2.2. Строение грунтов

2.2.1. Структура и текстура грунтов

Под структурой грунтов следует понимать размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих его элементов и ха­ рактер взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой - пространственное расположение этих элементов в грунтах. Ниже рассмотрим структурно­ текстурные особенности магматических, осадочных и метаморфических пород.

Выделяются следующие структуры в магматических породах: а) по условиям кристаллизации магмы - полнокристаллические, полукристалли­ ческие и стекловатые структуры, при этом первые характерны для интру­ зивных пород, вторые - для эффузивных и третьи - для лав; б) по величине зерен - крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые структуры; в) по степени идиоморфизма - аплитовые, габбровые, гранитные и другие структуры; г) по условиям формирования - пойкилитовые, порфировые и другие структуры.

Полнокристаллические, зернистые магматические породы имеют, как правило, массивную текстуру. Для излившихся пород характерны флюидальная и миндалевидная текстуры. Различают также такситовую текстуру, образующуюся при разложении минеральных скоплений в виде отдельных пятен.

Осадочные породы представлены следующими структурами: а) по величине зерен и обломков: грубообломочной (псефитовой), песчаной (псаммитовой), иловой (алевролитовой), глинистой (пелитовой) и смешан­ ными структурами; б) по величине зерен пород химического происхожде­

нее 0,01 мм).

В метаморфических породах по условиям формирования выделяют­ ся кристаллопластовые, полосчатые и кристаллизационно-сланцеватые структуры. Для них характерны сланцеватая, полосчатая, пятнистая, мас­ сивная и другие текстуры. В табл. 2.2 приведена классификация грунтов по их структурно-текстурным особенностям.

Следует отметить, что при инженерно-геологических исследованиях структурно-текстурная характеристика грунтов несет в себе скрытую ин­ формацию о свойствах пород. Так, например, прочность пород, имеющих мелкозернистую структуру, выше пород, имеющих крупнозернистую структуру.

2.2.2. Структурные связи в грунтах

Все структурные элементы (минеральные зерна, частицы, кристал­ лы), слагающие горные породы, связаны между собой. Характер (тип) этих связей во многом определяет свойства пород. Действительно, прочность отдельных кристаллов может быть очень высокой, а прочность пород, сложенных ими, значительно ниже. Следовательно, прочностные свойства грунтов определяются не только и не столько прочностью кристаллов, сколько прочностью связей между ними, т.е. типом структурных связей.

Породы по условиям формирования структурных связей можно под­ разделить: а) на породы с жесткими (химическими) структурными связя­ ми; б) с водно-коллоидными (физико-химическими) связями; в) несвязан­ ные грунты.

Породы с жесткими (химическими) структурными связями.

Структурные связи химической природы близки к внутрикристаллическим связям минералов. Они возникают при заполнении пространства между зернами (кристаллами) прочным цементирующим веществом, которое со­ единяется с кристаллами химической связью. Такой тип связи еще назы­ вают жесткой структурной. У магматических пород она появляется одно­ временно с образованием самих минеральных зерен - в процессе кристал­ лизации и затвердевания магмы. У метаморфических пород - при перекри­ сталлизации материнской породы, у осадочных сцементированных пород - в результате инфильтрации растворов, выпадения из них солей и других

веществ, старения и кристаллизации коллоидов на контактах между зерна­ ми и т. д. На рис 2.2 приведены типы цементационных связей осадочных пород.

Породы с жесткими структурными связями характеризуются высо­ кой прочностью и низкой сжимаемостью. При разрушении пород эти связи не восстанавливаются.

Рис. 2.2. Типы цемента (по М.С. Швецову):

а - цемент базальный и разъедания (коррозионный); б - цемент базальный и сгустковый (неравномерный); в - цемент пор; г - цемент соприкосновения (контактовый); д - цемент пор и выполнения; е - цемент беспорядочнозернистый, кристаллический; ж - цемент обрастания (крустификационный); з - цемент нарастания (регенерации); и - цемент прорастания.

Породы с водно-коллоидными (физико-химическими) структур­ ными связями характерны для дисперсных несцементированных и слабосцементированных грунтов (глинистые, лессовые, диатомиты, трепел, торф). В практике этот тип связи называют водно-коллоидной. Различают следующие типы структурных связей: молекулярные, электростатические, ионно-электростатические.

Молекулярная структурная связь. При сближении атомов или двух микроскопических тел на расстояние, при котором еще нет перекрытия волновых функций, между ними возможно взаимодействие благодаря мо­ лекулярным (ван-дер-ваальсовым) силам, которые создаются универсаль­

но. Они существуют всегда и проявляются не только между заряженными ионами, но и между нейтральными атомами, молекулами и твердыми те­ лами. В уплотненных, высушенных тонкодисперсных породах условия для создания молекулярных структурных связей являются оптимальными. По­ этому глинистые грунты имеют максимальную прочность в сухом состоя­ нии.

В природных условиях дисперсные грунты практически всегда име­ ют то или иное количество воды. Структурные связи во влажных дисперс­ ных грунтах носят ионно-электростатический характер, вызванный появ­ лением электрического заряда у частиц и образованием диффузионного слоя ионов вокруг них, вследствие чего возникают силы отталкивания ме­ жду одноименно заряженными частицами. Таким образом, на частицы, с одной стороны, действуют силы молекулярного притяжения, с другой - ионно-электростатические силы отталкивания. Баланс этих сил и будет оп­ ределять характер взаимодействия между частицами во влажных грунтах.

Несвязанные породы. Структурные связи механической природы характерны для грубообломочных и песчаных пород, которые относятся обычно к сыпучим (несвязанным) системам. Структурное сцепление их невелико и обусловливается эффектами чисто механической природы - это взаимное сцепление частиц вследствие микронеровностей их поверхно­ стей. Величина сцепления зерен и обломков зависит от их зернового соста­ ва и окатанности. Она возрастает с крупностью и неоднородностью соста­ ва породы и угловатостью минеральных составляющих. В табл.2.3 приве­ дена классификация пород по типу структурных связей.