Грунтоведение

 

Осадочные грунты

 

 

 

Комплексное изучение структуры грунтов началось только в 50-х годах нашего столетия. Правда, исследования крупности частиц грунтов проводились уже в XIX в., но это были еще первые шаги в познании структуры. Для решения практических вопросов в первую очередь стали исследовать свойства грунтов. Когда их довольно хорошо изучили, возник вопрос, почему эти свойства такие, а не иные. Вот и пришлось заниматься изучением состава и структуры грунтов.

 

Большой шаг в развитии представлений в этой области был сделан, когда стали использоваться оптические, а затем электронные микроскопы. Перед глазами грунтоведа открылся новый интересный мир структур.

 

Сейчас мы уже знаем, что по структуре все рыхлые осадочные грунты можно разделить на четыре больших класса.

К первому относятся сыпучие пески. Они чаще всего состоят из зерен кварца, полевого шпата, слюд и некоторых минералов. В обычных условиях зерна не образуют между собой каких-либо существенных связей. Исследования под электронным микроскопом показали, что зерна кварца на своей поверхности, как правило, содержат тончайший слой измененного кварца (опала), окислов железа, а иногда и пленок глинистых минералов. Эти пленки настолько малы, что для их изучения требуются специальные методы. Влияние всех этих пленок проявляется лишь тогда, когда слой песка длительное время находится под большим давлением. Вот и возникают между его зернами устойчивые связи, нарастающие с течением времени. Из таких песков в течение многих тысячелетий образуется хорошо известная всем скальная порода — песчаник.

 

Зерна песчаных грунтов не связаны друг с другом. Поэтому пески имеют структуру, названную раздельнозернистой, в ней частицы существуют как бы сами по себе .

 

Возмем другой случай, когда в тех же песках появляется некоторое количество тонких глинистых частиц (размером менее 0,001 мм). Ученые обнаружили удивительное явление. Эти тонкие частицы, оказывается, не образуют комков или каких-либо других скоплений, а создают пленки вокруг более крупных зерен (диаметром более 0,01 мм). В результате частицы контактируют между собой только через эти пленки. Толщина последних колеблется от 0,0001 до 0,003 мм. Их нельзя увидеть даже при помощи оптического микроскопа. Поэтому когда смотришь через него на грунт с подобной структурой, видишь лишь чудесные гроздья зерен, громоздящихся в самых причудливых формах. Кажется, что вот-вот все они рассыплются. Но действующие между частицами атомно-молекулярные силы прочно удерживают их.

 

В последнее время эти тонкие пленки изучаются при помощи растровых электронных микроскопов.

Ученые назвали эту форму структуры зернисто-пленчатой . Такой структурой обладают супеси и легкие суглинки. Нужно заметить, что подобные пленки могут образовывать не только глинистые минералы, но и окислы железа, аморфный кремнезем, органические вещества и др.

 

В такой зернисто-пленчатой структуре прочность определяется гл 1вным образом составом верен.

Но вот перед нами суглинистый грунт, в составе которого содержится ощутимое количество тонких глинистых частиц. Окружающие песчаные частицы глинистые пленки хорошо видны в оптическом микроскопе. Их роль в прочности такого грунта становится более заметной. В его строении широко участвуют агрегаты, крайне разнообразные по своим размерам, форме и природе образования. Поэтому такая структура и была названа агрегативной . Агрегативной структурой обладают различные суглинки и некоторые типы глин.

 

Между зернисто-пленочной и агрегативной выделяется также переходный вид структуры — зернисто-агрегативный. В грунтах с подобной структурой глинистые пленки хорошо видны в оптическом микроскопе.

 

Если количество тонкой глинистой составляющей становится значительно большим, чем песчаных и пылеватых частиц, то тогда образуется новая, весьма интересная структура: в общей массе глинистого вещества как бы плавают отдельные песчинки. Как легко понять, эта глинистая масса и определяет все свойства грунта. Подобная структура характерна для различных глин. Она получила название слитной (см.  13, г).

 

Давайте взглянем на структурные особенности глинистых частиц глазами специалистов в области коллоидной химии.

Советские ученые П. А. Ребиндер, Б. А. Дерягин и И. М. Горь- кова обнаружили, что тонкие частицы в природе в большинстве случаев окружены тончайшими пленками воды. Глинистые кристаллики отделены друг от друга прослойками влаги. Причины подобного явления связаны с атомно-молекулярными силами, действующими между молекулами воды и поверхностью минеральных частиц.

 

Если влажность глины по какой-либо причине возрастает, то новые молекулы воды поступают в пленки и их толщина увеличивается. Возникает своеобразный процесс, названный расклиниванием. По мере нарастания толщины пленки в новых ее слоях, все более удаленных от поверхности частиц, сила молекулярного взаимодействия заметно ослабевает. Глина из-за нарастающего расклинивания становится мягкой, а дальше вообще может потерять прочность и начнет растекаться. Такую водно-пленочную структуру глин ученые назвали коагуляционной (от лат. coagulatio— затвердевание). При высушивании возникает противоположный процесс: глина становится все более твердой, что связано с уменьшением толщины пленок, взаимным приближением частиц и нарастанием между ними атомно-мо- лекулярного взаимодействия.

 

Однако пленки на поверхности глинистых частиц могут состоять не только из воды, но и из окислов железа, карбонатов, опала и других веществ. Тогда эти образования практически не растворяются водой, или данный процесс протекает очень медленно. Тогда и размягчение грунта оказывается незначительным. Такие структуры получили наименование кристаллизационных.

Рассмотренные коагуляционные и кристаллизационные структуры вносят свою дань в формирование свойств глинистых грунтов, дополняя представления о классах структуры.

 

Но и этим не ограничивается разнообразие структуры грунтов .Например, большую роль в грунтах играет пористость. Что же это такое?

 

В каждом сухом грунте есть твердая часть и воздушная составляющая. Чем больше последняя, тем легче порода. Стали определять число пор по отношению содержания воздуха (или, проще говоря, пустот) в грунте к общему его объему. Этот показатель получил название пористости. Она колеблется от десятых долей процента в скальных породах (граниты, базальты) до 80% в глинистых грунтах.

 

Но вот что оказалось интересным. Пески имеют небольшую пористость— 30—36% и хорошо пропускают воду, а глины, как правило, обладают большой пористостью — 35—70% и практически водонепроницаемы. В чем же дело? Ведь именно по порам поступает вода.

 

Объяснение сравнительно простое. Поры песка имеют размеры больше 0,01 мм, а глины в основной массе содержат тонкие их разности — 0,005—0,0001 мм и даже еще меньше. Крупные же поры являются прекрасным путем для движения воды, в то время как тонкие воду не пропускают. Если мы начнем сжимать грунт, то произойдет быстрое разрушение крупных пор, а тонкие длительное время могут сохраняться. Специалисты назвали такие крупные (больше 0,01 мм) поры «активными». Так структура грунтов стала различаться еще по одному важному показателю — «активной» пористости.

Самой старой структурной характеристикой является содержание в грунте частиц разных размеров. Ее назвали гранулометрическим составом.

 

Вот перед нами холм, состоящий из валунов и галечно-гравели- стого материала. Эту массу оставил после себя древний ледник. Здесь валуны размером более 30 см, галька от 4 до 20 см и много гравия, имеющего размеры от 0,2 до 4 см.

Сидя на пляже, мы наслаждаемся теплым песком. Его образовала вода в результате вековой обработки течениями и волнами обломков пород. Частицы песка имеют размер от 0,05 до 2 мм. Песчаные зерна тоньше 0,25 мм слагают очень мелкие пески, а песчинки размером 1—2 мм — очень грубые.

 

Ветер поднимает в воздух тучи пыли. Если взять пылинки и положить на кусочек стекла, то под микроскопом их можно измерить. Легко обнаружится, что размер пылинок колеблется от 0,002 до 0,05 мм. Эти пылеватые частицы слагают большой ряд грунтов. Например, в составе лёссов их может быть более 50% и даже до 93%,

Совсем уже тонкие частицы, невидимые глазом, образуют глины. Их размеры оказываются менее 0,002 мм.

Теперь возникает вопрос, как же обнаружить, сколько содержится в составе грунтов частиц разных размеров? Ученые придумали, как решить эту задачу.

 

Легче всего выделить крупные песчинки диаметром 2; 1; 0,5; 0,25 и 0,1 мм, которые можно рассеять при помощи набора сит с соответствующими даметрами отверстий. Однако более мелкие частицы разделить при помощи сит не удается. Отверстия становятся столь малыми, что через них не проходят даже более тонкие зерна.

Как же быть? Тогда на помощь приходит разделение частиц в воде. Образец взбалтывается и кипятится в водной среде (для разрушения агрегатов), затем переносится в литровый цилиндр и взбалтывается. Существует закономерная зависимость скорости падения частиц в воде от их диаметра и плотности (так называемый закон Стокса). Сначала упадут на дно крупные зерна размером 0,05—0,01 мм, а затем медленно будут опускаться более тонкие.

Совсем тонкие частички размером менее 0,001 мм при падении не опускаются в воде по прямым траекториям. В результате броуновского теплового движения молекулы воды толкают такие частицы грунта, вызывая искажение в направлении их движения. Путь перемещения этих частиц становится весьма причудливым. Они то взмывают вверх, то отскакивают в сторону, то падают вниз.

 

Чтобы определить содержание очень тонких частиц, приходится применять искусственное увеличение тяжести. Для этого используют специальные центрифуги. При быстром вращении сосудов с водными суспензиями (взвесями частиц) пути их падения становятся более правильными.

 

Так изучается состав грунтов по крупности зерен.

Такой анализ состава частиц по их размерам позволяет выделять основные типы рыхлых грунтов: супеси (частиц размером менее 0,002 мм в них содержится от 3 до 10%), суглинки (10—30%) и глины (>30%).

 

Можно с уверенностью сказать, что читателям известны такие термины, как «дефекты металлов» и «дефекты кристаллов». Эго всегда какие-то нарушения в строении материалов, снижающие их прочность. В металлах это трещины, внутренние раковины, рыхлые зоны, различные инородные включения. В кристаллах нарушения связаны с отклонениями в строении кристаллических решеток.

 

Было обнаружено, что многие свойства грунтов также обусловлены появлением дефектов их структуры. К ним относятся нарушения в строении агрегатов и грунтовых систем. Например, трещины, участки с ослабленными структурными связями (зоны рыхлости), органические включения и т. д.

 

Дефекты структуры понижают прочность грунтов, увеличивают их водопроницаембсть и оказывают влияние на целый ряд других свойств.

 

 

 Смотрите также:

 

ГРУНТЫ — горные породы, просадочные и набухающие...

Скальные грунты — магматические, осадочные и метаморфич. горные породы с жесткой связью между зернами (спаянные и сцементированные)...

 

СВОЙСТВА ГРУНТОВ. Грунты оснований зданий и сооружений...

Крупнообломочные — несцементированные грунты, содержащие более 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм.

 

Просадочные грунты

В сухом состоянии просадочные грунты отличаются повышенной пористостью и характерной способностью к резкому уплотнению при замачивании водой.