4. Rodzaje i ruch wody w gruncie, wpływ na parametry geotechniczne
Woda w gruncie może występować w następujących stanach skupienia: gazowym, ciekłym
i stałym. Rodzaje wody w gruncie klasyfikuje się na podstawie jej stanu skupienia,
ruchliwości i wzajemnego oddziaływania. Na podstawie tych kryteriów wyróżnia się
następujące rodzaje wody w podłożu gruntowym:
•
jako para wodna,
•
związana, jako higroskopijna i błonkowata (silnie i słabo związana),
•
kapilarna (włoskowata),
•
wolna,
•
krystalizacyjna i chemicznie związana,
•
jako lód.
Woda znajdująca się w gruncie wpływa w znacznym stopniu na jego zachowanie się pod
obciążeniem oraz powoduje zmianę właściwości fizycznych i mechanicznych gruntów.
Woda związana w postaci wody higroskopijnej i błonkowatej utrzymuje się na
powierzchni cząstek gruntu dzięki działaniu sił przyciągania międzycząsteczkowego i
elektrycznego. Im większa jest łączna powierzchnia cząstek gruntu (powierzchnia właściwa ),
tym większa ilość wody zawartej w porach, w postaci pary lub ciekłej wody, może
przechodzić w postać wody związanej na powierzchni cząstek.
Woda higroskopijna – tworząca powłokę bezpośrednio przylegającą do ziarna – jest z nim
silnie związana, nie ulega sile przyciągania ziemskiego i nie przekazuje ciśnienia
hydrostatycznego, ma większą gęstość od wody wolnej (1,2-2,4 g/cm3 ), co nadaje jej cechy
ciała stałego.
Woda błonkowata tworzy jakby druga otoczkę wodną na powierzchni ziarna i dlatego jest z
nim luźniej związana. W miarę oddalania się od powierzchni ziarna właściwości wody
błonkowatej coraz bardziej zbliżają się do właściwości zwykłej wody ciekłej.
Woda wypełniająca w gruncie pory, stanowi układ połączonych ze sobą kanalików o różnej
ś
rednicy ( rurki włoskowate, kapilary ), podnosi się powyżej wody wolnej w gruncie. Jest to
woda kapilarna ( włoskowata ) . Podnoszenie się wody w kapilarach jest wywołane
działaniem dwu zjawisk: przyczepności (adhezji ) wody do ścianek kapilary i napięcia
powierzchniowego wody.
Woda w stanie stałym (lód) ma istotne znaczenie na przemieszczanie się wody w gruncie i na
właściwości gruntu (np. wysadziny i przełomy na drogach). Woda wolna swobodnie wypełnia
pory w gruncie, całkowicie podlega działaniu siły ciężkości i wywołuje ciśnienie hydrostatyczne
na grunt
Woda podziemna występuje zazwyczaj w utworach przepuszczalnych (żwiry i piaski)
podścielonych utworami nieprzepuszczalnymi ( np. gliny , iły ). Wody podziemne są zasilane
bezpośrednio z powierzchni terenu przez filtrujące wody opadowe lub wody powierzchniowe
ze zbiorników wodnych i rzek oraz przez kondensacje pary wodnej znajdującej się w porach
gruntów.
W przestrzennym rozmieszczeniu wód pod powierzchnią terenu rozróżnia się dwie strefy:
strefę aeracji i strefę saturacji. Granica między nimi jest zwierciadło wody podziemnej,
nazywane powszechnie zwierciadłem wody gruntowej.
Strefa aeracji, czyli napowietrzenia występuje, między powierzchnią terenu a zwierciadłem
wody podziemnej. W strefie aeracji pory gruntowe wypełnione są powietrzem a woda
występuje w różnych postaciach.
Strefa saturacji, czyli nasycenia woda, występuje poniżej zwierciadła wody gruntowej. W
strefie tej wolne przestrzenie między ziarnami mineralnymi, wodą higroskopijna i
błonkowata, wypełnia woda wolna.
Ruch wody w warunkach naturalnych jest spowodowany siłami grawitacji ziemskiej,
dążącymi do wyrównania różnic poziomów wody w kanalikach gruntu otworzonych przez
pory.
Przepływ wody w gruncie nazywamy filtracją, zależy od uziarnienia, struktury i porowatości
gruntu oraz temperatury i lepkości wody. Im drobniejsze uziarnienie gruntu tym większe są
opory ruchu wody.
Ze względu na skomplikowany układ porów (kanalików) w gruncie i ich średnicę, cząstki
przepływającej wody mają różne i zmieniające się prędkości. Prędkości te są jednak znikomo
małe w stosunku do przepływu wody, np. w przewodzie wodociągowym lub rzece.
Najczęściej przepływ wód gruntowych jest ruchem laminarnym. Określenie prędkości
poszczególnych cząstek wody poruszających się w gruncie jest praktycznie niemożliwe,
dlatego do obliczeń przyjęto umowną prędkość, zwaną prędkością filtracji. Jest to prędkość,
z jaką poruszałaby się woda w gruncie, gdyby ruch ten odbywał się całym przekrojem, a nie
tylko porami.
Przepływająca przez grunt woda wywiera na szkielet gruntowy ciśnienie, które przezwycięża
siłę tarcia wody o ziarna i cząstki gruntu. Ciśnienie to w odniesieniu do jednostki objętości
gruntu nosi nazwę ciśnienia spływowego (hydrodynamicznego) i jest skierowane zgodnie z
kierunkiem filtracji (stycznie do linii prądu).
Wzajemne oddziaływanie wody i szkieletu gruntowego zmienia się, gdy rozpoczyna się
filtracja. Woda filtrująca przez grunt, wskutek napotkanych oporów ruchu, działa na szkielet
gruntowy. Powoduje powstanie sił filtracyjnych skierowanych zgodnie z kierunkiem filtracji
(stycznie do linii prądu). Siły te, odniesione do jednostki objętości gruntu, nazywa się
ciśnieniem spływowym lub ciśnieniem filtracyjnym.
Ruch wody w gruncie może spowodować zmiany jego struktury, a w następstwie zmiany
właściwości fizycznych i mechanicznych. Do najczęściej spotykanych skutków filtracji
należy sufozja. Sufozją nazywane jest zjawisko polegające na unoszeniu przez filtrującą
wodę drobnych cząsteczek gruntu. Cząstki te mogą być przesunięte do innego miejsca
szkieletu gruntowego lub wyniesione poza obręb gruntu. Wskutek tego powiększają się w
gruncie pory, a zatem zwiększa się współczynnik filtracji; może również ulec zwiększeniu
prędkość filtracji, co z kolei może spowodować wynoszenie coraz większych cząstek gruntu.
W wyniku tego mogą powstać kawerny lub kanały w gruncie; zjawisko przybiera wtedy
cechy przebicia hydraulicznego.
W przypadku szczególnie intensywnej filtracji może wystąpić zjawisko kurzawki.
Upłynnienie gruntu można spowodować w gruntach niezależnie od wielkości jego
uziarnienia. Jednak w praktyce kurzawka najczęściej występuje w piaskach drobnych. W
gruntach o grubym uziarnieniu, np. w żwirach, zjawisko to występuje niezmiernie rzadko.
Zjawisko kurzawki (upłynnienia gruntu) jest jedną z postaci zmian, jakie w gruncie wywołuje
filtracja. Najczęściej występujące zmiany w gruncie wywołane filtracją (oprócz kurzawki) to:
wyparcie, przebicie hydrauliczne i sufozja. Zmiany te nigdy nie występują w czystej postaci,
lecz są ze sobą w większym lub mniejszym stopniu połączone.
Wyparciem gruntu nazywa się zjawisko polegające na przesunięciu pewnej objętości gruntu,
często wraz z obciążającymi ją elementami ubezpieczeń. Wyparta masa powiększa swoją
objętość, a więc i porowatość. Zjawisko wyparcia może występować nie tylko w kierunku
pionowym do góry, lecz również poziomo w podłożu budowli piętrzących wodę, a niekiedy
również w kierunku do dołu
.
Przebiciem hydraulicznym nazywa się zjawisko tworzenia się kanału (przewodu) w masie
gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze (w końcowej fazie zjawiska –
zawiesiną), łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach. Na
powierzchni terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaci źródła. Zjawisko przebicia
występuje przeważnie w gruntach mało spoistych podścielonych gruntami przepuszczalnymi.
Sufozją nazywa się zjawisko polegające na wynoszeniu przez filtrującą wodę drobnych
cząstek gruntu. Cząstki mogą być przesunięte na inne miejsce lub wyniesione poza obręb
gruntu. W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość
filtracji wody. Z kolei woda płynąca z większą prędkością może poruszać coraz większe
ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub
kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego.