1.5.3. Структура і текстура грунтів

Загальні поняття про структуру і текстуру ґрунтів. Структура і текстура тісно пов'язана зі складом і умовами утворення порід і таким чином є їх найголовнішими генетичними ознаками. В той же час структурні і текстурні особливості - найважливіші якості порід, що визначають їх фізичні і особливо фізико-механічні властивості. Тому при вивченні порід структура і текстура розглядаються як основа для визначення залежностей між основними якостями породи, як природного об'єкту, і її властивостями.

Структура ґрунтів. Під структурою ґрунту розуміється розмір, форма, характер поверхні, кількісне співвідношення його елементів (окремих зерен, частинок, агрегатів, скла) і характер взаємозв'язку їх один з одним. Оскільки взаємодія структурних елементів залежить від присутності в ґрунті рідкої, живої і газоподібної компонент, то при такому підході структура є ознакою ґрунту як багатокомпонентної системи.

Одна з основних структурних ознак - розмір структурних елементів гірських порід змінюється в широких межах. Так, у крупно уламкових порід розміри уламків можуть досягати десятків сантиметрів, у піщаних, магматичних і метаморфічних порід вони мають розміри від сотих часток міліметра до декількох міліметрів, у тонкодисперсних осадових порід - тисячні частки міліметра. Залежно від масштабності структурних ознак структура порід може вивчатися візуально (в оголеннях і по зразках порід) або за допомогою опти­чних і електронних мікроскопів (по шліфах і аншліфах порід). В обох випадках разом із загальним терміном «структура» використовуються відповідно поняття макроструктура і мікроструктура ґрунту.

В ґрунтознавстві також як і в петро­графії широко використовується підрозділ структур ґрунтів по осо­бливостям структурних елементів: їх розміру розкрісталізованості, отсортованості, морфологічним характеристикам і т.д. Виходячи з цього принципу, серед глибинних магматичних порід є повнокристалічні рівномірнозернясті (середні і крупнозернисті) або порфирові неравномірнозернясті структури з дрібно- і середньозернистою основною масою. Напівглибинні породи характеризуються повнокристалічною (переважно дрібнозернистою) або порфіровою структурою з дрібнозернистою основною масою. Ефузивні породи мають звичайно скритокристалічну і скловату (афанітову) структури або порфірні з неповно кристалічною або скловатою основною масою. Для багатьох порід магматичного походження властиві структури проростання до яких відносяться пегматитові, пертитові, пойкилитові і ін. структури.

Характерною особливістю всіх метаморфічних порід є їх повнокристалічні структури. Мінеральні зерна, слагаю­чі ці породи, звичайно сплощені і добре орієнтовані в одному напрямі, що пов'язано з їх формуванням в умовах орієнтованого тиску. Цей процес носить назву «бластеза», тому всі структури метаморфічних порід відносяться до числа кристалобластичних. Залежно від форми мінералів структури гранобластові - складені більш-менш ізометричними зернами, лепідобластові - складені анізометричними (лусковими і пластинчатими) кристалами, і нематобластові, що складаються з подовжених призматичних кристалів. По співвідношенню розмірів складаючих елементів структури метаморфічних порід підрозділяються на однорідні і неоднорідні (порфіробластові). Крім цього виділяються ще ідіобластові структури, що характеризуються закономірним або незакономірним проростанням одного мінералу іншим. Разом з кристалобластичними структурами серед метаморфічних порід зустрічаються реліктові і катабластичні структури. Для перших характерна наявність структурних особливостей початкової (материнської) породи. Другі виникають в результаті катаклаза (дробіння) порід різного складу.

Структури осадових зцементованих порід визначаються розмірами і формою складових їх уламків. Їх підрозділяють на псефітові (крупноуламкові), псамітові (середньоуламкові, або піщані), алевритові (дрібноуламкові або пилуваті) і пелітові (тонкоуламкові, або гли­нясті). Псефітову структуру мають брекчії і конгломерати, псамітовою - пісковики, алевритову - алеврити, пелітову - аргіліти.

Велике значення при характеристиці структур уламкових зцементованих порід має опис цементу - його складу, будови і взаємовідношення з уламковими частинками. По останній ознаці розрізняють декілька типів цементу: а) базальний, коли уламкові частинки занурені у цемент і не торкаються між собою; б) поровий, заповнюючий пори між уламковими частинками; в) контактний - тільки на контактах частинок і уламків.

Структури органогенних і хімічно сформованих порід поділяються залежно від розміру кристалів і ступеня їх кристалізації, а також розмірів і форми органогенних залишків і уламків. Найпоширенішими структурами тут є кристалічнозерніста, скритокристалічна (афанітова), біоморфна, детритусова, оолітова і ін. Перша структура характерна для вапняків, доломіту, деяких кременистих порід і солей. Скритокристалічна, біоморфна, детритусова і оолітова структури зустрічаються у карбонатних і кременистих породах.

Структури уламкових незцементованих порід різноманітні, що обумовлюється відмінністю розмірів, форм і якісного співвідношення їх структурних елементів. Вказані особливості використовуються для підрозділу незцементованих крупноуламкових і піщаних порід на петрографічні типи і види. Тому назви структур цих порід пов'язані з їх петрографічною назвою. Так серед крупноуламкових виділяються ва­луні (кам'янисті), галечникові (щебенисті), гравійні (дресв’яні) структури.

При описі структур крупноуламкових порід важ­ливо вказувати склад і кількість заповнювача. При зна­чному вмісті заповнювача по вазі (більше 40% для піщаного заповнювача і 30% - для глинястого) в назві структури породи обов'язково вказується тип заповнювача.

Серед піщаних ґрунтів по ступеню отсортованості зерен і уламків виділяються структури гравелісті, пилуваті і чистих пісків. Останні у свою чергу підрозділяються за розміром зерен на грубозернисті, середньозернисті і інші структури.

Структури глинястих і лесових порід визначаються взаємовідношенням і характером зв'язку уламкових (піщаних і пилуватих) зерен і частинок глинястих мінералів. Оскільки останні знаходяться в агрегованому стані або у вигляді глинястих «сорочок» на поверхні уламкових зерен, то виділення структур глинястих і лесових ґрунтів за гранулометричним складом не вірне.

Підрозділ структур ґрунтів за характером структурних зв’я­зків. Петрографічний принцип підрозділу структур, не дивлячись на його широке використовування в ґрунтознавстві, не дає повного уявлення про структуру ґрунтів оскільки не містить характеристи­ки структурних зв'язків - одного з основних показників структури. Тому при інженерно-геологічному вивченні гірських порід разом з виділенням структур по петрографічних ознаках проводиться їх підрозділ за характером структурних зв’я­зків. В основу такого підрозділу береться переважаючий тип контактів, визначаючий в цілому характер структурних зв'язків в ґрунті, а звідси - особливості його міцності і деформаційності. Відповідно до цього можна виділити декілька типів структур: кристалізаційні, цементаційні, коагуляційні, перехідні, змішані і не­зв’язані (сипкі).

Структури кристалізації характерні для ґрунтів, у яких переважаючими є фазові контакти. До числа таких ґрунтів відноситься більшість магматичних і метаморфічних порід, а також хемогенні кристалічні утворення (солі, вапняки, доломіти).

Структури цементації або конденсаційно-кристалізаційні властиві осадовим зцементованим грантам, у яких переважаючими є цементаційні контакти. Сюди відноситься більшість конгломератів, брекчій, пісковиків, алевролітів, міцних різниць мергелів, карбонатних глин, опок, деяких вапняків і ін.

Структури коагуляції поширені у відкладеннях з типом коагуляційних контактів: ілів, слаболітифікованих глинястих ґрунтів, ґрунтів і торфів. Перехідні структури характерні для порід, у яких переважаючими є перехідні контакти. До числа таких по­рід відносяться середньолітифіковані водонасичені глини, дегідровані глинясті осідання будь-якого ступеня літифікації і леси.

Змішані (коагуляційно-цементаційні або коагуляційно-кристалізаційні) структури, характерні для порід, у яких одночасно існують контакти декількох типів. До числа таких порід відносяться щільні, сильно літифіковані глини, кам'яні леси, деякі різновиди мергелів, міл, діатоміти, трепел, частина пісковиків з глинястим це­ментом і т.д.

Незв'язні (сипкі) структури - це структури низькою зв'язності за рахунок контактів зчеплення. До числа порід з таким типом структур слід віднести крупноуламкові (без глинястого заповнювача) і піщані ґрунти.

Кожний з виділених типів структур характеризується значеннями міцності і особливостями деформаційної по­ведінки. Тому необ­хідно разом з описом структурних особливостей за петрографічними ознаками, вказувати тип структури за характером структур­них зв'язків.

Текстура ґрунтів. Поняття текстури зв'язано з розмі­ром структурних елементів. Під текстурою слід розуміти сукуп­ність ознак, що характеризують відносне розташування і розподіл структурних елементів ґрунту в просторі.

Текстури, подібно структурам, пов'язані зі складом і умовами утворення порід. Так, текстури магматичних порід характеризуються формами відокремлень, внаслідок різних умов охолоджування магматичного розплаву. Най­більш поширеними є однорідні (масивні) і неоднорідні (шлірова, кульова, флюїдальна, шлакова і ін.) текстури.

Текстури метаморфічних порід підрозділяються на масивні і сланцюваті. Серед сланцюватих найбільш поширеними є плоскопаралельні, хвилясті, смугові, плямисті, очкові і ін. Масивна текстура найбільш часто зустрічається у мармурів, кварцитів і рогови­ків, плоскопаралельна і плямиста - у метаморфічних сланців, плойчата і очкова - у гнейсів. Разом з перерахованими метаморфічними текстурами зустрічаються реліктові, які зберігають текстур­ні особливості материнських порід, наприклад, шаруватість осадових порід.

Серед осадових порід виділяються масивні (нешаруваті) і шаруваті текстури. Найбільш поширені шаруваті текстури, які характеризуються наявністю у породі шарів і прошарків, що виділяються за складом, структурою, забарвленням і т.п. За характером шаруватості тек­стури підрозділяються на паралельношарові, косошарові, лінзовидні. Серед них виділяються грубо-, тонко-, мікрошаруваті текстури. Для шаруватих текстур часто характерна певна ритмічність у чергуванні окремих шарів, що обумовлено сезонними або багаторічними змінами в умовах осадконакопичення.

При описі текстур порід слід чітко розрізняти текстурні особливості самої породи (в межах одного петрографічного типу породи) і особливості складання всієї товщі (або масиву) порід. Слід відрізняти шаруватість породи від шаруватості товщі осадових порід або їх нашарування. Окремі пласти осадової товщі обмежені в покрівлі і підошві поверхнями розділу від під­стилаючих і перекриваючих пластів. Утворення пластів осадової товщі пов'язано з причинами тектонічної природи, тобто з рухами земної кори, і викликаними ними змінами умов осадконакопичення.

Порожнистість ґрунтів. Однією з найважливіших структурно-текстурних характеристик ґрунтів є їх порожнистість, що характеризує сту­пень заповнення об'єму ґрунту твердої компонентою. Пустки можуть бути поровими і тріщинами.

Порова порожнистість. Всі ґрунти є пористими си­стемами. Структурні елементи, складаючи ґрунти, при нещільному приляганні один до одного утворюють проміжки різного розміру, сумарний об'єм яких характеризує порову порожнистість. Порова порожнистість ґрунтів виражається за допомогою двох пока­зників - пористості і коефіцієнта пористості. Пористість ґрунту рівна відношенню об'єму пусток (пір) до всього об'єму гірської породи. Коефіцієнт пористості (е) знаходиться як відношення об'єму пусток (пір) до об'єму твердої компоненти ґрунту. Пористість звичайно виражається у відсотках, а коефіцієнт пористості - в частках одиниці.

За характером пористість гірських порід підрозділяють на відкриту, закриту і загальну. Пористість називається закритою, якщо вона утворена ізольованими один від одного порами. При відкритій пористості такий зв'язок існує. Сумарна величина відкритої і закритої пористості характеризує загальну пористість ґрунту.

Значення пористості порід варіюється в дуже широких межах - від часток відсотка до 50% і більш. Найбільшу пористість (50 - 80%) мають тонкодисперсні (глинясті) відкладення без помітної літифікації. Висока пористість (50 - 60%) харак­терна і для деяких ефузивних порід, таких як трахіт, пемза, вулканічний туф. Якнайменшу пористість, що виміряється частками відсотка і рідше цілими відсотками, мають незвітрелені інтрузив­ні магматичні і метаморфічні породи. Пористість більшості осадових порід залежно від ступеня літифікації змінюється від декількох відсотків до 25 - 30%. Так, у пісковиків вона складає 25 - 30%, у карбонатних порід змінюється від 2 - 3 до 20 - 30%.

За генетичними і морфологічними ознаками виділяється кілько типів пористості порід, головні з яких:

міжкристалічна (міжзернова) - пористість кристалічних зернистих порід (магматичних, метаморфічних і частини осадових зцементованих порід);

міжгранулярна - пористість, властива піщаним і крупноуламковим породам;

внутрішньогранулярна - пористість мінеральних складових (уламків гірських порід, кістякових залишків рослин і тварин, мінеральних зерен);

міжагрегатна - пористість, існуюча між агрегатами мінеральних зерен, частіше за все вона зустрічається у глинястих ґрунтів;

внутрішньоагрегатна - пористість, існуюча усередині агрегатів між первинними частинками, утворюючими агрегати;

пористість вилуговування - ніздрюватість, кавернозність вапняку, доломіту, гіпсу;

пузирчаста - пористість, типова для багатьох ефузивних порід;

макропористість - характерна для лесових порід.

В реальних ґрунтах часто зустрічається одночасно декілька типів пір. Так, в глинястих породах переважає міжгранулярна, міжагрегатна і внутрішньоагрегатна пористість. У вапняках може одночасно зустрічатися міжкристалічна пористість і пористість вилуговування. Нерідко перераховані

типи пір мають різну генерацію. Пористість, яка виникає в процесі формування породи отримала назву первинної пористості. Такий є внутрішньогранулярна пористість піщаних і крупноуламкових порід, міжкристалічна пористість магматичних порід. По­ристість, виникаюча після формування гірської породи отримала назву вторинної. До неї відноситься пористість вилуговування, макропористість лесів і т.д.

Всі пори порід за їх розміром можна підрозділити на макро-, мезо-, мікро- і ультракапіллярні пори.

Порожнистість тріщини. Оцінка загальної порожнистості порід у ряді випадків не може бути зроблений без урахування їх тріщинуватості. Багато порід особливо магматичних і метаморфічних при по­ристості 1 - 5% можуть мати порожнистість тріщини, що досягає 10 - 20%. Зрозуміло, що проникність, термічні властивості таких порід визначатимуться не стільки їх пористістю, скільки тріщинуватістю.

Тріщини підрозділяються на тонкі (<1мм), дрібні (1 - 5мм), середні (5 - 20мм), крупні (20 – 100 мм) і дуже круп­ні (>100мм).

За генезисом можна виділити декілька типів трі­щинної порожнистості. Літогенетична порожнистість тріщин, що виникає в процесі утворення гірської породи, наприклад, охолодженні магма­тичного розплаву (контракційна тріщинуватість), метаморфізмі (метаморфогенна тріщинуватість), постседіментаційна (діагенетична тріщинуватість).

Тектонічна порожнистість тріщин утворюється в результаті тектонічної деформації порід - стиснення і розтягування. Найбільший розвиток тектонічної тріщинуватості спостерігається у порід з жорсткими структурами кристалізації, найменша - у дисперсних гірських порід. Для тектонічних тріщин характерна велика глибина і витриманість по простяганню; окремі тріщини, особливо пов'язані з крупними розломами земної кори, можуть розповсюджуватися в глибину більш чим на кілометр.

Екзогенна порожнистість тріщини утворюється в процесі вивітрювання порід, при обвальних деформаціях, провалах зведень карстових печер, при розвантаженні порід в бортовій частині кар'єрів або виїмок. Характерною особливістю цього типу тріщин є не­ витриманість по простяганню, звивисті контури і швидкі затуханню з глибиною.

Літогенетичні і тектонічні тріщини утворюють, як правило, строго орієнтовану систему тріщинуватості, що приводить до анізотропії порожнистості порід. Ані­зотропність порожнистості у свою чергу є причиною анізотро­пії багатьох фізичних, і механічних властивостей порід.

Вплив структури і текстури ґрунтів на їх властивості. Як вже наголошувалося, структура і текстура є найважливішими ознаками породи, багато в чому визначаючими її властивості. Добре відомо, що серед магматичних і метаморфічних порід найміцнішими і стійкими до звітрювання є породи з повно­кристалічною, рівномірно зернистою структурою. При цьому, чим менше розмір кристалів у такої породи, тим вище міцність. Це пояснюється головним чином двома причинами: із зменшенням розміру кристалів, по-перше, знижується дефектність їх структури і підвищується міцність самих кристалів, а, по-друге, збільшується кількість контактів між структурними елементами і таким чином знижується величина ефективної напруги на одиничному контакті при додатку зовнішнього навантаження. Породи з великокристалічними і, особливо з неравномірнокристалічними (порфіровими) і неравномірнопористими структурами мають меншу міцність.