1.5.2. Структурні зв'язки в грунтах

Всі структурні елементи (мінеральні зерна, частинки і крис­тали), складаючі гірські породи, зв'язані між собою структурни­ми зв'язками. Характер цих зв'язків багато в чому визначає основні властивості порід. Дійсно міцність окремих мінеральних зерен, частинок і кристалів, залежна від внутрішньокристалічних хі­мічних зв'язків може бути високою, виміряється сотнями мегапаскалей. В той же час міцність порід, складених цими структурними елементами значно нижче, а у деяких дисперсних незцементованих ґрунтів вона може бути близькою до нуля. Властивості ґрунтів визначаються не тільки, а у багатьох випадках і не стільки міцністю окремих структурних елементів, скільки міцністю зв'язків між ними, тобто структурними зв'язками.

Структурні зв'язки формуються у результаті складних фізико-хімічних процесів. Вони утворюються під впливом процесів ущільнення, старіння і синерезису, а також конденсації з'єднань або в результаті адсорбції, просочення міграції, кристалізації яких-небудь цементуючих речовин з навколишнього середовища. Утворення структурних зв'язків - це тривалий процес, що розвивається протягом всієї «геологічного життя ґрунту». Тому вивчення структурних зв'язків ґрунтується на вченні про епейрогенез і літогенез гірських порід, а також сучасних уявленнях фізико-хімічної механіки дисперсних систем про фі­зичні і хімічні взаємодії, які відбуваються на контактах структурних елементів у присутності рідкої і газової компонент ґрунту.

Природа структурних зв'язків. По міцності структурні зв'язки можуть бути різними: від слабих, що ледве виявляються в звичайних умовах і що роблять слабий вплив на властивості порід, до дуже міцних, сумірних з міцністю кристалічних зерен. Така різноманітність міцності структурних зв'язків пояснюється характером взаємодій, що виникають на контактах частинок і зе­рен. За природою ці взаємодії підрозділяються на види:

Хімічні (ковалентні, іонні);

Фізичні і фізико-хімічні (молекулярні, електростатичні, магнітні, іонно-електростатичні, капілярні);

Механічні (зчеплення);

Структурні зв'язки хімічної природи. Цей тип структурного зв'язку близький до внутрішньокристалічних зв'язків мінералів. Він може виникати при безпосередньому контакті мінеральних зерен або при заповненні простору між зернами міцною цементуючою речовиною, яка скріпляється за рахунок хімічних зв'язків із зовнішніми плоски­ми сітками цементованих зерен.

Хімічний зв'язок є найміцнішим видом структурного зв'язку. У ряді випадків (наприклад, в кварцитах) вона не поступається по міцності внутрішньокристалічним хі­мічним зв'язкам. Тому лінії скола в таких породах утворюються під дією навантажень, можуть проходити як по місцях контактів мінеральних зерен, так і по них самих. Хімічні структурні зв'язки виникають різними способами. У магматичних порід вони з'являються одночасно з утворенням самих мінеральних зерен - в процесі кристалізації і твердіння магматичного розплаву; у метаморфічних порід - при перекристалізації породи; у осадових зцементованих порід - в результаті інфільтрації розчинів і випадіння з них солей, а також осадження в поровому просторі колоїдного кремнезему або гідроокисів заліза, їх старіння і кристалізації на контактах між зернами.

Хімічний зв'язок представляє сили електромагнітного характеру. Вона здійснюється периферійними (валентними) електронами атомів. Характерними особливостями хімічного зв'язку є, по-перше, її прояв при невеликих відстанях між взаємодіючими атомами (порядку 0,5 - 3,5 А), при збільшенні відстані між атомами величина її швидко падає; і, по-друге висока енергія, що досягає 1200 кДж/моль.

Структурні зв'язки фізичної і фізико-хімічної природи. У тонкодисперсних незцементованих і слабосцементованих ґрунтах (глинястих і лесових, крейда і мергель, діатоміт і трепел), а також біогенних утвореннях (торфах) важливу роль у формуванні структурних зв'язків грають сили фізичної і фізико-хімічної природи. Утворення їх пов'язано з високою питомою поверхнею твердої компоненти тонкодисперсних порід і фізичними і фізико-хімічними явищами на межі мінерал - вода. Розрізняють декілька видів сил фізичної і фізико-хімічної природи, діючих на контактах тонкодисперсних частинок: молекулярні, електростатичні, магнітні, іонно-електростатичні, капілярні. Роль кожної з сил у формуванні загальної структурної зв'язності породи може змінюватися залежно від ступеня літифікації поро­ди.

Молекулярні сили відносяться до сил електростатичного і електромагнітного характеру. Вони виникають за рахунок парних взаємодій нейтральних молекул. Парні взаємодії молекул, адитивно складаючись, можуть створювати поле молекулярного тяжіння діюче між твердими тілами при їх зближенні на відстань, що виміряється десятками і навіть сотнями нанометрів (1 нм = 10 А). Із зменшенням розмірів зближуваних тіл (підвищенням питомої поверхні системи) роль молекулярного тяжіння між ними зростає. Разом з молекулярним тяжінням між частинками можуть виникати електро­статичні взаємодії, обумовлені появою у частинок за певних умов жорсткого дипольного моменту.

Крім молекулярних і дипольних взаємодій у створенні структурної зв'язності дисперсних ґрунтів можуть брати участь сили магнітної природи. Утворення взаємодій магнітного характеру пов’язано з наявністю магнітного моменту у глинястих частинок, що призводить в умовах геомагнітного поля до їх взаємодії між собою. Роль магнітних сил у формуванні структурної зв'язності тонкодисперсних ґрунтів невелика.

Молекулярні, електростатичні і магнітні взаємодії відносяться до числа сильнодіючих вони виявляються на відстанях між частинками, що виміряються десятками і сотнями нанометрів. При ущільненні тонкодисперсних порід в ході літогенезу або їх підсушуванні, відстані між частинками істотно скорочуються, що приводить до появи на контактах іонно-електростатичних сил.

Утворення іонно-електростатичних зв'язків йде за рахунок електростатичного тяжіння негативно заряджених частинок. Відомо що перекриття дифузних шарів двох дисперсних частинок призводить до зміни потенціалу між ними.

Іонно-електростатичні сили тяжіння відносяться до сил середнього радіусу дії. Вплив їх в тонкодисперсних ґрунтах стає помітним при зближенні частинок на відстань до 2 - 3 нм і менш при якому вони починають переважати над си­лами молекулярного тяжіння. З утворенням іонно-електростатичних взаємодій міцність системи помітно зростає; цим пояснюється значне зміцнення глин при висушуванні. В дисперсних породах, які є трифазною систе­мою, вологість не нижче максимальної гігроскопічної і не вище за нижню межу пластичності, існує структурна зв’яз­ність за рахунок капілярних менісків.

Структурні зв'язки механічної природи. В грубих системах піщаних і крупноуламкових ґрунтах, сумарний ефект структурної зв’яз­ності за рахунок перерахованих сил істотно знижується. Тому такі породи відносяться до сипких (незв'язних) систем. Структурне зчеплення їх невелике і обумовлюється ефектами чисто механічної природи. Сюди відноситься взаємне зачіпляння частинок унаслідок мікронеоднорідності рельєфу поверхні. Зачіпляння зерен і уламків залежить від щільності по­роди, її зернового складу і окатаності зерен. Вона зростає з круп­ністю і неоднорідністю зернового складу породи і незграбністю мінеральних складових.

Утворення структурних зв'я­зків у гірських породах йде не по всій міжфазній поверхні частинок, а тільки в місцях їх найбільшого зближення - контактах. Контакти, як правило є самими слабкими зонами в породі, тому при дії зовнішніх навантажень вони руйнуються в першу чергу. Отже, опір гірських порід руйнуванню визначається силами зчеплення частинок у контактах (тобто механічною міцністю контактних зон частинок) і кількістю контак­тів усередині об'єму пористої системи. Такий підхід дозволяє в пер­шому наближенні зв'язати величини міцності породи на розрив середньої сили зчеплення частинок у контактах і число контактів в одиниці площі поверхні руйнування.

Наявність неоднорідних за розміром включень і крупних пір, що є концентраторами напруг, особливо різко знижує міцність пористого тіла. Разом з кількістю контактів міцність порід визначається середньою величиною структурного зчеплення на одиничному контакті.

Величина опору залежить від природи сил, діючих на контактах. У гірських породах можна виділити декілька типів контактів, що розрізняються по своїй природі, умовам і міцності:

1) фазові, 2) цементаційні, 3) коагуляційні, 4) перехідні (точкові) і 5) зчеплення.

Фазові контакти формуються при безпосередньому кон­тактуванні кристалічних зерен, що складають породу, і утворенні між ними міцних хімічних зв'язків. Такі кон­такти має більшість магматичних, метаморфічні і осадові породи (гіпс, кам'яна і калієва солі, крис­талічні вапняки і доломіт). У магматичних і осадових порід утворення фазових контактів йде одночасно з остигнанням і розкрісталізацією магми або накопиченням хімічно осаджених речовин породи. У метаморфічних порід фазові контакти формуються поступово при перекристалізації твердої компо­ненти порід в процесі метаморфізму.

В обох випадках найважливішими чинниками, що обумовлюють утворення фазових контактів являються високий тиск (кристалізація, гравітація, тектонічні) і температура. При взаємному підтисканні двох кристалічних зерен в результаті дій тиску кристалізації або зовнішніх стискуючих напруг в контактній зоні виникають значні нормальні і зсувні напруги, які можуть привести до пластичного перебігу матеріалу зерен і виникнення міцних валентних зв'язків по субмікроскопічним,

пло­щадкам зсуву.

Утворення фазових контактів істотно інтенсифікується при підвищенні температури. В цьому випадку пластичний перебіг ма­теріалу на контактах починає розвиватися при менших тисках, а при подальшому підвищенні температури йде спікання зерен за рахунок процесів поверхневої і об'ємної дифузій.

Величина сили зчеплення зерен при виникненні фазових кон­тактів визначається кількістю валентних зв'язків, що виникають в кон­тактній області. Кількість таких зв'язків залежить від енергетичної неоднорідності поверхні зерен, дефектності їх кристалічних структур.

Крім високої міцності у породи з фазовими контактами спостерігається крихкий характер руйнування, слаба розчинність (за винятком солей).

Контакти цементаційні аналогічні фазовим, але відрізняються від них умовами і механізмом створення. Цей тип контактів характерний для більшості осадових зцементованих порід. Утворення контактів цементації йде в ході діагенезу і катагенезу порід за рахунок виділення з циркулюючих розчинів нової кристалічної або аморфної фази. Утворююча речовина «зростається» з поверхнею частинок за рахунок хімічних зв'язків і створює на контактах міцні «містки» цементацій.

Породи з контактами цементації, подібно породам з фа­зовими контактами, мають високу міцність і не­обратиме крихке руйнування. При напругах нижчих за критичні, цемент на контактах поводиться так само як кристалічні зерна породи, тому деформація осадових зцементованих порід під невеликими навантаженнями носить пружний характер.

Залежно від складу цементу контакти цементації можуть проявляти різну водостійкість і здібність до звітрювання. Більшість порід з кременистим, карбонатним, залізистим цементами має достатньо високу стійкість при гіпергенезі.

Контакти коагуляції виникають в тонкодисперсних незцементованих утвореннях, таких як глини, суглинки, торф, діатоміти, деякі різновиди крейди. Утворення структурних зв'язків на таких контактах йде за рахунок сильнодіючих молеку­лярних, а в деяких випадках - електростатичних і магнітних взаємодій. Характерною особливістю коагуляцій контактів є наявність між частинками тонкого рівноважного прошарку зв'язаної води, товщина якого відповідає мінімуму вільної енергії системи в даних умовах.

Силам тяжіння на контакті коагуляції протистоять сили роз­клинювання, пов'язані з перекриттям дифузних іонних шарів частинок при їх зближенні і стисненням поліслойних адсорбційних плівок зв'язаної води з пружнов’язкими властивостями. При пере­критті дифузних шарів іонів між негативно зарядженими частинками виникають сили відштовхування електростатичної природи, величина яких залежить від електрокінетичного потенціалу частинок і зростає із збільшенням останнього. Розклинюючий ефект ад­сорбованої води обумовлений її структурними змінами на межі мінерал - вода і появою специфічних властивостей, у тому числі підвищеної в'язкості. Розклинюючи сили протистоять утворенню між частинками безпосереднього контакту і обумовлюють збереження в зазорі між частинками деякого рівноважного гідратного прошарку.

Важливою особливістю контактів коагуляції є обертальний характер їх руйнування. На відміну від фазових і цементаційн­их контактів, коагуляція після її руйнування поновлюється. Ця властивість контактів коагуляції лежить в основі явища тиксотропії. При навантаженнях, нижче за критичну пористість, тіла з коагуляційними контактами проявляють типові пластичні властивості, тобто в'язка течія, що призводить до необоротних деформа­ції без розриву сплошності. Породи з контактами коагуляції виявляються термодинамічно стійкими в зоні звітрювання. Завдяки деформації і оборотності коагуляційних контак­тів у таких порід не відбувається різких змін властивостей під впливом процесів фізичного і хімічного звітрювання.

Перехідні контакти характерні для тонкодисперсних порід (включаючи леси), що знаходяться частково в дегідратованому стані або що випробували помітне літогенетичне ущільнення. Важлива особливість перехідних контактів - їх нестійкість по відношенню до води, тобто здатність гідратуватися і переходити в контакти коагуляції при знятті зовнішнього тиску і зволоженні системи. Оборотність перехідних контактів пов'язана з високою енергією гідратації обмінних катіонів, що беруть участь в утворенні іонно-електростатичних зв'язків, а також з розклинюючьою дією адсорбційних шарів, яка виявляється достатньою, щоб подолати близькодіючі сили зчеплення на площині перехідного контакту.

Контакти зчеплення характерні для крупноуламкових і піщаних незцементованих порід, структурне зчеплення у яких невелике і має механічну природу. В певному інтервалі вологості у цих породах мо­жуть виникати капілярні сили, помітно збільшуючи структурну зв'язність, особливо у пісків. Вся решта видів взаємодій (молекулярні, іонно-електростатичні, магнітні, електростатичні) не грають істотної ролі в таких породах.

Утворення контактів зчеплення йде при безпосередньому зіткненні крупних уламків мінералів і порід. При цьому взаємний підтиск структурних елементів здійснюється за рахунок сил гравітації. Виникаюча на такому контакті незначна зв'язність обумовлена тим, що зачіпляє нерівності контактуючих поверхонь.

Унаслідок низької міцності контактів зчеплення і їх невеликої кількості в одиниці площі поверхні руйнування (через великі розміри структурних елементів), міцність на розрив тіл з цим типом контактів не перевищує сотих і тисячних часток МПа. Тому в природних умовах уламкові незв'язні ґрунти поводяться як типові сипкі тіла.