Пустотность грунтов

 

ПОНЯТИЕ О ПУСТОТНОСТИ ГРУНТОВ 

Под пустотностью фунтов понимается пространство грунта, не за­полненное твердой компонентой, но заполненное газовой и жидкой компо­нентами или (и) биотической составляющей. Различная пустотность в фунтах отражает разные типы их структурной неоднородности, она имеет иерархи­ческий характер и проявляется на разных масштабных уровнях. По форме пустоты в фунтах могут быть каверновые, поровые, трещинные и смешан­ные (рис. 9.8).

Каверновая пустотность образована пустотами неправильной формы, в виде отдельных или сообщающихся каверн различного размера. Такая пустот­ность характерна для карстующихся и подверженных выщелачиванию грунтов.

Каверновая пустотность развивается за счет процессов растворения.

Поровая пустотность об­разована отдельными или сообщающимися порами — пустотами в частицах, агрегатах, между частицами или структурными агрега­тами грунта. Это наиболее характерная пустотность для осадочных дисперс­ных грунтов. По форме и размеру поры могут быть весьма разнообразны.



Трещинная пустотность образована отдельными или сообщающимися тре­щинами разной протяженности, ориентации и раскрытости. Она характерна для скальных грунтов любого генезиса.

Смешанная пустотность образована разными сочетаниями отдельных ви­дов пустотности. Выделяют каверново-поровую, каверново-трещинную, порово-трещинную, трещинно-поровую, трещинно-каверновую пустотности и др. При этом в названии на первое место ставится подчиненная пустотность. Смешанная пустотность характерна для разных типов скальных грунтов.

Абсолютно сплошных грунтов не существует — для всех характерна пус­тотность. Особенности пустотности грунтов определяют многие их важней­шие свойства, такие, как прочность и деформируемость, транспортные ха­рактеристики (параметры тепло-массопереноса). Кроме того, пустотность грун­тов определяет многие емкостные характеристики, т. е. параметры, отражающие содержание каких-либо субстанций — массы компонентов и энергии.

ПОРОВАЯ ПУСТОТНОСТЬ ГРУНТОВ

Поровая пустотность в той или иной мере характерна абсолютно для всех грунтов. Количественно она характеризуется двумя основными показателями: пористостью (п) и коэффициентом пористости (е).

Пористостью (п) называется отношение объема пустот (пор) ко всему объему грунта, выраженное в %, а коэффициентом пористости (е) — отношение объема пустот (пор) к объему твердой фазы грунта, выраженное в долях единицы. Эти показатели связаны друг с другом соотношениями

п = 100е/(1 + е); е = «/(100 - п).

Кроме того, они могут быть найдены через другие показатели физических свойств грунтов по формулам:

и = (Р, — Pd)/Ps; е = (Р, - Pd)/Pd' где ps — плотность твердой компоненты; pd — плотность скелета грунта.

Пористость и коэффициент пористости являются показателями емкост­ных свойств грунта, так как поры являются вместилещем, емкостями для других компонентов грунта. С учетом оценки изолированности пор выделяют общую (п), открытую (по) и закрытую (п) пористость, которые связаны со­отношением

п = п + п.

Открытая пористость (по) грунта обусловлена сообщающимися порами, закрытая — изолированными, а общая учитывает оба вида пор. Открытая пористость обусловливает транспортные свойства грунта — его способность пропускать сквозь себя жидкости или газы. Закрытая пористость в процессах переноса вещества прямо не участвует.

Величина пористости колеблется в широких пределах у грунтов разных типов. Наименьшие ее значения (доли %) характерны для невыветрелых интрузивных и метаморфических грунтов, а наибольшие (до 80% и более) — для высокодисперсных осадочных грунтов — илов, набухших глин и др.



По размеру и генетической принадлежности поры подразделяются на ряд категорий, указанных в табл. 9.1.

МОРФОЛОГИЯ ПОР И ПРИУРОЧЕННОСТЬ К СТРУКТУРНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ ГРУНТОВ

По морфологии выделяются следующие виды пор в грунтах (Соколов, 2001):

1)  изометричные — отношение линейных размеров двух наиболее различа­ющихся сечений не превышает 1,5. Размер поры в этом случае характеризует­ся диаметром крута, описывающего ее;

2)  анизометричные — отношение линейных размеров двух наиболее разли­чающихся сечений изменяется от 1,5 до 10. Обычно при описании размера указывают длину и ширину поры (в некоторых случаях можно указать только среднюю ширину);

3)  щелевидные — отношение линейных размеров двух наиболее различаю­щихся сечений превышает 10. Размер таких пор характеризуется только их шириной.

Наиболее сложной морфологией пор характеризуются глинистые грунты. Наличие в глинистых грунтах структурных элементов различных размерных уровней, отражающих иерархичность их структуры, обусловливает существо­вание в них нескольких видов пор (рис. 9.9). Среди них выделяются межчас­тичные, межультрамикроагрегатные, межмикроагрегатные, межагрегатные, межзернистые, межмикроагрегатно-зернистые, внутризерновые и поры био­генного происхождения (Грабовска-Ольшевска и др., 1984).



Межчастичные поры возникают внутри ультрамикроагрегатов и микроаг­регатов в результате неплотного взаимного прилегания первичных частиц (см. рис. 9.9, а). Размеры и формы этих пор определяются морфологией взаимо­действующих частиц, размером и характером контактирования. Внутри ульт­рамикроагрегатов межчастичные поры имеют щелевидную форму с макси­мальной шириной не более 0,1 мкм (ультрапоры). При отсутствии в породе ультрамикроагрегатов в микроагрегатах встречаются анизометричные поры шириной до 0,5 мкм, которые также можно называть межчастичными, или внутримикроагрегатными.

Межультрамикроагрегатные поры образуются между ультрамикроагрегатами и могут иметь самую различную конфигурацию в зависимости от про­странственного расположения ультрамикроагрегатов (см. рис. 9.9, б). Преобла­дают щелевидные и анизометричные поры, ширина первых не превышает 0,3 мкм, а вторых достигает 1 мкм.

Межмикроагрегатные поры возникают между микроагрегатами и характе­ризуются большим разнообразием размеров и формы (рис. 9.9, в). Морфоло­гия этих пор во многом зависит от степени литификации глинистых пород. Для молодых слаболитифицированных осадков характерны открытые меж­микроагрегатные микропоры диаметром до 15 мкм. У глинистых пород сред­ней степени литификации преобладают изометричные межмикроагрегатные микропоры диаметром не более 5 мкм, а у пород высокой степени литифика­ции — узкие щелевидные микропоры шириной до 1,5 мкм.

Межагрегатные поры в глинистых породах осадочного происхождения встречаются редко. Они характерны для некоторых видов элювиальных глин и широко развиты в лёссовых породах (рис. 9.9, г). Поры обычно изометричные, реже анизометричные, их размер изменяется от нескольких до десятков мик­рометров.

Межзернистые поры присутствуют в глинистых породах с высоким содер­жанием песчаных и пылеватых зерен. Возникающие между зернами изомет­ричные и анизометричные микропоры имеют размеры от нескольких до де­сятков микрометров (рис. 9.9, д).

При определенном сочетании глинистого материала и обломочных зерен в глинистых породах образуются микропоры более сложного строения — межмикроагрегатно-зернистые (рис. 9.9, е), преимущественно изометричные и анизометричные размером от нескольких до 20 мкм.

В глинистых породах, содержащих карбонатные обломочные зерна, а так­же включения микрофлоры и микрофауны, имеются внутризерновые поры (рис. 9.9, ж) и поры биогенного происхождения (рис. 9.9, з).

Морфология поровой пустотности является важнейшим диагностическим признаком микростроения грунтов, поскольку чаще всего при микрострук­турных исследованиях количественно оценивается не твердый скелет, а именно параметры пор.

ТРЕЩИННАЯ ПУСТОТНОСТЬ ГРУНТОВ

Трещины в грунтах имеют различное происхождение. Одна из генетичес­ких классификаций трещин в грунтах показана в табл. 9.2.

Наряду с генетическими признаками трещин не менее важно оценить их морфологические особенности — протяженность, ширину раскрытия, запол­ненность, преимущественную ориентацию и др. (рис. 9.10). Чрезвычайное раз­нообразие форм и размеров трещин у разных грунтов вызывает определенные трудности в их количественной оценке.

Основные морфологические параметры трещин и их морфогенетическая классификация показаны в табл. 9.3.




Для их наиболее полной оценки в настоящее время применяют автомати­ческие анализаторы изображений, позволяющие по шлифам, аншлифам, макро - и микрофотографиям полированных поверхностей образцов с помо­щью ЭВМ оперативно получить объективные количественные характеристики. Трещинная пустотность грунтов в целом оценивается рядом показателей: трещинной пористостью (ит) — оцениваемой аналогично пористости как отношение суммарного объема трещин к объему всего грунта, выраженное в %; этот показатель рассчитывается через плотность скелета и плотность твердого компонента по вышеприведенным формулам;

коэффициент трещинной пустотности (Кт), предложенный Л. И. Нейштадт, рав­ный отношению площади трещин в какой - либо плоскости к общей площади этой плос­кости; по этому показателю грунты делятся на ряд категорий (табл. 9.4).