СТРУКТУРНЫЕ СВЯЗИ И СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ

В дисперсных материалах, к которым принадлежат глинистые грунты, представляющие сложнейшие минерально-дисперсные об­разования, прочностные свойства зависят не столько от прочности (очень большой) отдельных минеральных зерен, сколько от струк­турных особенностей глинистых грунтов, среди которых одно из важных мест занимают структурные связи между отдельными ми­неральными частицами и их агрегатами.

Природа этих связей весьма сложна и определяется комплексом действующих в грунте внешних и внутренних энергетических полей, в основе которых лежат молекулярные силы электромагнитной при­роды. Характер их действия зависит от поверхности раздела фаз, химической природы твердых минеральных частиц, структуры и свойств веществ, заполняющих межчастичные пространства.

Молекулярные силы, непосредственно взаимодействующие меж­ду твердыми частицами (силы Ван-дер-Ваальса), могут возникать лишь при очень тесных контактах между твердыми частицами и расстояниях между ними порядка нескольких рядов молекул (но не более десятков). Такие расстояния могут иметь место в грунтах, состоящих из твердых частиц и подвергнутых значительной величи­не внешнего давления, трансформируемого в точках контакта в ог­ромные силы, или же в грунтах влажных, но очень плотных, в кото­рых под влиянием внешнего давления пленки связанной воды и коллоидные оболочки частиц продавлены. Силы Ван-дер-Ваальса огромны, но суммарное их действие зависит от числа непосредствен­ных точек контакта, которых в грунтах, воообще, мало.

По физико-химической классификации дисперсных тел академи­ка П. А. Ребиндера, структурные связи водонасыщенных грунтов могут быть отнесены к коагуляционным (обычно первичным, возни­кающим при выпадении частиц в воде и свертывании коллоидов при наличии электролитов), к конденсационным (возникающим при уплотнении коагуляционных структур до прямого соприкасания друг с другом минеральных частиц и путем образования студней при полимеризации гелей) и, наконец, кристаллизационным связям (образующимся путем возникновения зародышей твердых кристал­лических тел, их роста и взаимного срастания под действием меж­дуатомных химических сил). Кристаллизационные связи (связи кристаллов окислов кремния, железа и пр.) -хрупкие, наиболее прочные и не восстанавливающиеся после их разрушения; коагуляционные и конденсационные - мягкие, в большей или меньшей сте­пени восстанавливающиеся после их нарушения.

В зависимости от свойств минеральных частиц и заполняющих поры грунтов водных растворов, а также условий первичного нако­пления минеральных осадков и последующего их литогенеза (пре­вращения в горную породу) путем прохождения стадии седимента­ции (образования осадков), диагенеза (превращения осадков в твердые породы) и метаморфизма (преобразования пород) струк­турные связи грунтов могут быть весьма различными.

Исходя из изложенного и опираясь на работы акад. П. А. Ребин-дера, профессоров Н. Н. Маслова, Н. Я. Денисова, А. К. Ларионо­ва, У. В. Лемба и др., можно различать следующие основные виды структурных связей в грунтах:

1) водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные) - вязко-пластичные, мягкие, обратимые;

2) кристаллизационные - хрупкие (жесткие), необратимые - водостойкие и неводостойкие.

Грунты с кристаллизационными неводостойкими связями обла­дают промежуточными свойствами между грунтами с коллоидными и кристаллизационными связями. Эти связи образуются независимо от величины поверхности минеральных частиц путем возникновения спаек из аморфных веществ, природных цементов, гуминовых сое­динений и клеев, прочность которых зависит от содержания в них воды.

Водно-коллоидные связи обусловливаются электромо­лекулярными силами взаимодействия между минеральными части­цами, с одной стороны, и пленками воды и коллоидными оболочка­ми - с другой. Величина этих сил зависит от толщины пленок и оболочек. Чем тоньше водно-коллоидные оболочки, т. е. чем меньше будет влажность водонасыщенных грунтов, тем водно-коллоидные связи будут больше, так как с уменьшением толщины оболочки уве­личивается молекулярное притяжение диполей связанной воды и склеивающее действие веществ, обусловленное (по В. С. Шарову) и некоторым растворением в воде глинистых частиц. Водно-колло­идные связи пластичны и обратимы; при увеличении влажности быстро уменьшаются до величин, близких к нулю.

Кристаллизационные связи возникают под действием сил химического сродства, образуя с минеральными частицами (в точках контакта) новые поликристаллические соединения - очень прочные, но хрупкие и не восстанавливающиеся при разрушении. Прочность этих связей зависит от состава минералов. Так, менее прочны и водостойки связи, образуемые гипсом и кальцитом, в то время как опал, окислы железа и кремния дают более прочные и водостойкие кристаллизационные связи.

Как показано У. Лембом, структура грунтов, т. е. закономерное расположение различных по крупности и форме минеральных час­тиц и их агрегатов, зависит не только от природы их структурных связей, но также от величины и характера контактов глинистых частиц между собой: «ребро в грань» (при рыхлом сложении) или «грань с гранью» (при более плотной укладке).

Согласно А. К. Ларионову* структура грунтов весьма разнооб­разна и определяется количественным и морфологическим взаимо­отношением твердой, жидкой и газообразной частей, образующих грунт. В формировании прочности глинистых грунтов большое зна­чение имеют характер агрегации частиц и развитие дефектов мик­роструктуры.

Все перечисленное определяет весьма сложную структуру при­родных грунтов, примером которой может служить структура мор­ских глинистых отложений, подробно исследованная проф. А. Каза-гранде (рис. 4).

Природная структура грунтов, их состав и состояние в основном и определяют деформационно-прочностные свойства грунтов и их

Рис. 4. Структура глины:

1 — частицы глины; 2— уплотненные коллоиды; 3— зерна песка

работу как оснований и среды для сооружений, причем весьма важ­ной характеристикой будет структурная прочность грунтов и устой­чивость структурных связей под влиянием внешних воздействий.

Для оценки строительных свойств дисперсных грунтов также весьма важным является сложение (текстура) природных грунтов, т. е. пространственное размещение и взаимное расположение частиц грунтов и их агрегатов, характеризующее неоднородность грунто­вой толщи в пласте. Различают следующие основные виды сложе­ния природных глинистых грунтов:

1) слоистые (тонко- и грубослоистые, ленточные, косослойные, сланцеватые и пр.);

2) слитные (массивные и скрытослоистые);

3) сложные (порфировые, ячеистые, макропористые и пр.).