Контакты между структурными элементами грунтов

 

ТИПЫ и ФОРМА КОНТАКТОВ ЧАСТИЦ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

Твердые структурные элементы грун­та (зерна, кристаллы, частицы и т. п.), находящиеся в воздушной среде, когда на поверхности частиц присутствует только прочносвязанная вода, образу­ют и сохраняют контакты следующих ти­пов: переходные, фазовые, цементационно-кристаллизационные и механичес­кие (рис. 8.1 и 8.2).

Переходные (или точечные) контакты плоских, угловатых или ок­руглых частиц представляют собой уча­стки непосредственного, сухого контак­та взаимодействующих твердых поверх­ностей. Площадь такого контакта очень маленькая и зависит от геометрии со­прикасающихся частиц (см. рис. 8.1).


Такие контакты характерны для дисперсных связных и несвязных грунтов в сухом состоянии, когда пленки связанной воды вокруг частиц отсутствуют или представлены тонкими слоями адсорбционной воды. Они участвуют в формировании агрегатов из различных по размеру частиц, сохраняющихся в воздушной атмосфере, но не устойчивых в воде, а также формируют в основ­ном физические структурные связи в грунтах.

Фазовые контакты между частицами в воздушно-сухих грунтах обра­зуются при действии давления и температуры. В таком контакте сцепление осуществляется в основном за счет химических взаимодействий на межфаз­ной границе соприкасающихся минеральных частиц, так называемой «холод­ной спайки», в которой существенное значение имеет диффузия компонентов через межфазную границу. Такие контакты в воздушной среде обладают отно­сительно высокой прочностью и необратимо разрушаются при деформирова­нии.

Цементационные и кристаллизационные контакты, в отли­чие от точечных, имеют большую площадь соприкосновения структурных элементов и являются результатом химических и физических взаимодействий между структурными элементами. Они также необратимо разрушаются при внешних воздействиях. Такие контакты характерны для осадочных сцементи­рованных фунтов, а также для некоторых магматических и метаморфических. В пылевато-глинистых дисперсных фунтах в той или иной степени могут при­сутствовать такие контакты. В частности, они широко распространены в лёссах, в которых они могут формировать как контакты между отдельными пылеватыми частицами (рис. 8.3, а), так и глобулярные агрегаты сложного стро­ения (рис. 8.3, б).

Большинство из них формируется в жидкой среде или с участием пленок жидких фаз, когда на контакте частиц выкристаллизовываются новобразования, цементирующие частицы. Поэтому их называют кристаллизационно-цементационными. Однако такие контакты сохраняются в фунтах и в воз­душной среде. Они могу! различаться по составу помета, который может быть карбонатным, кварцевым, состоять из лег­корастворимых солей, органоминеральных ком­плексов и др.

Механические контакты грунтовых частиц в газовой среде представляют собой контакты механического зацепления и «сухо­го» трения. Механическое сцепление может возникать между структурными элементами контакта механического зацепления частиц.

Последнее зависит от формы частиц и харак­тера их поверхности: чем сложнее форма частиц, тем легче осуществляется их сцепление за счет зацепления неровностями, шероховатостями и выступами. Окатанные частицы не обладают механическим сцеплением. Сцепляясь не­ровностями и выступами (рис. 8.4, область А) частицы могут осуществлять довольно прочные связи механического сцепления и зацепления, величина которых F бывает соизмерима с прочностью самих частиц.

В механических контактах кроме зацепления определенную роль играет и трение в плоскости контакта двух взаимодействующих поверхностей. Его ве­личина, характеризуемая коэффициентом трения, зависит от состава среды в зоне контакта. В газовой среде трение выше, чем в жидкой. Поэтому прочность сухого механического контакта обычно выше, чем при наличии жидкости.

ТИПЫ И ФОРМА КОНТАКТОВ ЧАСТИЦ С УЧАСТИЕМ ЖИДКОСТИ

В жидких средах форма контактов между структурными элементами не­мерзлых (рис. 8.5) и мерзлых (рис. 8.6) грунтов иная. Здесь необходимо разли­чать два случая: 1) контакты в двухфазных системах «твердая фаза—жидкость» и 2) контакты в трехфазных системах «твердая фаза—жидкость—газ». В пер­вом случае между частицами могут образовываться контакты в жидкости без участия воздуха, например коагуляционные, цементационные или механи­ческие. Во втором случае воздух участвует в формировании контакта, напри­мер капиллярного и др.


Коагуляционные контакты образуются при взаимодействии дис­персных частиц друг с другом через слои связанной воды или воды переход­ного состояния. Частицы в воде окружены слоями связанной воды, а в элек­трическом отношении они окружены и электрическим полем за счет образо­вания ДЭС. Поэтому взаимодействие двух таких частиц друг с другом осуществляется с участием пленок связанной воды и электрических полей ДЭС. Сближение частиц свободно может происходить лишь до расстояния, равного 2h, где h — толщина ДЭС и слоя связанной воды вокруг частицы (рис. 8.7, а). Такой контакт, например, имеет монтмориллонитовая глина в состо­янии полного набухания. Дальнейшее сближение частиц на расстояния мень­ше 2h возможно лишь при деформировании ДЭС или слоя связанной воды, на что необходимо затратить дополнительную работу. Кроме того, дальнейшему сближению частиц препятствует и отталкивание одноименно заряженных ДЭС.

Если же такая дополнительная работа по сближению частиц затрачена, то частицы могут сближаться на расстояния меньше 2h, вплоть до непосредствен­ного соприкосновения частиц и формирования точечного контакта. 

Точечный контакт с участием жидкой фазы может переходить при гидра­тации грунта обратно в коагуляционный. Поэтому его и называют переход­ным контактом. Схема постепенного перехода от коагуляционного кон­такта к точечному контакту частиц грунта и обратно при их дегидратации—

гидратации показана на рис. 8.8. Коагуляционные и пере­ходные контакты, таким об­разом, являются обратимы­ми (обратимо-разрушающимися). Типичным примером [Г' такого перехода являются глинистые фунты: влажные контакты, которые при (в) контакту и обратно при дегидратации-гидрата - высушивании глины транспортации грунта формируются в точечные.

При этом глина приобретает относительно высокую прочность. Увлажнение сухой глины переводит ее кон­такты из точечных снова в коагуляционные, при этом глина теряет проч­ность, становится мягкой и пластичной.

С учетом ориентировки взаимодействующих пластинчатых частиц коагу­ляционные и точечные контакты в глинах могут быть типа «базис—скол», «скол—скол» или «базис—базис» (рис. 8.9 и 8.10). Контакты типа «базис—скол» и «скол—скол» характерны для нелитифицированных, не уплотненных грун­тов, обладающих крупными порами. Они распространены, например, в молопластичны, легко разрушаются.

Контакты типа «базис—базис» (рис. 8.9) характерны для литифицированных, уплотненных грунтов, обладающих мелкими порами. Они распростране­ны, например, в древних глинистых осадках, литифицированных, уплотнен­ных глинах. Прочность таких контактов намного больше, чем у рассмотренных выше контактов типа «базис—скол», поскольку у них больше площадь сопри­касающихся фаз, обеспечивающая плотное примыкание поверхностей взаи­модействующих частиц. Поэтому грунты с такими контактами при прочих одинаковых условиях обычно трудно сжимаемы, менее пластичны, они ха­рактеризуются более высокой прочностью.

Капиллярные контакты между дисперсными частицами в грунтах образуются в трехкомпонентных системах «твердая фаза—жидкость—газ»» за счет капиллярных менисков жидкости, располагающихся в виде манжет не­посредственно в контактном зазоре (рис. 8.11). Такие контакты характерны для частиц в не полностью увлажненных песках, супесях и пылеватых фунтах. В зависимости от размера частиц и степени водонасыщения фунта размер ка­пиллярных манжет, а главное радиусы их кривизны, могут меняться в широких пределах. При увеличении их размера соседние манжеты могут сливаться.


Капиллярные контакты, как и рассмотренные выше коагуляционные, являются обратимо разрушающимися при гидратации—дегидратации: в сухих грунтах они исчезают при уменьшении и исчезновении манжет; во влажных фунтах они постепенно исчезают по мере водонасыщения и перехода грунта от трехфазной к двухфазной системе. Это относительно слабые по прочности контакты, однако их на­личие в песчаных грунтах способно обеспечить некоторую связность грунтов, называемую капиллярной.

Следует иметь в виду, что доля площади истинных кон­тактов между частицами в общем сечении (А) трехкомпонентного грунта составляет лишь небольшую величину (рис. 8.12). При этом на контакте двух частиц или зерен можно выделить истинную площадь соприкосновения твердых частиц (Д.), площадь сечения капилляр­ных манжет (Ап) и площадь сечения, приходящуюся на поровый воздух (AJ (см. рис. 8.12, б).

Механические контакты с участием пленок жидких фаз в грунтах аналогичны по форме таковым в газовой среде, которые были рассмотрены выше (см. рис. 8.1), с той лишь разницей, что контактный зазор в них запол­нен поровой жидкостью. Реальная площадь механического контакта между ча­стицами вследствие неровностей поверхностей может быть очень мала (рис. 8.13, а, точка А). Вследствие этого механическая сила, действующая на части­цу, отнесенная к площади истинного контакта, может достигать огромных ве­личин, превышающих прочность самих частиц. Поэтому в зонах точечных меха­нических контактов обычно действуют относительно высокие напряжения.

Водные пленки на механических контактах частиц участвуют в формиро­вании прочности таких контактов. Чаще всего наличие водной пленки в кон­тактном зазоре снижает коэффициент трения, и прочность таких механичес­ких контактов уменьшается по сравнению с воздушной средой.

Особенно сильное влияние на механический контакт в грунтах оказывают пленки поверхностно-активных (ПАВ) жидкостей. Молекулы ПАВ способны определенным образом ориентироваться в контактном зазоре вдоль границы раздела «твердое тело—жидкость», формируя мономолекулярный слой, и тем самым еще больше снижать трение и поверхностную энергию системы (см. рис. 8.13, б).

В жидкой среде, как и в газовой, могут существовать и цементацион­ные контакты между частицами. Примером таких контактов могут служить две плоские частицы, сцементированные в контактном зазоре (см. рис. 8.5) и окруженные жидкостью. Как и в газовой среде, это контакты необратимо разрушающиеся. Наличие жидкости вокруг такого контакта в целом снижает его прочность (по сравнению с газом), а в случае растворимости цемента может приводить к его полному разрушению. В результате растворения наибо­лее быстро разрушаются цементационные контакты, состоящие из легкора­створимых солей и соединений. В мерзлых грунтах эти контакты образуются с участием жидкой фазы — пленки незамерзшей воды, находящейся в термоди­намическом равновесии со льдом как в двухфазных системах «твердый компо­нент—вода», так и в трехфазных системах «твердый компонент—вода—воз­дух» (см. рис. 8.6). Такие цементационные контакты называются криогенными.

ТИПЫ И ФОРМА ТВЕРДОФАЗОВЫХ КОНТАКТОВ

Фазовые контакты в поликристаллических грунтах существуют в твер­дой среде без непосредственного участия жидкостей или порового воздуха. Это контакты между отдельными кристаллами, зернами, их обломками и т. п. (рис. 8.14).

Непосредственная площадь такого контакта обычно значительна и соиз­мерима или равна площади всей внешней поверхности частиц или кристал­лов, поскольку каждый кристалл окружен контактирующими с ним соседни­ми кристаллами. Большая площадь контакта обеспечивает его высокую отно­сительную прочность и вследствие этого придает высокую прочность всей породе в целом. Это контакты необратимо разрушающиеся, они не могут са­мопроизвольно восстанавливаться.

В то же время границы между твердофазовыми контактами нельзя рас­сматривать как абсолютно непроницаемые для других фаз и не имеющие тол­щины. Современные исследования показывают, что эти границы имеют тол­щину, что именно по этим границам развиваются дефекты структуры при деформировании пород, происходит внедрение жидких фаз, начинается раз­рушение при выветривании и т. д. (рис. 8.15).

Такие контакты характерны для различных типов магматических, мета­морфических и осадочных сцементированных грунтов. Формируются они в ходе кристаллизации магмы, перекристаллизации пород, их промерзания с участием фазовых переходов «вода—лед» и т. д. Они характерны и для широко­го класса мерзлых грунтов с ледяным цементом, особенно крупнообломоч­ных, а также выветрелых магматических и метаморфических разностей. Такие контакты в мерзлых грунтах называются криогенными.