Классификация глинистого грунта

Чрезвычайно важным моментом при взаимодействии частиц глинистых  минералов с водой является формирование вокруг их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) [1, 2]. Внутренняя часть ДЭС  образована отрицательно заряженной поверхностью глинистой частицы, а внешняя  состоит из адсорбционного и диффузного слоев гидратированных катионов. Структура ДЭС во многом зависит  от pH и концентрации солей раствора, в котором он формируется. Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциируется по щелочному типу:

В щелочной среде скол диссоциирует по кислому типу:

Al(OH)3 = Al(OH)2O- + H+

В результате этого процесса боковой скол глинистой частицы  в кислой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной - отрицательно. Изменение заряда на торцевых участках глинистых частиц приводит к формированию в щелочных условиях одноименно заряженных, а в кислых и нейтральных знакопеременных ДЭС.

Толщина диффузного слоя зависит  от состава и концентрации солей  в водном растворе, окружающем частицы  глинистых минералов. Она максимальна  при отсутствии солей и резко  сокращается по мере увеличения их концентрации. Подобное поведение ДЭС  в различных физико-химических условиях является одним из главных факторов, регулирующих процессы структурообразования в глинистых осадках, и оно  оказывает сильное влияние на формирование свойств глинистых пород в ходе их геологического развития.

2.Структура глинистых пород

Другим важным фактором, определяющим свойства глинистых пород, является их структура. Под структурой понимают размер, форму, характер поверхности  и количественное соотношение структурных  элементов, их ориентацию в пространстве и тип структурных связей [3].

Изучение структуры горных пород проводится на макро- и микроуровнях. На первом выявляют все особенности строения породы визуально, а на втором - с помощью оптических и растровых электронных микроскопов (РЭМ). По отношению к тонкодисперсным глинистым породам изучение их микроструктуры приобретает особое значение.

Микроструктура глинистых  пород - чуткий индикатор условий  формирования породы, а различное  сочетание ее признаков находится  в тесной взаимосвязи со свойствами. В работах [3, 4] были подробно рассмотрены  типы микроструктур глинистых пород  и особенности их формирования в  ходе истории геологического развития. Однако для объяснения многих свойств глинистых пород, и в первую очередь прочностных и деформационных свойств глин, помимо морфологических особенностей частиц и пор, слагающих породу, чрезвычайно большую роль играет характер структурных связей, то есть сил, действующих между минеральными частицами.

В зависимости от состава  и структуры глинистой породы между частицами могут существовать такие виды взаимодействий, как гравитационные, магнитные, молекулярные, электростатические, ионно-электростатические, силы поверхностного натяжения и силы, обусловленные  химическими связями. Эти силы действуют  не по всей межфазной границе частиц, а только в местах их непосредственных контактов. Характер индивидуальных контактов, а также их количество являются важными  показателями структуры породы, от которых зависят ее прочностные  и деформационные свойства.

В глинах между минеральными частицами возможно формирование трех типов контактов: коагуляционных, переходных и фазовых. Коагуляционные контакты преобладают у молодых глинистых осадков и слабоуплотненных глин. Их характерной особенностью является наличие между частицами тонкой равновесной пленки жидкости (связанной воды), толщина которой зависит от физико-химических факторов, достигая нескольких десятков нанометров (рис. 1, а). Притяжение частиц в коагуляционном контакте обусловлено дальнодействующими молекулярными, магнитными и электростатическими взаимодействиями. Важными особенностями коагуляционных контактов являются малая прочность (10-11-10- 9 Н) и обратимый характер разрушения. После разрушения они могут быстро восстанавливаться. С этим связано явление тиксотропии молодых глинистых осадков, заключающееся в потере прочности при динамических воздействиях и ее восстановлении после снятия таких воздействий.

Переходные контакты распространены в водонасыщенных плотных глинистых породах, а также в не полностью водонасыщенных глинах, находящихся в сухом и слабовлажном состояниях. Они характеризуются небольшой (точечной) площадью соприкосновения и образованием между частицами относительно прочной связи (10- 8-10- 7 Н) за счет действия ионно-электростатических и химических (валентных) сил). Отличительной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воздействию воды, то есть способность переходить в коагуляционные контакты при увлажнении породы и восстанавливаться при высыхании.

Фазовые контакты развиты  у сильно уплотненных сцементированных глин, аргиллитов, глинистых сланцев. Они характеризуются наличием непосредственного  соприкосновения между минеральными частицами на значительной контактной площади или развитием на контакте новой фазы (кремнезема, гипса, карбонатов), цементирующей минеральные частицы  и микроагрегаты. Первый тип фазовых  контактов часто называют кристаллизационным, а второй - цементационным. Фазовые  контакты образованы ионно-электростатическими  и химическими силами, что обусловливает  их высокую прочность. Глинистые  породы с фазовыми контактами слабо  теряют свою прочность и не пластифицируются при увлажнении.

В ходе геологического развития глинистых пород наблюдаются  закономерная смена типов контактов  и изменение их прочности. Так, при  гравитационном уплотнении молодые  глинистые осадки превращаются в  пластичные глины. При этом происходит преобразование коагуляционных контактов в переходные. Дальнейшее уплотнение глин на больших глубинах при высоких давлениях и температурах приводит к трансформации переходных контактов в фазовые и формированию таких прочных глинистых пород, как аргиллиты и глинистые сланцы.

Как правило, глинистые породы, характеризующиеся присутствием того или иного типа контактов, обладают определенными свойствами. Таким  образом, зная прочность этих контактов, можно оценить величину и тип  структурных связей и дать прогноз  прочностного поведения глинистой  породы в различных условиях.

Несомненно, расчет прочности  контактов между глинистыми частицами - чрезвычайно сложная задача. Ее решение затрудняется очень малым  размером глинистых частиц и необходимостью иметь прецизионное оборудование для  изучения слабых взаимодействий.

Глинистые грунты относятся  к группе связных. Они являются продуктом  механического распада и химического  разложения горных пород. Глинистые  грунты представляют собой агрегаты мельчайших глинистых частиц чешуйчатого строения (слюда, хлорит и др.) размером менее 0,005 мм и песчаных — зернистых частиц разных размеров.

Чешуйчатая и мелкозернистая (пылеватая) фракции глинистых грунтов  имеют большую удельную поверхность  соприкасания и тонкие капилляры. Такое строение грунтового скелета и наличие пленок воды, обволакивающей частицы, придают глинистым грунтам связность и способность деформироваться под влиянием нагрузки во влажном состоянии без появления трещин на поверхности. Связность глинистых грунтов увеличивается с уменьшением влажности. Глинистые грунты благодаря своей структуре обладают малым коэффициентом фильтрации и слабой водопроницаемостью. Водопроницаемость глинистых грунтов увеличивается с увеличением размеров и количества зернистых частиц.

По процентному содержанию глинистых частиц различают глины, суглинки и супеси, а по размерам песчаных частиц — глинистые, глинисто-пылеватые  грунты. Классификация глинистых  грунтов по зерновому составу, принятая в дорожном деле, приведена в табл. 1. 

По консистенции глинистые  грунты подразделяются на твердые, пластичные и текучие. При этом по мере насыщения водой твердые глинистые грунты размягчаются и переходят сначала в пластичное, затем в текучее состояние. Процентное содержание воды при переходе из одного состояния консистенции в другое является пределом (границей) пластичности.

Таблица 1

Классификация глинистых  грунтов по зерновому состав: 

Каждый вид глинистого грунта имеет два предела пластичности. Нижний предел Wp соответствует минимальной влажности, при которой грунт из твердого состояния переходит в пластичное, и называется границей раскатывания. Верхний предел Wt соответствует максимальному проценту влажности, при котором глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее. 

Глинистые грунты в зависимости  от числа пластичности подразделяются на следующие виды:

Разность влажностей между  верхним и нижним пределами пластичности называется числом пластичности.

Так, например, если природная  влажность грунта равна 28 %, влажность нижнего предела пластичности W_Р=21 %, верхнего W_Т=48 % и число пластичности W_П=48 – 21=27 %, то это указывает на то, что, во-первых, грунт принадлежит к виду глинистых, так как число пластичности W_П=27 > 17, и, во-вторых, глина находится в пластичном состоянии, так как природная влажность ее — между верхним и нижним пределами пластичности (48 > 27 > 21).

Число пластичности глинистых  грунтов является условной характеристикой, определяющей их строительные свойства — плотность, влажность и сопротивление сжатию. С уменьшением влажности плотность возрастает, а сжимаемость уменьшается. С увеличением влажности плотность уменьшается, а сжимаемость увеличивается.

Из изложенного видно, что физические свойства песчаных грунтов  отличаются от физических свойств глинистых  грунтов. Следовательно, эти грунты отличаются друг от друга и строительными качествами.

1. Влажность песчаных грунтов колеблется от 0 % (сухой песок) до 30–45 % (насыщенный водой песок), то есть процент влажности песчаных грунтов (при полном насыщении) равен проценту пустотности и его объем не изменяется с увеличением влажности. В глинистых же грунтах влажность колеблется от 3 % (сухая глина) до 80–90 % (разжиженная глина), причем по мере насыщения их водой объем глинистых грунтов значительно увеличивается за счет изменения объема пустот между частицами — утолщения капиллярной воды.
2. Плотность песчаных грунтов (гравелистых, крупно- и среднезернистых, за исключением мелкозернистых и пылеватых) не зависит от влажности песка; песчаный грунт может быть насыщенным водой и одновременно плотным. Плотность же глинистых грунтов является функцией давления и влажности, так как сухая глина всегда плотная, а влажная или насыщенная водой всегда пластична или соответственно текучая.
3. В песчаных грунтах силы взаимодействия между частицами весьма малы (влажный песок) или отсутствуют (сухой песок или насыщенный водой песок), и потому песчаные грунты сыпучи. Глинистые же. грунты благодаря водо-коллоидным пленкам, обволакивающим частицы, обладают силами взаимодействия — связностью.
4. Уплотнение и осадка песчаных грунтов происходит одновременно с приложением силы, а глинистых грунтов — постепенно, в течений длительного времени после приложения нагрузки.
5. Песчаные грунты водопроницаемы, глинистые — водонепроницаемы или слабоводопроницаемы (суглинки) в зависимости от процентного содержания в них зернистых частиц и их диаметров.

Свойства глинистых  грунтов

Зная факторы, определяющие свойства глинистых пород, и методы оценки минерального состава и микроструктуры, попытаемся объяснить природу некоторых  важных и весьма специфических свойств глин, имеющих большое значение в жизни людей.

1.Набухаемость

Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами [1]. Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы и возникновением давления набухания.