4. WPŁYW WODY NA ZACHOWANIE SIĘ SKAŁ I GRUNTÓW

Podstawowa klasyfikacja skał w geologii i petrografii wyróżnia:

- skały zwięzłe (granity, piaskowce)

- skały spoiste (gliny, iły)

- skały okruchowe (piaski, żwiry)

Ze względu na duże różnice we własnościach pomiędzy pierwszą grupą a dwoma kolejnymi, drugą i trzecią grupę klasyfikujemy jako grunty (ośrodek rozdrobniony) zaś pierwszą jako skały (ośrodek nieciągły). Różnice występujące tak w strukturze jak i w podstawowych właściwościach fizycznych.

Grunty sypkie (rozdrobnione): ich cząsteczki oddziałują na siebie siłami tarcia, wykazują pewną niewielką wartość kohezji w wyniku zawilgocenia.

Grunty spoiste wykazują występowanie sił kohezji w konsekwencji tzw. więzów wodno koloidalnych.

Zarówno skały jak i grunty możemy rozważać jako ośrodki trójfazowe. Skały to zespoły jedno lub wieloskładnikowych minerałów występujących w postaci ziarn krystalicznych lub bezpostaciowych cząstek. Spojone są one w bezpośrednim kontakcie lub poprzez substancje cementujące. Skały powstają w wyniku działania wielu procesów geologicznych. Grunty są produktami wietrzenia skał. Następstwem wielu z procesów geologicznych i wietrzenia jest powstanie porów i spękań, które wypełnione są po części gazami i cieczą. Najczęściej występującą cieczą jest woda wraz ze swymi roztworami. Występuje niemalże w każdej skale w określonych proporcjach.
Woda w skałach występuje w postaciach:

- chemicznie związanej, stanowi część sieci krystalicznej budującej ziarna minerałów,

- fizycznie związanej (błonkowa), przylega ściśle do ziarn minerałów, co wynika z działania międzycząsteczkowych sił przyciągania o znacznej wartości. Jej ilość zależy od rodzaju wiązań w sieci krystalicznej minerałów danej skały i opisuje ją cecha tzw. zwilżalności skały. Woda ta w warstwach przypowierzchniowych ziarn ma charakter molekuł stałych. Im większa powierzchnia właściwa dla danej skały, tym więcej wody błonkowej.

- swobodnej (wolnej), wypełnia wolne przestrzenie szczelin i porów w skale,

- woda kapilarna, występuje w niedużych porach i utrzymuje się w nich dzięki siłom kapilarnym,

- woda grawitacyjna, w dużych porach, szczelinach i kawernach. Może się przemieszczać pod wpływem przyłożonego ciśnienia. Całkowita ilość wody swobodnej jaka może się pomieścić w jednostce objętości skały nazywa się całkowitą pojemnością wodną skały i równa się współczynnikowi porowatości.

W praktyce geotechnicznej posługujemy się najczęściej takimi parametrami gruntu jak ciężar objętościowy i ciężar właściwy, które zależą od odpowiednich gęstości gruntu. Obecność wody w porach gruntu determinuje owe wielkości, gdyż wpływa na wartość ciężaru objętościowego i gęstości skał rzeczywistych.

Zapadowość gruntów – cecha gruntów które w wyniku zawilgocenia zmieniają swą strukturę.
Grunty mało wilgotne wykazują dobre właściwości wytrzymałościowe, stanowią dobre podłoże budowlane w tym stanie. Te same grunty zawilgocone wykazują duże osiadania kilkakrotnie większe niż grunt suchy. Przyczyną występowania tego zjawiska może być niszczenie przez wodę więzi węglanowych w szkielecie gruntu (lessy). Zjawisko to charakteryzuje tzw. wskaźnik osiadania zapadowego:

$$i_{\text{mp}} = \frac{h^{'} - h''}{h_{0}}$$

h₀ – wysokość próbki w stanie naturalnym

h’ – wysokość próbki skonsolidowanej pod wpływem naprężenia całkowitego przed nasyceniem wodą

h” – wysokość próbki skonsolidowanej pod wpływem naprężenia całkowitego po nasyceniu wodą.

Grunty zapadowe to takie gdzie i_mp > 0, 02

Gęstość skał rzeczywistych:

$$\rho_{r} = \frac{m_{1} + m_{2} + m_{3}}{V_{1} + V_{2} + V_{3}}$$

m₁,m₂,m₃ – masa stała, ciekła, gazowa

V₁,V₂,V₃ – objętość fazy stałej, ciekłej, gazowej.

Gęstość objętościowa:

$\rho = \frac{m}{V}$ [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

m – masa próbki obejmująca fazę stałą i ciekłą

V – objętość próbki

$$\rho_{0} = \frac{m_{1}}{V_{1}}$$

m₁ – masa fazy stałej

V₁ – objętość cząstek stałych

Gęstość objętościowa w dużej mierze zależy od temperatury. Wynika to m.in. z faktu rozszerzalności termicznej minerałów i medium wypełniającego – wody. Ta bowiem zmienia swoją gęstość w zakresie 950 do 1200 $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$. Bezpośredni związek z tym ma również porowatość skały, gdyż decyduje o tym jak duży udział w gęstości objętościowej ma woda, a tym samym bezpośrednio wpływa na wartości naprężeń pionowych i poziomych w górotworze.

Wpływ wody na skłonność do zmian stanu mechanicznego skał i gruntów oraz zdolność do przepuszczania, pochłaniania i zatrzymywania cieczy charakteryzują tak zwane właściwości hydrogazomechaniczne.

Podstawowym parametrem jest wilgotność która to wpływa bezpośrednio na inne właściwości fizyczne (odkształceniowe, wytrzymałościowe, elektryczne i cieplne). Podatność na wpływ wilgoci jest bardzo zróżnicowana dla określonych skał i gruntów. Najbardziej wrażliwe na zmiany wilgotności są grunty spoiste.

$$W = \frac{M_{w}}{M_{d}} \bullet 100\%$$

M_w – masa wody w porach

M_d – masa suchej próbki

W_n – wilgotność naturalna. Jest to wilgotność gruntu w stanie naturalnym.

By zdobyć informację na temat tego w jakim stopniu pory próbki skały są wypełnione wodą musimy wyznaczyć:

• wilgotność całkowitą (W_sr) gdy pory są całkowicie wypełnione wodą,

$$W_{\text{sr}} = \ \frac{M_{\text{wc}}}{M_{d}} \bullet 100\% = \frac{e \bullet \gamma_{w}}{\gamma_{\text{s\ }}} \bullet 100\% = \frac{e \bullet \rho_{w}}{\rho_{s}} \bullet 100\%$$

• stopień wilgotności (S_r) stosunek objętości wody znajdującej się w porach i pustkach skały do ich objętości całkowitej:

$$S_{r} = \frac{V_{w}}{V_{p}} = \frac{W_{n}}{W_{\text{sr}}} = \frac{W_{n} \bullet \gamma_{s}}{100 \bullet e \bullet \gamma_{w}}$$

W zależności od S_r wyróżniamy następujące stany zawilgocenia gruntów sypkich:
S_r =0 grunt suchy

0< S_r ≤ 0,4 grunt mało wilgotny

0,4 < S_r ≤ 0,8 grunt wilgotny

0,8 < S_r ≤ 1 grunt mokry.

Gdy do czynienia mamy z gruntami spoistymi, obecność wody wpływa w bardzo istotny sposób na ich właściwości fizyczne, zwłaszcza na konsystencję. Im większą zawartość frakcji iłowej wykazuje dany grunt tym bardziej jest podatny na zmiany wilgotności.

Konsystencje gruntów spoistych:

• płynna – grunt zachowuje się jak ciecz, praktycznie nie wykazuje wytrzymałości na ścinanie,

• plastyczna – grunt pod naciskiem odkształca się, lecz nie podlega spękaniu,

• zwarta – grunt odkształca się pod dużym naciskiem, towarzyszom temu spękania.

Poszczególne konsystencje ogranicza się w sposób umowny za pomocą tzw. granic konsystencji, które to są odpowiednimi wartościami wilgotności próbki, gdzie wykazuje ona odpowiednie wartości parametrów. Występuje:

• granica płynności w_L,

• granica plastyczności w_p,

• granica skurczalności w_S.

Własności plastyczne gruntów charakteryzuje:

• Stopień plastyczności J_L

$$J_{L} = \frac{w_{n} - w_{p}}{w_{L} - w_{p}}$$

• Wskaźnik plastyczności J_p wskazuje w [%] ile wody w stosunku do masy szkieletu gruntowego wchłania grunt przy przejściu ze stanu plastycznego w płynny.

I_p = w_L − w_p

W zależności od wilgotności naturalnej i stopnia plastyczności wyróżniamy stany gruntów spoistych: zwarty, półzwarty, twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny, płynny.

Zdolność gruntu do wiązania wody określa tzw. wskaźnik aktywności koloidalnej

$$A = \frac{I_{p}}{f_{i}}$$

f_i – zawartość frakcji iłowej w gruncie [%]

W zależności od A wyróżniamy grunty: nieaktywne, przeciętnie aktywne, aktywne i bardzo aktywne.

W zależności od tego, czy dany grunt jest położony powyżej zwierciadła wód gruntowych czy też poniżej wówczas stosujemy do scharakteryzowania ciężaru gruntu następujące wielkości:

• ciężar objętościowy gruntu:

$$\gamma = \left( 1 - P \right) \bullet \gamma_{0} + P \bullet \gamma_{w}\ \ \lbrack\frac{\text{kN}}{m^{3}}\rbrack$$

P – porowatość

g_w- ciężar własny wody

g₀ – ciężar właściwy cząstek gruntu

• Ciężar objętościowy szkieletu gruntu pod ciężarem wody:

$$\gamma = \left( 1 - P \right) \bullet \gamma_{0} - \left( 1 - P \right) \bullet \gamma_{w}\ \ \lbrack\frac{\text{kN}}{m^{3}}\rbrack$$

Skały i grunty mogą wykazywać zdolność do przepuszczania cieczy i gazów siecią kanalików utworzonych z porów pod wpływem naporu hydraulicznego. Zjawisko to nazywa się przepuszczalnością. Jest ona zależna od porowatości (kształt, rozmiar porów, krętość kanałów przestrzeni porowej i powierzchnia właściwa), uziarnienia, temperatury i ciśnienia gazu/cieczy i składu mineralnego skały/gruntu. Wyróżniamy przepuszczalność fizyczną i fazową. Miarą przepuszczalności jest współczynnik k_prz zwany współczynnikiem Darcy’ego (warunkach przepływu liniowego cieczy w ośrodku porowatym). Prędkość przepływu w takich warunkach jest proporcjonalna do gradientu ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do lepkości dynamicznej.

$$\vartheta = \frac{Q}{S} = k_{\text{prz}} \bullet \frac{1}{\eta} \bullet \frac{P}{L}$$

q – prędkość przepływu cieczy [ m/s],

Q – natężenie przepływu cieczy [m³/s],

S – powierzchnia przepływu cieczy [m²],

h – lepkość dynamiczna cieczy [Pa*s],

$\frac{P}{L}$ – gradient ciśnienia różnicowego [Pa*m].

Współczynnik przepuszczalności określana jest objętością cieczy/gazu o lepkości h przez jednostkę przekroju poprzecznego skały S w jednostce czasu przy gradiencie ciśnienia równym 1.

$$k_{\text{prz}} = \frac{Q \bullet \eta}{S \bullet T \bullet \frac{P}{L}}\ \ \ \ \lbrack m^{2}\rbrack$$

Praktyczną jednostką przepuszczlaności jest darcy 1 [D].

W zależności od k_prz skały dzielimy na:

- przepuszczalne,

- półp[rzepuszczalne,

- nieprzepuszczalne.

Czynnikiem, który w warunkach naturalnych powoduje przepływ cieczy, jest różnica naporów cieczy na pewnej odległości (potencjałów). Naturalnym następstwem istnienia tej różnicy jest dążenie do wyrównania potencjałów, w wyniku czego występuje tzw. zjawisko filtracji (powolne przesączanie się cieczy przez system kanalików, ruch cieczy jest laminarny). Prędkość przepływu cieczy/gazu przez skałę charakteryzuje współczynnik filtracji k_f.

$$k_{f} = \frac{Q}{S \bullet T \bullet i}$$

Q – objętość przepływającej cieczy

S – pole przekroju próbki prostopadłe do kierunku przepływu

T – czas przepływu

i – spadek hydrauliczny

Związek pomiędzy współczynnikiem filtracji i współczynnikiem przepuszczalności:

$$k_{f} = \frac{k_{\text{prz}} \bullet \gamma_{0}}{\eta}$$

Zdolność skały do zwiększania swej objętości przy nasycaniu wodą nazywamy pęcznieniem. Jest ono związane z hydrofilnym charakterem materiałów ilastych i ich dużą powierzchnią właściwą. Pęcznienie charakteryzuje takie wielkości jak:

- współczynnik pęcznienia,

- wilgotność po pęcznieniu,

- ciśnienie pęcznienia.

Pęcznienie może prowadzić do rozpadu skały, gdy są one tak nawilgocone, że dalsze wiązanie wody siłami molekularnymi już nie zachodzi, więzi łączące części skały zanikają, skała rozmaka.

Rozmakalność – zdolność skały do utraty spójności i przeobrażenie się w pulchną masę. Nośność takiego podłoża zanika w całości lub częściowo. Utratę nośności i spójności charakteryzuje wskaźnik rozmakalności.

Rozmakalność i pęcznienie wynikają ze statycznego oddziaływania cząstek wody na skałę. W wyniku hydrodynamicznego działania wody następuje zjawisko rozmywalności. Jest to rozlanie się skał pod wpływem oddziaływania chemicznego i mechanicznego poruszającej się wody.