Связность грунтов

Грунты и основания гидротехнических сооружений

профессор, д.т.н. П.Л.Иванов /избранные главы/

Структура и связность грунтов.

Под структурой грунта понимают взаимное расположение различных по крупности и форме минеральных частиц и агрегатов и характер связей между ними, обусловленных всей предысторией грунта.

Рис. 1.3. Схема строения слоя связанной воды:
I — твердая частица; II — связанная вода; III — свободная вода; 1 — слой прочно связанной воды (гндратнын слой); 2— слой рыхло связанной воды (диффузионный слой)

　 Связи между частицами и отдельными агрегатами грунта часто называют структурными связями. Особенности структуры грунтов и природа связей между частицами исследовались П. А. Ребиндером, Н.Я. Денисовым, А. К. Ларионовым, С. В. Нерпиным, Т. Лэмбом и др.
Для удобства решения и изложения некоторых задач в механике грунтов широко используют вспомогательное понятие скелета грунта. Под этим наименованием понимается совокупность твердых частиц грунта, наиболее связанной с ними воды и «жестких» связей между частицами, если они имеются.
Прочность структуры грунта, т. е. ее сопротивление изменению взаимного расположения частиц грунта и их агрегатов, зависит от прочности связей между ними.
Все грунты делят на связные и несвязные. Связные грунты отличаются от несвязных (сыпучих) грунтов способностью воспринимать хотя бы небольшие растягивающие напряжения и сохранять без обрушения вертикальные откосы.
Связность грунтов объясняется: молекулярными силами взаимодействия между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде (водно-коллоидные структурные связи); цементационными и кристаллическими связями, соединяющими частицы грунта; капиллярными силами (давлением) в грунте.
При сближении глинистых частиц, когда расстояние между ними станет равным двойной толщине диффузного слоя (см. рис. 1.3), достаточно ярко проявляется сопротивление дальнейшему их сближению вследствие наличия сил отталкивания между одноименно заряженными диффузными слоями. Однако, если преодолеть это сопротивление, то при дальнейшем сближении этих частиц, когда толщина зазора между ними мала и не превышает 1...2 десятков молекул воды, проявляются силы молекулярного взаимодействия  (силы притяжения — силы Ван-дер-Ваальса) непосредственно между твердыми частицами.
Таким образом, при сближении мельчайших частиц одновременно действуют силы отталкивания и притяжения, поэтому связность грунта создается в результате преодоления молекулярными силами сил отталкивания диффузных слоев. Естественно, что чем ближе друг к другу частицы и меньше разделяющая их пленка связанной воды, т. е. чем плотнее грунт, тем прочнее молекулярные структурные связи. В результате глинистые коллоидные частицы, обволакивая более крупные частицы и «склеиваясь» между собой и с крупными частицами под действием молекулярных сил, создают сложную структуру глинистых грунтов. Важной особенностью таких водно-коллоидных структурных связей является то, что после их нарушения они при сближении частиц полностью восстанавливаются. Эти связи иногда называют первичными или первичным сцеплением (по Н. Я. Денисову).
Со временем за длительный период образования и существования грунта в контактах между частицами в результате кристаллизационных процессов образуются цементационные связи. Ими могут быть менее прочные и водостойкие связи, образуемые, например, гипсом, кальцитом, и более прочные и водостойкие, такие, как оксиды  железа, кремния и др. В отличие от первичного сцепления, определяемого плотностью грунта, сцепление, обусловленное цементационными связями, называют сцеплением упрочнения.
Важнейшей особенностью цементационных связей является то, что при достаточном взаимном смещении частиц и разрушении цементационных связей они не восстанавливаются, а если частично и восстанавливаются, то в течение очень длительного времени. Поэтому грунты нарушенной структуры (например, уложенные в тело плотины) при одинаковой плотности с природными грунтами ненарушенной структуры (в карьере) обладают меньшей связностью и, как следствие, меньшей прочностью и большей деформируемостью. В заключение следует отметить, что взаимодействие реальных жидкостей, газов, мельчайших твердых частиц и явления, происходящие на границах этих сред, имеют значительно более сложную природу, чем в приводимых выше весьма приближенных представлениях. В этом сложном научном направлении ведутся постоянные исследования в области физической химии. Применительно к таким сложным природным образованиям, как грунты, также ведутся исследования научными школами, созданными П. А. Ребиндером, Б. В. Дерягииым и др. Современные представления об этих направлениях весьма подробно изложены в книге М. Н. Гольдштейна [6].