Плотностные свойства грунтов.

Плотность грунта, или плотность влажного грунта — масса единицы объема грунта с естественной влажностью и природным (ненарушенным) сложением. Эту величину измеряют в г/см³ или кг/м³.

Величина плотности грунта зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости). Величина плотности дисперсных грунтов (глинистых, лёссовых, песча­ных и крупнообломочных) колеблется от 1,30 до 2,20 г/см³. Плотность магматических пород изменяется в пределах 2,50—3,40 г/см³ (возрастает от кислых пород к основным и ультраосновным); аргиллитов и алевролитов — 2,20—2,55; изве­стняков — 2,40—2,65; мергелей — 2,10—2,60; песчаников — 2,10—2,40 г/см³

Плотностью твердых частиц (твердой компоненты, твердой фазы) грунта называется масса единицы их объема. Численно она равна отношению массы твердой компоненты грунта к ее объему. Единицей измерения этого свойства в системе СИ является кг/м³, в системе СГС — г/см³; коэффициент между ними равен 10³.

Плотностью скелета грунта⁴ называют массу твердой компоненты в единице объема грунта при естественной (ненарушенной) структуре. Ее значения изменяются в более узком пределе по сравнению с плотностью грун­та, поскольку она зависит только от минерального состава и характера сло­жения (пористости) грунта. Чем ниже пористость и выше содержание тяже­лых минералов в грунте, тем выше плотность его скелета.

Проницаемость грунтов.

Водопроницаемостью называется способность водонасыщенных грун­тов пропускать сквозь себя воду за счет градиента напора. Водопроницаемость связана с одним из важнейших процессов массопереноса в грунтах — фильт­рацией воды (или иных жидкостей), изучение которой имеет большое значе­ние в инженерной геологии и гидрогеологии. Фильтрация воды сквозь грунты способна осуществляться лишь через сообщающиеся пустоты. В скальных грунтах это сквозные и сообщающиеся каверны, трещины и открытые поры, в дис­персных — открытые поры.

Закономерности фильтрации воды в насыщенных фунтах при ламинарном режиме течения описываются законом Дарси, согласно которому линейная скорость фильтрации через грунт прямо пропорциональна градиенту напора.

Уравнение Дарси в простой форме справедливо лишь в определенных пре­делах скоростей фильтрации. Согласно ряду данных, применение закона Дар­си в грунтах определяется диапазоном числа Рейнольдса (Re = 1 - 10).

Минеральный состав влияет на величину коэффициента фильтрации грун­тов через связанную с ним дисперсность и пористость. В дисперсных грунтах, включая пески, примесь глинистых минералов приводит к снижению коэф­фициента фильтрации (рис. 12.1). Добавление к песку всего 10% глинистых частиц снижает водопроницаемость более чем на 50—60%.

Также водопроницаемость зависит от упаковки частиц, однородности их гранулометрического состава, их уплотнение под давлением.

Теплоемкость грунтов.

Теплоемкость характеризует способность грунтов поглощать тепловую энергию при теплообмене. Передача тепла в однородных твердых телах проис­ходит путем обмена кинетической энергии при столкновении электронов или постепенной передачей колебаний кристаллической решетки от одной части­цы к другой. Тип теплопроводности:Электронный и фотонным.

Теплота (ΔQ), сообщенная грунту, расходуется, согласно первому закону термодинамики, на изменение внутренней тепловой энергии (ΔU) и работуА, связанную с расширением грунта: ΔQ = AU + А.

Удельная теплоемкость (С) равна количеству тепла, которое необходимо сообщить единице массы грунта для изменения его температуры на ГС при отсутствии фазовых переходов. Ее измеряют в Дж/гК (система СИ), Дж/кг °С, эрг/г °С (система СГС), кал/г °С и ккал/кг-°С (внесистемная единица измере­ния)¹⁶.

Объемная теплоемкость (С) численно равна количеству тепла, необходи­мого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°С. Ее измеряют в Дж/м³-°С (Дж/м³-К), эрг/см³-°С, кал/см³-°С, (ккал/м³-°С).

Удельная (С) и объемная (С) теплоемкость связаны между собой: С=рС, где р — плотность грунта.

Величина удельной теплоемкости наиболее распространенных минералов изменяется от 0,50 до 1,10 кДж/кгК, причем у большинства из них она со­ставляет 0,70—0,95 кДж/кгК.

Теплопроводность грунтов.

Теплопроводность грунтов характеризует их способность проводить тепло. Она оценивается коэффициентом теплопроводности (λ), который пред­ставляет собой величину, равную количеству тепла, проводимого грунтом в единицу времени через единицу площади при температурном градиенте, равном единице. Его измеряют в Вт/мК (система СИ), иногда в Вт/м°С, эрг/смс°С (система СГС), кал/смс°С или ккал/мч°С (внесистемная едини­ца измерений).

В некоторых случаях (например, при геофизических исследованиях сква­жин) для характеристики теплопроводности пород используют величину, обратную коэффициенту теплопроводности, ξ=1/λ, которую называют удель­ным тепловым сопротивлением. Она характеризует степень сопротивления грун­тов передаче тепла.

Теплопроводность грунтов, являющихся многокомпонентными система­ми, определяется соотношением твердой, жидкой и газообразной составляю­щих, их химико-минеральным составом, структурными и текстурными осо­бенностями (дисперсностью, пористостью, слоистостью и др.), влажностью, фазовым состоянием воды и температурой.

Теплопроводность большинства породообразующих минералов колеблет­ся от 0,20 до 7,00 Вт/мК, составляя в большинстве случаев 0,80—4,00 Вт/мК.

Температуропроводность грунтов.

Температуропроводность грунтов характеризует скорость распрост­ранения изменения температуры вследствие поглощения или отдачи тепла. Она оценивается коэффициентом температуропроводности (а), который чис­ленно равен теплопроводности грунта с объемной теплоемкостью, равной единице: а=λ/С_v, а=λ/ρС.

Эта величина измеряется в м²/с (система СИ), см²/с (система СГС). У большин­ства скальных грунтов (0,60—1,2)*10 ^-6 м²/с.

Температуропроводность грунтов, подобно их теплопроводности, зависит от соотношения твердой, жидкой и газообразной составляющих, текстурных и структурных особенностей грунтов, состояния влаги и температуры.

Температуропроводность зависит от текстурных особенностей грунтовой толщи: обычно вдоль напластования коэффициент температуропроводности несколько выше, чем поперек напластования.

Температуропроводность зависит от температуры: понижение температу­ры грунтов несколько повышает коэффициент температуропроводности. Его величина для мерзлых грунтов в 1,3—1,5 раза выше по сравнению со значени­ями для талых.