какие газы входят в состав грунтов
Газ, как один из компонентов грунта.
Газы в грунтах по условиям и особенностям генезиса могут быть природного и антропогенного (техногенного) происхождения. Существует четыре генетических типа газов: геологический, атмосферный, биологический, техногенный. Газ геологического типа образуются за счет геологических процессов (экзогенных и эндогенных (вулканические газы); атмосферный – за счет газообмена с атмосферой; биологический – за счет жизнедеятельности организмов в грунтах; техногенный – в результате различных видов хозяйственной деятельности.
Газы природного происхождения могут быть сингенетическими (т.е. образованными одновременно с формированием породы) и эпигенетическими (т.е. поступившими в грунт в результате газообмена с соседними толщами и с атмосферой). Газы грунтов зоны аэрации чаще являются эпигенетическими, т.к. содержат примеси, поступающие из атмосферы.
По химическому составу все газы в грунтах делятся на три основные группы по преобладающему компоненту: 1) углеводородные; 2) азотные; 3)углекислотные. «Чистые» газы в грунтах практически не встречаются, чаще это газовые смеси.
Состояние газов в грунте.
Сопоставление количества газов, сосредоточенных в месторождениях нефти, газа, угля и рассеянных породах, показывает, что основная масса газов присутствует в осадочных породах в рассеянном состоянии (растворена в воде и нефти, сорбирована породами). Газы в породах могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состоянии; они могут присутствовать в воде, заполняющей поры, в виде мелких пузырьков или в растворенном состоянии.
Свободные газы содержаться в сообщающихся порах грунта, т.е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени водонасыщения.
Адсорбированные газы удерживаются на поверхности частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от минерального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов. Природные влажные грунты не содержат адсорбированных газов, они присутствуют только в сухих грунтах (при влажности ниже гигроскопической).
Защемленные газыобразуются на отдельных участках породы при одновременном увлажнении грунта сверху и снизу они оказываются защемленными в капиллярах. В глинистых грунтах защемленные газы могут занимать 20-25% от объема пор.
Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом растворе. При этом могут возникать химически агрессивные растворы, например углекислотные и сернокислые и др.
Влияние газов на свойства грунтов.
Газы оказывают влияние на различные свойства грунтов. Прежде всего – плотность, теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и др.), проницаемость, а также физико-механические.
Защемленные газы находятся под давлением, на контакте с жидкой фазой обусловливающей поровое давление. Это влияет на сжимаемость. Сжимаясь в объеме пузырьки защемленных газов, уменьшают свой объем и могут перейти в свободное состояние, это может сопровождаться резким прорывом газов из пор и сбросом порового давления. Подобные явления могут вызывать разрушения земляных насыпей, дамб, откосов дорог и т.п.
С повышением давления газов связаны и газодинамические явления, имеющие большое значение в горнодобывающей промышленности.
Сжимаемость защемленных газов в грунтах может обусловливать и длительную осадку сооружений.
В грунт газы поступают, в основном, из атмосферы благодаря диффузному перемешиванию газов, колебаниям температуры (t o C) и давления (Р) воздуха, атмосферным осадкам.
Долгое время воздух, как и воду, считали одним из элементов, из которых состоит все остальное: До конца 18 века воздух считали единым веществом. В 1775-1777г.г. французский химик Антуан Лоран Лавуазье показал, что в состав воздуха входят азот и кислород. В 1894г. английские ученые Дж. Релей и У. Рамзай обнаружили в воздухе инертный газ аргон. Позже были открыты другие газы.
Сухой воздух состоит по объему из (%):
Кроме этого важной составляющей газового компонента является водяной пар. В приземном воздухе его содержание изменяется от 0,00002 до 3% по объему. В грунте содержится больше, но оно все равно не превышает 0,001% от веса грунта.
Важность изучения и сила влияния газа-воздуха на свойства системы-грунт обусловлены большой подвижностью воздуха. Водяной пар, содержащийся в воздухе грунта является единственной формой воды, которая способна передвигаться в воздушно-сухом маловлажном грунте. Конденсируясь при изменении t o С (термическая конденсация) на поверхности грунтовых частиц, или в силу молекулярного взаимодействия паров воды с грунтовыми частицами (молекулярная конденсация), он образует другие виды воды.
Водяной пар может двигаться самостоятельно и со всей массой газа. Самостоятельно под влиянием разности упругости паров в различных слоях грунта, от слоя с большей упругостью к слою с меньшей упругостью
Обычно газ в грунте полностью водонасыщен. Относительная влажность ≈ 100%. В этом случае пары имеют максимальную упругость при данной температуре. Тогда их движение будет определяться температурой. От слоя с большей температурой к слою с меньшей. Кроме этого пары воды передвигаются в зависимости от формы поверхности частиц.
Интенсивность адсорбции сконденсировавшейся парообразной воды минеральными частицами зависит с одной стороны от:
а) относительной влажности или относительной упругости водяного пара, а с другой стороны
б) свойств минеральных частиц.
Газовый компонент содержит радиоактивный радон Rn (222) причем, приблизительно, в 2000 раз больше, чем его содержится в воздухе. Это происходит потому, что горные породы содержат радий ( Ra 226).
Движение воды вглубь вызывает скопление радона в грунтах, а ветер, уменьшение атмосферного давления – понижение его концентрации в грунтах.
Гелий. Кроме радона газовый компонент содержит гелий, которыйподнимается избольших глубин к поверхности земли. При наличии разломовего количество увеличивается, т.е. его передвижение облегчается. Это свойство используется для поиска разломов.
В результате деятельности микроорганизмов, разлагающих органическое вещество, в определенных условиях также может происходить образование метана. Он образуется в болотах при разложении торфа, органических отбросов в техногенных слоях.
В порах грунта газы могут находиться в а) свободном, б) защемленном, в) адсорбированном состояниях, г) растворенными или в виде пузырьков в воде.
При наличии капиллярного поднятия газ вытесняется в атмосферу. При одновременном водонасыщении грунтов происходит и защемление газа. Это могут быть большие полости и тонкие микропоры. Содержаниезащемленных газов. В глинистых грунтах защемленные газы могут занимать20-25% от объема пор. Адсорбция газов происходит за счет воздействия молекулярных сил. На поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые пленки. Нижние слои газа находятся под давлением в несколькодесятков, сотен или даже 1000 атмосфер, верхние испытывают давление ≈ атмосферному.
Количество адсорбированных газов зависит от:
а) минерального состава, б) содержания органических веществ (гумуса и др.), в) дисперсности грунтов.
Значительной адсорбционной способностью обладают окиси железа и органические вещества.
Содержание адсорбированных газов в почвах составляет 7-15см 3 на 100г почвы. Кварцевый песок ≈ 1см 3 на 100г почвы.
Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовый компонент, на поверхности частиц изменяется по следующему ряду:
Максимальное количество адсорбированных газов содержится в абсолютно сухом грунте.
При увлажнении грунта одновременно с вытеснением свободного воздуха вытесняются и адсорбированные газы.
Наличие защемленных и адсорбированных газов обуславливают значительную амортизирующую способность грунтов. Релаксация напряжения происходит из-за наличия и медленного выдавливания газов.
Газы геологического происхождения.
Сингенетические и эпигенетические газы:
Наземная атмосфера до 60-100км.
Общее количество газов 2.14*10 14 т.
В том числе 0.97*10 14 – СН4
0.60*10 14 – СО2
0.56*10 14 – N2
0.01*10 14 – остальные.
Среди природных газов геологического происхождения 4 группы:
Вулканические газы поступают вместе с магмой из глубоких недр в связи с дегазацией магмы, дегазация мантии.
На 95-90% это водяной пар.
Наибольшие выделения газов связаны с зонами тектонических нарушений: пары воды, СО2, N2, H2S и др.
Радиогенные газы – продукты распада естественных радиоактивных элементов – урана, тория, калия. Основными являются гелий, радон и аргон.
Уран и торий в процессе распада генерируют альфа-частицы, которые являются ядрами элемента гелия. Он поднимается из недр земли на поверхность.
Газы атмосферного происхождения.
Основным является водяной пар.
Техногенные – продукты захоронения бытовых и промышленных отходов.
Показатели.
Газоносность – общее количество паров в единице массы или объема.
Воздухоемкость – коэффициент воздухосодержания: отношение объема газа к общему объему пор.
Состав грунтов
В общем случае грунт состоит из трех компонентов (трехфазная система):
· твердые минеральные частицы;
· вода в различных видах и состояниях;
|
Состав грунта:
 | |
|
Грунт, состоящий из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, является двухкомпонентной (двухфазной) системой.
Мерзлые грунты содержат лед и являются четырехкомпонентными (четырехфазными) системами.
Состав грунтов оказывает существенное влияние на его механические свойства.
Твердые минеральные частицыпредставляют систему разнообразных по форме, составу и размерам твердых минеральных зерен.
Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов, которые в совокупности образуют пространственную структуру грунта, способную сопротивляться изменениям объема и формы.
Такие минералы, как кварц, полевой шпат, гидрофобны и не меняют свойств в водной среде. Среди осадочных пород такими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующиеся при их цементации песчаники и конгломераты.
К растворимым в воде минералам относятся гипс, кальцит, галит и некоторые другие. Такие породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены водорастворимыми минералами.
В состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения. Органические вещества в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса. Наличие небольшого количества таких веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5 % в пылевато-глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.
Вода в грунтах, ее виды и свойства могут быть весьма разнообразными в зависимости от ее содержания и величины электромолекулярных сил взаимодействия с минеральными частицами. Твердые частицы грунта имеют на поверхности кристаллических минералов отрицательный заряд статического электричества. Молекулы воды, являющиеся диполями (атом кислорода заряжен положительно, два атома водорода – отрицательно), попадая в поле заряда минеральной частицы, притягиваются к ее поверхности. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоями молекул воды.
Следующие слои молекул связаны с минеральной частицей значительно меньшими силами, образуют слой рыхлосвязанной воды. Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью твердых частиц, образуют свободную (гравитационную) воду и капиллярную. Свободная вода подчиняется законам гидравлики, передает гидростатическое давление и может перемещаться под действием разности напоров. За счет сил поверхностного натяжения вода в капиллярах поднимается над уровнем подземных вод на высоту от 3,5 см в песках до 6,5 м в суглинках.
Газы в грунте могут быть в свободном или в растворенном в воде состоянии. Свободный газ подразделяется на незащемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся между твердыми частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится некоторое количество растворенного газа. Содержание в грунте защемленного и растворенного газа существенно отражается на свойствах грунта и протекающих в них процессах.
Структурные связи образуются между отдельными частицами и агрегатами в грунте на протяжении всей истории формирования и изменения горной породы. Для скальных грунтов характерны жесткие необратимые кристаллизационные связи, которые не восстанавливаются при разрушении.
Нескальные грунты по характеру структурных связей подразделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины). К несвязным – крупнообломочные и песчаные грунты.
Структурные связи в глинистых грунтах определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталкивания между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Такие связи называются водно-коллоидными. Они являются вязкопластичными, мягкими и обусловливают связность глинистых грунтов. Их прочность зависит от расстояния между частицами, заряда на их поверхности, состава и содержания ионов в поровой воде. При повышении влажности прочность водно-коллоидных связей быстро уменьшается почти до нуля. По классификации акад. П.А. Ребиндера, водно-коллоидные связи водонасыщенных глинистых грунтов подразделяются на коагуляционные (первичные, возникающие при выпадении частиц в воде и свертывании коллоидов) и конденсационные (возникающие при уплотнении коагуляционных структур).
Структура грунтаопределяется размерами, формой частиц грунта, их количественным соотношением в единице объема.
В условиях естественного залегания грунты состоят из совокупностей частиц разного размера и формы.
Твердые частицы грунта принято классифицировать по размерам, мм:
· галечные (щебенистые) 200 – 20 мм;
· гравелистые (дресвяные) 20 – 2 мм;
· пылеватые 0,05 –0,005 мм;
· глинистые 3 или 1 г). Например, частицы глинистого минерала каолинита имеют удельную поверхность 10 м 2 /г, а монтмориллонита – 800 м 2 /г. Содержание глинистых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунтов.
Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов
по гранулометрическому составу
| Наименование грунта | Размер частиц, мм | Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта | |
| Крупнообломочный: валунный (глыбовый) галечный (щебенистый) гравийный (дресвяный) Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый | > 200 > 10 > 2 > 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1 | > 50 > 50 > 50 > 25 > 50 > 50  75 30 30-10 10-3 |  > 17  17  7 |
Текстура грунта определяет пространственное расположение частиц и их агрегатов, зависящих от условий образования грунта. Различают слоистую, слитную и ячеистую текстуры.
Лекция 4. Газы и вода в грунтах
4.1 Газы в грунтах.
Грунты, как известно, обладают пористостью; наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры одним из этих компонентов, грунты будут представлять собой двух- или трехкомпонентную систему. Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.
Объем пор определяет предельные значения количества воды и газов в грунтах: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них газов, и наоборот. Преобладающий компонент (вода или газ) в очень большой мере определяет свойства грунтов.
Интенсивность газообмена между грунтом и атмосферой зависит от их состава и строения и вызывается диффузным перемешиванием газов, колебаниями температуры и давления, атмосферного воздуха, атмосферными осадками и ветром.
Между атмосферным воздухом и газовой составляющей грунтов различия наиболее велики в количественном содержании диоксида углерода, кислорода и азота. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (около 0,03 %), то содержание ее в почвах и горных породах возрастает до десятых долей и даже целых процентов, а в почвенном воздухе может достигать почти 10 %. Кислород и азот в толще грунтов содержатся в разных количествах.
Газы в порах грунтов могут находиться в различном состоянии: свободном, адсорбированном и защемленном,кроме того, в воде, заполняющей поры, газы могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней.
Адсорбированные и защемленные газы оказывают определенное влияние на свойства грунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности грунтовых частиц, удерживаемое молекулярными силами, зависит от минералогического состава грунтов, наличия в них гумуса и других органических веществ и соединений, от степени дисперсности, неоднородности, морфологических параметров частиц грунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих грунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5–10 % становится равным нулю.
При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в грунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри грунта. Это так называемые «защемленные газы» или «защемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры. Защемленные газы занимают значительные участки в толще грунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах грунта, что является обычным для пылеватых и глинистых грунтов.
Максимальное количество защемленных газов, в отличие от адсорбированных, формируется в грунтах при какой-то оптимальной для данного грунта влажности. Например, в глинистых грунтах защемленные газы могут занимать до 20–25 % объема пор грунтов.
Адсорбированные и защемленные газы с большим трудом удаляются из грунтов внешним давлением.
Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов.
Лекция 4. Газы и вода в грунтах.
4.1 Газы в грунтах.
Грунты, как известно, обладают пористостью; наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры одним из этих компонентов, грунты будут представлять собой двух- или трехкомпонентную систему. Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.
Объем пор определяет предельные значения количества воды и газов в грунтах: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них газов, и наоборот. Преобладающий компонент (вода или газ) в очень большой мере определяет свойства грунтов.
Интенсивность газообмена между грунтом и атмосферой зависит от их состава и строения и вызывается диффузным перемешиванием газов, колебаниями температуры и давления, атмосферного воздуха, атмосферными осадками и ветром.
Между атмосферным воздухом и газовой составляющей грунтов различия наиболее велики в количественном содержании диоксида углерода, кислорода и азота. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (около 0,03 %), то содержание ее в почвах и горных породах возрастает до десятых долей и даже целых процентов, а в почвенном воздухе может достигать почти 10 %. Кислород и азот в толще грунтов содержатся в разных количествах.
Газы в порах грунтов могут находиться в различном состоянии: свободном, адсорбированном и защемленном,кроме того, в воде, заполняющей поры, газы могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней.
Адсорбированные и защемленные газы оказывают определенное влияние на свойства грунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности грунтовых частиц, удерживаемое молекулярными силами, зависит от минералогического состава грунтов, наличия в них гумуса и других органических веществ и соединений, от степени дисперсности, неоднородности, морфологических параметров частиц грунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих грунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5–10 % становится равным нулю.
При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в грунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри грунта. Это так называемые «защемленные газы» или «защемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры. Защемленные газы занимают значительные участки в толще грунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах грунта, что является обычным для пылеватых и глинистых грунтов.
Максимальное количество защемленных газов, в отличие от адсорбированных, формируется в грунтах при какой-то оптимальной для данного грунта влажности. Например, в глинистых грунтах защемленные газы могут занимать до 20–25 % объема пор грунтов.
Адсорбированные и защемленные газы с большим трудом удаляются из грунтов внешним давлением.
Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов.