Виды воды в горных породах

В порах и трещинах горных пород всегда содержится вода в парообразном, жидком и твердом состоянии. Существуют различные классификации видов воды в горных породах. В гидрогеологии и инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А. Ф. Лебедевым в 1936 г., а затем уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характере физико-химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород: 

• вода в состоянии пара; 
• физически связанная вода: 
• а) прочносвязанная, или адсорбционная (ее называют также гигроскопической), 
• б) рыхлосвязанная (она же пленочная); 
• свободная вода: 
• а) капиллярная, 
• б) гравитационная; 
• вода в твердом состоянии; 
• химически связанная вода: 
• а) кристаллизационная, 
• б) конституционная; 
• вода в надкритическом состоянии.

Вода в состоянии пара

Эта вода заполняет свободную часть пор в зоне аэрации. Под влиянием изменения температуры и давления парообразная влага может переходить в капельно-жидкое состояние — конденсироваться или, наоборот, жидкая вода может превращаться в парообразную влагу. Парообразная влага в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и парами воды в атмосфере.

Физически связанная вода 

Такая вода присуща преимущественно глинистым породам. Образование физически связанной воды обусловливается наличием у мелкодисперсных глинистых минералов, входящих в состав глинистых пород, поверхностной энергии. Наибольшее количество прочносвязанной воды называется максимальной гигроскопической влагоемкостью; в песчаных грунтах она не превышает 2%, а в глинистых достигает 20%.

Рыхлосвязанная вода образует периферическую часть водной пленки и называется пленочной. Она существует в породе при влагоемкости больше максимальной гигроскопической и перемещается от частиц с толстой пленкой к частицам с тонкой пленкой под действием молекулярных сил.

Рыхлосвязанная вода вместе с прочносвязанной, по А. Ф. Лебедеву, образует молекулярную воду. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемое данной породой в данных условиях, А. Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью. Эта влагоемкость у глинистых пород примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности.

Наличие в глинистой породе рыхлосвязанной воды придает ей ряд важных свойств: липкость, пластичность, набухание, усадку. Прочность и сжимаемость таких пород изменяются в зависимости от количества рыхлосвязанной воды: с увеличением ее содержания прочность пород уменьшается, а сжимаемость увеличивается.

Свободная вода

Капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты в породах, по этим пустотам она поднимается от уровня подземных вод вверх под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, содержащегося в породах, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой.

Гравитационная вода — это вода, движущаяся в порах и трещинах горных пород под действием силы тяжести. Она обладает всеми свойствами, присущими обычной воде: растворяет минералы, передает гидростатическое давление, оказывает при движении механическое воздействие на породы. Гидростатическое давление воды, находящейся в порах пород, уменьшает вес минеральной части породы по закону Архимеда и оказывает взвешивающее давление на подошву сооружений, построенных на водонасыщенных породах. Механическое действие движущейся воды на породы проявляется в выносе мелких частиц из рыхлых несвязанных пород на откосах выемок и котлованов — суффозии, которая может вызвать неустойчивость откосов и последующую деформацию склонов. В зоне полного насыщения всех пустот породы гравитационные воды образуют водоносные горизонты. Изучение гравитационных вод, их движения, физических свойств и химического состава — основная задача гидрогеологических исследований.

Вода в твердом состоянии 

При температуре пород ниже 0°С гравитационная вода и часть связанной воды замерзают и содержатся в породах в виде кристаллов льда или ледяных прослоев и жил. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличаются от свойств талых пород. Изучением свойств мерзлых пород занимается мерзлотоведение.

Химически связанная вода 

Эта вода входит в состав кристаллической решетки минералов. Кристаллизационная вода выделяется из минералов (сода, гипс и др.) при температуре 200–300°С или их полном разрушении. Конституционная вода может быть выделена при нагревании минералов выше 300°С и полном разрушении кристаллической решетки.

Вода в надкритическом состоянии

Кроме того выделяют воду в надкритическом состоянии, которая свойственна нижним этажам гидролитосферы. Надкритическое состояние характерно для воды в магматических расплавах при температуре 374–450°С и давлении свыше 2,2 МПа. При снижении температуры и давления вода переходит из надкритического состояния в пар.

Технологии строительного водопонижения воздействуют исключительно на свободную гравитационную воду, которая создает разрушительное гидростатическое давление на конструкции и провоцирует обрушение откосов из-за вымывания частиц грунта. Физически связанную влагу, намертво удерживаемую молекулярными силами внутри глинистых пластов, невозможно удалить ни мощными насосами, ни вакуумными установками. Именно этот базовый закон физики диктует жесткие правила земляных работ: попытки осушить насыщенную глину стандартной откачкой изначально обречены на провал, так как порода все равно сохранит свою текучесть и низкую несущую способность. Точное проектирование систем водоотлива требует строгого разделения грунтовой воды на извлекаемую и неизвлекаемую фазы, иначе стройка неизбежно столкнется с критическими деформациями основания, которые невозможно остановить наращиванием мощности насосного оборудования.