Механика грунтов

Восстановление является процессом, обратным окислению и заключается в потере веществом части или всего содержащегося в нём химически связанного кислорода. В условиях поверхности суши свободный кислород, содержащийся в атмосфере и водных растворах, обычно приводит к окислению продуктов выветривания и восстановление при этом не может проявляться. Оно участвует в выветривании там, где нет свободного кислорода. В условиях болот все поры пород и покрывающей их рыхлой коры выветривания заполнены водой, в которую за счёт отмирания болотнй растительности поступает много органических веществ. Все они являются сильными восстановителями, так как легко соединяются с кислородом при своём разложении. При этом не только используется весь растворённый в воде кислород, но и отнимается часть его, химически связанная в минералах породы. В результате этого окись железа Fe₂O₃ переходит в закись FeO, гидраты которой имеют зеленоватый цвет. Возникает серо-зелёная или сизая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники и называемая в почвоведении глеем. Процесс его образования называется оглеением. Наряду с этим при выветривании в восстановительной среде может происходить и образование ряда минералов, бедных или лишённых О₂ и обычно отсутствующих в коре выветривания (пирит и др.).

В результате химического выветривания образуются такие ценные полезные ископаемые, как каолин, бокситы, некоторые железные руды.

Органическое выветривание.

Разрушение горных пород организмами  осуществляется физическим или химическим путём. Простейшие растения - лишайники - способны селиться на любой горной породе и извлекать из неё питательные  вещества с помощью выделяемых им органических кислот; это подтверждается опытами посадки лишайников на гладкое  стекло. Через некоторое время  на стекле появлялось помутнение, свидетельствующее  о частичном его растворении. Простейшие растения подготавливают почву  для жизни на поверхности горных пород более высокоорганизованных растений.

Древесная растительность иногда появляется и на поверхнсти горных пород, не имеющей рыхлого почвенного покрова. Корни растений используют при этом трещины в породе, постепенно их расширяя. Они способны разорвать даже очень плотную породу, так как тургор, или давление, развиваемое в клетках ткани корней, достигает 60-100 атм. Значительную роль в разрушении земной коры в её верхней части играют земляные черви, муравьи и термиты, проделывающие многочисленные подземные ходы, способствуя проникновению вглубь почвы воздуха, содержащего влагу и СО₂ - мощные факторы химического выветривания.

2.1. Роль физического, химического и других видов выветривания

Способствуя дроблению и  химико-минералогическому преобразованию горных пород, выветривание облегчает  воздействие на породу всех других агентов денудации — ветра, движущихся вод, льда и снега.Обломки пород и измельченные или растворимые минералы легче оторвать от массива и унести в виде взвесей (мути, пыли) или в растворе. Оставшиеся на месте продукты называются корой выветривания, ав верхней наиболее преобразованной зоне — элювием. Ослабляя, разрушая или преобразуя структурные связи, выветривание" делает горные породы менее прочными, ухудшая строительные свойства последних.

При проектировании зданий и  сооружений на элювии или коре выветривания как" на основании сильно ослабленные  породы вырезают или упрочняют, уплотняя, цементируя их и т. д. Крутизну откосов  выемок назначают, принимая в расчет прочность пород элювия и коры выветривания, возможность изменения  ее после вскрытия массива выработкой и, следовательно, обнажения новых  поверхностей. Элювий неоднородного строения и состава, в котором по простиранию и глубине разреза часто чередуются участки глинистого (суглинистого) и дресвяно-песчаного материала, не рекомендуется укладывать в тело земляных сооружений во избежание создания очагов скопления влаги в песке и дресве среди не пропускающего воду глинистого материала.

2.2. Структура и текстура грунта

При свободном падении  частиц, имеющих размеры песчаного  зерна (более0,05 мм), образуется простая зернистая структура, в которой преобладают силы тяжести по сравнению с коллоидными (осмотическими) силами, в результате чего наблюдается наибольшее число контактов твердых частиц. Формирование структуры природных грунтов с твердыми. Размер контактных площадок зависит от формы минеральных частиц, а возникающие в контактах электромолекулярные силы зависят от состояния поверхности частиц и минералогического их состава. Так как силы взаимодействия между минеральными частицами намного меньше по сравнению с их весом, то частица падает свободно, скатываясь в углубления, и образует рыхлую зернистую структуру. Если грунт подвергнуть встряхиванию, то произойдет перемещение частиц, грунт уплотнится (в единице объема грунта минеральных частиц станет больше) и примет плотную зернистую структуру.

При свободном падении  частиц в воде в точках соприкасания они будут соединены адсорбированными пленками воды. Если силы сцепления в точках соприкасания падающей частицы с ранее осевшими настолько значительны, что превзойдут силу веса частицы (при очень малых частицах), то оседающие частицы остаются там, где они вначале коснулись осадка, в результате чего структура становится сотообразной, или губчатой. Если размер минеральных частиц менее 1 мк (0,001 мм), то они уже будут обладать свойствами коллоидных частиц и при погружении в воду долгое время будут находиться во взвешенном состоянии. Если в суспензию прибавить несколько капель электролита то силы отталкивания между частицами уменьшаются и частицы получают возможность сближаться. При столкновении частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой. Подобным путем образуются сложные хлопьевидные структуры.

Основные типы структуры  грунтов.

а — зернистая; б — сотообразная (губчатая); в — хлопьевидная

При полном диспергировании  глинистого осадка, когда минеральные  частицы не слипаются в агрегаты, в зависимости от насыщения теми или иными ионами образуются следующие  два вида весьма рыхлой структуры  глинистых осадков: флоккулентная карточная и палочно-соломенная.

Приведенные данные, показывающие влияние на структуру осадков  насыщения теми или иными ионами, могут быть весьма полезны при  оценке поведения глинистых грунтов  при сдвиге.

Структура природных  грунтов, особенно глинистых, весьма сложна. Наряду с разнообразием частиц, участвующих в строении грунта, имеет существенное значение и наличие в воде электролитов, коллоидов, органических склеивающих веществ и др.

Под текстурой  грунтов следует понимать совокупность признаков, характеризующих неоднородность сложения грунтовой толщи в пласте, т. е. неоднородность в расположении структурных и механических элементов в отдельных пластах грунта. 

Основные типы текстуры грунтов

а — слоистая (ленточная); б — порфировая; в — ячеистая; г — слитная

Текстура грунтов обязана  своим происхождением как условиям образования грунтовых отложений, например периодичности осаждения  частиц в текучей и спокойной  воде, так и последующим изменениям в величине и направлении внешнего давления. Различают следующие основные виды текстуры грунтовых толщ: слоистая, порфировая, ячеистая и слитная.

Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов, среди которых  можно различать ленточное сложение (например, в тонкослойных озерно-ледниковых отложениях с перемежающимися тонкими  глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое  в некоторых видах мелководных  морских отложений, и сланцеватое  в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом  прошлом значительным давлениям  с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все  ее разновидности делают грунты анизотропными, т. е. физические свойства таких грунтов (например, водопроницаемость, сопротивление  сдвигу, упругость и пр.) будут  резко различны в различных направлениях.

В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный — глинистый) участвуют  в общем сопротивлении грунта действию внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу и упругость  грунтов, будут зависеть главным  образом от свойств мелкодисперсного материала, в который включены крупные  обломки горных пород.

Ячеистая текстура характерна для некоторых видов засоленных, а также для дисперсных мерзлых грунтов, промерзание которых происходило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направлениях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд отдельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компонентов, составляющих грунт, например прослойками солей, льда и т. п., образуя подобие ячеек.

Наконец, слитной текстурой обладают некоторые древние глины и илы, подвергавшиеся в геологическом прошлом значительным давлениям, а также некоторые разновидности лессов и лессовидных суглинков, недоуплотненных, но сцементированных солями.