Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

Строение грунтов

Общие понятия. Под строением грунтов понимают совокупность их структурно-текстурных особенностей, т. е. их структуру и текстуру.

Термины «структура» и «текстура» выражают очень близкие понятия.

В переводе с латинского «структура» —это строение, расположение,

устройство, построение, а «текстура» —ткань, соединение, связь.

В настоящее время под структурой грунта понимают размер, форму,

характер поверхности, количественное соотношение слагающих его элементов (минералов, обломков минералов и горных пород, других отдельных частиц, агрегатов, цемента) и характер взаимссвязи их друг с другом, а под текстурой — пространственное расположение слагающих элементов грунта (независимо от их размера).

Все структурные элементы (минеральные зерна и обломки), которые являются слагающими горных пород, связаны между собой структурными связями. Эти связи отличаются друг от друга своей энергией; они могут быть прочными, кристаллизационными (в этом случае их энергия соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов); они могут быть весьма слабыми, едва проявляющимися в обычных условиях и практически не оказывающими влияния на инженерно-геологические свойства горных пород.

Типы структурных связей. Структурные связи являются одной из самых важных характеристик горных пород; от них во многом зависят их инженерно-геологические свойства и состояние. Внутрикристаллические химические связи определяют прочность минеральных зерен — кристаллов,

достигающую весьма высоких значений в десятки и сотни МПа. Средняя прочность магматических и метаморфических горных пород равна примерно

500 МПа, осадочных сцементированных —400 МПа, в то же время у некоторых дисперсных несцементированных пород она снижается практически до нуля. Но прочность горных пород определяется не столько прочностью минеральных зерен, сколько прочностью связи между ними, т. е.

структурными связями.

Формирование структурных связей происходит в результате слож-

нейших физико-химических процессов: кристаллизации, старения,

конденсации содержащихся в породе соединений, а также адсорбции,

миграции, пропитки и кристаллизации проникающих в горную породу цементирующих веществ из окружающей среды. Влияние проникающих веществ из окружающей среды может носить и «регрессивный» характер, т.

е. сложившиеся в породе структурные связи могут разрушаться или переходить в новые, отличающиеся своей энергией, а в конечном счете прочностью, связи между минеральными зернами. Кроме того,

существующие методы технической мелиорации (или улучшения свойств)

грунтов позволяют человеку вмешиваться в процесс формирования структурных связей и создавать грунты с заданными в определенной степени свойствами или изменять их в нужном направлении, например, создавать искусственные связи в трещиноватых скальных грунтах (гранитах,

известняках и других) путем их цементации.

В природе образование структурных связей представляет собой весьма длительный историко-геологический процесс, который развивается на протяжении всего периода формирования горной породы и ее последующей геологической жизни.

На первом этапе, в момент образования горных пород (остывание магмы, перекристаллизация при метаморфических процессах, осадко-

накопление и т. п.), в них возникают первичные структурные связи. На следующих этапах существования горной породы под влиянием уплотнения,

выветривания, инфильтрации и растворения водой и растворами в породе возникают вторичные структурные связи. Одновременно с этим возможно изменение в ту или иную сторону первичных структурных связей. Все эти противоречивые процессы обусловливают Постоянную изменчивость структурных связей в течение геологического времени, а это влечет за собой и изменчивость инженерно-геологических свойств горных пород. Таким

образом, следует еще раз подчеркнуть, что правильное изучение и прогнозирование свойств грунтов необходимо проводить в естественно-

историческом аспекте, на генетической основе. При этом нельзя забывать о том, что прочность и характер структурных связей в каждом конкретном случае зависят от состояния горной породы.

Хорошо известно, что прочность глин в сухом состоянии может достигать почти 10 МПа, во влажном же состоянии глины представляют собой зачастую пластичную или даже текучую массу, легко деформи-

рующуюся под действием собственного веса. Таким образом, при инженерно-геологическом изучении горных пород, помимо определения их состава, возраста, генезиса, нужно учитывать их состояние в каждый конкретный момент времени и прогнозировать их свойства с учетом этого состояния и возможного его изменения.

В различных генетических типах пород развиты или преобладают различные структурные связи, обусловленные различной природой формирования и проявления. В магматических, метаморфических и некоторых осадочных сцементированных породах широко развиты связи химической природы; в тонкодисперсных несцементированных породах связь между отдельными минеральными частицами породы осуществляется за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий, которые

винженерно-геологической литературе получили название водно-

коллоидных связей. В настоящее время установлено, что дисперсные несцементированные частицы породы могут обладать связями магнитного характера, а также связями за счет поверхностных электрических зарядов,

возникающих на контакте минеральных частиц. Рассмотрим более подробно указанные выше типы структурных связей.

Природа химической связи отвечает природе внутрикристаллических связей минералов. Химическая связь возникает при непосредственном

(истинном) контакте минеральных зерен друг с другом, а также при наличии в пространстве между минеральными зернами прочного цементирующего

вещества, которое скрепляется с наружными плоскими сетками кристаллических решеток минеральных зерен.

Химическая связь является наиболее прочным типом структурных связей. Это связь в некоторых горных породах, например, метаморфических,

в кварцитах, по прочности близка внутрикристаллическим химическим связям. При разрушении этих пород образующиеся линии скола могут проходить как по местам контактов минеральных зерен, так и по самим зернам.

Способы формирования структурных связей химической природы в различных породах неодинаковы. У магматических пород они появляются одновременно с кристаллизацией и твердением магматического расплава, т.

е. при образовании самих минеральных зерен. В метаморфических породах связи формируются при перекристаллизации материнских (исходных) пород.

В осадочных породах образование структурных связей происходит в результате инфильтрации природных растворов и выпадения из них солей или при осаждении в поровом пространстве таких соединений, как коллоидный кремнезем или гидроксиды железа, дальнейшем их старении и кристаллизации на контактах между зернами. По своей природе химическая связь представляет собой силы гравитационного, магнитного и электрического характера. В основе химической связи лежит электрическое взаимодействие между атомами.

Более сложный характер имеет молекулярная и ионно-электроста-

тическая связь.

Известно, что при сближении атомов или даже двух микроскопических сил между ними в определенных условиях возможно взаимодействие благодаря молекулярным (Ван-дер-Ваальсовым) силам, которые носят универсальный характер. Указанное взаимодействие существует всегда и проявляется не только между заряженными ионами, но и между нейтральными атомами, молекулами и твердыми телами. Энергия этого типа структурных связей значительно меньше, чем при проявлении химической

связи, однако молекулярные силы играют важную роль в формировании связей между частицами в тонкодисперсных фунтах.

Наиболее оптимальными условиями для проявления молекулярных связей являются высокая плотность и низкая влажность тонкодисперсных пород. Поэтому глинистые грунты всегда имеют максимальную прочность в сухом состоянии. Однако в природе большинство дисперсных грунтов содержит то или иное количество влаги. Структурные связи во влажных дисперсных грунтах носят поэтому значительно более сложный характер, так как там наряду с молекулярными силами притяжения проявляются расклинивающие силы притяжения гидрат-ных оболочек вокруг твердых минеральных частиц, которые направлены противоположно молекулярным силам, а кроме того, возникают силы взаимодействия ионно-

электростатического характера. Это взаимодействие связано с возникновением электрического заряда у твердых минеральных частиц и образованием диффузного слоя ионов вокруг них. Вследствие этого во влажных тонкодисперсных грунтах правильнее говорить о молекулярно-

ионно-электростатических связях. Такой тип связей проявляется в глинах,

некоторых разновидностях мела и мергеля.

В 1966 г. И.М. Горькова в зависимости от характера проявления молекулярных и молекулярно-ионно-электростатических сил связи,

выражающегося прежде всего в степени агрегации первичных частиц,

выделила несколько типов структур дисперсных пород:

• стабилизационная структура; возникает в тонкодисперсных грунтах при наличии на поверхности минеральных частиц активных гидрофильных стабилизаторов, препятствующих слипанию (коагуляции) частиц под влиянием сил молекулярного притяжения, например, пленки гидрофильного органического вещества. К породам со структурой такого типа можно отнести карельские четвертичные перигляциальные глины; истинные плавуны; майкопские глины Предкавказья; поволжские глины нижнемелового неокомского возраста; глины кембрийского возраста,

распространенные в Санкт-Петербурге; мергели мелового туронского возраста и ряд других;

• коагуляционная структура; встречается в породах, в составе которых до 1,5 % электролитов. В этих условиях, как известно, возникает структурная коагуляция, которая приводит к образованию в породах рыхлого структурного каркаса. К породам, обладающими такого типа структурой,

относят высокодисперсные глины Заволжья, так называемые хвалынские;

монтмориллонитовые глины киммериджского и оксфордского ярусов юрского возраста;

•пластифицированно-коагуляционная структура; формируется при структурной коагуляции, когда в породах присутствуют органические соединения, обладающие пластифицирующими свойствами, часто в присутствии карбонатов кальция, причем в поровом растворе электролиты должны обладать концентрацией от 0,3 до 10 %. Примером пород с этим типом структуры могут служить глинистый мел туронского яруса мелового возраста; современные черноморские илы; озерные глины; отдельные горизонты морских отложений Каспийского моря; так называемые спондиловые глины;

•смешанная коагуляционно-кристаллизационная или коагуляци-онно-

цементационная структура; образуется при одновременном проявлении ионно-электростатических взаимодействий и сил химической природы,

поэтому сформированные структурные связи отличаются от перечисленных выше связей других типов структуры значительно большей прочностью и хрупкостью.

Рассматриваемый тип структуры встречается в типичных лессах;

мергелях мелового периода кунгурского и сантонского ярусов; в типичном чистом писчем меле; аргиллитоподобных юрских глинах; сланцеватых юрских и нижнемеловых глинах; современных покровных суглинках.

Остановимся теперь на недостаточно еще изученной связи магнитного характера. По полученным данным исследований она обусловлена наличием

магнитных сил за счет присутствия в породах таких природных ферромагнетиков, как минералы, гематит, гетит, гидрогематит. Эти минералы встречаются в виде тонких пленок на поверхности твердых частиц.

Толщина и степень развития пленок на поверхности частиц зависят от многих факторов, таких как степень дисперсности, минеральный состав частиц, степень их обработанности, условия образования, транспортировки и существования породы, которые весьма различны в разных генетических типах пород. Степень влияния такого типа связи на формирование структуры естественно невелика, но она накладывает свой специфический отпечаток на общие структурные особенности породы.

Наряду с вышеуказанными связями в породах может образоваться связь за счет взаимодействия электрических зарядов, возникающих на контактах минеральных зерен. Электрический заряд в этом случае обусловливается контактной разностью потенциалов. Аналогичное явление возникает при трибоэлектризации (электризации при трении частиц друг о друга). При увлажнении этот тип связи естественно разрушается, так как эффект приобретения электрического заряда характерен только для сухих минеральных частиц, поэтому этот тип связи необходимо учитывать только при оценке сухих рыхлых грунтов. Форма и характер поверхности

(морфология) слагающих горную породу элементов. Генезис горной породы играет весьма существенную роль в формировании морфологических особенностей слагающих ее минеральных зерен, причем это относится,

вопреки сложившимся обычным представлениям, как к дисперсным осадочным породам, так и к магматическим, метамофическим и осадочным сцементированным. Минеральные зерна и их обломки могут принимать под воздействием генетических и постгенетических процессов весьма разнообразную форму и иметь различный характер поверхности (морфо-

логический облик). Факторы, определяющие морфологию минеральных частиц, весьма разнообразны, к ним относятся, например, такие, как условия кристаллизации и перекристаллизации в магматических и метаморфических

породах; дальнейшее их выветривание; дислоцирование при тектонических процессах; первоначальная форма минеральньгх зерен и их обломков;

химико-минеральный состав исходных пород; условия и характер

выветривания, переноса, осадконакопления в осадочных и метаморфических породах.

Особенно важное значение в формировании инженерно-геологи-^

ческих свойств морфологический облик имеет в дисперсных осадочных юродах, в основном песчаных, супесчаных, крупнообломочных. Пер-

рвоначальная форма обломков зависит от прочности материнской породы, ее состава и структурно-текстурных особенностей. Массивные скальные породы (граниты, известняки) на первых стадиях разрушения дают крупные обломки в виде многогранников с тупыми углами. При выветривании эти обломки могут разрушаться дальше, вплоть до образования мелких фракций обломочного материала, состоящего преимущественно из отдельных идиоморфных зерен, т. е. имеющих более или менее правильные очертания кристаллов, соответствующих процессам кристаллизации при остывании магмы. Мергель, сланцы, алевролиты, слоистые известняки дают обломки

(щебень) плоской и остроугольной формы, которая, как правило,

унаследуется при их дальнейшей обработке, транспортировке и переотложении.

При переносе и отложении минеральные зерна и их обломки приобретают ту или иную степень обработанное.. Зерна могут быть обработанными и необработанными, т. е. окатанными или неокатан-ными с шероховатой, полированной, кавернозной или иной поверхностью. Крупные обломки окатываются сильнее, чем мелкие, поэтому наблюдается связь между окатанностью зерен, их обломков со степенью дисперсности.

Особенно четко эта зависимость проявляется в песчаных и мелкообломочных породах. Первичные частицы тонкодисперсных пород практически не повергаются обработке при переносе и переотложении. Весьма существенным в формировании морфологического облика является

содержание в породе того или иного минерала. Кварцевые зерна, как известно, весьма устойчивы к обработке, полевые шпаты, кальцит, слюды разрушаются быстрее и приобретают в силу своего внутреннего строения другие, нежели у кварца, форму и характер поверхности. Степень шероховатости или полированности частиц определяется как условиями переноса (трение частиц друг о друга в водной или воздушной среде), так и условиями отложения. Развитая поверхность, как измененная поверхность самого минерального зерна, так и пленки вторичного вещества на зерне, их толщина и состав зависят от скорости транспортировки и уплотнения в процессе превращения осадка в породу, при наличии того или иного химического агента в грунтовых растворах, когда происходит растворение поверхности первичного зерна или осаждение коллоидного или кристалли-

ческого вторичного вещества на этих зернах, а также при других весьма сложных физико-химических процессах.

Морфология песчаных зерен, пылеватых частиц, обломков горных пород более крупных размерностей является комплексным диагностическим признаком при оценке их генезиса, а также вместе с этим оказывает существенное влияние на формирование их инженерно-геологических свойств. Установлено, что морфологический облик частиц дисперсных пород оказывает влияние на прочность, деформируемость, водопроницаемость пород.

В магматических, метаморфических породах морфологический облик минералов играет огромную роль в формировании их прочностных свойств.

В осадочных сцементированных породах форма и характер поверхности частиц определяют форму порового пространства, активность поверхности частиц — при заполнении пространства между частицами цементирующим веществом и его последующей кристаллизации.

Подводя итог рассмотрению основных понятий структуры горных пород, следует сделать вывод о несомненной зависимости формирования структурных особенностей от генетических и постгенетических процессов и

влиянии этих особенностей на приобретение породой тех или иных инженерно-геологических свойств.

Роль структурно-текстурных особенностей грунтов. Текстуре горных пород редко уделяется много внимания, так как эта весьма важная характеристика обычно изучается специалистами в чисто геологических целях, хотя она имеет несомненно инженерно-геологическое и практическое

«строительное» значение.

Помимо общего понятия о текстуре грунтов Е.М. Сергеевым введены понятия о макро-, мезо-, микротекстуре, которые находятся в тесной взаимосвязи с понятиями макро-, мезо-, микроструктуры применительно к глинистым и лессовым грунтам. Введение этих понятий Е.М. Сергеевым объясняет тем, что в тонкодисперсных грунтах отдельные частицы,

являющиеся первичными структурными элементами, образуют под влиянием процессов агрегации элементы второго порядка — микроагрегаты, а

последние, в свою очередь, могут образовывать структурные элементы еще более высокого порядка. Размер отдельных макроэлементов может изменяться от 1 м и более и до долей сантиметра. Особенности пространственного расположения макроэлементов характеризуются макротекстурой.

Наиболее характерной макротекстурой глинистых и лессовых пород является беспорядочная и слоистая макротекстура. Первая характеризуется отсутствием какой-либо видимой слоистости в толще. Порода с беспорядочной макротекстурой выглядит сплошным однородным телом.

Порода со слоистой макротекстурой состоит из отдельных слоев,

имеющих какую-либо пространственную ориентацию. Мощность слоев может быть различной: от метров до миллиметров.

Размер, форма, характер поверхности, количественное соотношение микроагрегатов, отдельных микроблоков, а также первичных пы-леватых и песчаных зерен в тонкодисперсных грунтах характеризуют их мезоструктуру.