Виды структуры и текстуры грунтов

Содержание

1. Введение                                                                                                                                                                             3

2. Строение грунтов                                                                                                                                                      4

3. Структура и текстура грунтов                                                                                                                       6

4. Влияние структуры, текстуры грунтов на их свойства                                                       9

5. Заключение                                                                                                                                                                   12

6. Список литературы                                                                                                                                               13

1.   Введение

        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 взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой — пространственное расположение слагающих элементов фунта (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 внутрикристалличе- ской 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.

2.   Строение грунтов

     Типы структурных связей. Структурные связи являются одной из самых важных характеристик горных пород; от них во многом зависят их инженерно-геологические свойства и состояние. Внут- рикристаллические химические связи определяют прочность ми- 158 неральных 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 сложнейших 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, осадконакопление 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 естественноисторическом 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 деформирующуюся 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 в инженерно-геологической литературе получили название водноколлоидных 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 внутрикристалли- ческих 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 внутрикрис- таллическим 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 минерально ных 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.

3.   Структура и текстура грунтов

 При свободном падении частиц, имеющих размеры песчаного зерна (более 0,05 мм), образуется простая зернистая структура, в которой преобладают силы тяжести по сравнению с коллоидными

(осмотическими) силами, в результате чего наблюдается наибольшее число контактов твердых частиц. Формирование структуры природных грунтов с твердыми. Размер контактных площадок зависит от формы минеральных частиц, а возникающие в контактах электромолекулярные силы зависят от состояния поверхности частиц и минералогического их состава. Так как силы взаимодействия между минеральными частицами намного меньше по сравнению с их весом, то частица падает свободно, скатываясь в углубления, и образует рыхлую зернистую структуру. Если грунт подвергнуть встряхиванию, то произойдет перемещение частиц, грунт уплотнится (в единице объема грунта минеральных частиц станет больше) и примет плотную зернистую структуру.

При свободном падении частиц в воде в точках соприкасания они будут соединены адсорбированными пленками воды. Если силы сцепления в точках соприкасания падающей частицы с ранее осевшими настолько значительны, что превзойдут силу веса частицы (при очень малых частицах), то оседающие частицы остаются там, где они вначале коснулись осадка, в результате чего структура становится сотообразной, или губчатой. Если размер минеральных частиц менее 1 мк (0,001 мм), то они уже будут обладать свойствами коллоидных частиц и при погружении в воду долгое время будут находиться во взвешенном состоянии. Если в

суспензию прибавить несколько капель электролита то силы отталкивания между частицами уменьшаются и частицы получают возможность сближаться. При столкновении частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой. Подобным путем образуются сложные хлопьевидные структуры.

рисунок 1- Основные типы структуры грунтов.

а — зернистая; б — сотообразная (губчатая); в — хлопьевидная

При полном диспергировании глинистого осадка, когда минеральные частицы не слипаются в агрегаты, в зависимости от насыщения теми или иными ионами образуются следующие два вида весьма рыхлой структуры глинистых осадков: флоккулентная карточная и палочно-соломенная.

Приведенные данные, показывающие влияние на структуру осадков насыщения теми или иными ионами, могут быть весьма полезны при оценке поведения глинистых грунтов при сдвиге.

Структура природных грунтов, особенно глинистых, весьма сложна. Наряду с разнообразием частиц, участвующих в строении грунта, имеет существенное значение и наличие в воде электролитов, коллоидов, органических склеивающих веществ и др.

Под текстурой грунтов следует понимать совокупность признаков, характеризующих неоднородность сложения грунтовой толщи в пласте, т.

е. неоднородность в расположении структурных и механических

                                                                                                                                                                  элементов         в

отдельных пластах грунта.

рисунок 2- Основные типы текстуры грунтов

а — слоистая (ленточная); б — порфировая; в — ячеистая; г — слитная

Текстура грунтов обязана своим происхождением как условиям образования грунтовых отложений, например периодичности осаждения частиц в текучей и спокойной воде, так и последующим изменениям в величине и направлении внешнего давления. Различают следующие основные виды текстуры грунтовых толщ: слоистая, порфировая, ячеистая и слитная.

Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов, среди которых можно различать ленточное сложение (например, в тонкослойных озерноледниковых отложениях с перемежающимися тонкими глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое в некоторых видах мелководных морских отложений, и сланцеватое в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом прошлом значительным давлениям с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все ее разновидности делают грунты анизотропными, т. е. физические свойства таких грунтов (например, водопроницаемость, сопротивление сдвигу, упругость и пр.) будут резко различны в различных направлениях.

В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный — глинистый) участвуют в общем сопротивлении грунта действию внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу и упругость грунтов, будут зависеть главным образом от свойств мелкодисперсного материала, в который включены крупные обломки горных пород.

Ячеистая текстура характерна для некоторых видов засоленных, а также для дисперсных мерзлых грунтов, промерзание которых происходило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направлениях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд отдельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компонентов, составляющих грунт, например прослойками солей, льда и т. п., образуя подобие ячеек.

Наконец, слитной текстурой обладают некоторые древние глины и илы, подвергавшиеся в геологическом прошлом значительным давлениям, а также некоторые разновидности лессов и лессовидных суглинков, недоуплотненных, но сцементированных солями.

4.   Влияние структуры, текстуры грунтов на их свойства

При визуальном осмотре, а особенно при разработке грунтов очень часто можно обнаружить, что они распадаются на разные по форме и величине отдельности, называемые структурными агрегатами. Понятие о структуре и структурных связях существенно дополняет представление о грунтах, как дисперсных системах.

Под термином «структура грунта» Е.М. Сергеев предлагает понимать размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих грунт элементов (отдельных частиц и агрегатов цемента). Пространственное расположение элементов, слагающих грунт, независимо от их размера принято называть текстурой грунта.

Применительно к грунта в понятие «структура» включен еще и такой фактор, определяющий свойства грунтов, как способ взаимосвязи элементов, слагающих грунт, или так называемые структурные связи.

По современным представлениям структурные связи в грунтах имеют преимущественно электрическую природу. Они формируются в течение всего периода образования грунта и последующего периода его существования в земной коре. Те связи, которые формируются при формировании самого грунта, называются первичными. В магматических породах они возникают в результате остывания магмы, в метаморфических - перекристаллизации исходных пород, в осадочных - в результате процессов диагенеза осадков.

По прочности структурные связи могут быть самыми различными: от очень прочных, соизмеримых по прочности с ионными и ковалентными связями (в минералах), до очень слабых, существование которых почти не влияет на свойства грунтов.

В магматических, большей части метаморфических и части осадочных горных пород имеет место химическая связь. Она является наиболее прочным типом структурной связи. В основе ее лежат электрические силы взаимодействия между атомами. Химические структурные связи могу быть кристаллизационными и твердыми аморфными. Кристаллизационные связи являются наиболее прочными. Грунты с химическими структурными связями отличаются высокой прочностью, слабой сжимаемостью и упругостью в определенном диапазоне нагрузок. При больших определенных для каждого грунта нагрузках грунты разрушаются и химические связи в них не восстанавливаются.

В грунтах тонкодисперсных осадочного происхождения (глинистых и пылеватых) проявляется молекулярная и молекулярно-ионно- электростатическая связь. Молекулярная связь существует между твердыми телами, молекулами атомами и ионами, т.е. является универсальной. Она значительно слабее химической, но проявляется при значительно большем расстоянии между частицами. Количество молекулярных взаимодействий возрастает с увеличением в грунте отдельных поверхностей, т.е. степени дисперсности. Лучше всего молекулярная связь проявляется в высушенных глинистых грунтах. При увлажнении глинистых грунтов вокруг частиц и между частицами образуется гидратная оболочка и диффузный слой ионов. Вследствие этого между дисперсными частицами проявляются с одной стороны, молекулярные силы притяжения, а с другой - ионно- электростатические силы отталкивания. Результирующая этих сил и будет определять прочность структурных связей в дисперсных грунтах. Такие структурные связи называют молекулярно-ионно-статическими, или водноколлоидные. Водноколлоидные связи характерны для глинистых грунтов. Прочность этих связей уменьшается с увеличением влажности грунта. Водноколлоидные связи менее прочные в сравнении с кристаллизационными и твердыми аморфными.

В одних и тех же грунтах может быть один тип связей, а может быть два и более (смешанные связи). Разделение грунтов по структурным связям не всегда можно четко провести: ряд грунтов, имея смешанный состав, обладают и некоторыми промежуточными свойствами. Например, такие породы как суглинки, лесс и др. имеют смешанные связи.

Прочность связей в одних грунтах во всех направлениях одинакова (изотропные грунты), а в других она изменяется по отдельным направлениям (анизотропные грунты).

Структура грунтов кристаллизационными связями при одинаковом минеральном составе определяет степень устойчивости их при выветривании; мелкокристаллические грунты разрушаются в меньшей степени, чем крупнокристаллические. Осадочные крупнообломочные грунты на сжатие более прочны, чем мелкозернистые.

Применительно к пылеватым (лессы) и глинистым грунтам в грунтоведении структура породы делится на макро-, мезо- и микроструктуру. Макроструктур характеризует особенности структуры грунта по структурным элементам, видимым невооруженным глазом (зернам, чешуйкам). Размер структурных элементов может изменяться от метра и более до долей сантиметра. Мезоструктура определяется структурными элементами от нескольких мм до тысячных его долей. Она может изучаться или с помощью лупы или под микроскопом с увеличением до 500 - 600 раз. Микроструктура характеризуется элементарными частицами размером менее 1-5 микронов. Поэтому она изучается с помощью электронного микроскопа при увеличении в несколько тысяч раз.

Текстура грунтов характеризует пространственное расположение элементов-частиц, кристаллов, цемента, и плотность их сложения. Текстура грунтов оказывает большое влияние на их свойства. Наиболее прочные грунты обычно имеют плотную массивную текстуру (большая часть магматических горных пород, некоторые метаморфические и осадочные горные породы). Пористые грунты обычно наименее прочны.

5.   Заключение

В зависимости от типа, назначения, конструктивных и технологических особенностей сооружения – с одной стороны, от особенностей геологического строения основания, физико-механических свойств грунтов и возможных их изменений в результате строительства и эксплуатации сооружения – с другой, сложность устройства оснований и фундаментов может быть различна. Этому соответствует широкая номенклатура типов фундаментов и способов улучшения строительных свойств грунтов оснований, обеспечивающая возможность строительства и нормальной эксплуатации любых сооружений в самых сложных инженерно0геологических условиях.

Однако стоимость, трудоемкость и длительность работ, связанных с устройством оснований и возведением фундаментов в сложных инженерногеологических условиях, может составлять весьма значительную часть общих расходов на строительство сооружения. Поэтому всегда важно оценить технико-экономическую целесообразность размещения тех или иных сооружений в определенных инженерно-геологических условиях.

Очень важной составляющей всего комплекса являются инженерно– геологические и геотехнические изыскания на площадке предполагаемого строительства. Необходимо всегда помнить, что изыскания проводятся для проектирования и строительства определенного сооружения или комплекса сооружений. Поэтому программа изысканий должна учитывать специфические особенности проектируемых зданий и сооружений. А рекомендации изыскателей содержать конкретную информацию, необходимую для проектирования и строительства именно этих зданий и сооружений. Целесообразна, особенно в сложных инженерно-геологических условиях, тесная взаимосвязь между проектировщиками и изыскателями, что позволит своевременно вносить необходимые коррективы в программу изысканий, а в случае необходимости – и в проект сооружения. Это обеспечит повышение качества и сокращение продолжительности проектноизыскательных работ.

6.   Список литературы

1.     Пьянков С.А., Азизов З.К. Механика грунтов-Ульяновск 2008.

2.     Грунтоведение. Изд-во Моск. ун-та, 1983.

3.     Цытович Н.А.  Механика грунтов. М. "Высш. шк.", 1983..

4.     Далматов Б.И.  Механика грунтов, основания и фундаменты./ Б.И. Далматов.-М.: Стройиздат, 1988.