Каталог Минералов
 

Структура грунта


Грунтоведение / Структура грунта
обсудить на форуме

В римской мифологии существовал бог времени Янус. Он изображался с двумя лицами, обращенными в противоположные стороны: молодым — вперед, а старым — назад. Отсюда дошло до нас выражение «двуликий Янус». Всем известна эта летучая фраза. А в природе можно найти множество примеров подобного рода.

Ну, чем не двулик гриб мухомор? Он радует глаз своей яркой окраской, красивой формой. Но его второе лицо — необычайная ядовитость.

В грунтах, бывает так, что один и тот же песок может быть и рыхлым, опасным для строительства, и он же может оказаться надежным основанием для многоэтажных домов. И впрямь — «двуликий Янус».

Вот перед нами два суглинистых грунта. В одном содержатся кварц и гидрослюда, в другом — тот же состав. В лаборатории определили, из каких частиц по крупности состоят эти грунты. Опять оказалось, что они весьма схожи и по величине составляющих их частиц. Значит, по составу они одинаковы, но тогда почему их свойства различны?

Давайте попробуем определить, как образовались эти два грунта. Геологи легко установят — первый из них сформировался во время оледенения. Этот суглинок был отложен потоками талых вод, возникших при таянии ледников. Второй же возник в результате деятельности ветра. Его порывы подхватывали частицы, переносили их на большие расстояния, и, когда ветер стихал, они падали на поверхность земли. Так, год за годом накопилась толща этого суглинка. Процессы выветривания и особенно деятельность организмов и растений внесли затем свои коррективы. И вот результат — похожие по составу грунты, а строение их оказалось разным, отсюда вытекает и различие в свойствах.

Посмотрим внимательно: первый суглинок плотный с тонкой пористостью, в то время как второй содержит много крупных пор, а его частицы собраны в группы-агрегаты. Кроме того он буквально пронизан корне- и червеходами. Вот и выходит — помимо состава грунта его свойства зависят и от структуры.

Теперь необходимо выяснить, что же такое структура грунта? Если говорить обобщенно — это все то, что определяет строение грунтов на небольших однородных участках. Мы уже знаем, что в грунтоведении изучается грунт как система, состоящая из твердых минеральных частиц, жидкости (водных растворов) и газообразной составляющей.

Получается, что изучение структуры — это прежде всего исследование размеров и формы частиц, агрегатов, пор и их взаимосвязи. К этому нужно добавить, что в грунтах встречаются различные структурные формы влаги и газов, которые также нужно изучать. Кроме того, очень важно выявить взаимоотношения между всеми этими структурными элементами.

Теперь становится понятным, что перед наукой о грунтах стоит очень сложная задача — выявление их структурных особенностей. Комплексное изучение структуры грунтов началось только в 50-х годах нашего столетия. Правда, исследования крупности частиц грунтов проводились уже в XIX в., но это были еще первые шаги в познании структуры. Для решения практических вопросов в первую очередь стали исследовать свойства грунтов. Когда их довольно хорошо изучили, возник вопрос, почему эти свойства такие, а не иные. Вот и пришлось заниматься изучением состава и структуры грунтов. Большой шаг в развитии представлений в этой области был сделан, когда стали использоваться оптические, а затем электронные микроскопы. Перед глазами грунтоведа открылся новый интересный мир структур.

Сейчас мы уже знаем, что по структуре все рыхлые осадочные грунты можно разделить на четыре больших класса. К первому относятся сыпучие пески. Они чаще всего состоят из зерен кварца, полевого шпата, слюд и некоторых минералов. В обычных условиях зерна не образуют между собой каких-либо существенных связей. Исследования под электронным микроскопом показали, что зерна кварца на своей поверхности, как правило, содержат тончайший слой измененного кварца (опала), окислов железа, а иногда и пленок глинистых минералов.

Эти пленки настолько малы, что для их изучения требуются специальные методы. Влияние всех этих пленок проявляется лишь тогда, когда слой песка длительное время находится под большим давлением. Вот и возникают между его зернами устойчивые связи, нарастающие с течением времени. Из таких песков в течение многих тысячелетий образуется хорошо известная всем скальная порода — песчаник.

Зерна песчаных грунтов не связаны друг с другом. Поэтому пески имеют структуру, названную раздельнозернистой, в ней частицы существуют как бы сами по себе.

Возмем другой случай, когда в тех же песках появляется некоторое количество тонких глинистых частиц (размером менее 0,001 мм). Ученые обнаружили удивительное явление. Эти тонкие частицы, оказывается, не образуют комков или каких-либо других скоплений, а создают пленки вокруг более крупных зерен (диаметром более 0,01 мм). В результате частицы контактируют между собой только через эти пленки. Толщина последних колеблется от 0,0001 до 0,003 мм. Их нельзя увидеть даже при помощи оптического микроскопа.

Поэтому когда смотришь через него на грунт с подобной структурой, видишь лишь чудесные гроздья зерен, громоздящихся в самых причудливых формах. Кажется, что вот-вот все они рассыплются. Но действующие между частицами атомно-молекулярные силы прочно удерживают их.

В последнее время эти тонкие пленки изучаются при помощи растровых электронных микроскопов. Ученые назвали эту форму структуры зернисто-пленчатой. Такой структурой обладают супеси и легкие суглинки. Нужно заметить, что подобные пленки могут образовывать не только глинистые минералы, но и окислы железа, аморфный кремнезем, органические вещества и др. В такой зернисто-пленчатой структуре прочность определяется главным образом составом зерен.

Но вот перед нами суглинистый грунт, в составе которого содержится ощутимое количество тонких глинистых частиц. Окружающие песчаные частицы глинистые пленки хорошо видны в оптическом микроскопе. Их роль в прочности такого грунта становится более заметной. В его строении широко участвуют агрегаты, крайне разнообразные по своим размерам, форме и природе образования. Поэтому такая структура и  была  названа  агрегативной. Агрегативной структурой обладают различные суглинки и некоторые типы глин.

Между зернисто-пленочной и агрегативной выделяется также переходный вид структуры — зернисто-агрегативный. В грунтах с подобной структурой глинистые пленки хорошо видны в оптическом микроскопе.

Если количество тонкой глинистой составляющей становится значительно большим, чем песчаных и пылеватых частиц, то тогда образуется новая, весьма интересная структура; в общей массе глинистого вещества как бы плавают отдельные песчинки. Как легко понять, эта глинистая масса и определяет все свойства грунта. Подобная структура характерна для различных глин. Она получила название слитной.

Давайте взглянем на структурные особенности глинистых частиц глазами специалистов в области коллоидной химии.

Советские ученые П. А. Ребиндер, Б. А. Дерягин и И. М. Горькова обнаружили, что тонкие частицы в природе в большинстве случаев окружены тончайшими пленками воды. Глинистые кристаллики отделены друг от друга прослойками влаги. Причины подобного явления связаны с атомно-молекулярными силами, действующими между молекулами воды и поверхностью минеральных частиц.

Если влажность глины по какой-либо причине возрастает, то новые молекулы воды поступают в пленки и их толщина увеличивается. Возникает своеобразный процесс, названный расклиниванием. По мере нарастания толщины пленки в новых ее слоях, все более удаленных от поверхности частиц, сила молекулярного взаимодействия заметно ослабевает. Глина из-за нарастающего расклинивания становится мягкой, а дальше вообще может потерять прочность и начнет растекаться.

Такую водно-пленочную структуру глин ученые назвали коагуляционной (от лат. coagulatio — затвердевание). При высушивании возникает противоположный процесс: глина становится все более твердой, что связано с уменьшением толщины пленок, взаимным приближением частиц и нарастанием между ними атомно-молекулярного взаимодействия.

Однако пленки на поверхности глинистых частиц могут состоять не только из воды, но и из окислов железа, карбонатов, опала и других веществ. Тогда эти образования практически не растворяются водой, или данный процесс протекает очень медленно. Тогда и размягчение грунта оказывается незначительным. Такие структуры получили наименование кристаллизационных.

Рассмотренные коагуляционные и кристаллизационные структуры вносят свою дань в формирование свойств глинистых грунтов, дополняя представления о классах структуры.



  • Моя коллекция
  • Добавить образец
  • Добавить месторождение
  • Предложить новость
  • Управление рассылкой
  • Профайл