1.1.4. Розмір, морфологічні особливості і кількісне співвідношення елементів твердої компоненти грунту

Розмір структурних елементів. Тверда компонента всіх ґрунтів, за невеликим винятком, складається з окремих кристалів, улам­ків кристалів або уламків порід, що отримали назву структурних елементів. Розмір структурних елементів може змінюватися від мікрона до десятків сантиметрів. Зміна розміру структурних елементів ґрунту в таких широких межах приводить до великої відмінності питомої поверхні твердої компоненти і його поверхневої енергії. Особливо помітний цей вплив за відсутності зв'язків кристалізації між структурними елементами. Тому разом з мінеральним складом складаючих елементів це є однією з істотних ознак твердої компоненти ґрунту, що визначає її властивості.

При дослідженні магматичних і метаморфічних порід розмір кристалів є основою для їх підрозділу, зернистість характеризує не тільки властивості цих порід, але і характер формування. Кристалічні породи залежно від розміру зерен діляться на грубозернисті з розмірами кристалів більше 5 мм, середньозернисті 5 - 2 мм, дрібнозернисті 2 - 0,2 мм, тонкозернисті - менше 0,2 мм, і афанітові породи в яких кристали не видні простим оком.

Співвідношення кристалів різних розмірів можливо якісно дослідити тільки в шліфах. При цьому розглядається також і ступінь однорідності їх за розміром. У зв'язку з цим виділяються: рівномірнозернясті, порфірні і порфіровідні породи. До останніх відносяться породи, у яких на фоні дрібних кристалів іноді присутні нерозкрісталізованої маси.

В уламкових осадових породах розмір уламків є однією з основних класифікаційних ознак. Залежно від переважаючого розміру уламків зцементовані осадові породи бувають: крупноуламкові (псефітові), середньо уламкові (псамітові) і дрібноуламкові (алевритові), і тонкоуламкові породи, а серед уламкових незцементованих (дисперсних) ґрунтів - крупноуламкові, піски, пісковини, суглинки і глини.

Встановлена різка зміна мінерального складу, фізичних і фізико-хімічних властивостей частинок розміром менше 1 мкм, що стало підставою виділити ці частинки в окрему фракцію, яка отримала назву глинястої, оскільки переважаючими в ній є глинясті мінерали.

Нижньою межею піщаних частинок слід вважати структурні елементи діаметром більше 0,05 мм. Фракція, складена з таких частинок, поводиться як сипке тіло.

До гравійних частинок відносяться структурні елементи більш 2 мм. Вони практично не мають молекулярною вологоємності і капілярного підняття води; водопроникність дуже велика. Крім того піщані частинки представлені в основному уламками первинних мінералів, а гравійні частинки - уламками порід. За верхню межу гравійної фракції приймають діаметр 40 мм.

Таким чином, глинясті частинки об'єднуються у фракцію < 0,005 мм, пильоваті - в групу фракцій 0,005 - 0,05 мм, піщані - 0,05 - 2 мм і гравійні - 2 - 40 мм

Морфологічні особливості структурних елементів. Мінераль­ні зерна і уламки, які складають ґрунти, мають різноманітну форму і характер поверхні. В уламкових ґрунтах без жорстких зв'язків морфологія складаючих елементів надає істотний вплив на умови контакту окремих зерен і уламків один з одним, а саме - на кількість контактів в одиниці об'єму поро­ди, площу контактів і ступінь нерівності контактуючих ділянок поверхонь, що знаходить віддзеркалення в особливостях міцності і деформаційної поведінки порід. Крім того ступінь окатаність структурних елементів визначає розміри і характер порового простору і, таким чином, впливає на водопроникність і висоту капілярного підняття води в ґрунтах. Це дозволяє вважати морфологічні особливості істотною ознакою складаючих елементів порід.

Під формою мінеральних зерен і уламків розуміється їх зовнішній вигляд (габітус). В магматичних гірських породах мінеральні зерна, що виникають в процесі охолодження магми, мають звичайно більш-менш правильні контури кристалів. Така форма зерен но­сить назву ідіоморфної.

У метаморфічних порід зростання і перекристалізація мінераль­них зерен відбуваються в обмежених умовах. Тому крис­тали в метаморфічних породах частіше мають неправильну форму, звану ксенобластичною.

В осадових породах і, зокрема, в крупноуламкових і піщаних, складаючи елементи мають різноманітну форму. Вони підрозділяються формою на чотири групи: округлі (кути і грані не простежуються), незграбні (уламки з кутами і ребрами), напівкруглі (уламки з ознаками пер­шої і другої груп) і уламки зі складною конфігурацією (нерівною, часто кородованою, поверхнею). Морфологія уламкових зерен визначається декількома основними чинниками, до числа яких відноситься мінеральний склад зе­рен, їх розмір, умови транспортування і відкладення (генезис). Вплив мінерального складу виявляється через фізичну порочність і стійкість мінералів, що складають зерна. Особливо тісний взаємозв'язок морфології з крісталохімічними особливостями мінералів спостерігається у глинястих частинок.

Різні глинясті мінерали мають частинки певної форми що використовується як одна з діагностичних ознак ідентифікації глинистих мінералів за допомогою електронного мікроскопа. Так, частинки каолініту мають звичайно гексагональну або псевдогексагональну форму з чіткими контурами. У монтморилоніт під електронним мікроскопом видні не окремі елементарні частинки, а їх агрегати вельми складної конфігурації з дуже нечіткими краями. Гідрослюди дають частинки пластинчатої форми - подовжені або частіше ізометричні, з чіткими контурами. Частинки характерної

форми утворюють і інші глиня­сті мінерали - галуазит, сепіоліт і т.д.

Ступінь окатаності зерен багато в чому залежить від їх розміру. Пер­винні зерна розміром менше 0,002 мм і всі глинясті частинки практично не піддаються обробці в процесі перенесення і пере­відкладення унаслідок їх невеликої ваги і наявності на поверхні захисних гідратних плівок. Із збільшенням розміру зерен ступінь їх окатанності зростає.

Ще більша залежність морфології зерен спостерігається від умов їх транспортування і відкладення. У еолових пісків, наприклад, окатаність частинок завжди найкраща, а у делювіальних і елювіальних - найгірша. У піщаних порід, що сформувалися у водному середовищі, ступінь окатаності частинок залежить від протяжності транспор­тування і зростає із збільшенням останньої.

В тісному взаємозв'язку з умовами транспортування і відкладення знаходиться не тільки окатаність зерен, але і морфологія їх поверхні. Добра окатаність зерен не може свідчити про досконалість мікрорельєфу їх поверхні. Буває навпаки - частинки, що мають високий ступінь окатаності, в той же час характеризуються дуже нерівним мікрорельєфом поверхні.

Гранулометричний і мікроагрегатний склади дисперсних ґрунтів. Всі дисперсні гірські породи складаються з частинок однієї або частіше всього декількох фракцій. Кількісне співвідношення різних фракцій в дисперсних породах характеризується їх гранулометричним складом. Гранулометричний склад показує, якого розміру частинки і в якій кількості містяться в тій або іншій породі. При виконанні гранулометричного аналізу порід визначають вміст в них первинних частинок, тобто окремих уламків крис­талів і гірських порід. Проте, в багатьох ґрунтах, особливо в тонкодисперсних разом з первинними частинками є вторинні - мікроагрегати, що є, утвореннями при агрегації декількох первинних частинок. Тому при визначенні гранулометричного складу необхідно про­водити спеціальну обробку зразків породи з метою перекладу вторинних частинок в первинні.

Коли разом з первинними частинками в породі враховуються тако­ж і вторинні, тобто визначається їх природна дисперсність, говорять про вторинну дисперсність породи, яка характеризується не гра­нулометричним, а мікроагрегатним складом.

При інженерно-геологічній характеристиці гірських порід необ­хідно знать обидва склади. Та обставина, що гранулометричний склад показує граничну дисперсність порід, робить його зручним класифікаційним показником. Мікроагрегатний склад відбиває ступінь агрегованості породи за даних умов, може використовуватися для характеристики структурних зв'язків в породі.

Гранулометричний і мікроагрегатний склади для піщаних і крупноуламкових порід (за відсутності в них тонкодисперсного за­повнювача) близькі один до одного. Для глинястих і лесових порід вміст частинок різних фракції за даними гранулометричного і микроагрегатного аналізів, може істотно відрізнятися.

Гранулометричні класифікації дисперсних ґрунтів. Кінцевим підсумком вивчення гранулометричного складу дисперсного ґрунту є його класифікація, тобто визначення за гранулометричним складом його петрографічного типа або вигляду. Для цього використовуються

гранулометричні класифікації.