СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ

Общие понятия.Под строением грунтов понимают совокуп­ность их структурно-текстурных особенностей, т. е. их структуру и текстуру.

Термины «структура» и «текстура» выражают очень близкие понятия. В переводе с латинского «структура» — это строение, расположение, устройство, построение, а «текстура» — ткань, сое­динение, связь.

В настоящее время под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слага­ющих его элементов (минералов, обломков минералов и горных пород, других отдельных частиц, агрегатов, цемента) и характер взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой — пространствен­ное расположение слагающих элементов фунта (независимо от их размера).

Все структурные элементы (минеральные зерна и обломки), которые являются слагающими горных пород, связаны между со­бой структурными связями. Эти связи отличаются друг от друга своей энергией; они могут быть прочными, кристаллизационны­ми (в этом случае их энергия соизмерима с внутрикристалличе-ской энергией химической связи отдельных атомов); они могут быть весьма слабыми, едва проявляющимися в обычных условиях и практически не оказывающими влияния на инженерно-геоло­гические свойства горных пород.

Типы структурных связей.Структурные связи являются одной из самых важных характеристик горных пород; от них во многом зависят их инженерно-геологические свойства и состояние. Внут-рикристаллические химические связи определяют прочность ми-158

неральных зерен — кристаллов, достигающую весьма высоких зна­чений в десятки и сотни МПа. Средняя прочность магматических и метаморфических горных пород равна примерно 500 МПа, оса­дочных сцементированных — 400 МПа, в то же время у некоторых дисперсных несцементированных пород она снижается практиче­ски до нуля. Но прочность горных пород определяется не столько прочностью минеральных зерен, сколько прочностью связи между ними, т. е. структурными связями.

Формирование структурных связей происходит в результате сложнейших физико-химических процессов: кристаллизации, ста­рения, конденсации содержащихся в породе соединений, а также адсорбции, миграции, пропитки и кристаллизации проникающих в горную породу цементирующих веществ из окружающей среды. Влияние проникающих веществ из окружающей среды может но­сить и «регрессивный» характер, т. е. сложившиеся в породе структурные связи могут разрушаться или переходить в новые, отличающиеся своей энергией, а в конечном счете прочностью, связи между минеральными зернами. Кроме того, существующие методы технической мелиорации (или улучшения свойств) грун­тов позволяют человеку вмешиваться в процесс формирования структурных связей и создавать грунты с заданными в опреде­ленной степени свойствами или изменять их в нужном направле­нии, например, создавать искусственные связи в трещиноватых скальных грунтах (гранитах, известняках и других) путем их це­ментации.

В природе образование структурных связей представляет со­бой весьма длительный историко-геологический процесс, кото­рый развивается на протяжении всего периода формирования горной породы и ее последующей геологической жизни.

На первом этапе, в момент образования горных пород (осты­вание магмы, перекристаллизация при метаморфических процес­сах, осадконакопление и т. п.), в них возникают первичные структурные связи. На следующих этапах существования горной породы под влиянием уплотнения, выветривания, инфильтрации и растворения водой и растворами в породе возникают вторич­ные структурные связи. Одновременно с этим возможно измене­ние в ту или иную сторону первичных структурных связей. Все эти противоречивые процессы обусловливают постоянную измен­чивость структурных связей в течение геологического времени, а это влечет за собой и изменчивость инженерно-геологических свойств горных пород. Таким образом, следует еще раз подчерк­нуть, что правильное изучение и прогнозирование свойств грун­тов необходимо проводить в естественно-историческом аспекте, на генетической основе. При этом нельзя забывать о том, что

прочность и характер структурных связей в каждом конкретном случае зависят от состояния горной породы.

Хорошо известно, что прочность глин в сухом состоянии мо­жет достигать почти 10 МПа, во влажном же состоянии глины представляют собой зачастую пластичную или даже текучую мас­су, легко деформирующуюся под действием собственного веса. Таким образом, при инженерно-геологическом изучении горных пород, помимо определения их состава, возраста, генезиса, нуж­но учитывать их состояние в каждый конкретный момент време­ни и прогнозировать их свойства с учетом этого состояния и возможного его изменения.

В различных генетических типах пород развиты или преобла­дают различные структурные связи, обусловленные различной природой формирования и проявления. В магматических, мета­морфических и некоторых осадочных сцементированных породах широко развиты связи химической природы; в тонкодисперсных несцементированных породах связь между отдельными минераль­ными частицами породы осуществляется за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий, которые в инженер­но-геологической литературе получили название водно-коллоид­ных связей. В настоящее время установлено, что дисперсные не­сцементированные частицы породы могут обладать связями магнитного характера, а также связями за счет поверхностных электрических зарядов, возникающих на контакте минеральных частиц. Рассмотрим более подробно указанные выше типы струк­турных связей.

Природа химической связи отвечает природе внутрикристалли-ческих связей минералов. Химическая связь возникает при непо­средственном (истинном) контакте минеральных зерен друг с другом, а также при наличии в пространстве между минеральны­ми зернами прочного цементирующего вещества, которое скреп­ляется с наружными плоскими сетками кристаллических решеток минеральных зерен.

Химическая связь является наиболее прочным типом струк­турных связей. Это связь в некоторых горных породах, например метаморфических, в кварцитах, по прочности близка внутрикрис-таллическим химическим связям. При разрушении этих пород образующиеся линии скола могут проходить как по местам кон­тактов минеральных зерен, так и по самим зернам.

Способы формирования структурных связей химической при­роды в различных породах неодинаковы. У магматических пород они появляются одновременно с кристаллизацией и твердением магматического расплава, т. е. при образовании самих минераль-

ных зерен. В метаморфических породах связи формируются при перекристаллизации материнских (исходных) пород.

В осадочных породах образование структурных связей проис­ходит в результате инфильтрации природных растворов и выпаде­ния из них солей или при осаждении в поровом пространстве таких соединений, как коллоидный кремнезем или гидроксиды железа, дальнейшем их старении и кристаллизации на контактах между зернами. По своей природе химическая связь представляет собой силы гравитационного, магнитного и электрического ха­рактера. В основе химической связи лежит электрическое взаи­модействие между атомами.

Более сложный характер имеют молекулярная и ионно-электро-статическая связи.

Известно, что при сближении атомов или даже двух микро­скопических сил между ними в определенных условиях возможно взаимодействие благодаря молекулярным силам (Ван-дер-Вааль-са), которые носят универсальный характер. Указанное взаимо­действие существует всегда и проявляется не только между заря­женными ионами, но и между нейтральными атомами, молекулами и твердыми телами. Энергия этого типа структурных связей значительно меньше, чем при проявлении химической связи, однако молекулярные силы играют важную роль в форми­ровании связей между частицами в тонкодисперсных грунтах.

Наиболее оптимальными условиями для проявления молеку­лярных связей являются высокая плотность и низкая влажность тонкодисперсных пород. Поэтому глинистые грунты всегда име­ют максимальную прочность в сухом состоянии. Однако в при­роде большинство дисперсных грунтов содержит то или иное ко­личество влаги. Структурные связи во влажных дисперсных фунтах носят поэтому значительно более сложный характер, так как там наряду с молекулярными силами притяжения проявля­ются расклинивающие силы притяжения гидратных оболочек во­круг твердых минеральных частиц, которые направлены противо­положно молекулярным силам, а кроме того, возникают силы взаимодействия ионно-электростатического характера. Это взаи­модействие связано с возникновением электрического заряда у твердых минеральных частиц и образованием диффузного слоя ионов вокруг них. Вследствие этого во влажных тонкодисперс­ных грунтах правильнее говорить о молекулярно-ионно-электро-статических связях. Такой тип связей проявляется в глинах, не­которых разновидностях мела и мергеля.

В зависимости от характера проявления молекулярных и мо-лекулярно-ионно-электростатических сил связи, выражающегося

прежде всего в степени агрегации первичных частиц, выделяется несколько типов структур дисперсных пород:

• стабилизационная структура; возникает в тонкодисперсных
фунтах при наличии на поверхности минеральных частиц актив­
ных гидрофильных стабилизаторов, препятствующих слипанию
(коагуляции) частиц под влиянием сил молекулярного притяже­
ния, например, пленки гидрофильного органического вещества.
К породам со структурой такого типа можно отнести карельские
четвертичные перигляциальные глины; истинные плавуны; май­
копские глины Предкавказья; поволжские глины нижнемелового
неокомского возраста; глины кембрийского возраста, распростра­
ненные в Санкт-Петербурге; мергели мелового туронского возрас­
та и ряд других;

• коагуляционная структура; встречается в породах, в составе
которых до 1,5 % электролитов. В этих условиях, как известно,
возникает структурная коагуляция, которая приводит к образова­
нию в породах рыхлого структурного каркаса. К породам, облада­
ющим такого типа структурой, относят высокодисперсные глины
Заволжья, так называемые хвалынские; монтмориллонитовые гли­
ны киммериджского и оксфордского ярусов юрского возраста;

• пластифицированно-коагуляционная структура; формируется
при структурной коагуляции, когда в породах присутствуют орга­
нические соединения, обладающие пластифицирующими свойст­
вами, часто в присутствии карбонатов кальция, причем в поровом
растворе электролиты должны обладать концентрацией от 0,3 до
10 %. Примером пород с этим типом структуры могут служить
глинистый мел туронского яруса мелового возраста; современные
черноморские илы; озерные глины; отдельные горизонты морских
отложений Каспийского моря; так называемые спондиловые глины;

• смешанная коагуляционно-кристаллизационная или коагуляци-
онно-цементационная структура; образуется при одновременном
проявлении ионно-электростатических взаимодействий и сил хи­
мической природы, поэтому сформированные структурные связи
отличаются от перечисленных связей других типов структуры зна­
чительно большей прочностью и хрупкостью. Рассматриваемый
тип структуры встречается в типичных лессах; мергелях мелового
периода кунгурского и сантонского ярусов; в типичном чистом
писчем меле; аргиллитоподобных юрских глинах; сланцеватых юр­
ских и нижнемеловых глинах; современных покровных суглинках.

Остановимся теперь на недостаточно еще изученной связи магнитного характера. По полученным данным исследований, она обусловлена наличием магнитных сил за счет присутствия в породах таких природных ферромагнетиков, как минералы гема­тит, гетит, гидрогематит. Эти минералы встречаются в виде тон-162

ких пленок на поверхности твердых частиц. Толщина и степень развития пленок на поверхности частиц зависят от многих фак­торов, таких, как степень дисперсности, минеральный состав ча­стиц, степень их обработанности, условия образования, транс­портировки и существования породы, которые весьма различны в разных генетических типах пород. Степень влияния такого типа связи на формирование структуры естественно невелика, но она накладывает свой специфический отпечаток на общие структур­ные особенности породы.

Наряду с указанными связями в породах может образоваться связь за счет взаимодействия электрических зарядов, возникаю­щих на контактах минеральных зерен. Электрический заряд в этом случае обусловливается контактной разностью потенциалов. Аналогичное явление возникает при трибоэлектризации (элект­ризации при трении частиц друг о друга). При увлажнении этот тип связи естественно разрушается, так как эффект приобрете­ния электрического заряда характерен только для сухих минера­льных частиц, поэтому этот тип связи необходимо учитывать только при оценке сухих рыхлых фунтов.

Форма и характер поверхности (морфология) слагающих горную породу элементов.Генезис горной породы играет весьма сущест­венную роль в формировании морфологических особенностей слагающих ее минеральных зерен, причем это относится, вопре­ки сложившимся обычным представлениям, как к дисперсным осадочным породам, так и к магматическим, метамофическим и осадочным сцементированным.

Минеральные зерна и их обломки могут принимать под воз­действием генетических и постгенетических процессов весьма разнообразную форму и иметь различный характер поверхности (морфологический облик). Факторы, определяющие морфологию минеральных частиц, весьма разнообразны, к ним относятся, на­пример, такие, как условия кристаллизации и перекристаллиза­ции в магматических и метаморфических породах; дальнейшее их выветривание; дислоцирование при тектонических процессах; первоначальная форма минеральных зерен и их обломков; хими­ко-минеральный состав исходных пород; условия и характер вы­ветривания, переноса, осадконакопления в осадочных и метамор­фических породах.

Особенно важное значение в формировании инженерно-геоло­гических свойств морфологический облик имеет в дисперсных осадочных породах, в основном песчаных, супесчаных, крупнооб­ломочных. Первоначальная форма обломков зависит от прочности материнской породы, ее состава и структурно-текстурных особен­ностей. Массивные скальные породы (граниты, известняки) на

первых стадиях разрушения дают крупные обломки в виде много­гранников с тупыми углами. При выветривании эти обломки мо­гут разрушаться дальше, вплоть до образования мелких фракций обломочного материала, состоящего преимущественно из отдель­ных идиоморфных зерен, т. е. имеющих более или менее правиль­ные очертания кристаллов, соответствующих процессам кристал­лизации при остывании магмы. Мергель, сланцы, алевролиты, слоистые известняки дают обломки (щебень) плоской и остроуго­льной формы, которая, как правило, унаследуется при их дальней-^ шей обработке, транспортировке и переотложении.

При переносе и отложении минеральные зерна и их обломки приобретают ту или иную степень обработанности. Зерна могут быть обработанными и необработанными, т. е. окатанными или неокатанными с шероховатой, полированной, кавернозной или иной поверхностью. Крупные обломки окатываются сильнее, чем мелкие, поэтому наблюдается связь между окатанностью зерен, их обломков со степенью дисперсности. Особенно четко эта за­висимость проявляется в песчаных и мелкообломочных породах. Первичные частицы тонкодисперсных пород практически не под­вергаются обработке при переносе и переотложении. Весьма су­щественным в формировании морфологического облика является содержание в породе того или иного минерала. Кварцевые зерна, как известно, весьма устойчивы к обработке, полевые шпаты, ка­льцит, слюды разрушаются быстрее и приобретают в силу своего внутреннего строения другие, нежели у кварца, форму и характер поверхности. Степень шероховатости или полированности частиц определяется как условиями переноса (трение частиц друг о дру­га в водной или воздушной среде), так и условиями отложения. Развитая поверхность, как измененная поверхность самого мине­рального зерна, так и пленки вторичного вещества на зерне, их толщина и состав зависят от скорости транспортировки и уплот­нения в процессе превращения осадка в породу, при наличии то­го или иного химического агента в фунтовых растворах, когда происходит растворение поверхности первичного зерна или осаж­дение коллоидного или кристаллического вторичного вещества на этих зернах, а также при других весьма сложных физико-хи­мических процессах.

Морфология песчаных зерен, пылеватых частиц, обломков гор­ных пород более крупных размерностей является комплексным диагностическим признаком при оценке их генезиса, а также вме­сте с этим оказывает существенное влияние на формирование их инженерно-геологических свойств. Установлено, что морфологиче­ский облик частиц дисперсных пород оказывает влияние на проч­ность, деформируемость, водопроницаемость пород.

В магматических, метаморфических породах морфологический облик минералов играет огромную роль в формировании их прочностных свойств. В осадочных сцементированных породах форма и характер поверхности частиц определяют форму порово-го пространства, активность поверхности частиц — при заполне­нии пространства между частицами цементирующим веществом и его последующей кристаллизации.

Подводя итог рассмотрению основных понятий структуры гор­ных пород, следует сделать вывод о несомненной зависимости формирования структурных особенностей от генетических и пост­генетических процессов и влиянии этих особенностей на приобре­тение породой тех или иных инженерно-геологических свойств.

Роль структурно-текстурных особенностей грунтов.Текстуре горных пород редко уделяется много внимания, так как эта весь­ма важная характеристика обычно изучается специалистами в чисто геологических целях, хотя она имеет несомненно инженер­но-геологическое и практическое «строительное» значение.

Помимо общего понятия о текстуре грунтов введены понятия о макро-, мезо-, микротекстуре, которые находятся в тесной взаимосвязи с понятиями макро-, мезо-, микроструктуры приме­нительно к глинистым и лессовым грунтам. Введение этих поня­тий объясняется тем, что в тонкодисперсных грунтах отдельные частицы, являющиеся первичными структурными элементами, образуют под влиянием процессов агрегации элементы второго порядка — микроагрегаты, а последние, в свою очередь, могут образовывать структурные элементы еще более высокого поряд­ка. Размер отдельных макроэлементов может изменяться от 1 м и более и до долей сантиметра. Особенности пространственного расположения макроэлементов характеризуются макротекстурой.

Для глинистых и лессовых пород наиболее характерной являет­ся беспорядочная и слоистая макротекстура. Первая характеризу­ется отсутствием какой-либо видимой слоистости в толще. Порода с беспорядочной макротекстурой выглядит сплошным однород­ным телом.

Порода со слоистой макротекстурой состоит из отдельных сло­ев, имеющих какую-либо пространственную ориентацию. Мощ­ность слоев может быть различной: от метров до миллиметров.

Размер, форма, характер поверхности, количественное соотно­шение микроагрегатов, отдельных микроблоков, а также первич­ных пылеватых и песчаных зерен в тонкодисперсных грунтах ха­рактеризуют их мезоструктуру.

Соответственно мезоструктура определяется пространствен­ным расположением этих элементов в породе и их ориентацией. Элементы мезоструктуры имеют размеры от нескольких милли-

метров до 0,005 и 0,001 мм. Поэтому изучение мезоструктуры и мезотекстуры пылеватых и глинистых грунтов производится на специально изготовленных образцах, так называемых шлифах и аншлифах с помощью поляризационных оптических и даже элек­тронных микроскопов при значительных увеличениях (в некото­рых случаях до 1000 раз).

Мезотекстура тонкодисперсных пород может быть беспоря­дочной и ориентированной. Первая характеризуется отсутствием преобладающего направления пространственной ориентации час­тиц и агрегатов связанных пород. Под поляризационным микро­скопом порода с такой мезотекстурой выглядит неравномерно просветленной сплошной массой.

Ориентированная мезоструктура характеризуется определенной ориентацией мезоструктурных элементов относительно какой-либо оси в пространстве. Чаще всего это направление совпадает с на­правлением или перпендикулярно направлению прилагаемой на­грузки. При рассмотрении образца такой породы (шлифа) под по­ляризационным микроскопом можно наблюдать отдельные участки, соответствующие ориентированным микроблокам и мик­роагрегатам, которые видны в поле зрения микроскопа в виде светлых или угасающих участков.

Микроструктура характеризуется размером, формой, характе­ром поверхности и количественным соотношением первичных тонкодисперсных частиц, образующих в грунте микроагрегаты или (значительно реже) существующих изолированно.

Среди тонкодисперсных пород выделяется несколько типов микроструктур. Наиболее распространенными среди них являют­ся плойчатая, листообразная, овальная, игольчатая и трубчатая. Особенности их пространственного расположения характеризуют микротекстуру грунта, которая может быть беспорядочной и ори­ентированной.

Размер микроструктурных элементов менее 1—5 мкм. Поэто­му микроструктура может быть изучена только с помощью спе­циальной, зачастую уникальной, аппаратуры, например, элект­ронно-микроскопическими методами при увеличениях в 1000, 5000 и даже 10 000 раз. Характеристики микроструктуры и мик­ротекстуры находятся в теснейшей зависимости с описанными выше структурными связями и определяют инженерно-геологиче­ские свойства грунтов.

В тонкодисперсных грунтах (глинистых, пылеватых), песча­ных, крупнообломочных выделяется несколько типов текстур (микротекстур), таких, как, например, горизонтально-кососло-истая, линзовидная, «с признаками ряби» и т. д. Некоторые спе­циалисты при оценке текстуры дисперсных осадочных пород 166

важное внимание уделяют их пористости, ее видам, размерам пор, так как пористость определяет возможность доуплотнения пород под нагрузкой, их прочностные, деформационные и филь­трационные свойства.

Наличие пористости и ее морфология совместно со степенью трещиноватости играют определенную роль и в формировании указанных характеристик инженерно-геологических свойств для таких осадочных пород, как известняки, мергели, диатомиты, опоки. Трещины и другие особенности состояния пород играют существенную роль в развитии процессов выветривания, раство­римости, суффозии, карста и др.

Структура и текстура изверженных горных пород зависят, как уже неоднократно отмечалось, от их генезиса. Магма, поднимаю­щаяся к поверхности земли, быстро охлаждается, а вязкость ее увеличивается благодаря потере воды и газа. Это обстоятельство благоприятствует образованию вулканического стекла с пелито-вой или сферолитовой структурой. Сферолитовые структуры осо­бенно характерны для «древнеобразованных» (палеотипных) из­лившихся пород и образуются при старении стекла. В поверхностных условиях лавовые потоки затвердевают очень бы­стро, крупные кристаллы не развиваются, и для эффузивов наи­более типична афанитовая («глухая») структура, равно как для кристаллических, так и для стекловатых пород. Горные породы с подобными структурами имеют высокую механическую проч­ность и одновременно характеризуются известной хрупкостью. В эффузивных, в частности вулканических, породах часто встреча­ются пузырчатые текстуры. Породы этого типа усеяны газовыми пузырьками миндалевидной, округлой или эллипсоидальной фор­мы. Такая текстура определяет пористость до 60 % в армянских туфах, снижая их плотность до 0,95 г/см³. Часто пустоты в вул­каногенных породах выполнены вторичными минералами и сооб­щают им миндалекаменную текстуру. Породы миндалекаменной текстуры значительно прочнее пузырчатых, но благодаря своей неоднородности уступают по прочности эффузивным породам с так называемой массивной текстурой, например, в липаритах, андезитах, базальтах. Кроме того, в эффузивных породах выделя­ют пемзовую текстуру, отличающуюся огромным количеством пор, в которых минеральная составляющая образует тонкие пере­городки между порами.

Сходное влияние на физические и механические свойства эф­фузивных пород оказывает и порфировая структура, при которой крупные вкрапления одного или нескольких минералов бывают погружены в тонкозернистую или стекловатую основную массу. Порфировая структура может образовываться и на глубине при

формировании лайковых пород. Текстура в этих породах обычно относится к так называемой немассивной, иногда имеющей не­которую пористость, в определенных условиях несколько ориен­тированную, что сказывается в какой-то мере на прочности и устойчивости пород к выветриванию.

Структуры и текстуры глубинных пород существенно иные. Кристаллизация магматического расплава на глубине происходит постепенно под влиянием медленного охлаждения и присутствия летучих веществ. Также постепенно формируется мозаика мине­ральных зерен, образующих структуры породы. Поэтому наибо­лее характерная особенность глубинных пород — это полнокрис­таллическая, относительно крупная и равномерно-зернистая структура. Разновидностей ее очень много, например, одна из наиболее известных — пегматитовая с типичным «письменным» рисунком. При инженерно-геологической оценке породы боль­шое значение имеет размер зерен, так как в общем случае мел­козернистые породы являются более прочными и устойчивыми к выветриванию, чем крупнозернистые.

Вопрос оценки влияния текстурных особенностей глубинных магматических пород на их инженерно-геологические характери­стики мало изучен, поскольку для этих пород в основном харак­терна массивная текстура, которая заведомо определяет высокие инженерно-геологические свойства пород.

Огромное значение для формирования пород в условиях ди­намо-термального метаморфизма, особенно для возникновения сланцеватых текстур, имеет одностороннее давление. Под его влиянием в горной породе происходят скользящие дифференциа­льные движения, минералы приобретают закономерную ориенти­ровку как по внешней форме, так и по внутреннему строению. Одностороннее давление в известной мере определяет анизотро­пию растворения и роста минералов, которая также способствует образованию ориентированных структур и текстур.

Для большинства метаморфических пород характерна анизо­тропность свойств, обусловленная их типичной сланцеватостью. Прочность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль упругости значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей. Сланцеватостью определяется и значительная выветриваемость этих пород, а также пониженная устойчивость на природных склонах и в бортах искусственных выработок, особенно вдоль сланцеватости. Многие метаморфические породы образуют в результате выветривания тонкоплитчатые и листоватые весьма подвижные осыпи.

Кроме ярко выраженной сланцеватости в метаморфических породах выделяют такие виды текстур, как слоистая, косая гори-

зонтальная, очковая, а в таких породах, как мраморы и рогови­ки, — массивная, однородная, «сахаровидная». Указанные виды текстур имеют вполне четкое влияние на инженерно-геологичес­кие свойства пород.

Породы катакластического метаморфизма имеют, как прави­ло, брекчиевидную текстуру, с некоторой сланцеватостью, про­слойками таких минералов, как хлориты, серициты, у которых отмечаются пониженные инженерно-геологические показатели.