есть горные породы обладают водопроницаемостью: 1.водопроницаемые - галечник, гравий, песок; 2. полуводопроницаемые - глинистый песок, супесь, суглинок легкий, лесс и т.д.; 3. практически водопроницаемые - глина, тяжелый суглинок, плотный хорошо разложившийся торф, осадочные нетрещиноватые горные породы и др. Абсолютно водопроницаемых горных пород нет. 5. Водоотдача – это способность водонасыщенных горных пород отдавать воду путем свободного стекания под действием силы тяжести. Величина водоотдачи определяется отношением объема свободно стекающей воды к объему всей породы и выражается в долях единицы или в процентах. Водоотдача м равна разности полной и максимальной молекулярной влагоемкостями: м = Wn – Wi . Породы имеют различную водоотдачу. Такие, как глина и торф практически водоотдачей не обладают. Отличаются высокой водоотдачей пески, галечники и др. 6. Водоподъемная способность – это способность горных пород поднимать воду по капиллярам. В мелких порах горных пород над УГВ под влиянием сил поверхностного натяжения образуется кайма капиллярной воды. Высота и скорость поднятия капиллярной воды зависит от гранулометрического состава, плотности, однородности сложения их, формы частиц, от температуры и минерализации воды. С повышением температуры высота капиллярного поднятия уменьшается, с увеличением минерализации - возрастает. Высоту капиллярного поднятия Н^ определяют прямыми наблюдениями в шурфах, углубленных до УГВ, а также в лабораторных условиях. Значение Н: Например: Глина - 500см; Суглинок тяжелый - 300 - 400см; Суглинок легкий - 200 - 300см; Песок среднезернистый - 15 - 35см; Песок мягкий - 35 - 100см; Супесь - 100- 150см; Суглинок легкий - 150 - 200см 58. Водопроницаемость горных пород Водопроницаемость – способность грунта пропускать через себя воду под действием напора. Она зависит от: - размеров сообщающихся между собой пор, - от величины напора, - от особенностей сложения породы, - от вязкости воды. Она характериз-ся коэффициентом фильтрации.. в зависимости от коэффициента фильтрации различают, грунты с высокой водопрониц-тью, Кf > 1 м/сут, грунты с невысокой водопрониц-тью 0,01≤ Кf ≤1 м/сут, грунты водонепроницаемые Кf< 0,001 м/сут. 58. Физические свойства подземных вод. Основными физическими свойствами природных вод являются: температура, цвет, прозрачность, вкус и запах. Температура подземных вод колеблется в широких пределах, но чаще всего плюс 7—1 Г. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси (желтоватая, изумрудная и т. д.). Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый — от хлористого натрия, горький — от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ. 59. Закон Дарси (линейный закон фильтрации) В гидродинамике рассматривается не движение отдельной частицы или слоя воды, а всей массы воды — фильтрационного потока — условного потока жидкости через пористую или пористо-трещинную среду по сообщающимся порам и трещинам. Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения и подчиняются двум законам. Движение воды параллельно-струйчатого типа называют ламинарным, и оно подчиняется линейному закону Дарси. Для простейших условий прямолинейно-параллельного потока линейный закон фильтрации Дарси имеет вид Q = KфF*ΔH/ΔL где Q — расход потока, м3/сут; Кф — коэффициент фильтрации, зависящий от свойств жидкости и фильтрующей среды, м/сут; F — площадь поперечного сечения потока, м2 ; ΔН — перепад напоров, м; ΔL — длина участка фильтрационного потока, м. Согласно закону Дарси, количество воды Q, проходящее через трубку, заполненную дисперсным материалом, прямо пропорционально разности напоров Нв крайних сечениях трубки, прямо пропорционально площади поперечного сечения трубки F, обратно пропорционально длине пути фильтрации L и прямо пропорционально постоянному для данного материала коэффициенту Кф, характеризующему проницаемость материала, заполняющего трубку. К основным параметрам фильтрационного потока относятся: 1. расход фильтрационного потока Q — количество воды, проходящее через поперечное сечение потока водоносного слоя за единицу времени, см3/с, м3/сути т.д.; 2. удельный расход потока q — количество воды Q, проходящее через поперечное сечение потока У7при ширине потока 1 м, м3: F= lm, где F — поперечное сечение потока, м2 ; l — ширина потока; m — мощность потока, м. Подставим в формулу Дарси полученное значение: q = Кфlm*(H1-H2)/L = Кфlm Поскольку I= (H1-H2)/L, при ширине потока 1 м получим q = Кфml, где q — удельный расход потока, м3; L — длина пути фильтрации, м; Кф — коэффициент фильтрации, м/сут; H1-H2 — напор, или разность уровней в крайних сечениях потока, м; I — напорный градиент. Произведение мощности потока на его водопроницаемость называется водопроводимостью Т потока: Km = Т или Т = q/I м2/сут; 3. пьезометрический напор H подземных вод: H = P/ρ + z или H = hp + z где Р — гидростатическое давление в данной точке потока, МПа, ρ — плотность жидкости, кг/м3; z — гипсометрическая высота данной точки над выбранной плоскостью сравнения, м; Р/ρ или hp — пьезометрическая высота — та высота, на которую должна подняться вода над данной точкой потока под влиянием гидростатического давления Р в данной точке (энергия давления) (рисунок ниже), равная hp = P/ρg = cP/ρ, где с = 102 (переводной коэффициент значения, МПа). 60. Напорный градиент ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ, напорный градиент (а. hydraulic gradient; н. hydraulischer Gradient; ф. gradient hydraulique; и. gradiente hidrauliсо), — величина (безразмерная) потерь напора на единице длины пути движения жидкости. Отражает степень сопротивления среды при движении воды. В динамике подземных вод гидравлический градиент (пьезометрический уклон) пропорционален скорости фильтрации и в зависимости от геологического строения и состава пород изменяется в основном от сотых до тысячных долей единицы. 61. Закон Шези-Краснопольского (закон турбулентного движения) Воды находятся в постоянном движении под действием природных и измененных человеком факторов. Динамика подземных вод изучает закономерности их движения, разрабатывает методы гидрогеологических расчетов и управления режимом. Основное внимание при этом уделяется движению гравитационных вод. Фильтрация представляет собой сложный процесс движения гравитационных вод в пористых, трещиноватых и закарстован- ных породах в условиях их полного насыщения водой. В динамике подземных вод этот процесс рассматривается как движение сплошной массы воды без выделения движения отдельных ее частиц, двигающихся в этой массе с различными скоростями. Такая масса движущейся подземной воды называется фильтрационным потоком. Движение гравитационных вод в потоке обусловлено потенциальной энергией воды (напором) и в некоторых случаях энергией, вызывающей упругие деформации воды и водовмещающих горных пород. Поэтому фильтрация может происходить при жестком и упругом режимах. При жестком режиме в неглубоко расположенных фильтрационных потоках со свободной или напорной поверхностью незначительные изменения водопроницаемости горных пород и плотности воды не учитывают. При упругом режиме, который наблюдается в глубоко залегающих водоносных горизонтах, изменяются плотность воды и пористость водоносной породы. При проектировании гидротехнических мелиораций и гидротехническом строительстве гидрогеологические расчеты проводят для условий жесткого режима фильтрации. В этих условиях наблюдаются два вида движения: ламинарное и турбулентное. В реальных условиях движение может быть смешанным. В подземных водах обычно отмечается ламинарное или параллельно-струйное движение. При турбулентном движении струйки отклоняются от общего направления движения всей массы, иногда движение происходит с разрывом сплошности потока, наблюдается оно при движении воды в горных породах по крупным пустотам (трещинам, карстовым пустотам, кавернам), а также в прифильтровой зоне водозаборных скважин во время откачки воды. |