Скальные не трещиноватые грунты представляют однофазную систему, вещественный состав и особенности жестких структурных связей которых определяется преимущественно генезисом и условиями образования. В случае если массивы скальных грунтов характеризуются наличием открытой трещиноватости и пористости они могут содержать воду в твердом (лед), жидком (свободная, связанная при положительных температурах, незамерзшая – при отрицательных) и парообразном (независимо от температуры) состояниях. В этом случае, как и нескальные массивы грунтов, они становятся двух-, трех- и четырехфазными (характерно для мерзлых массивов) системами [44].
Массивы нескальных грунтов сложены преимуществен- но крупнообломочными, песчаными и глинистыми грунтами.
При этом размеры обломков пород (глыб) и минеральных частиц (глинистые минералы) с учетом существующих классификаций по размеру гранулометрических элементов грунта, изменяются от несколько десятков сантиметров до нескольких микрон [45]. Их соотношение, структура и минеральный состав, в значительной мере предопределяют строительные свойства грунтов в не мерзлом и мерзлом состоянии. Это объясняется тем, что с уменьшением размера частиц резко увеличивается их удельная поверхность и несвязные грунты (крупнообломочные с песчаной составляющей и песчаные) становятся связными (крупнообломочными с глинистой составляющей – супесями, суглинками и глинами). В результате увеличивается их взаимодействие с подземными водами. На этот процесс существенно влияет минеральный состав глинистых частиц, у которых активность взаимодействия с водой определяет преимущественно типом кристаллической решетки. Каолиновые глинистые минералы, имея жесткую решетку существенно менее активны по отношению к воде, в сравнение с группой минералов монтмориллонита, у которых раздвижная кристаллическая решетка. В результате у монтмориллонита удельная активная поверхность составляет 800 м2/г, что на порядок больше в сравнение с каолином.
Вода в грунтах в зависимости от температуры играет двоякую роль. В не мерзлых грунтах увеличение влажности приводит к ухудшению строительных свойств. В мерзлых грунтах (при той же влажности) аналогичные их свойства многократно улучшаются, за счет появления льдоцементных связей. Увеличивая прочность, мерзлые грунты приобретают несвойственную характеристику для талых грунтов – длительную ползучесть.
В свободной молекуле атомы расположены в виде треугольника Н-О-Н с углом 104,5°, расстояние между кислородом и водородом составляет 0,096 нм, между молекулами водорода – 0,154 нм. Вода при отрицательной температуре обладает аномальными свойствами, обусловленными прочными
водородными связями. В связи с этим, в ней даже при оттаивании льда сохраняется льдоподобный каркас [8, 12].
Вода в грунтах, ее виды и свойства зависят от интенсивности взаимодействия с минеральными частицами. Известно, что минеральные частицы в основном заряжены отрицательно. Молекулы воды представляют собой диполи, заряженные положительно на один атом кислорода и отрицательно на двух атомах водорода. При взаимодействии молекул воды с минеральными частицами электромолекулярные силы структурируют их присоединение к минеральным частицам. По мере удаления структурированных слоев молекул воды от поверхности минеральной частицы электромолекулярные силы убывают. Слой прочносвязанной воды сменяется слоем рыхлосвязанной (рис 3.1).
| Рис. 4.1. Модель молекулы воды (а) и схема ее взаимодействия с поверхностью минеральной частицы [34]. Пояснения в тексте. |
| За пределами действия электростатических сил формируются гравитационная вода, перемещение которой обуслов- лено действием градиента напора и капиллярная - ее перемещение обусло- |
влено действием капиллярных сил.
При отрицательной температуре грунта, свободная вода замерзает, рыхлосвязанная замерзает частично (чем ниже температура, тем больше замерзает рыхлосвязанная вода), а прочносвязанная не замерзает никогда. В связи с этим, даже при отрицательной температуре в грунте есть незамерзшая
вода. Ее количество зависит от состава грунта и температуры. Наличие концентрации льда и незамерзшей воды в грунтах криолитозоны определяет характеристики строительных свойства и поведение грунтов под воздействием внешних нагрузок. Третья категория воды, содержащаяся только при отрицательной температуре – обыкновенный лед. По условиям образования различают конституционные льды, которые формируются при промерзании увлажненных грунтов; жильные и повторножильные льды, образующиеся при заполнении льдом полостей в породе, например морозобойных трещин; погребенные льды, образующиеся при погребении снега и льда, лежащего на поверхности [12, 33]. Конституционный лед является структурообразующим льдом. Этот лед образует как внутрипоровый грунтовый лед (лед цемент), так и видимые ледяные включения (шлиры), располагающийся в массивах промерзших грунтов.
Термовлажностной режим промораживания грунтов и их дисперсный состав предопределяет видовое различие формирующихся в них криогенных текстур. Корковые криогенные текстуры обычно формируются в купнообломочных грунтах, массивные - в песчаных, сетчатые и слоистые - в глинистых, ячеистые виды криогенных текстур формируются в торфах [9, 46].
Грунты с наличием пластовых, жильных и повторно-жильных льдов характеризуются большой неоднородностью строительных свойств, интенсивным развитием криогенных процессов высшей категории опасности для инженерных со-
оружений – просадок и термокарста [8, 11, 12].