Структурные связи между частицами грунта

Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называются структурными связями. Прочность грунтов зависит не столько от прочности отдельных минеральных зерен, сколько от структурных особенностей грунта. Они обусловливаются структурными связями между минеральными частицами и их агрегатами (комочками) агрегированность – т.е. способность частиц грунтов «слипаться», а также силами молекулярного взаимодействия между поровой водой и твердыми частицами.

Основными видами структурных связей в грунтах являются:

Водно-коллоидные связи - обусловливаются электромолекулярными силами взаимодействия между минеральными частицами, с одной стороны, и пленками 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 и некоторым растворением в воде глинистых частей. Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы; при увеличении влажности они быстро уменьшаются до значений, 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.

Различают следующие основные структуры грунтов:

1. Зернистая (характерна для грубодисперсных, песчаных и крупнообломочных: рыхлая и плотная);

2. Сотообразная (характерна для глинистых грунтов: рыхлая, плотная);

3. Хлопьевидная (характерна для глинистых грунтов);

4. Сложная (характерна для глинистых грунтов).

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к сыпучим – крупнообломочные и песчаные грунты. Структуры сыпучих грунтов определяются преимущественно формой частиц, которые могут быть: 1-угловатыми, 2-полуокатанными, 3-окатанными, 4-пластинчатыми.

По своей природе и по прочности частицы и агрегаты частиц различны. Из-за высокой прочности самих частиц именно связи между частицами определяют деформируемость и прочность грунтов. Громадное значение имеет то, что некоторые типы связей легко разрушаются при различных воздействиях на грунты в ходе строительства и эксплуатации сооружений. Вопрос о природе связей. Способах их сохранения и упрочнения является важнейшим вопросом грунтоведения.

Образование структурных связей – длительный процесс, развивающийся на протяжении всей истории формирования и видоизменения горной породы. Скальным грунтам присущи жесткие кристаллизационные связи, энергия которых соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов. Поэтому блоки слаботрещиноватых скальных пород обладают очень высокой прочностью и малой деформируемостью. При разрушении кристаллизационные связи не восстанавливаются – блоки породы расчленяются трещинами на отдельные куски. Снижение прочности и увеличении деформируемости скальных грунтов в условиях естественного залегания обусловлено, прежде всего, их трещиноватостью.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к сыпучим – крупнообломочные и песчаные грунты.

Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряжения, поэтому в них возможно существование вертикальных откосов небольшой высоты. Сыпучие грунты растягивающих напряжений не воспринимают, и создание в них вертикальных откосов без укрепления невозможно.

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

В слабоуплотненных водных осадках глинистых грунтов при большом расстоянии между частицами и при наличии свободной воды из-за сил молекулярного притяжения между твердыми телами-частицами возникают слабые структурные связи. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению этих связей. При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами начинают проявляться отталкивающие силы воды: интенсивность увеличения прочности связей уменьшается, и дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий.

В осадочных нескальных грунтах с течением времени под влиянием уплотнения от массы перекрывающей их толщи могут произойти процессы удаления избыточной воды, кристаллизации коллоидных и химических осажденных веществ, сопровождающиеся резким усилением цементационных связей и литификаций (окаменением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные грунты: крупнообломочные - в конгломераты, брекчии; песчаные – в песчинки; пылевато-глинистые – в алевролиты и аргиллиты.