2.2.3. Електрокінетичні і осмотичні властивості грунтів

Електрокінетичні і осмотичні явища найбільш контраст­но виявляються у високодисперсних ґрунтах (глинястих, лесових, торф'яних).

Пересування води у порах таких ґрунтів можливо не тільки під дією механічних сил, заданих градієнтом гідро­статичного тиску, але і під впливом інших фізичних і фізи­ко-хімічних сил. Воно відбувається за наявності: 1) градієнта поля постійного електричного струму (електроосмос); 2) градієнта кон­центрації розчинених електролітів (капілярний осмос); 3) тем­пературного градієнта (термоосмос). Рух води в ґрунті під дією цих чинників підкоряється одному і тому ж закону, який може бути записаний у формі, аналогічній закону Дарси. Механізм пересування води при електроосмосі, осмосі і тер­моосмосі однаковий - переміщення рідини по поверхні частинок (на відміну від фільтрації, коли відбувається рух вільної води по шару зв'язаної води). Воно зобов'язано наявності поверхневих сил: чим більше поверхневі сили, тим виразніше виявляється роль даних явищ.

У пісках і крупноуламкових ґрунтах рух води під впливом фізико-хімічних чинників буде нікчемо малим або бути повністю відсутнім, тоді як у глинах може у багато разів перевищувати швидкість фільтрації.

Електрокінетичні властивості і явища в ґрунтах. При впливі на водонасичений глинястий ґрунт постійним електричним струмом виникають електрокінетичні явища - електроосмос і електрофорез - рух води в порах ґрунту під впливом зовнішнього електричного поля (в більшості випадків в ґрунті воно походить від анода до катода). Елект­рофорезом називають рух зважених у рідині твердих дисперсних частинок до одного з електродів (при електрофорезі рух частинок частіше за все відбувається у бік анода, оскільки мінераль­ні частинки мають негативний заряд на поверхні).

Внаслідок того, що мінеральні частинки мають електричний заряд на своїй поверхні, при русі твердої і рідкої компонент виникає електричний потенціал: при падінні частинок у суспензії виникає потенціал осідання, а при русі рідини крізь пористе середовище - потенціал течії.

Електроосмотичне пересування води в ґрунтах. При накладенні зовнішнього постійного електричного поля на водонасичений ґрунт позитивні іони (катіони) рухаються до катода, а негативні іони (аніони) - до анода. Разом з ними залучається до руху і вода. Оскільки в ґрунтах у дифузному шарі міцели переважають катіони, то рух води відбувається до катода.

Електроосмотичне пересування води в порах ґрунту залежить при постійному електричному нулі від величини коефіцієнта електроосмосу. Його величина відображає електрокінетичні властивості ґрунту, геометрію порового простору і властивості. Електроосмос застосовують для обезводнення і ущільнення слабко фільтруючих глинястих ґрунтів.

Дифузія і осмос в ґрунтах. Дифузія - процес вирівнювання концентрації в системі. Встановлення рівноважного розподілу концентрації відбувається у результаті блукання іонів, молекул або тонкодисперсних частинок зважених в рідині. Дифузія іонів - повільний про­цес. Він відбувається за першим законом Фіка. У глинястих водонасичених ґрунтах дифузія іонів залежить від розміру і кількості пір: чим менше радіус пір і їх кількість, тим повільніше дифузія. Із зменшенням загальної пористості протікає закономірне зменшення коефіцієнта дифузії.

Осмос представляє дифузію речовини (звичайно розчинника) крізь напівпроникну перегородку, що розділяє два розчини різ­ної концентрації. Дифузія розчинника триває до установлення рівноваги у системі в результаті вирівнювання кон­центрацій по обидві сторони перегородки або в результаті виникнення осмотичного тиску.

Гранти, у тому числі і високодисперсні глини, не є ідеальними напівпроникними перегородками; в них відбувається дифу­зія як іонів розчинених електролітів, так і рух розчинника - молекул води. Але залежно від структури ґрунту (в основному від розміру пір) можна спостерігати переважання того або іншого процесу.

Разом з нормальним осмосом, який полягає в пересуванні розчинника (води) від ділянок з меншою засоленістю ґрунту до ділянок з більшою її величиною, в ґрунтах спостерігається аномальний осмос. Він представляє собою пересування рідини у на­прямку дифузії, тобто від більш концентрованого розчину до менш концентрованого.

Це пересування можна пояснити як електроосмотичний рух рідини крізь пори напівпроникної перегородки (глина) під впливом різниці дифузійного потенціалу між двома рідкими компонентами.

Осмос в глинах може викликати деформацію набрякання або усад­ки, а також зміну картини руху води у нерівномірно засо­лених глинах, оскільки швидкість осмотичного руху може бути більше швидкості фільтрації. Якщо помістити засолений глинистий ґрунт в прісну воду, то відбудеться осмотичного всмоктування води і набрякання ґрунту.