Лекция 6. Газовая и биологическая компонента грунтов

План лекции:

1. Происхождение и состав газов в грунтах.

2. Влияние газов на свойства грунтов.

3. Биологическая компонента грунтов.

4. Промежуточная контрольная работа.

1. Происхождение и состав газов в грунтах

Выделяются три генетических группы газов:

геологического происхождения;

атмосферного происхождения;

биологического происхождения.

Газы геологического происхождения формируются в ходе магматических,

метаморфических и осадочных процессов. В их состав в основном входят пары

воды, CO2, H2, H2S.

Газы атмосферного происхождения, к ним относятся газы почв и пород зоны аэрации, формируются в основном под действием атмосферного воздуха. Состав газов приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Из таблицы видно, что азота и кислорода в почвенном воздухе меньше, чем в атмосферном, а CO2 значительно больше. Это связано с тем, что в почвах происходит поглощение азота и кислорода и выделение углекислоты.

Важной составляющей газовой компоненты является водяной пар. Количество пара в почвах выше, чем в атмосфере. При пересчете пара на влажностный показатель почв, выясняется, что количество водяного пара в грунте не значительное (W = 0,001 %). Несмотря на это, он (пар) играет огромную роль в формировании прочносвязанной воды.

Биогенные газы формируются в грунтах за счет жизнедеятельности в них различных организмов. На первом месте по объему биогазов в грунтах стоит метан (CH4), затем CO2 и N2, H2S. Их количество в грунтах незначительно.

42

2. Влияние газов на свойства грунтов

В зоне интересов инженеров-геологов, а это часть массива грунтов от земной поверхности до 30–50 м в глубину, влияние газа на физико-механические свойства грунтов, используемых в расчетных моделях, незначительно, поэтому здесь приведены самые общие сведения о газах.

Следует отметить, что если рассматривать газ с точки зрения самостоятельного природного элемента, то он играет значительную роль в жизни человека и, в нашем случае, влияет на устойчивость инженерных сооружений. Например, газодинамические явления в подземных горных выработках и т. д.

3. Биологическая компонента грунтов

В грунтах обитают представители практически всех основных видов органического вида – от одноклеточных до млекопитающих (бактерии, грибы, растения, животные – черви и т. д.).

Влияние их на свойства грунтов, безусловно, существует (например, микроорганизмы влияют на биокоррозию), но не является определяющей. Поэтому здесь мы на нем детально не останавливаемся.

Таким образом, мы рассмотрели состав грунтов – твердую, жидкую, газообразную и биологическую составляющие. Переходим к изучению строения грунтов.

4. Промежуточная контрольная работа

Промежуточная контрольная работа по теме «Состав грунтов» – 30 минут.

43

Лекция 7 и 8. Строение грунтов

План лекции:

1. Структура грунтов.

– размер частиц – структурных элементов грунта;

– структурные связи в грунтах. 2. Текстура грунтов.

1. Структура грунтов

Грунты представляют собой многокомпонентную систему, состоящую из твердой, жидкой и газовой компонент (рисунок 5.1).

Совокупность признаков, отражающих взаимоотношение всех компонент грунта, называется строением грунта.

Структура грунта – это совокупность признаков, отражающих размер, форму, характер поверхности слагающих его структурных элементов и характер взаимосвязи их друг с другом.

Форма поверхности частиц

Размер частиц

Рисунок 5.1 – Схема строения грунта – структура

Рассмотрим определение «структура грунта»:

1.Элементы грунта (из чего состоит грунт):

– зерна;

– частицы;

– агрегаты;

– цемент.

2.Характеристика этих элементов:

–размер частиц;

–характер взаимосвязи между частицами. Ниже рассмотрим структурные элементы грунта.

44

1 . Размер структурных элементов грунта

Все грунты состоят из кристаллов, коллоидов, частичек и обломков грунта. Размер слагающих элементов грунта во многом определяет его свойства и особенно сильно сказывается на свойствах осадочных дисперсных грунтов – глинах и песках.

Например, песок, имеющий размер частиц от 0,05 до 2 мм, характеризуется высокими значениями водопроницаемости, низкими – капиллярного поднятия. Глина, имеющая размер частиц менее 0,001 мм, наоборот, практически водонепроницаема и имеет большое капиллярное поднятие.

Поэтому, в инженерной геологии большое внимание уделяется классификации структурных элементов осадочных пород по их размерам.

В.В. Охотиным разработана классификация структурных элементов дисперсных грунтов, основанная на учете изменения свойств, выделенных по размеру частиц (таблица 5.1). Эта классификация не потеряла своей актуальности и сегодня.

Таблица 5.1

Под фракцией понимается диапазон значений структурного элемента.

Например, песчаные частицы крупные – это фракция от 0,5 до 1,0 мм.

В грунтоведении широкое применение нашел термин «гранулометриче-

ский состав», под которым понимается количественное содержание в грунте частиц по фракциям.

На основе результатов гранулометрического анализа проводят классификацию грунтов (таблица 5.2).

45

Таблица 5.2 – Гранулометрическая классификация грунтов (по В.В. Охотину)

Из таблицы видно, что по содержанию глинистой фракции грунты делят на несколько видов:

–глины – более 30 %;

–суглинки – от 10 до 30%;

–супеси – от 2 до 10 %;

–пески – меньше 2 %.

Кроме того, для классификации крупнообломочных и песчаных грунтов используется классификация СНиП (таблица 5.3).

46

Таблица 5.3 – Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

(по СНиП 2.02.01-83)

2 . Структурные связи в грунтах

Все структурные элементы (коллоиды, зерна, частицы, кристаллы), слагающие грунты, связаны между собой. Эти связи в инженерной геологии называют структурными связями.

Структурные связи можно классифицировать по различным признакам (таблица 5.4).

Так, по прочности структурные связи могут быть подразделены на жесткие и пластичные. По стойкости против растворяющего действия воды – на растворимые и не растворимые.

Можно далее изучать связи в горных породах в зависимости от условий их формирования. С этой точки зрения различают связи, появившиеся одновременно с образованием породы, или первичные, и связи, возникшие после образования породы, или вторичные. Примером связей первого типа могут служить связи в изверженных породах, а связей второго типа – связи у большинства осадочных пород, например, цемент в песчаниках и конгломератах.

Можно и следует, наконец, подходить к изучению и оценке связей в горных породах с точки зрения природы тех сил, которыми эти связи обусловливаются – внутреннего механизма их формирования.

В настоящее время широкое применение нашла электрическая теория формирования структурных связей. По этому показателю выделяются: кристаллизационные, водно-коллоидные и механические (таблица 5.5).

Таблица 5.4 – Классификация структурных связей

47

Таблица 5.5 – Классификация структурных связей по показателю, характеризующему внутренний механизм их формирования

Тип структурных связей

Кристаллизационные (химические) структурные связи

Этот тип структурной связи по своей природе близок к внутрикристаллическим связям минералов. Он возникает при заполнении пространства между зернами прочным цементирующим веществом, которое скрепляется за счет химических связей с наружными плоскими сетками кристаллических решеток цементируемых зерен.

У магматических пород они появляются одновременно с образованием самих минеральных зерен – в процессе кристаллизации и затвердевания магматического расплава; у метаморфических пород – при перекристаллизации материнской породы; у осадочных пород – в результате инфильтрации растворов и выпадения из них солей и кристаллизации на контактах между зернами (рисунок 5.2).

затвердевший

магматический

расплав

перекристаллизационная материнская порода

затвердевшие минералы, выпавшие из инфильтрационного раствора

Рисунок 5.2 – Схема формирования кристаллизационных структурных связей в группах:

а) магматических; б) метаморфических;

в) осадочных сцементированных

48

По своей природе кристаллизационные (химические) связи представляют собой силы электрического характера. Выделяются: ковалентные, ионные, металлические и водородные связи. Они описаны в лекции 2, поэтому кратко остановимся на них.

Ковалентные связи – образуются за счет обобществления атомами своих валентных электронов.

Ионная связь – образуется за счет сил притяжения противоположено заряженных ионов.

Металлическая связь – формируется за счет несвязных с катионами подвижных электронов.

Водородная связь – образуется посредством атома водорода, где с одной стороны он связан ковалентной связью с ионом, а с другой водородной.

Характерными особенностями химической связи являются, во-первых, ее проявление при небольших расстояниях между взаимодействующими атомами (порядка 0,5–3,5 Å), при увеличении расстояния между атомами величина ее быстро падает; и, во-вторых, высокая энергия, достигающая 300 ккал/моль.

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. При разрушении пород с кристаллизационной структурой структурные связи в них не восстанавливаются.

Водно-коллоидные структурные связи

Данный тип связей характерен для глинистых грунтов. Выделяются: магнитные, электростатические, молекулярные, капиллярные и ионно-электростати- ческие связи (силы).

Магнитные связи

Исследованиями, проведенными В.И. Осиповым, было показано, что в тонкодисперсных системах могут возникнуть силы магнитного характера. Их возникновение связано с наличием в глинистых грунтах ферромагнетиков (гематита, гетита, гидрогетита), образующих на поверхности глинистых частиц тонкие (0,05–0,5 мкм) пленки. Такие пленки обладают жесткими магнитными моментами, которые переносят коагуляционный эффект между частицами. Величина магнитных сил невелика, и она играет роль только на стадии седиментации.

Электростатические связи

По данным В.И. Осипова и Е.М. Сергеева на сколах глинистых кристаллов образуются электростатически активные центры, плотность и знак которых зависит от реакции среды.

49

Вкислой и нейтральной средах сколы кристаллов глинистых минералов несут положительный поверхностный заряд, а базальные поверхности кристаллов – отрицательный.

Вщелочной среде сколы кристаллов глинистых минералов несут отрицательный заряд, и базальные поверхности тоже отрицательно заряжены.

Отсюда, кристаллы глинистых минералов в нормальной и кислой среде притягиваются друг к другу, а в щелочной, наоборот, отталкиваются, т. е. происходит Кулоновское взаимодействие зарядов (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 – Схема формирования электростатических структурных связей в нормальной и кислой среде (в) и щелочной (г).

Формирование зарядов в кислой и нормальной среда (а) и в щелочной (б)

50

Несмотря на небольшую величину рассматриваемых сил, они могут играть важную роль в формировании структуры и структурных связей молодых глинистых осадков. На основании изложенного можно объяснить поведение глинистых частиц во многих физико-химических, обменных и адсорбционных процессах. В частности, можно объяснить активную агрегацию глинистых частиц в кислой среде и образование устойчивой, хорошо диспергированной суспензии этих частиц в щелочной среде. С этих же позиций можно рассматривать резкое увеличение вязкости суспензий, а также емкости катионного и уменьшение анионного обмена у глин при переходе от кислой к щелочной среде.

Молекулярные связи

В большинстве своем молекулы, кристаллы, частицы являются электронейтральными. Однако они взаимодействуют между собой. Чем обусловлено это взаимодействие?

Давайте рассмотрим молекулу «поближе». Если центры распределения положительных и отрицательных зарядов внутри нее не совпадают друг с другом, то такую молекулу можно представить как небольшую гантельку. На одном конце ее находится положительный заряд, а на другом – отрицательный. Такие электрические гантельки называют диполями. Так, молекулы самого распространенного на земле вещества – воды (Н2О) состоят из двух положительных ионов водорода и одного отрицательного иона кислорода (рисунок 5.4). Хотя это системы не двух, а трех зарядов, но ведут себя они как электрические диполи – центр положительного заряда находится на некотором расстоянии от центра отрицательного заряда, а суммарный положительный заряд равен по модулю суммарному отрицательному заряду.

О

•

••

Н+ Н+

Рисунок 5.4

Когда две дипольные молекулы оказываются рядом, каждая из них стремится расположиться так, чтобы положительный конец одной был поближе к отрицательному концу другой, и наоборот. В результате, несмотря на то, что каждая молекула нейтральна, между молекулами возникает довольно заметное притяжение. Такое взаимодействие называется диполь-дипольным. Оно, как мы видели, связано с тем, что у дипольных молекул средние расстояния между разноименными зарядами немного меньше, чем между одноименными. Очевидно, что при удалении молекул друг от друга это различие в расстояниях уменьшается. В ка- кой-то момент оно становится несущественным, и сила взаимодействия между молекулами обращается в ноль (рисунок 5.5).

51

Рисунок 5.5

Если центры распределения положительных и отрицательных зарядов внутри молекулы совпадают, то схему взаимодействия двух молекул можно представить в следующем виде.

Электроны непрерывно движутся вокруг ядра. Иногда говорят даже, что они «размазаны» вокруг ядра, образуя около него облако. И центр этого отрицательного облака совпадает с центром положительного ядра только в среднем, а в каждый отдельный момент времени они слегка отклонены друг от друга. Просто в один момент центр облака находится по одну сторону от центра положительного заряда, а в другой – по другую. Можно сказать, что в этом случае молекула (или атом) представляет собой непрерывно возникающий и исчезающий диполь.

Если две такие молекулы сближаются на достаточно малое расстояние, то эти «мерцающие» диполи начинают действовать друг на друга так, что в каждый момент времени разноименные заряды в различных молекулах оказываются друг к другу ближе, чем одноименные. Возникают силы притяжения, которые теперь называются ван-дер-ваальсовскими. Эти силы оказываются значительно слабее диполь-дипольных.

Ионно-электростатические связи

Роль ионно-электростатической связи в структурных связях глин изучена менее всего. Они возникают за счет электростатического притяжения отрицательно заряженных частиц находящимися между ними катионами. Образование таких связей возможно в глинах средней и высокой степени литификации, а также в глинах различной степени литификации при их подсушивании.

Известно, что перекрытие диффузных слоев двух дисперсных частиц приводит к характерному распределению потенциала между ними (рисунок 5.6). Рассматривая такую систему, большинство исследователей считают, что при сближении двух частиц на расстояние менее 20–30 Å распределение катионов в зазоре существенно отличается от распределения их в диффузном слое. Для катионов в этом случае энергетически более выгодно находиться в центре зазора, т. е. размещаться в потенциальной яме (рисунок 7.6 а, точка А). Такое расположение катионов будет приводить к взаимодействию их с обеими сближаемыми поверхностями и образованию за счет этого ионно-электростатических «мостиков» между частицами (рисунок 7.6 б).

Следовательно, при достаточном сближении частиц происходит изменение знака ионно-электростатического взаимодействия между ними: из сил отталкивания, обеспечивающих стабилизацию частиц в растворе, они переходят в силы

52

Грунты с механическими структурными связями

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 поверхностей. Величина сцепления зёрен и обломков зависит от их зернового состава и окатанности. Она возрастает с крупностью и неоднородностью состава породы и угловатостью минеральных составляющих.

Между частицами грунта формируются механические связи (рисунок 5.8).

Частицы

Механическая

связь

Рисунок 5.8 – Схема действия механических связей

Данный тип связи характерен для песков, гравия, дресвы, гальки и щебня. Прочность структурных связей

Рассмотренные выше силы, возбуждая энергетические поля, формируют связи между частицами дисперсной системы. Прочность этих связей варьируется в больших пределах (до 20 порядков) в зависимости от того, какой тип связи доминирует. При этом следует различать прочность одной связи (единичного контакта) и прочность грунтовой системы в целом. Соответствующие значения ее приведены в таблице 5.6, составленной В.И. Осиповым (МГУ).

Таблица 5.6 – Прочность связей в глинистых грунтах

54

2. Текстура грунтов

Под текстурой грунта понимается пространственное расположение структурных элементов грунта. Ниже рассмотрим текстуру некоторых типов осадочных пород.

Таблица 5.7

Для пылеватых (лессовых) грунтов в качестве классифицированного признака примем содержание глинистой фракции в них, а для глинистых грунтов – величину дисперсности (таблица 5.8).

Таблица 5.8

Для магматических и метаморфических грунтов описание структур и текстур приведем при рассмотрении (характеристике) этих классов. Полнокристаллические, зернистые магматические породы имеют, как правило, массивную текстуру. Для излившихся пород характерны флюидальная и миндалевидная текстуры.

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

В этом разделе описаны структурно-текстурные характеристики грунтов. Переходим к рассмотрению свойств грунтов.

55