Структура и строение грунтов

Основы генетического грунтоведения

Введение

Природные грунты образовались в результате физического и химического выветривания горных пород. В процессе образования грунтов и в последующих условиях существования в зависимости от внешних условий формировались их свойства. Возраст природных грунтов в большинстве случаев (за исключением современных отложений) значителен и измеряется тысячелетиями, миллионами и сотнями миллионов лет (например, возраст кембрийских глин около 500 млн. лет).

За длительное время существования грунтов происходило многократное изменение природной обстановки, неоднократное переотложение, уплотнение под действием веса новых покровных отложений, разуплотнение при эрозии этих отложений, иногда затопление водой и при тектонических поднятиях новое осушение и т. п. Некоторые грунты подверглись давлению мощных слоев континентальных льдов, переносу льдом, водой, воздушными течениями и т. п. Все это создает невоспроизводимые искусственно условия формирования природных грунтов, определяющие особенности физических свойств отдельных их видов. За длительное время существования пород могут иметь значение и весьма медленные физико-химические процессы, протекающие в грунтах даже с ничтожно малой скоростью.

Все изложенное обусловливает необходимость рассматривать природные грунты в полном взаимодействии их с окружающей физико-геологической средой и с учетом непрерывности изменений их свойств, часто весьма медленных, но иногда и быстро протекающих.

По своему происхождению и условиям формирования грунты разделяются: 1) на континентальные отложения: элювиальные (залегающие в месте первоначального их возникновения); делювиальные (располагающиеся на склонах той же возвышенности, где они и возникли, и перемещаемые только под действием силы тяжести и смыва атмосферными водами); аллювиальные (переносимые водными потоками на значительные расстояния и образующие мощные слоистые толщи); ледниковые (в результате действия ледников) - валунные глины и суглинки (морены); водно-ледниковые - пески и галечники; озерно-ледниковые - ленточные глины, суглинки и супеси; эоловые (продукты физического выветривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями) - лёссовые и пески дюн и барханов; 2) на морские отложения: толщи дисперсных глин, органогенных грунтов-ракушечников и др.; органо-минеральные образования – илы, заторфованные грунты и т. п.; различные пески и галечники.

Из приведенного краткого перечня грунтовых отложений видно, насколько разнообразен состав природных грунтов и сложна их физическая природа.

Состав грунтов

В состав природных грунтов входят разнообразнейшие элементы, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы: 1 – твердые минеральные частицы; 2 – вода в различных видах и состояниях; 3 – газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения, также влияющие на физические свойства этих грунтов, что будет рассмотрено в специальном разделе.

Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров – галечники, до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мкм – дисперсные глины) твердых минеральных зерен.

Весьма существенным фактором в оценке свойств твердых грунтовых частиц является их минералогический состав. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причем и характер взаимодействия их будет иным. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см³ или на 1 г) и больше возникает центров взаимодействия как с окружающей твердые частицы водой, так и в контактах самих твердых частиц. Например, частицы глинистого минерала каолина имеют удельную поверхность 10 м²/г, а монтмориллонита - 800 м²/г, т. е. огромную поверхность, измеряемую сотнями квадратных метров в 1 г грунта, что, несомненно, сказывается и на свойствах природных грунтов, содержащих частицы монтмориллонита. Наличие в грунте частиц слюды (очень скользких, в массе ничтожно сопротивляющихся сдвигу) также существенно сказывается на физических свойствах такого вида грунтов, что и необходимо учитывать.

Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам минеральных частиц разделяются (по СНиПу) на следующие виды.

1. Крупнообломочные грунты (валунные, галечниковые – при окатанной форме частиц и щебенистые – при остроугольной) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по весу (по массе).

2. Песчаные грунты ссодержанием частиц: крупнее 2 мм более 25% по весу (по массе) – гравелистые; крупнее 0,5 мм более 50% по весу (по массе) – крупнозернистые (кр/з); крупнее 0,25 мм более 50% по весу (по массе) – среднезернистые (ср/з); крупнее 0,10мм более 75% по весу (по массе) – мелкозернистые (м/з); крупнее 0,10 мм менее 75% по весу (по массе) – пылеватые (пески). (За песчаные частицы при этом принимают все частицы размером более 0,05 мм, а за пылеватые – от 0,05 до 0,005мм.)

3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по величине, форме и минералогическому составу не разделяются на группы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов относят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мкм до нескольких микрометров.

Содержание в грунте по весу (массе) того или иного количества глинистых частиц вследствие чрезвычайной их дисперсности, позволяющей им обволакивать твердые песчаные зерна и включения в грунтах, весьма существенно сказывается на физических свойствах грунтов; наименование таким глинистым грунтам придается (см. ниже § 4) в зависимости от суммарного содержания глинистых частиц в грунте, за которые принимают все частицы размером менее 5 мкм (<0,005 мм).

Глинистые частицы в отличие от песчаных, имеющих компактную форму, разнообразны по форме и представляют собой тонкие чешуйки, толщина которых в 10 – 50 раз меньше их большего размера, а форма может быть как многоугольной (у каолинитов, рис. 1), так и игольчатой (у аттапульгитов, рис. 2).

Следует также отметить существенное значение и минералогического состава глинистых частиц. Так, кристаллы монтмориллонита (из которых состоят монтмориллонитовые глины) обладают подвижной кристаллической решеткой, способной при соответствующих условиях втягивать внутрь кристаллов молекулы воды и значительно набухать, увеличиваясь в объеме, тогда как частицы каолинита, аттапульгита и гидрослюд такими свойствами обладают значительно меньше. Все изложенное в высокой степени сказывается на свойствах природных глинистых грунтов.

Рис. 1. Пластинчатая многоугольная форма частиц каолинита

Рис. 2. Игольчатая форма частиц аттапульгита

Вода в грунте, ее виды и свойства могут быть весьма различными в зависимости от ее содержания в грунте и величины сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемой, главным образом, гидрофильностью минеральных частиц.

Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а молекулы воды представляют диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электро-молекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности минеральных частиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество молекул воды будет находиться в связанном состоянии. Электро-молекулярные силы взаимодействия, по современным данным, очень велики и у поверхности минеральных частиц (для первого ряда связанных молекул воды) составляют величину порядка нескольких тысяч килограмм-сил (ньютонов) на 1 см². По мере же удаления от поверхности твердых частиц они быстро убывают и на расстоянии, равном примерно 0,5 мкм, становятся близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твердой поверхностью, настолько связаны электро-молекулярными силами притяжения с поверхностью, что их не удается удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды, и эти слои образуют пленки так называемой прочно-связанной адсорбированной воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные частицы, будут связываться и ориентироваться граничной фазой по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц все меньшими силами; они образуют слои рыхло-связанной (или сорбированной) воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких кгс/см² (иногда и до нескольких десятков кгс/см² или МПа).

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, будут образовывать свободную (по проф. А. Ф. Лебедеву) - гравитационную воду, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня грунтовых вод силами капиллярного натяжения воды (капиллярными менисками, образующимися под действием адсорбционных сил поверхности в тонких порах грунтов и обусловливающими капиллярные силы в грунтах).

На рис. 3 показана схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральных частиц с водой.

Газообразные включения (пары, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды, свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой, и, наконец, растворенными в поровой воде.

Рис. 3. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральной частицы 1 с водой: 2 – вода связанная; 3 – вода рыхлосвязанная (осмотическая); 4 – вода свободная

Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта.

Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений между частицами грунта.

Структура 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-Вальса), 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 тверды 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 вообще мало.

По физико-химической классификации дисперсных тел акад. 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, к кристаллизационным (образующимся путем возникновения зародышей твердых кристаллических тел, их роста и взаимного срастания под действием междуатомных химических сил) связям. 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. Ребиндера, 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) - вяз-копластичные, 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, ипленками 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 частей. 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. В. 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 (См.: Ларионов А. К. Инженерно – геологическое изучение структурных рыхлых осадочных пород. М., 1966.), 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. Казагранде (рис. 4).

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 под влиянием внешних воздействий.

Рис. 4. Структура глины: 1 – частицы глины; 2 – уплотненные коллоиды; 3 – зерна песка

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.).

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии - грунтоведении.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной (рис. 5).

* - биота

Рис. 5 Состав грунта: а - инертные минералы; б - растворимые минералы в - коллоидно-активные минералы; г - органическое вещество

Иногда в грунте выделяют биоту - живое вещество. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т. е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретиться твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грунтовой массой». Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры. При внешних воздействиях, например от строительства и эксплуатации зданий, однокомпонентная система грунта может переходить в двухкомпонентную, а двухкомпонентная - в трехкомпонентную. При этом, как правило, ухудшаются свойства грунта.

Было бы сравнительно просто решать задачи фундаментостроения, если бы грунт можно было рассматривать как механическую систему, состоящую из твердого, жидкого и газообразного веществ с фиксированными независимыми свойствами каждой компоненты. В действительности дело обстоит сложнее. На свойства грунта как системы значительное влияние оказывает минеральный и химический состав вещества, наличие биологически активной составляющей. Химические, физические, физико-химические и биологические процессы в грунтах протекают в сложном взаимодействии, сливаясь в единый геологический процесс, который изменяет свойства грунта во времени до строительства, при строительстве и впоследствии при эксплуатации сооружений.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минера лов с различными свойствами. Часть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты, полностью сложенные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метаморфических и часть осадочных. Среди осадочных породэтими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты. Многие грунты содержат инертные минералы в значительных количествах, но наряду с минералами других групп.

Большое влияние на свойства грунтов оказывают растворимые в воде минералы. К ним относятся галит NaCl, гипс CaSO₄ 2Н₂О, кальцит СаСОз и некоторые другие. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно. Эти грунты традиционно используются как надежные основания и стойкие строительные материалы. При этом необходимо убедиться: в отсутствии в основании крупных пустот. Образование кислых дождей и утечка кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка и как основания, и как материала сооружений, с чем связаны деформации зданий и частые ремонтно-реставрационные работы, например белокаменного декора старой Москвы.

В не скальных грунтах растворимые минералы обычно или отсутствуют, или встречаются в небольших количествах, не превышающих нескольких процентов по массе. Однако и малое содержание растворимых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунта. В сухом состоянии частицы грунта могут быть скреплены растворимыми минералами (например, лёссовые грунты). При увлажнении связи разрушаются, грунт теряет прочность и может деформироваться даже от собственного веса, тем более под нагрузкой от сооружений. В насыпных грунтах из различного рода отходов производства обычно встречаются и другие нестойкие минералы, которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу.

Глинистые минералы составляют третью группу. Они нерастворимы в воде в отличие от минералов предыдущей группы, но их никак нельзя приравнять к инертным минералам первой группы. В силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности. Форма кристаллов пластинчатая (рис. 6) или игольчатая. Размеры кристаллов не превышают 1...2 мкм. Поэтому, например, в грамме каолина суммарная площадь поверхности всех частиц составляет около 10 м². Для монтмориллонита, у которого кристаллы мельче, площадь частиц в 1 г вещества достигает даже 800 м².

Рис. 6 Характерная форма кристаллов каолинита. Поперечный