Структура и структурные связи грунтов

Структура – это размеры, форма, количественное соотношение слагающих грунт частиц и характер связей между ними, обусловленных всей предысторией грунта. Связи между частицами и агрегатами частиц называются структурными связями. Из-за высокой прочности самих час­тиц связи между частицами определяют деформируемость и прочность грунта.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяют­ся на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты; к несвязным – крупнообломочные и песчаные грунты. Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряже­ния; несвязные грунты растягивающих напряжений не воспринимают.

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей. Такой механизм взаимодействия между частицами сыпучих грунтов называют внутренним трением грунта.

Структурные связи в глинистых грунтах имеют значительно более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаи­модействия между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Они и обусловливают связность глинистых грунтов. Интенсивность этих связей зависит от расстояния между частицами, зарядов на их по­верхности, состава и содержания ионов в поровой воде.

Глинистый грунт с очень большой влажностью по существу пред­ставляет собой тонкодисперсную суспензию, находящуюся в текучем со­стоянии. Связи между частицами в этом случае практически отсутствуют. С повышением концентрации дисперсной фазы (уменьшении влажности W) происходит сгущение суспензии, в результате чего расстояние между твердыми частицами уменьшается. При сближении глинистых частиц на расстояние порядка нескольких сотен и тысяч ангстрем между ними проявляются силы молекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы обусловлены взаимодействием поверхностных моле­кул твердых частиц в результате периодических колебаний электронных оболочек и ядер атомов, при которых образуются мгновенные диполи. Сближению частиц препятствуют силы отталкивания между их одноименно заряженными гидратно-ионными оболочками, поэтому молеку­лярные связи реализуются в углах и на ребрах частиц, где оболочки тоньше.

Молекулярные силы играют существенную роль в формировании прочностных свойств глинистых грунтов на начальных стадиях литогенеза (превращения в горную породу), настадии седиментации (образования осадков), при коагуляции и образовании осадков, а также на стадии диагенеза (превращения осадков в твердые породы).

Дальнейшему сближению частиц грунта начинают препятство­вать отталкивающие силы одноименно заряженных поверхностей частиц и диффузных слоев связанной воды, поэтому дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий, например, в результате уплотнения грунта под нагрузкой или его высушивания. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению связей, при этом значимыми становятся ионно-электростатические силы. Определяющим фактором для их образования является наличие в диффузном слое обменных катионов. Если к одной заряженной частице приблизить другую, то катионы диффузного слоя будут взаимодействовать одновременно с двумя частицами и между последними образуется ионно-электростатическая связь (рис. 1.4). Эта связь проявляется при расстояниях между частицами в несколько десятков ангстрем, но ее прочность на несколько порядков выше прочности связей, обусловленных Ван-дер-Ваальсовыми силами.

По классификации, разработанной академиком П.А.Ребиндером, профессорами Н.Я.Денисовым, Н.А.Масловым и др., отмеченные вы

ше структурные связи относятся к водно-коллоидным. Наличие гидратных оболочек частиц придает этим связям подвижный, обратимый характер. Они сохраняются при деформации: перемятие влажного кусочка глины не нарушает его общей связности. Состояние глинистого грунта, при кото­ром он способен под воздействием внешних усилий изменять свою форму без разрыва сплошности и продолжительно сохранять вновь полученную форму, называется пластичным.

Высыхание грунта ведет к уменьше­нию толщины гидратно-ионных оболочек и усилению водно-коллоидных связей между частицами. Напротив, повышение влажности грунта и насыщение диффузных слоев оказывает расклинивающее действие на частицы грунта, что ведет к ослаблению водно-коллоидных связей и повышению подвижности грунта.

Малому количеству воды в грунте соответствует весьма большая прочность водно-коллоидных связей; глинистый грунт при малых значениях влажности находится в твердом состоянии.

Наряду с водно-коллоидными связями в грунтах, сохраняющих природную структуру, могут существовать цементационные связи. Они образуются в течение длительного геологического периода образования и существования грунтов за счет выпадения в осадок растворенных в поровой воде солей, цементирующих отдельные твердые частицы друг с другом.

Ими могут быть менее прочные и водостойкие связи, образуемые гипсом, кальцитом, и более прочные и водостойкие, такие, как оксиды железа, кремния и др. В противоположность водно-коллоидным, цементационные связи – жесткие и необратимые, не восстанавливающиеся при разрушении естественной структуры грунта.

Взаимное пространственное расположение частиц в грунте (текстура) зависит от условий их осаждения: образуется ли осадок в воздуш­ной или водной среде, неподвижная или текучая вода и т.д.

При осаждении относительно тяжелых песчаных и пылеватых частиц, для которых гравитационные силы преобладают над электромолекулярными силами взаимодействия, образуется зернистая система сложения частиц (рис. 1.5,а).

В начальной стадии осаждения глинистых частиц в неподвижной воде образуется рассеянная (диспергированная) система (рис. 1.5,б), частицы находятся как бы во взвешенном состоянии.

С течением времени глинистые частицы могут контактировать друг с другом и образовывать флокуляционную систему расположения частиц (рис. 1.5,в). Диспергированная и флокуляционная системы характерны для свежеобразовавшихся глинистых грунтов (рыхлые, сильносжимаемые илы и илистые грунты).

В результате действия веса вышележащих слоев осадков нижние их слои уплотняются, и при этом в них происходит переориентация частиц. Они получают упорядоченную, ориентированную систему взаимного расположения (рис. 1.5,г).

Природная структура грунтов, их состав и состояние в основном и определяют деформационно-прочностные свойства грунтов и их работу как оснований и среды для сооружений, причем весьма важной характеристикой будет структурная прочность грунтов и устойчивость структурных связей вод влиянием внешних воздействий.