В. Д. Ломтадзе
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ
Инженерная петрология
Издание втооое. пеоепаботанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Гидрогеология и инженерная геология»
Ленинград <Недра> Ленинградское отделение 1984
ствпе этого прочность агрегатов этой группы мала. Вторая группа может быть образована при помощи так называемых защитных поверхностных пленок, которые образуют общий кристаллический мостик промежуточного химического состава в результате химического взаимодействия цементирующего вещества с минеральными частицами. Возникающие таким образом новые механические элементы отличаются большей прочностью и водостойкостью, чем агрегаты первой группы. Третья группа агрегатов может быть образована в результате склеивания (цементации) минеральных частиц гумусовыми и другими органическими соединениями. При образовании таких агрегатов валентные (и молекулярные) связи могут распространяться либо только по внешней поверхности минеральных частиц (например, кристаллы каолинита, гидрослюд), либо полярные гумусовые соединения могут проникать в межпакетное пространство кристалла, например монтмориллонита, и тем обеспечивать большую прочность агрегатов. Агрегаты этой группы отличаются наибольшей прочностью и водостойкостью.
Таким образом, согласно современным представлениям образование структурных связей в глинистых породах может происходить либо в результате простого прилипания минеральных частиц друг к другу, либо в результате склеивания (цементации) их новыми минеральными или органическими веществами, сорбированными на поверхности минеральных частиц или заполняющими поры между ними.
На прочность структурных связей в глинистых породах влияют: 1) минеральный состав, 2) степень дисперсности, 3) влажность, 4) плотность, 5) состав цементирующего вещества и характер цементации. Все эти факторы являются следствием условий отложения глинистых осадков, а также результатом последующих этапов их преобразования диагенетическими и катагенетичсскими процессами.
При инженерно-геологической характеристике глинистых пород структурные связи следует изучать с точки зрения их природы (молекулярные, ионные, ковалентные, водородные, магнитные), вида (тиксотропно-коагуляционные, кристаллизационно-конденсационные),^ времени образования (сингенетические — первичные, эпигенетические—вторичные), водоустойчивости (водоустойчивые, водонеустойчивые), механической прочности (прочные — жесткие, упругие, непрочные — пластичные) и т. д.
Тиксотропные явления в глинистых породах. Многие глинистые породы могут разжижаться пли размягчаться при встряхивании или под влиянием других механических воздействий, а затем после их прекращения вновь самопроизвольно с большей или меньшей скоростью восстанавливать свое состояние п прочность. Такие обратимые явления называют тик-270
сотропиыми или тиксотропией (изменение при соприкосновении).
Свойством тиксотропии обладают самые различные глинистые породы — глинистые тонко- и мелкозернистые пылеватые пески, супеси, суглинки и глины с повышенной влажностью и неустойчивой консистенцией при нарушении естественного сложения. Тиксотропия характерна для глинистых пород текучей, вязкотекучей, липко- и вязкопластичной консистенции и, как свидетельствует Б. М. Гуменский [1961 г.], иногда может проявляться при интенсивной вибрации даже в породах полутвердых.
Тиксотропные изменения в глинистых породах протекают по-разному в зависимости от их дисперсности (глинистости), минерального состава тонкодисперсной (глинистой) части, физического состояния — влажности, плотности и консистенции, минерализации и состава поровых вод, а также интенсивности механических воздействий. Одни глинистые породы, например монтмориллонитовые гидрофильные, легко разжижаются и затем быстро восстанавливают свою прочность в полной мере, другие, например каолинитовые малогидрофильные, трудно размягчаются и разжижаются и медленно восстанавливают свое состояние и прочность. У многих пород после нарушения сложения прочность восстанавливается только частично. Как указывает Б. М. Гуменский, некоторые породы вообще не разжижаются, а только размягчаются, причем прочность их снижается, а восстанавливается лишь частично после прекращения механического воздействия. Следовательно, склонность разных глинистых пород к тиксотропным изменениям неодинакова, что связано с различным их физическим состоянием и особенностями структурных связей.
Тиксотропные изменения являются результатом разрушения структурных связей, уменьшения их прочности и расслабления породы (релаксация сил сцепления) и затем восстановления структурных связей и упрочнения породы. Такие обратимые явления характерны для пород, обладающих главным образом молекулярными, водородными п магнитными структурными связями, т. е. связями, обусловленными непосредственным взаимодействием частиц и агрегатов между собой. Такие связи отличаются малой прочностью, мобильностью и обратимостью, большое пластифицирующее влияние на них оказывает свободная иммобилизованная и физически связанная вода. Поэтому такие связи и называют коагуляционно-тиксотропными.
Если связность глинистой породы обусловлена не только коагуляционно тиксотропными силами, но и конденсационно-кристаллизационными (цементирующим действием различных веществ), тиксотропные изменения в пей протекают затрудненно и частично. Размягчение и разжижение такой породы
возможны после разрушения цементационных необратимых связей, а восстановление состояния и прочности происходит за счет коагуляционно-тиксотропных связей. Потенциальной способностью к тиксотропному разупрочнению под воздействием внешней нагрузки обладают только чувствительные породы, т. е. такие, в которых возможно лавинное разрушение структурных связей. Показателем этой способности является чувствительность породы (см. ниже, гл. VIII). Чем она больше, тем выше степень потенциальной способности пород к тиксотропному разупрочнению. Мерой потенциальной способности породы к тиксотропному разупрочнению является их «зыбкость», т. е. способность разжижаться и растекаться под влиянием вибрации. Чем больше будет деформироваться, растекаться порода при таком динамическом воздействии, тем более она способна к тиксотропным изменениям. Наконец, очень важным показателем способности пород к тиксотропии является время восстановления их физического состояния и прочности после механического воздействия на них. Чем быстрее порода восстанавливает свою прочность и физическое состояние, тем большей потенциальной способностью к тиксотропным изменениям она обладает.
При инженерно-геологическом изучении глинистых пород учет и оценка их тиксотропных свойств имеет очень большое значение. Тиксотропия может резко изменять устойчивость и прочность глинистых пород при воздействии на них статических и динамических нагрузок и вызывать нарушение устойчивости сооружений, значительные их осадки, развитие оползневых явлений, увеличение давления пород на ограждения, ухудшение состояния проезжей части дорог и др. Расслабление и разжижение пород часто создают большие трудности при выполнении строительных работ. Однако тиксотропное упрочнение пород, восстановление их устойчивости и прочности со временем имеет и важное положительное значение, так как при этом улучшаются условия устойчивости склонов, откосов, а также условия строительства и эксплуатации сооружений. Поэтому при инженерно-геологических исследованиях необходимо учитывать и оценивать возможность развития тиксотропных явлений.