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

średnicy ( 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.

---