Влияние строения грунтов на их свойства

Под строением грунтов понимаются их структура и текстура, кото­рые подразделяются: на макро-, мезо- и микроструктуру и соответст­венно на макро-, мезо- и микротекстуру.

Макростроение горных пород и почв легко наблюдается ви­зуально. К нему относятся видимые глазом элементы почв и горных пород, трещиноватость и пористость, отсутствие или наличие видимой слоистости и т. п.

Мезостроение горных пород и почв изучается под микроско­пом при сравнительно небольших увеличениях, например под поляри­зационным микроскопом. К мезоструктуре и мезотекстуре относятся: 1) все минеральные зерна, микроагрегаты и микроблоки размером больше 1 мк (см. ниже), 2) ориентировка их в пространстве, 3) мезо-и микропористость пород и трещины, видимые в поляризационном мик­роскопе.

Понятие микростроение (микроструктура и микротекстура) относится к глинистым и лёссовым породам и почвам, содержащим глинистые минералы и органическое вещество в виде гумуса, т. е. частицы размером < l—5 мкм. Частицы такого размера редко суще­ствуют изолированно, обычно они образуют ультрамикроагрегаты и ультрамикроблоки (см. ниже). Их форму, размер и особенно прост­ранственное расположение невозможно изучить без электронного микроскопа и специальной рентгеновской съемки. Между тем знать это при изучении указанных грунтов очень важно, так как их микростреюние во многом определяет особенности мезо- и макростроания грунтов.

Важнейшими показателями строения грунтов на любом уровне его изучения являются: размер элементов, слагающих горные породы и почвы, пористость и трещиноватость.

Размер элементов, слагающих грунты, может изменяться от долей микрона до десятков сантиметров. Изменение размеров слагающих грунты элементов в столь широких пределах будет особенно сильно сказываться на свойствах дисперсных грунтов. Это хорошо видно даже при сравнении общеизвестных свойств песка и глины.

Песок непластичен, не набухает, легко водопроницаем, обладает незначительным капиллярным поднятием, при высыхании не дает усад­ки. Глина обладает значительной пластичностью, в воде сильно набу­хает, трудно водопроницаема, имеет большое капиллярное поднятие, при высыхании дает сильную усадку.

Из вышесказанного следует, что структурные элементы состоят из первичных частиц и агрегатов. Первичные частицы принято назы­вать гранулометрическими элементами. Из табл. Граница между макро- и мезоструктурными элементами совпа­дает с границей между гравийной и песчаной фракциями. К гравийной фракции относятся частицы крупнее 2 мм. Они практически не облада­ют молекулярной влагоемкостью и капиллярным поднятием воды; водопроницаемость их очень велика. Частицы песчаной фракции обла­дают молекулярной влагоемкостью и капиллярным поднятием воды.

Граница между мезо- и микроструктурными элементами совпадает с границей между пылеватой и глинистой фракциями.

В. Р. Вильямс (1893) к глинистой фракции отнес частицы <l мкм на основании того, что начиная с этого размера частицы по своим свойствам близки к коллоидам, и в частности в суспензии обладают броуновским движением. Позднее многие исследователи отмечали, что частицы < 1 мкм резко отличаются по своим свойствам от бо­лее крупных. Таким образом, микроструктуру обусловливают частицы породы, обладающие свойствами, которые присущи коллоидным сис­темам. Частицы пылеватой фракции такими свойствами не обладают. По размеру они занимают промежуточное положение между глинистой и песчаной фракциями и по своим свойствам более близки к песчаной фракции, чем к глинистой. Поэтому пылеватая и песчаная фракции объединяются одним общим понятием «мезоструктура». Границей меж­ду этими фракциями следует считать частицы, имеющие размер 0,05 мм; частицы <0,05 мм обладают слабой водопроницаемостью и с трудом отдают воду.

Среди структурных элементов выделяются агрегаты и блоки в за­висимости от ориентированности слагающих их частиц. В агрегатах текстура беспорядочная; в них обычно присутствуют пылеватые или песчаные частицы, вокруг которых группируются глинистые частицы и состоящие из них ультрамикроагрегаты и ультрамикроблоки (рис. 1).

Рис. 1. Микроагрегаты глинисто-пылеватых частиц в лёссе, ув. 1000^х

Блоки состоят из аксиальноориентированных, как правило, глинистых частиц (рис. 2).

Вследствие присутствия в дисперсных грунтах гранулометрических (первичных) и агрегированных (вторичных) элементов их дисперсность характеризуется гранулометрическим и микроагрегатным составом.

При характеристике гранулометрического состава пореды должны учитываться только первичные частицы. Одной из важнейших задач при определении гранулометрического состава является правильное проведение специальной обработки образца породы,

Рис. 2. Микроблоки каолинитовых частиц, ув. 7500^х

позволяющей раз­рушать агрегаты и тем самым учитывать при анализе все первичные частицы, находившиеся как в свободном, так и в агрегированном сос­тоянии. Число и размер первичных частиц в породе определяют ее возможную максимальную (предельную) дисперсность. Когда наряду с первичными частицами в породе учитываются также агрегированные элементы, относящиеся преимущественно к микро- и мезоструктуре, то определяется ее микроагрегатный состав, т. е. дисперсность породы, присущая ей в данное время.

При инженерно-геологической характеристике горных пород необ­ходимо знать как гранулометрический, так и микроагрегатный состав. То обстоятельство, что гранулометрический состав показывает пре­дельную дисперсность пород, делает его удобным классификационным показателем. Микроагрегатный состав отражает степень агрегирован-ности породы при данных условиях. Для высокодисперсных пород: супесей, суглинков, лёссов, глин — содержание частиц в различных фракциях по данным гранулометричес­кого и данным микроагрегатного анализов может существенно отли­чаться. Это связано с тем, что при разрушении агрегатов уве­личивается содержание частиц в глинистой фракции и соответственно уменьшается количество частиц в пылеватой и песчаной фракциях.

Важным показателем строения всех грунтов является наличие пустот, которые по своему характеру могут быть поровыми или тре­щинными.

Пористость и трещиноватость грунтов. Структурные элементы, слагающие грунты, при неплотном прилегании друг к другу образуют промежутки различной величины, которые называются порами. Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их вели­чины и степени заполнения, называется общей пористостью пород.

Величина пористости (п) определяется отношением объема пор в грунте к общему объему грунта. Часто пористость характеризуется коэффициентом порис­тости (е)-отношением объема пор в грунте к объему минеральной части грунта.

Таблица 1