Физико-химические структурные связи в грунтах.

К ним относятся: молекулярная, ионно-электростатические и капиллярные.

Молекулярные структурные связи

Имеют оно электромагнитную природу, возникают под действием молекулярных сил Ван дер Вальса. Образуются между отдельными молекулами или между частицами. Возникновение молекулярных сил сцепления объясняется проявлением между молекулами трёх различных эффектов: ориентационного, индукционного и дисперсионного.

1. Ориентационный эффект возникает между 2 молекулами, обладающими жёсткими диполями и по своей сути сводятся к электростатическому диполь-дипольному взаимодействию между частицами.

2. Индукционный эффект. Возникает при взаимодействии молекулы, обладающей постоянным диполем с немолярной молекулой, в которой индуцируется диполь в результате её поляризации.

3. Дисперсионный эффект возникает при взаимодействии неполярных молекул за счёт образования в них мгновенных диполей и носит квантово-механический характер.

Молекулярные силы являются дальнодействующими и распространяются на расстояние до нескольких тысяч ангстрем. Прочность единичного контакта составляет 10^-8Н.

Ионно-электростатические связи.

Обусловлены они наличием у частиц и ионов двойного электрического слоя электрических зарядов. В отличие от электростатических связей между заряженными частицами, рассмотренными нами в пункте 5.2.2., в образование ионно-электростатических связей существенную роль играют ионы двойного электрического слоя. Они могут проявляться и как силы притяжения и как силы отталкивания между частицами.

Связи капиллярной природы.

Эти связи возникают в грунтах, представляющих собою 3-ёх фазные системы. Возникают они за счёт действия сил поверхностного натяжения. Силы капиллярного взаимодействия присутствуют в грунтах лишь при наличие капиллярной воды. Прочность единичного контакта в грунтах, обусловленного капиллярными силами составляет величину порядка 10^-7Н.

Биотические структурные связи в грунтах.

Образуются в грунтах с участием биоты. Проявление биотических связей многообразное.

Большинство микроорганизмов имеют определённый положительный или отрицательный заряд. Вследствие этого микроорганизмы могут участвовать био-элетростатических структурных связей притяжения.

Если микроорганизмы способны участвовать в процессах адсорбции и в формирование двойного электрического слоя вокруг частиц, то они могут проявляться как силы отталкивания между частицами.

Выделяемые микроорганизмами, грибами продукты метаболизма и ферменты могут формировать биохимические структурные связи за счёт биогенного цемента.

В формирование структурных связей грунтов участвуют и растения - фитоген структурные связи.

Высшие организмы, обитающие в почвообразующих породах во время своей жизнедеятельности образуют зоогенные структурные связи: дождевые черви влияют на образование зернистой структуры почв.

Теория контактных взаимодействий в грунтах.

Объединение отдельных структурных элементов грунта в единую систему придаёт ей новые качества и свойства. Важнейшей характеристикой такой системы является её прочность P_c. Если прочность самих частиц выше прочности контактов между ними, то прочность грунта в целом определяется прочностью единичных контактов между структурными элементами и количеством контактов на единицу площади.

Твёрдые структурные элементы грунта (зёрна, кристаллы, частицы), находящиеся в воздушной среде, когда на поверхности частиц присутствует только прочносвязанная вода, образуют и сохраняют контакты следующих типов: переходные, фазовые, цементационно-кристаллизационные и механические.

В жидких средах форма контактов между структурными элементами несколько иная. Здесь необходимо различать 2 случаю:

1. Контакты в двухфазных системах. К ним относятся коагуляционные, точечные, цементационные и механические контакты;

2. Контакты в 3-ёх фазных системах. Это капиллярные контакты.

Структура и текстура грунтов.

В грунтоведение под структурой грунта понимается размер, форма, характер поверхности, количественное соотношение его элементов (отдельных зёрен, частиц, агрегатов) и характер взаимосвязи их друг с другом.

Поскольку взаимодействие структурных элементов зависит от присутствия в грунте жидкой, живой и газовой компонент, то при таком подходе структура является признаком грунта, как многокомпонентной системы. 

Подразделение структур грунтов по морфометрическим особенностям структурных элементов.

В грунтоведении широко используется подразделение грунтов по особенностям структурных элементов (по их размеру, раскристаллизованности, отсортированности, морфологическим особенностям).

В песчаных породах выделяются структуры гравелистых, пылеватых, чистых песков.

Чистые пески в свою очередь подразделяются по размеру преобладающих зёрен: грубозернистые, крупнозернистые, среднезернистые и др.

Структуры глинистых и лёссовых грунтов определяются взаимоотношением, характером взаимосвязи обломочных (песчаных и пылеватых зёрен) и частично глинистых минералов. Среди этих структур выделяются: 1)ячеистые; 2)скелетная; 3)матричная; 4)ламинарная; 5)турбулентная; 6)доменная; 7)псевдоглобулярная; 8)губчатая структуры.

Подразделение по характеру структурных связей.

В основу такого подразделения берётся преобладающий тип контактов, определяющих в целом тип связи в грунте, а следовательно, и особенности его прочности и деформирования. В соответствии с этим по характеру структурных связей среди грунтов можно выделить несколько типов структур: 1)кристаллизационная; 2)цементационная; 3)коагуляционная; 4)переходная; 5)смешанная; 6)несвязная структуры.

Текстура грунтов.

В грунтоведении под текстурой следует понимать совокупность признаков, характеризующих относительное расположение и распространение структурных элементов в пространстве. Понятие текстуры в грунтоведении и петрографии совпадают (косослоистая текстура песков.)

В связи со сложностью выделения структурных и текстурных признаков глинистых грунтов при микроскопических описаниях тонкодисперсных пород стал применяться более универсальный термин: микростроение, объединяющий в себя и структурные и текстурные особенности пород. Текстуры тесным образом связаны с составом и условиями образования пород.

Наиболее распространёнными в магматических породах являются массивные и неоднородные магматические текстуры: шлировая, шаровая, флюидальная.

Текстуры метаморфических пород подразделяются на массивные и сланцеватые.

Среди осадочных пород выделяются массивные неслоистые текстуры и слоистые текстуры. По характеру слоистости текстуры подразделяются на: параллельнослоистые, косослоистые, линзовидные.

Среди слоистых текстур по мощности прослойков выделяются: грубослоистые, тонкослоистые и микрослоистые текстуры.

Пустотность грунтов.

Пустотность грунтов является одной из важнейших структурно-текстурных особенностей. Пустотность характеризует степень заполнения объёма грунта твёрдой компонентой.

По своему характеру встречающиеся в грунтах пустоты могут быть поровыми и трещинными.

Поровая пустотность.

Все грунты являются пористыми системами. Пороваяпустотность выражается с помощью 2 показателей: пористости и коэффициента пористости.

Пористость грунта (n) равно отношению объёма пор к объёму всей горной породы.

Коэффициент пористости (e) равен отношению объёма пор к объёму твердой компоненты грунта.

Пористость грунтов подразделяют на: открытую, закрытую и общую. Значение пористости грунтов изменяются в широких пределах: от долей % до 50% и более. Наибольшей пористостью обладают тонкодисперсные нелитифицированные осадки, их пористость 50-80%.

Трещинная пустотность.

По ширине трещины подразделяются на: тонкие (1 мм), мелкие (1-5 мм), средние (5-20 мм), крупные (20-100 мм), очень крупные (более 100мм). 

По генетическому признаку можно выделить:

1) Литогенетическую трещинную пустотность. Возникает в процессе образования горных пород. Например, в результате остывания магматического расплава или в результате постседиментационного преобразования осадков.

2) Тектоническую трещеноватость. Образуется в результате тектонического сжатия и растяжения. Для тектонических трещин характерна большая глубина и выдержанность по простиранию.

3) Экзогенная трещинная пустотность. Образуется в процессе выветривания пород, при оползневых деформациях, в результате провалов сводов карстовых пустот, при разгрузке пород в бортовой части карьеров или выемок. Характерной особенностью этого типа трещин является невыдержанность по простиранию, извилистые очертания и быстрое затухание с глубиной.

При решении инженерно-геологических задач важно давать количественную оценку трещеноватости. Для этой цели применяется коэффициент трещинной пустотности, под которым понимается отношение площади трещин к площади участка, на котором производился замер трещин.