ЛЕКЦІЯ 5 СТРУКТУРА І ТЕКСТУРА ҐРУНТІВ
Загальні поняття про структуру і текстуру ґрунтів і підґрунтя.
Гранулометричний склад ґрунтів.
Структура ґрунтів.
Мікроагрегатний склад ґрунтів.
Шпаруватість і тріщинуватість ґрунтів.
5.1. Загальні поняття про структуру і текстуру ґрунтів і підґрунтя
Терміни "структура" і "текстура" є дуже близькими між собою поняттями. У перекладі з лат. "структура" - це будова, розміщення, побудова, а "текстура" - тканина, з'єднання, зв'язок. Близькість змістових значень цих слів привела до того, що поняттям структури і текстури дають різні тлумачення.
Завдяки працям Філатова (1936), Попова (1941-1949), Приклонського (1955), Сергєєва (1956-1958), Ларіонова (1966) та ін. склались свої специфічні уявлення про структуру і текстуру ґрунтів і підґрунтя (порід), пов'язані, з одного боку, з необхідністю врахування умов їхнього утворення, а з другої сторони - з особливостями їхніх інженерно-геологічних властивостей. Згідно цих уявлень, під структурою ґрунту і підґрунтя розумілись розмір, форма, характер поверхні елементів (частинок), які їх складають, кількісне співвідношення їх у породі, а також характер зв'язків між частинками ґрунту і підґрунтя.
Введення у поняття структури нової ознаки - структурні зв'язки - було зумовлено тим, що інженерно-геологічні властивості порід і ґрунтів залежать не тільки від розмірів, форми і характеру поверхні складових їх елементів, але і від характеру зв'язку між ними. Характер зв'язку між частинками, які складають дисперсні ґрунти і породи, у значній мірі залежить від розміру частинок, а це, в свою чергу, визначає особливості їхньої поведінки у ґрунтах і породах. Тому не має підстав відривати ці ознаки одну від одної при розгляді структури ґрунту і підґрунтя (порід).
Разом з тим, були одержані дані, які показують, що мікроскопічні особливості будови ґрунтів і порід (наприклад, взаємне розміщення мікроагрегатів і окремих мікроблоків у глинистих відкладах) мають важливе значення при оцінці їхніх властивостей; ґрунти і породи, однакові за складом і структурою, але відмінні один від одного за характером розміщення структурних елементів, мають різні властивості. Тому під структурою і текстурою ґрунтів і порід слід розуміти наступне:
структура ґрунтів (порід) - це розмір, форма, характер поверхні, кількісне співвідношення складових елементів (окремих частин, агрегатів, цементу) і характер взаємозв'язків їх один з одним;
текстура - просторове розміщення складових елементів ґрунту (порід), незалежно від їхнього розміру.
Крім цих загальних понять структури і текстури, в інженерній геології відносно глинистих і лесових порід (ґрунтів) використовуються поняття макро-, мезо- і мікроструктури і текстури. Появу цих понять можна пояснити тим, що у тонкодисперсних ґрунтах окремі частинки, які є первинними структурними елементами, утворюють під впливом процесів агрегації елементи другого порядку - мікроагрегати, а останні, у свою чергу, можуть утворювати структурні елементи ще більш високого порядку.
Під макроструктурою розуміють всі особливості макробудови (макрозложення) глинистих і пилуватих відкладів (ґрунтів), які добре помітні неозброєним оком: розмір і форма макроструктурних елементів (блоків, зерен, лусок тощо), макротріщинуватість, макрошпаруватість. Розмір окремих мікроелементів може змінюватись від м і більше і до часток см. Особливості просторового розміщення макроелементів характеризуються макротекстурою.
Найбільш характерною макротекстурою глинистих і лесових порід є невпорядкована (хаотична) і шарувата макротекстура. Перша характеризується відсутністю будь-якої видимої шаруватості у товщі. Порода з невпорядкованою макротекстурою виглядає суцільним однорідним тілом. Порода з шаруватою макротекстурою складається з окремих шарів, які мають будь-яку просторову орієнтацію. Потужність шарів може бути різною: від м до мм.
Розмір, форма, характер поверхні, кількісне співвідношення мікроагрегатів, окремих мікроблоків, а також первинних пилуватих і піщаних зерен у тонкодисперсних породах (ґрунтах) характеризує їхню мезоструктуру. Відповідно мезоструктура визначається просторовим розміщенням цих елементів у породі і їхньою орієнтацією. Елементи мезоструктури мають розміри від декількох мм до 0,005 і 0,001 мм. Тому мезоструктура і мезотекстура глинистих і пилуватих відкладів вивчається у шліфах за допомогою поляризаційних мікроскопів при збільшеннях у 500-600 разів.
Мезоструктура тонкодисперсних порід може бути невпорядкованою або орієнтованою. Перша характеризується відсутністю переважаючого напряму просторової орієнтації частинок і агрегатів зв'язаних порід. Під поляризаційним мікроскопом при схрещених ніколях порода з такою мезотекстурою виглядає нерівномірно просвітленою суцільною масою.
Орієнтована мезотекстура характеризується визначеною орієнтацією мезоструктурних елементів відносно будь-якої осі у просторі. Найчастіше ці напрямки співпадають з нашаруванням породи. При розгляді такої породи у шліфі під поляризацшним мікроскопом можна спостерігати окремі ділянки, що відповідають орієнтованим мікроблокам і мікроагрегатам, які при схрещених ніколях поступово світлішають і згасають.
Мікроструктура характеризується розміром, формою, характером поверхні і кількісним співвідношенням первинних тонкодисперсних частинок, які утворюють мікроагрегати і (значно рідше) існують ізольовано. Особливості їхнього просторового розміщення характеризують мікротекстуру ґрунту, яка може бути невпорядкованою і орієнтованою.
Розмір мікроструктурних елементів менше 1-5 мк. Тому вивчення їх можливе лише за допомогою спеціальної рентгенівської зйомки або за допомогою електронного мікроскопу при збільшеннях у кілька тисяч разів. Найчастіше у глинистих і лесових відкладах серед частинок такого розміру переважають кристали глинистих мінералів, які і є мікроструктурними елементами. Ці мікроструктурні елементи під впливом різного роду сил взаємодії, які прийнято називати структурними зв 'язками, утворюють мезоструктуру. Таким чином, в основі мезо- і макроструктури глинистих і лесових відкладів лежить мікроструктура і структурні зв'язки у відкладах.
Всі структурні елементи (мінеральні зерна і уламки), які складають гірські породи, зв'язані один з одним структурними зв'язками. За своєю енергією структурні зв'язки можуть бути різноманітними: від міцних кристалізаційних, енергія яких співрозмірна з внутрішньокристалічною енергією хімічного зв'язку окремих атомів, до дуже слабких, які ледь проявляються в звичайних умовах і практично не впливають на інженерно-геологічні властивості порід.
Структурні зв'язки є важливою характеристикою гірських порід, яка значною мірою визначає їхні інженерно-геологічні властивості. Міцність властивостей порід визначається не лише міцністю окремих мінеральних зерен і уламків, але і міцністю зв'язку їх між собою, тобто структурними зв'язками.
Структурні зв'язки формуються у результаті складних фізико-хімічних процесів. Утворення їх відбувається під впливом процесів викристалізації, старіння, конденсації з'єднань, що знаходяться у породі, або у результаті адсорбції, міграції, кристалізації будь- яких цементуючих речовин із навколишнього середовища.
Утворення структурних зв'язків у породі - це тривалий історичний процес, який розвивається протягом всього періоду формування породи і її наступного геологічного життя. Ці зв'язки є непостійними і змінюються протягом геологічного часу. Разом зі зміною зв'язків змінюються і інженерно-геологічні властивості порід.
У магматичних, метаморфічних і частково осадових зцементованих породах широко поширені зв'язки хімічної природи. У тонкодисперсних незцементованих породах зв'язок між локремими частинками здійснюється молекулярними і іонно-електростатичними взаємодіями, які в інженерній геології називають водно-колоїдними зв'язками. Можуть також виникати в дисперсних незцементованих породах зв'язки магнітного характеру.