Классическая механика грунтов и геотехническая инженерия, по мнению Фредлунда и Рахарджо (Fredlund and Rahardjo, 1993), часто преподается с неявным предположением, что грунт либо сухой (насыщенность 0%), либо насыщенный (насыщенность 100%). Утверждается, что поведение грунта регулируется исключительно принципом эффективных напряжений Терцаги (Terzaghi, 1936). Но по сути, сухое и насыщенное состояния — это всего лишь два крайних и предельных состояния грунта. Другими словами, сухие и насыщенные условия — это всего лишь два частных случая ненасыщенного грунта, степень насыщения которого находится в пределах от 0 до 100 процентов. Однако во многих инженерных задачах грунт часто бывает ни полностью насыщенным, ни полностью сухим.

Для удобства общее поле классической механики грунтов часто подразделяются на часть, касающуюся насыщенных грунтов, и часть, касающуюся ненасыщенных грунтов. Хотя можно показать, что в этом искусственном делении на насыщенные и ненасыщенные грунты нет необходимости. Все же может быть полезно использовать знания, полученные о насыщенных грунтах, в качестве эталона, а затем распространить их на более широкую ненасыщенную область, как показано на рис. 1, который обеспечивает наглядное пособие для обобщенного понимания границ механики грунтов насыщенной и ненасыщенной областей (Fredlund, 1996). Для простоты области механики грунтов разделены уровнем грунтовых вод. Ниже уровня грунтовых вод поведение грунта определяется эффективным напряжением , тогда как ненасыщенный грунт над водой определяется двумя независимыми переменными напряжения, чистым нормальным напряжением  и матричным всасыванием (Jennings and Burland, 1962; Fredlund and Morgenstern, 1977).

Сосредоточив внимание на грунтах выше уровня грунтовых вод, может быть полезно классифицировать грунт в соответствии со степенью его насыщения, как показано на рисунке 2. Фредлунд и Моргенштерн (Fredlund and Morgenstern, 1977) определили, что вместо двухфазного материала: твердых частиц и воды — в насыщенном грунте, ненасыщенный грунт имеет четыре фазы: твердые частицы, вода, воздух и поверхность раздела воздух-вода, называемая сократительной кожей (contractile skin) (Paddy, 1969).

Очевидно, что поведение ненасыщенного грунта сложнее, чем насыщенного. Цель этой статьи — упростить сложности понимания ненасыщенного грунта до удобоваримого уровня для студентов и практикующих инженеров.

Рисунок 1. Помощь в визуализации для обобщенного понимания границ механики грунтов (Fredlund, 1996)

Рисунок 2. Категоризация грунта над уровнем грунтовых вод на основе изменения степени насыщения (Fredlund, 1996)

Зона аэрации

Согласно изображению на рисунке 1 области механики грунтов разделены горизонтальной линией, представляющей уровень грунтовых вод. Ниже уровня грунтовых вод давление воды в порах будет положительным, и грунт в целом будет насыщенным. Выше уровня грунтовых вод поровое давление воды, как правило, будет отрицательным по отношению к атмосферному (манометрическому) давлению. Вся зона грунта над уровнем грунтовых вод называется зоной аэрации (см. рис. 3).

Непосредственно над уровнем грунтовых вод находится зона, называемая капиллярной каймой, где степень насыщения приближается к 100%. Толщина этой зоны может варьироваться от менее 1 м до примерно 10 м в зависимости от типа грунта (Fredlund, 1996). Внутри этой капиллярной зоны можно предположить, что водная фаза является непрерывной, тогда как воздушная фаза обычно является прерывистой. Выше этой капиллярной зоны может быть идентифицирована двухфазная зона, в которой и водная, и воздушная фазы могут быть идеализированы как непрерывные. Внутри этой зоны степень насыщения может варьироваться примерно от 20 до 90 процентов в зависимости от типа и состояния грунта. Выше этой двухфазной зоны почва становится более сухой, и водная фаза будет прерывистой, тогда как воздушная фаза останется непрерывной.

Рисунок 3. Визуализация механики насыщенного/ненасыщенного грунта, основанная на характере жидких фаз (Fredlund, 1996)

Климатические изменения и зона аэрации

Расположение грунтовых вод сильно зависит от климатических условий в регионе. Если регион является засушливым или полузасушливым, уровень грунтовых вод со временем медленно снижается (т. е. может иметь геологическую временную шкалу). Если климат умеренный или влажный, уровень грунтовых вод может оставаться довольно близко к поверхности земли. Именно разница между нисходящим потоком (осадками) и восходящим потоком (испарением и эвапотранспирацией) определяет положение уровня грунтовых вод (см. рис. 4).

Эвапотранспирация или суммарное испарение — количество влаги, переходящее в атмосферу в виде пара в результате осушения и последующей транспирации и физического испарения из почвы и с поверхности растительности.

Независимо от степени насыщения грунта профиль порового давления воды придет в равновесие в гидростатическом состоянии, когда нет чистого потока с поверхности земли. Если влага извлекается с поверхности земли (например, путем испарения), профиль порового давления воды будет смещен влево. Если влага попадает на поверхность грунтовых вод (например, в результате инфильтрации осадков), профиль порового давления воды будет смещен вправо.

Чистый восходящий поток вызывает постепенное высыхание и растрескивание грунтовой массы, тогда как чистый нисходящий поток, в конечном итоге, насыщает грунтовую массу. На глубину водного зеркала влияет, среди прочего, суммарный поверхностный поток. Гидростатическая линия относительно уровня грунтовых вод представляет собой состояние равновесия, при котором на поверхности земли отсутствует поток. В засушливые периоды поровое давление воды становится более отрицательным, чем представленное гидростатической линией. Противоположное состояние возникает во влажные периоды. Травы, деревья и другие растения, растущие на поверхности земли, высушивают почву, создавая натяжение поровой воды за счет эвапотранспирации (Dorsey, 1940). Большинство растений способны прикладывать к поровой воде давление 1–2 МПа (10–20 атм) (Taylor and Ashcroft, 1972). Напряжение, приложенное к поровой воде, действует во всех направлениях и может легко превысить боковое ограничивающее давление в грунте. Когда это происходит, начинается вторичный режим десатурации (растрескивание). Эвапотранспирация также приводит к уплотнению и обезвоживанию почвенной массы.

Рисунок 4. Визуализация механики грунта, показывающая роль граничного условия поверхностного потока (Fredlund, 1996)

С годами грунтовые отложения подвергаются различным и меняющимся условиям окружающей среды. Это вызывает изменения в распределении порового давления воды, что, в свою очередь, приводит к усадке и набуханию грунтовых отложений. Распределение порового давления воды по глубине, как показано на рисунке 4, может принимать самые разные формы в результате изменений окружающей среды или техногенных воздействий. Есть много сложностей, связанных с аэрационной зоной из-за ее трещиноватой и нарушенной природы. Традиционно в инженерно-геологических разработках стремились избегать или сильно упрощать анализ этой зоны, если это возможно. Однако во многих случаях именно понимание этой зоны является ключом к характеристикам проектируемой конструкции. Исторически сложилось, что классические задачи фильтрации касались насыщенного грунта, где граничные условия состоят либо из заданного напора, либо из нулевого потока. Однако реальный мир для инженера часто включает в себя поверхность земли, где может быть положительное или отрицательное условие потока или поровое давление. Геоэкологические проблемы заставляют инженеров обратить внимание на анализ насыщенных/ненасыщенных нестационарных просачиваний с граничными условиями потока (приток или отток).

Улучшенные вычислительные возможности, в том числе с применением расчетных комплексов midas GTS NX и midas FEA NX, доступные на сегодняшний день инженерам, помогли приспособиться к этим изменениям.

Большинство искусственных сооружений расположены на поверхности земли и как таковые будут иметь граничное условие потока окружающей среды. Это относится к автомагистралям, где грунт насыпи и земляного полотна имеет начальный набор условий или напряженных состояний. Эти условия будут меняться со временем, в первую очередь, из-за изменений окружающей среды и климата (или потока поверхностной влаги) или внешних воздействий. Фундаменты для легких конструкций также обычно размещают значительно выше уровня грунтовых вод, где поровое давление воды отрицательное. Фактически, большинство легких инженерных сооружений мира находится в зоне аэрации, на которую сильно влияют климатические изменения или внешние воздействия. Одной из характеристик верхней части зоны аэрации является ее способность медленно отдавать водяной пар в атмосферу со скоростью, зависящей от водопроницаемости неповрежденных участков почвы. В то же время нисходящий поток воды может проходить через трещины при градиенте, равном единице. Похоже, что притоку воды ничего не будет препятствовать до тех пор, пока грунт не набухнет, и масса не станет цельной, или пока трещины и разломы не заполнятся водой.

Распространенное заблуждение, что вода всегда может попасть в грунт с поверхности земли. Однако, если грунт неповрежденный, максимальный поток воды у поверхности земли равен коэффициенту водопроницаемости грунта. Это значение может быть чрезвычайно низким. Если поверхность земли наклонная, а верхний слой грунта имеет трещины или разломы, поверхностный слой может легче насыщаться, и он будет иметь более высокий коэффициент водопроницаемости, чем нижележащий грунт. В результате вода стекает по верхним слоям почвы на склоне и не может попасть в нижележащий неповрежденный грунт.

Помимо естественных и геологических процессов, антропогенная деятельность, такая как раскопки, переформовка и повторное уплотнение, также может привести к снижению насыщения водонасыщенных грунтов и, следовательно, к образованию ненасыщенных зон в грунтовом массиве. Эти природные и искусственные материалы и явления трудно рассматривать и понимать, особенно когда речь идет об изменении объема, в рамках классической механики насыщенного грунта.

Регионы с более засушливым климатом все больше осознают уникальность своих региональных проблем механики грунтов. В последние годы в развитых регионах также произошло смещение акцента с оценки поведения инженерных сооружений на оценку воздействия строительства на окружающую среду. Это смещение акцентов привело к большей необходимости иметь дело с зоной аэрации. В ряде стран мира возникла всеобъемлющая механика насыщенных и ненасыщенных грунтов (Fredlund, 1996).

Читайте продолжение материала: «Моделирование свойств грунта в неводонасыщенной области выше уровня грунтовых вод» и «Влияние свойств грунта в неводонасыщенной области на результаты расчетов».