Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
– 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. Диэ- лектрическая постоянная воды значительно больше диэлектрической посто- янной 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 кисло- рода. Попадая в электрическое поле минеральных частиц, диполи воды притя- гиваются к их поверхности и ориентируются в электрическом поле определен- ным образом (рис. 4.3). Так возникают слои связанной воды. Эффекты, сопро- вождающие образование гигроскопической и пленочной воды, проявляются 89 тем сильнее, чем мельче минеральные частицы. Это объясняется тем, что суммарная площадь поверхности частиц в 1 см 3 , или удельная поверхность, увеличивается с уменьшением их размера. Если сторона кубика равняется 1 см, то площадь его поверхности составляет 6 см 2 , а при размере стороны кубика 0,0001 см количество кубиков в 1 см 3 будет равно 10 12 при общей площади поверхности 60000 см 2 (6 м 2 ). 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 преимущест- венно 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 Рис 4.2. Схема распределения видов воды в горных породах: а – атмосфера; б – воздушно-сухая порода; в – влажная порода; г – порода, насыщенная водой; 1, 2 – частицы с неполной гигроскопичностью; 3 – частицы с полной гигроскопичностью; 4, 5 – частицы с пленочной водой; 6 – гравитационная вода РГВ 1 2 3 4 5 6 а б в г Рис. 4.3. Действие электромолекулярных сил в системе «минеральная частица – вода»: 1 – минеральная частица; 2 – гигроскопичная вода; 3 – пленочная вода; 4 – свободная вода; 5 – катионы; 6 – диполи воды <0,5 мкм 0 h 1 2 3 4 5 6 90 дренажа в глинах неэффективно из-за того, что вода, будучи связанной, не отделяется от минеральных частиц. В электрическом поле минеральных частиц есть не только диполи воды, а и катионы разных веществ, которые ориентируют диполи воды. Таким обра- зом, можно говорить об оболочках водно-коллоидного типа вокруг мине- ральных частиц. Такие оболочки играют важную роль в обеспечении связ- ности 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, превра- щая 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 , O H 3 и других, как ее составляющая, например, 2 ) OH ( Ca . 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 кристал- лической решетки некоторых минералов в виде молекул O H 2 , например гипс O H 2 CaSO 2 4 , мирабилит O H 10 SO Na 2 4 2 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 минералов- цеолитов, которые являются представителями водных алюмосиликатов. 4.4. Физические свойства, химический и бактериальный состав подземных вод и их агрессивность К физическим свойствам подземных вод принято относить температуру, плотность, прозрачность, цвет, запах, вкус и привкус, электропровод- ность, радиоактивность, сжимаемость и вязкость (ГОСТ 18963-73). Температура подземных вод изменяется в довольно широких пределах что зависит от геологического строения, физико-географических условий и ре- жима питания первых. В зависимости от температуры воды делятся на холод- ные (с температурой ниже 20 ºС), теплые (20 – 37ºС), горячие (37 – 42ºС) и очень горячие (гипертермальные, их температура превышает 42ºС). В зонах распространения вечной мерзлоты высокоминерализованные воды могут иметь 91 минусовую температуру (–5ºС и ниже). В районах молодой вулканической деятельности, а также в местах выхода гейзеров температура воды может превышать 120ºС. Во внутренней геотермической зоне, обнаруженной при помощи глубоких буровых скважин (3 – 4 км), встречаются перегретые подзем- ные воды с температурой 150ºС. Самую большую плотность вода имеет при температуре около 4ºС. В отличие от других жидкостей при охлаждении ниже 4 ºС она расширяется, и потому лед легче воды, его плотность – 0,92 т/м 3 . Плотность пресной воды при температуре 4ºС равна 1,0 т/м 3 , морской – 1,03 – 1,08 т/м 3 . Плотность подземных вод составляет 1,0 – 1,04 т/м 3 Прозрачность воды – это ее способность пропускать световые лучи. Прозрачность зависит от содержания в воде механических примесей и орга- нических веществ. Принято выделять прозрачные воды, слегка мутные, мутные и очень мутные. Определение прозрачности проводят при помощи специальных приборов. Цвет воды зависит от ее химического состава, механических и коллоид- ных примесей. Химически чистая вода в большой массе имеет небесно-голубой цвет, а в малой – она бесцветная. Болотные воды имеют желтый цвет из-за содержания гуминовых кислот, закисные соли железа Fe 2+ придают воде зеленовато-голубой оттенок, полуторные окислы железа Fe 3+ – ржавый, бурый. В большинстве случаев подземные воды лишены запаха. Однако иногда они имеют запах тухлых яиц (при наличии сероводорода), «болотный» (когда содержат гуминовые кислоты), гнилостный запах, запах плесени и др. А ле- чебная вода «Нафтуся» даже получила название из-за своего запаха. Чтобы точно определить, как пахнет вода, ее подогревают до температуры 50 – 60ºС. Вкус и привкус воды зависит от растворенных в ней веществ, газов и разнообразных примесей. Хлориды придают воде соленый вкус, сульфаты – горький, соли железа – «ржавый», органические вещества – сладковатый, сво- бодная углекислота – приятный, освежающий. Вкус воды определяют, подо- грев ее до температуры 20 – 30 ºС. Наличие в подземных водах растворенных веществ обусловливает их электропроводность, величина которой зависит от концентрации этих естест- венных растворов Подземные воды, которые содержат в себе естественные радиоизотопы урана, радона и радия, называются радиоактивными. За очень небольшим исключением все подземные воды в той или иной мере радиоактивны, однако опасные уровни радиации встречаются довольно редко. Сжимаемость показывает изменение объема воды под действием дав- ления. Степень сжимаемости воды зависит от количества растворенного в ней газа, температуры и химического состава. Тем не менее, при определении параметров в инженерной геологии и механики грунтов воду можно считать практически несжимаемой. 92 Вязкость характеризует внутреннее сопротивление частиц жидкости ее движению. Вязкость подземных вод в основном зависит от температуры и степени минерализации. Причем с увеличением температуры вязкость умень- шается, а с увеличением минерализации повышается. Вода – прекрасный растворитель. В естественных водах обнаружены растворенными многие элементы периодической системы Менделеева. Следо- вательно, подземные воды являются естественными растворами. Наиболее широко распространены в подземных водах Cl, S, C, Si, N, O, H, K, Na, Mg, Ca, Fe, Al; другие элементы встречаются редко и в небольших количествах. Формирование химического состава подземных вод происходит вследствие сложных химических и физико-химических процессов, таких, как растворение и выщелачивание горных пород, обменная адсорбция между водой и погло- щенным комплексом породы, внутригрунтовое испарение капиллярной каймы грунтовых вод, микробиологические процессы, смешивание вод и т. п. Свойства подземных вод зависят от количества и соотношения раство- ренных в них солей, которые находятся там в виде ионов (катионов и анионов). Большое практическое значение имеют катионы H + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ и анионы OH – , Cl – , 2 4 SO , 3 HCO , 2 3 CO . Содержание в воде химических элемен- тов, их соединений и газов характеризует общую минерализацию воды. Ее определяют по количеству сухого остатка, который получают путем выпари- вания воды при температуре 105 – 110 ºС. По этому показателю воды делят на пресные (до 1 г/л), слабосоленые (1 – 5 г/л), солоноватые (5 – 10 г/л), соленые (10 – 50 г/л) и рассолы (50 г/л и больше). Наличие в воде определенных компонентов или их преобладание обус- ловливает характер реакции воды, ее жесткость и агрессивность. Для оценки агрессивности нужно знать концентрацию водородных ионов, которую коли- чественно выражает величина pН. Известно, что вода слабо диссоциирует (распадается на ионы: водородный H + и гидроксильный OH – ). При температуре 22 ºС в чистой воде содержание водородных и гидроксильных ионов равно 10 -7 ммоль/л (каждого в отдельности). Для любого водного раствора произ- ведение концентрации водородных и гидроксильных ионов является величиной постоянной, она составляет 10 -14 . Величину pН определяют как логарифм кон- центрации водородных ионов, взятый с противоположным знаком, то есть pН = –lg(Н + ). Итак, величина pН изменяется в пределах от 0 до 14. Для нейт- ральных вод pН = 7, если pН < 7, то вода имеет кислую реакцию (то есть водородных ионов больше, чем гидроксильных), а если pН > 7, то щелочную. Определяют показатель pН с помощью прибора, который имеет название pH-метр, или колориметрическим способом, в котором использовано свойство индикаторов изменять цвет в зависимости от концентрации водородных ионов. Чаще всего подземные воды имеют слабощелочную реакцию. Жесткость воды – особое ее свойство, обусловленное наличием раство- ренных в ней солей кальция и магния. Из-за жесткости воды образуется накипь на стенках паровых котлов и посуды, такая вода плохо мылится и т. д. Жест- кость выражается в миллимолях на литр; 1 ммоль/л жесткости отвечает содер- 93 жанию в 1 л воды 20,04 мг Ca 2+ , или 12,16 мг Mg 2+ Различают общую жесткость, вызванную наличием всех солей Ca и Mg; постоянную – когда содержатся все соли Ca и Mg за исключением бикарбо- натов; временную, которая зависит от содержания бикарбонатов Ca и Mg. Вре- менная жесткость исчезает при кипячении вследствие разрушения бикарбо- натов и перехода их в карбонаты, которые выпадают в осадок. По признаку жесткости принято различать: мягкую – меньше 3 ммоль/л, средней жесткости – 3 – 6 ммоль/л, жесткую – 6 – 9 ммоль/л, очень жесткую – больше 9 ммоль/л воду. Агрессивность подземных вод проявляется в их разрушительном влиянии на бетон, растворы, каменный материал и стальные элементы фундаментов и подземных сооружений. Интенсивность агрессивного воздействия подземных вод тем выше, чем выше водопроницаемость породы водоносного пласта. Различают такие виды агрессивности вод в зависимости от содержания в них следующих веществ: ионов 3 HCO – выщелачивающая (pН общекислотная); свободного углекислого газа (CO 2 ) – углекислотная; свободного кислорода (O 2 ) – кислородная; ионов 2 4 SO – сульфатная; Mg 2+ – магнезиальная. Разно- образные случаи проявления этих видов агрессивности подземных вод рас- сматриваются в строительных нормах и правилах. Иногда агрессивность вызывается тем, что атмосферные воды (талые и дождевые) фильтруються, поступая в водоносный пласт сквозь толщу шлаков или отходов химического производства. Туда могут проникать сбросовые воды, которые содержат агрес- сивные растворы. Для борьбы с агрессивным влиянием подземных вод используют плотные бетоны на цементах соответствующих марок, создают гидроизоляцию, выпол- няют дренаж и т. п. Бактериальный состав подземных вод характеризуется содержанием разнообразных микроорганизмов, в том числе и патогенных. Для оценки бакте- риального загрязнения пользуются коли-титром, под которым понимают объем воды, содержащей одну кишечную палочку, или коли-тестом, по которому определяют количество кишечных палочек в 1 л воды. В зависимости от коли- титра воды имеют шесть градаций – от безупречно здоровых (500 – 700 см 3 ) до совсем непригодных (25 – 50 см 3 ). Для питья может использоваться вода с коли-тестом не больше трех. Количество бактерий в воде уменьшается с увеличением глубины залегания. 4.5. Классификация подземных вод Единой общепринятой классификации подземных вод не существует, что обусловлено их чрезвычайным разнообразием. В основу классификации под- земных вод можно взять много факторов: генетические признаки, физические свойства, химический состав, гидравлические параметры, условия залега- ния, литологический состав водоносных пластов, возраст водовмещающих пород и др. Классификации по некоторым признакам были рассмотрены выше, 94 поэтому остановимся на других, в особенности актуальных для строительства. По условиям залегания и характеру пустот, которые занимают под- земные воды, можно выделить: 1) поровые воды, которые залегают и цирку- лируют в порах горных пород поверхностной части земной коры; 2) трещин- ные воды, они циркулируют в скальных (магматических, метаморфических и осадочных) породах, имеющих равномерную трещиноватость; 3) межпласто- вые воды, залегающие и циркулирующие в порах или трещинах осадочных горных пород, которые перекрываются и подстилаются водонепроницаемыми породами; в свою очередь они подразделяются на порово-пластовые и трещин- но-пластовые; 4) карстовые воды, протекающие в массивах закарстованных пород; 5) трещинно-жильные воды, которые циркулируют в отдельных тектонических трещинах и в зонах тектонических разломов. По наличию гидравлических признаков подземные воды могут быть напорными или безнапорными. С учетом возраста водовмещающих пород подземным водам дают соответствующее наименование, например: воды каменноугольных отложе- ний, юрских, меловых и т. п. Кроме солей, в подземных водах всегда содержатся различные газы, в связи с чем принято выделять углекислые, сероводородные, радоновые и про- чие воды. Подземные воды, в которых высока концентрация растворенных хими- ческих элементов, называются промышленными. Различают йодные, бромные и другие воды. 4.6. Характеристика подземных вод В самой верхней части земной коры, которая более всего доступна для исследований и наиболее инте- ресна с точки зрения хозяйственной деятельности человека, выделяют три зоны, которые различаются по харак- теру подземных вод (рис. 4.4). |