Глава2Инженерно-геологическое подразделение горных пород

2.1Структурные связи в горных породах и влияние их на свойства пород

Состав горных пород, размер и расположение слагающих их час­тиц, соотношение компонент в породах — все это определяет характер связей, существующих в породах, структурных связей. Струк­турные связи формируются при генезисе пород и под влиянием постге­нетических процессов, и поэтому они являются тем фокусом, в котором отражаются инженерно-геологические особенности горных пород, воз­никающие в процессе их геологической «жизни». В то же время от их характера во многом зависят свойства горных пород. Структурные свя­зи могут быть самыми различными — от прочных кристаллизационных, энергия которых соизмерима с внутрикристаллической энергией хими­ческой связи отдельных атомов, до очень слабых, едва проявляющихся в обычных условиях и не оказывающих влияния на связность пород.

Структурные связи являются важнейшей характеристикой горных пород. Известно, что прочность отдельных минеральных зерен (крис­таллов), определяемая внутрикристаллическими химическими связями , может быть весьма высокой, измеряемой десятками и сотнями МПа. Прочность магматических и метаморфических горных пород достигает 500 МПа, у осадочных сцементированных — 300—400 МПа. В то же время у некоторых дисперсных несцементированных пород она может быть близкой к нулю. Прочностные свойства пород определяются не только прочностью отдельных минеральных зерен и обломков, но и структурными связями. Структурные связи можно подразделить по своей природе на химические, или кристаллизационные, молекулярные, ионно-электростатические, электростатические, магнитные и капилляр­ные. Рассмотрим природу этих связей и как они влияют на свойства горных пород.

Химические (кристаллизационные) структурные связи. Этот тип структурной связи является наиболее прочным и в ряде случаев (на­пример, в кварцитах, кристаллических известняках) не уступает по прочности внутрикристаллическим химическим связям. Химические структурные связи наиболее характерны для пород с кристаллизацион­ной структурой, к которым относятся все магматические, метаморфи­ческие и часть осадочных (сцементированных) пород. Наличие проч­ных химических связей в этих породах между отдельными структур­ными элементами обусловливает их характерные инженерно-геологи­ческие свойства: высокую прочность, слабую сжимаемость, четко выра­женные упругие свойства в определенных пределах нагрузок и т. д.

Характерной особенностью химической связи является проявление ее при небольших расстояниях между взаимодействующими атомами (порядка 0,5—3,5А), вследствие того что химическая связь осуществля­ется периферийными электронами атомов, называемых валентными электронами. При этом возможно образование четырех типов хими­ческой связи: ковалентной, металлической, ионной и водородной.

Поскольку химические связи между отдельными структурными элементами наиболее характерны для кристаллических горных пород (магматических, метаморфических и др.), то в дальнейшем изложении мы будем называть их кристаллизационными структурными связями.

Молекулярные структурные связи. При сближении атомов или двух микроскопических тел на расстояния, при которых еще нет пере­крытия волновых функций, между ними возможно взаимодействие благодаря молекулярным (вандерваальсовским) силам.

Молекулярные силы являются дальнодействующими и проявля­ются на расстоянии до 3—4 тыс. Å. По абсолютной величине энергия молекулярной связи значительно меньше энергии химической связи. Расчеты В. Н. Соколова (1974) показали, что молекулярные силы между глинистыми частицами размером 1—2 мкм могут обусловливать «ибщую их прочность на разрыв <0,01 МПа. Несмотря на это, молекулярные силы могут играть важную роль в структурных связях между частицами в тонкодисперсных грунтах, особенно на стадии формирования осадка . Величина их изменяется в зависимости от дисперсности и состояния пород, в частности от содержания связанной воды, которая может обусловливать расклинивающее действие, противоположное молекулярным силам. В наибольшей степени молекулярные силы проявляются в сухих тонкодисперсных грунтах.

Ионно-электростатические структурные связи. Возникновение ионно-электростатических структурных связей обусловлено наличием у коллоидных и глинистых частиц при взаимодействии их с растворами двойного электрического слоя.

В сухой породе ионы диффузного слоя являются связующими. При высушивании породы или ее уплотнении обменные катионы, располагаясь между отрицательно заряженными глинистыми частицами, обра­зуют между ними прочные электростатические мостики. Механизм образования структурной связности между частицами за счет ионно-электростатических сил во многом аналогичен межслоевым связям внутри кристаллов слюдистых минералов. Теоретический расчет сил ионно-электростатического притяжения отрицательно заряженных монтмориллонитовых частиц положительными обменными катионами и экспериментальные исследования показали, что структурные связи этого характера достаточно велики и прочность образцов на сжатие, изготовленных из частиц размером 1—2 мкм, в зависимости от мине­рального состава, плотности и состава обменных катионов изменялась от 0,1 до 25 МПа. В настоящее время установлено, что отрицательный заряд у гли­нистых минералов всегда сохраняется на базальных поверхностях, а на сколах, которые являются наиболее энергетически активными мес­тами, знак заряда меняется в зависимости от рН взаимодействующего с ними раствора. При рН<7 он становится положительным, и тогда на сколах в двойном электрическом слое должны находиться анионы; при рН>7 вокруг глинистого минерала адсорбируются только катионы (рис. 9). Этими представлениями можно объяснить образование в осад-

ках микротекстуры «карточного домика», когда возникают контакты базис — скол (рис. 10).

Электростатические структурные связи. При непосредственном контакте минеральных частиц друг с другом их поверхности могут приобретать некоторый заряд вследствие контактной электризации. Исследования, проведенные в этом направлении, показали, что все минеральные частицы в воздушно-сухом состоянии в результате трения приобретают электрический заряд, знак и величина которого зависят от ряда факторов: минерального состава, размера частиц и наличия адсорбированных пленок на их поверхности. Установлено, что при трении одни минералы (биотит, мусковит, гипс) заряжаются сильнее , другие — слабее (кварц, микроклин, роговая обманка), третьи зани­мают промежуточное положение (кальцит).

Рис. 10. Контакты типа базис — скол в Са-гидрослюде, ув. 10 000^х

По знаку заряда минералы также неодинаковы: кварц, роговая обманка и слюды имеют отрицательный заряд, кальцит и гипс — по­ложительный, у микроклина знак заряда зависит от размера частиц. Величина заряда, приобретаемого частицами при трении, вначале увеличивается с ростом дисперсности, а после достижения максимума, соответствующего определенной фракции, резко уменьшается.

Электростатические связи могут иметь практическое значение в песчаных и пылеватых грунтах при естественной влажности меньшей их максимальной молекулярной влагоемкости.

Между разноименнозаряженными частицами может возникать не­которая связность. Если же масса песка или пыли в результате трения электризуется одним знаком , совпадающим со знаком заряда отдель­ных частиц, то это может привести к снижению ее прочности на сдвиг от 3 до 18%. Поэтому можно предположить , что устойчивость мономи­неральных и полиминеральных песков сейсмических районов, находя­щихся в аридных зонах, может оказаться различной в зависимости от характера электростатических структурных связей.

Структурные связи магнитного характера. Как показали исследо­вания Ю. Б. Осипова (1968), в тонкодисперсных системах наряду с мо­лекулярными и ионно-электростатическими связями при определенных условиях возникают связи магнитного характера. Полученные данные показывают, что содержание частиц <1 мкм в условиях скомпенсированного геомагнитного поля увеличивается на 3—4% по сравнению с обычными условиями. Такое явление можно объяснить распадом агрегатов на элементарные частицы вследствие исчезновения магнитных связей.

В условиях естественного геомагнитного поля связи магнитного характера малы и поэтому могут оказывать некоторое влияние только на начальных стадиях формирования глинистого осадка, вызывая коагу­ляцию суспензий. Однако исключением из этого являются районы с аномальным магнитным полем, где роль магнитных сил может быть значительной (Курская магнитная аномалия).

Капиллярные структурные связи. Представление о структурных капиллярных связях в дисперсных грунтах основывается на том, что в результате взаимодействия воды с твердыми частицами грунта про­исходит смачивание последних с образованием в порах менисков, свя­зывающих частицы . Явление капиллярной связности грунтов можно объяснить с помощью рис. 11. Силы молекулярного взаимодействия воды и сте­нок капилляра изображены векторами а и b, касательными к вогнутому мениску в точках его соприкосновения со стенками. Разложим эти векторы на две составляющие: направ­ленную вдоль стенок капилляра (а₁, b₁) и перпендикулярно к ним (а₂, b₂). Составляю­щие а₂ и b₂, равнодействующая которых рав­на нулю, не влияют на высоту поднятия во­ды. Они лишь способствуют полному запол­нению сечения капиллярной трубки водой. Составляющие же , параллельные стенкам капилляра, суммируются в общую равно­действующую, направленную по оси трубки и называемую подъемной силой мениска (Q). В соответствии с третьим законом Ньютона, подъемной силе мениска, при­ложенной к жидкости, должны соответствовать равные по вели­чине и обратные по знаку силы, приложенные к стенкам капилляра. Эти силы, оказывающие давление на стенки капиллярных сосудов, называются силами капиллярного давления. Чем больше высота ка­пиллярного поднятия, тем больше капиллярное давление на грунтовые частицы, слагающие стенки капилляров, тем больше связность грунтов. О том, что капиллярная связность существует, очень легко убедиться на примере грунтов, у которых отсутствует заметное структурное сцеп­ление между частицами (песок, порошок, приготовленный при разру­шении лёссовой или глинистой породы). При капиллярном увлажне­нии такие грунты получают заметную связность.

Работы последних лет, посвященные изучению ряда свойств гли­нистых грунтов, в частности их усадки, показывают, что в том случае, когда дисперсные грунты представляют собой трехкомпонентную сис­тему (минералы, вода и газы), проявление капиллярных связей обес­печивает прочность породы возможно до десятых долей МПа. В то же время надо иметь в виду, что проникновение капиллярной воды в сухой высокодисперсный грунт нарушает существующие там ионно-электростатические связи и ослабляет молекулярное взаимодействие частиц, что ведет к уменьшению его связности и прочности.