1.2. Структурные связи в грунтах

В грунтах существуют связи между их элементами - кристаллами, агрегатами, обломками или частицами. Природа и прочность структурных связей в значительной степени определяют свойства грунтов.

По современным представлениям, структурные связи в грунтах имеют преимущественно электрическую природу. Они формируются в течение всего периода образования грунта и могут изменяться в последующее время его существования и земной коре.

Структурные связи, формирующиеся при образовании самого грунта, называются первичными. В магматических породах они возникают в результате остывания магмы, в метаморфических - перекристаллизации исходных пород, в осадочных - процессов диагенеза осадка.

В период существования грунтов в земной коре первичные структурные связи могут изменяться — становиться более прочными и ослабевать, одновременно могут возникать и новые структурные связи. Эти изменения могут быть следствием природных процессов (тектонических, выветривании, суффозии, цементации, перекристаллизации, уплотнения, дегидратации и др.) или вызываться искусственно.

Прочность структурных связей в значительной мере обусловлена их природой. В магматических, в большей части метаморфических и в некоторых осадочных породах имеет место химическая связь, в основе которой лежат электрические силы взаимодействия между атомами с помощью периферийных или валентных электронов. Эта связь проявляется в тех случаях, когда расстояния между атомами не превышают суммы атомных радиусов, т.е. (0,5-3,5)∙10^-10 м.

В зависимости от строения слагающих грунт минералов химическая связь может быть кристаллизационной и аморфной.

Кристаллизационные связи существуют в магматических, метаморфических и некоторых осадочных породах с кристаллической структурой всей породы или только цемента. Эти связи наиболее прочны.

Твердые аморфные связи существуют в породах, состоящих из аморфных минералов (например, трепел состоит из аморфного минерала опала), или в обломочных цементированных породах, где цементом является аморфное вещество. Эти связи характерны главным образом для осадочных сцементированных пород и некоторых магматических эффузивных (обсидиан, пехштейн).

Грунты с химическими структурными связями отличаются высокой прочностью, слабой сжимаемостью и упругостью в определенном диапазоне нагрузок. При больших нагрузках грунты разрушаются, и химические связи в них не восстанавливаются.

В тонкодисперсных грунтах осадочного происхождения (глинистых и пылеватых) существуют молекулярная и молекулярно-ионно-электростатическая связи. Молекулярные силы притяжения действуют между твердыми телами, молекулами, атомами и ионами, т. е. являются универсальными. Они значительно слабее химических сил и проявляются при расстояниях между частицами от 9-10^-10 до 4-10^-7 м.

С увеличением расстояний прочность молекулярных связей снижается. Число молекулярных взаимодействий (точек) возрастает с увеличением удельной поверхности грунта, т.е. степени дисперсности. Наиболее прочна молекулярная связь в сухих, уплотненных тонкодисперсных (глинистых) грунтах.

При увлажнении таких грунтов вокруг глинистых частиц образуются гидратная оболочка и диффузионный слой ионов. Наряду с молекулярными силами притяжения между частицами будут проявляться и ионно-электростатические силы отталкивания. Результирующая этих сил и определяет прочность структурных связей в дисперсных грунтах. Такие структурные связи называют молекулярно-ионно-электростатическими, или водноколлоидными.

Водноколлоидные связи характерны для глинистых грунтов. Они менее прочны, чем кристаллизационные и твердые аморфные, кроме того, их прочность уменьшается с увеличением влажности грунта. Если в сухих рыхлых грунтах связи отсутствуют, то при их капиллярном увлажнении проявляются слабые водные связи.

В одних и тех же грунтах может быть один, два и более (смешанные связи) типов связи. Разделение грунтов по структурным связям не всегда можно провести, поскольку ряд грунтов (суглинки, лёсс и др.), имея смешанный состав, обладают и некоторыми промежуточными свойствами.

Прочность связей в одних грунтах - изотропных - во всех направлениях одинакова, а в других - анизотропных - изменяется по отдельным направлениям.

Структура грунтов с кристаллизационными связями при одинаковом минеральном составе определяет степень устойчивости их при выветривании: мелкокристаллические грунты разрушаются в меньшей степени, чем крупнокристаллические. Осадочные крупнообломочные грунты на сжатие более прочны, чем среднезернистые, а последние более прочны, чем мелкозернистые.

Применительно к пылеватым (лёссам) и микрозернистым (глинистым) грунтам в грунтоведении выделяют макро-, мезо- и микроструктуру.

Первая характеризует особенности структуры грунта по структурным элементам, видимым невооруженным глазом (зерна, чешуйки). Размер таких элементов может изменяться от 1 м и более до долей сантиметра.

Вторая определяется структурными элементами с размерами от нескольких миллиметров до тысячных долей миллиметра. Она может изучаться с помощью лупы или в шлифах и аншлифах под микроскопом при увеличениях до 600 раз. Микроструктура характеризуется элементарными частицами или их агрегатами в грунте размером менее 5 мкм. Поэтому она изучается с помощью рентгеновских лучей или электронного микроскопа при увеличении в несколько тысяч раз.

Текстура грунтов характеризует пространственное расположение элементов (частиц, агрегатов частиц, кристаллов, цемента) и плотность их сложения. Текстура оказывает большое влияние на свойства грунтов. Наиболее прочные грунты обычно имеют плотную массивную текстуру (большая часть магматических пород, некоторые метаморфические и осадочные породы). Грунты со слоистой и сланцевой текстурой, как правило, являются анизотропными, а пористые грунты обычно менее прочны, чем плотные.