Структурные связи в грунтах.

В дисперсных материалах, к которым принадлежат глинистые грунты, представляющие сложнейшие минерально-дисперсные образования, прочностные свойства зависят не столько от прочности (очень большой) отдельных минеральных зёрен, сколько от структурных особенностей глинистых грунтов. Среди них одно из важнейших мест занимают структурные связи между отдельными минеральными частицами и их агрегатами.

Природа этих связей весьма сложна и определяется комплексом действующих в грунте внешних и внутренних энергетических полей, в основе которых лежат молекулярные силы электромагнитной природы.

Характер их действия зависит от поверхности раздела фаз, химической природы твёрдых минеральных частиц, структуры и свойств веществ, заполняющих межчастичные пространства.

Молекулярные силы, непосредственно взаимодействующие между твёрдыми частицами (силы Ван-Дер-Ваальса), могут возникать лишь при очень тесных контактах между твёрдыми частицами и расстояниях между ними порядка нескольких рядов молекул (но не более десятков). Такие расстояния могут иметь место в грунтах, состоящих из твёрдых частиц и подвергнутых значительной величине внешнего давления, трансформируемого в точках контакта в огромные силы, или же в грунтах влажных, но очень плотных, в которых под влиянием внешнего давления плёнки связанной воды и коллоидные оболочки частиц продавлены. Силы Ван-Дер-Ваальса огромны, но суммарное их действие зависит от непосредственных точек контакта, которых в грунтах вообще мало.

В зависимости от свойств минеральных частиц и заполняющих поры грунтов водных растворов, а также условий первичного накопления минеральных осадков и последующего их литогенеза (превращения их в горную породу) путём прохождения стадии седиментации (образования осадков), диагенеза (превращения осадков в твёрдые породы) и метаморфизма (преобразования пород), структурные связи грунтов могут быть весьма различными.

По своей природе структурные связи разделяются на:

1. водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные) – вязкопластичные, мягкие, обратимые;

2. кристаллизационные – хрупкие (жёсткие), необратимые – водостойкие и неводостойкие.

Водно-коллоидные связи обуславливаются электромолекулярными силами взаимодействия между минеральными частицами, с одной стороны, и плёнками воды и коллоидными оболочками – с другой.

Различают коагуляционные водно-коллоидные связи (возникающие при выпадении частиц в воде и свёртывании коллоидов при наличии электролитов) и конденсационные водно-коллоидные связи (возникающие при уплотнении коагуляционных структур до прямого соприкосновения друг с другом минеральных частиц и путём образования студней при полимеризации гелей).

Величина этих сил зависит от толщины плёнок и оболочек. Чем тоньше водно-коллоидные оболочки, т. е., чем меньше будет влажность водонасыщенных грунтов, тем водно-коллоидные связи будут больше, так как с уменьшением толщины оболочки увеличивается молекулярное притяжение диполей связанной воды и склеивающее действие веществ, обусловленное и некоторым растворением в воде глинистых частиц.

Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы; при увеличении влажности быстро уменьшаются до величин, близких к нулю.

Кристаллизационные связи образуются в процессе последующего диагенеза глинистых грунтов путём возникновения зародышей твёрдых кристаллических тел, их роста и взаимного срастания под действием междуатомных химических сил.

Прочность этих связей зависит от состава минералов. Так, менее прочны и водостойки связи, образуемые гипсом и кальцитом, в то время как опал, окислы железа и кремния дают более прочные и водостойкие кристаллизационные связи.

Грунты с кристаллизационными неводостойкими связями обладают промежуточными свойствами между грунтами с коллоидными и кристаллизационными связями. Эти связи образуются независимо от величины поверхности минеральных частиц путём возникновения спаек из аморфных веществ, природных цементов, гуминовых соединений и клеев, прочность которых зависит от содержания в них воды.