Структурные связи между частицами грунта

Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называются структурными связями.

По своей природе и по прочности они очень 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 камни. Снижение прочности и увеличение 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 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.

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей и зацепления между неровностями этих поверхностей. Эти силы тем больше, чем менее окатаны зерна в грунте (рис. 11).

Рис. 11. Характер контактов зерен в песчаных и крупнообломочных грунтах:

а — сильно окатанные зерна; б — то же, слабо окатанные

Такой механизм связи между частицами сыпучих грунтов называют внутренним трением грунта. При очень малом водонасыщении в пылеватых и мелких песках могут возникать слабые силы связности между частицами из-за капиллярного давления в контактах. Однако при увеличении водонасыщения они исчезают и практического значения не имеют.

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 водно-коллоидными. 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.

В слабо уплотненных 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 одноименно заряженных поверхностей частиц и диффузных слоев воды: интенсивность увеличения прочности связей уменьшается, и дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий. Например, увеличение плотности грунта под нагрузкой или его высушивание, приводящие к выжиманию или испарению части слоев рыхлосвязанной воды, вызовет дальнейшее повышение прочности связей. Однако большему сближению частиц и упрочнению связей все сильнее препятствуют возрастающие силы электрического отталкивания. Поэтому дальнейшее уплотнение грунта требует давлений, возрастающих до огромных значений.

Рассмотренные выше формы водно-коллоидных связей Н. Я. Денисов назвал первичным сцеплением. Необходимо отметить две важнейшие особенности этих связей: во-первых, прочность их сравнительно невелика и, во-вторых, они восстанавливаются через некоторое время после разрушения. Альтернативными особенностями обладают цементационные связи в грунте. Они возникают в процессе диагенеза осадка, когда на поверхность частиц из поровых растворов отлагаются более или менее прочные и водостойкие гели оксидов кремния или железа либо прочные, но не водостойкие кристаллы гипса, кальцита, галита или других солей. Пленки срастаются в местах контакта частиц и обусловливают сцепление упрочнения. Цементационные связи хрупки. При разрушении они не восстанавливаются или восстанавливаются лишь частично по прошествии очень длительного времени, соизмеримого со сроком службы сооружений. Разница между глинистыми грунтами нарушенной и ненарушенной структуры и заключается, в частности, в том, что у первых оказываются разрушенными цементационные связи, придающие ненарушенным грунтам большую прочность.

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 литификацией (окаменением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные грунты: крупнообломочные - в конгломераты и брекчии; песчаные - в песчаники; глинистые - в алевролиты и аргиллиты.

Особый интерес представляет для строителей вопрос о природе связей в так называемых структурно-неустойчивых грунтах. К ним относятся ил, лёсс, засоленные, набухающие, вечномерзлые грунты. Связи между частицами в этих грунтах легко разрушаются при воздействиях, типичных для строительства.