В горных породах вода находится в порах и пустотах (полостях) в таких агрегатных состояниях: в виде пара (парообразная), жидкости и твердого тела (лед).
Парообразная вода располагается в верхней толще земной коры. В этой зоне постоянно и постепенно осуществляется обмен между воздухом и паром атмосферы, между воздухом и паром пустот и пор горных пород.
Поэтому эта зона получила название зоны аэрации. Мощность ее неодинакова и зависит от типа пород, климатических условий местности и достигает иногда 12 - 16 м от поверхности Земли.
На миграцию водяного пара преобладающее влияние оказывает температура. С этим фактом связывается такое явление, которое получило название экранирование воды под фундаментами сооружений. Дело в том, что летом горные породы (грунты) на незастроенных площадках прогреваются свободнее, чем под фундаментами, и водяной пар по законам аэродинамики направляется под фундаменты, где частично конденсируется, увеличивая влажность почвы и как следствие - увеличивается осадки сооружения.
Жидкая вода, или вода в виде жидкости, подразделяется на два типа: свободную, или гравитационную, и капиллярную.
Капиллярная вода содержится в горных породах с капиллярными порами и трещинами, ширина (раскрытие) которых меньше 0,25 мм, а диаметр пор менее 1 мм. Содержится капиллярная вода за счет капиллярных (менисковых) сил.
Формируется она за счет атмосферных осадков и таяния снега, а также за счет повышения по законам капиллярного движения от нижних водонасыщенных горных пород.
В практике строительства большое значение имеет высота капиллярного поднятия и время капиллярного водонасыщения. Высотой капиллярного поднятия называется расстояние по вертикали, на которую поднимается вода по капиллярам от подземного водоносного горизонта. Высота этого поднятия Нк зависит от литологического и гранулометрического состава горных пород и может быть определена экспериментально или по формуле французского ученого Жюрена:
Нк = Ск / d, (5.1)
где Ск - 0,3 - постоянная капиллярного смачивания при температуре 0 ° С;
d-диаметр пор или раскрытия трещин, мм.
Время капиллярного поднятия - это время, в течение которого происходит полное заполнение капилляров водой. Он неодинаков для различных горных пород: в песках около 80, в глинистых грунтах - 350 ÷ 475 суток.
Гравитационная вода. Эта вода не связана с поверхностью частиц и не удерживается Менисковый силами. Она способна перемещаться под действием силы тяжести, то есть под действием разности напоров. Такая вода используется для водоснабжения, и как раз она создает трудности при проходке котлованов и строительстве подземных сооружений. Гравитационная вода является основным предметом нашего рассмотрения.
Физичнозвьязна вода образуется за счет адсорбции поверхностью породных частиц в процессе конденсации водяного пара и содержится за счет електромолекулярних сил. Этот первый на поверхности частиц слой воды называется гигроскопической или мицнозвьязною водой. Она испаряется при температуре 105-110 ° С, не передает гигростатичного давления и замерзает при температуре -70-80 ° С.
Молекулы воды по своей природе диполями, т.е. имеют ориентацию полюсов. Поэтому первый от поверхности частиц слой воды - гигроскопическая вода удерживает второй и последовательные слои ориентированных молекул, но со значительно меньшей силой (рис. 5.2). Второй и последующие слои называются пленочной или хрупкотелой водой. Они исчезают при температуре до 105 ° С, а замерзает пленочная вода при температуре -17-18 ° С. Пленочный вода движется от частиц с более толстой пленкой до частиц с меньшей толщиной пленки.
Количество физичнозвьязнои воды больше там, где больше удельная поверхность частиц. Например, в монтморилонитовои глины в 1 см3 содержится более 25 млрд. частиц и при увлажнении она физичнозвьязнои воды более 100% объема самих частиц. В песчаных породах всего 1-2% физичнозвьязнои воды.
Химичнозвьязна вода входит в состав кристаллической решетки и изымается при ее разрушении. Например, в гипсе CaSO4 · 2H2О. Первая молекула воды удаляется при температуре 118 ° С, вторая - при И40 ° С. Таким образом образуется ангидрит (алебастр). С этим явлением связан эффект приготовления вяжущих (дегидратация-гидратация).
Вода в твердом состоянии имеет место в горных породах при отрицательных температурах до определенной глубины от поверхности. В твердое состояние переходит гравитационная и частично пленочная вода. Это явление носит сезонный характер, а глубина промерзания зависит от климатических условий местности. Так, в Украине она составляет 70 - 110 см, а на севере таких стран, как Канада, Россия на некоторой глубине сохраняется постоянно. Это зона вечной мерзлоты.
При замерзании воды образуется кристаллический лед, и при этом объем увеличивается на 8 - 9%, а в условиях ограничения деформации развивается большое давление (до 1 ГПа), разрушая любые материалы и горные породы. Поэтому подошвы фундаментов всегда закладывают ниже глубины промерзания.