Структурные связи физической природы

Это связи, обуслов­ленные действием физических полей разной природы вокруг взаимодействующих частиц. К таким полям относятся:

- гравитационное поле Земли,

- электрическое поле,

- магнитное поле,

- поле механических напряжений.

Гравитационные структурные связи обусловлены действием на соседние частицы силы тяжести и проявляются за счет веса вышележащих пород. Под действием веса и давления вышележащих пород частицы дисперсных грунтов плотнее прилегают друг к другу. — Происходит слеживание грунтов, которые становятся более связными, монолитными. Следовательно, увеличивается прочность гравитационных структурных связей.

Следует отметить, что гравитационные связи не единственно ответственны за слеживание грунтов. В этом процессе играет роль время слеживания, наличие влаги и др [2].

Рис. 2. Сыпучий грунт до (а) и после (б) слёживания частиц (б). Помимо формирования более плотной упаковки частиц при слёживании возрастают силы аутогезионного сцепления частиц за счёт увеличения связи и возрастания площади контакта. В результате после слёживания прочность аутогезионных контактов (Fⁿ_аут)^!! В грунте превышает эту величину до слёживания (Fⁿ_аут)^! [2].

Электростатические структурные связи обусловлены наличием у взаимодействующих частиц разноименных электростатических (кулоновских) зарядов. За счет дипольного (кулоновского) взаимодействия разноименных зарядов частиц формируется их взаимное притяжение.

Электростатические структурные связи проявляются в точечных контактах между структурными элементами грунтов.

Причина и механизм образования электростатических зарядов у частиц грунта:

1. Трение частиц. При этом все минеральные частицы приобретают тот или иной заряд. Знак и величина заряда зависят от минерального состава (кварцевые и слюдистые частицы разного размера приобретают отрицательный заряд, а частицы кальцита и гипса – положительный), гранулометрического состава, электрических свойств частиц, характера адсорбционных пленок на поверхности частиц, влажности воздуха и др [1, 2].

2. Пьезоэффект. Некоторые кристаллы при изменении формы (при сжатии) способны продуцировать электрический заряд. Это явление носит название прямой пьезоэффект. Такими свойствами обладают кварц, топаз, минералы группы турмалина и некоторые другие [5].

3. Контактная разность потенциалов. При соприкосновении двух частиц при определённых условиях происходит неравноценный обмен электронами, в результате которого взаимодействующие частицы приобретают противоположные заряды. Описанное явление наиболее характерно для частиц-проводников [4].

4. Изоморфные замещения атомов в кристаллической структуре глинистых минералов [2].

Во влажной воздушной среде электростатический заряд не сохраняется («стекает» с частиц в результате заземления). Поэтому в такой среде электростатические связи между частицами или ослаблены, или отсутствуют.

Связи магнитной природы в грунтах образуются при наличии у частиц магнитного момента. Поэтому они могут проявляться и как силы притяжения, и как силы отталкивания между частицами в зависимости от направления (ориентации) магнитного момента.

Магнитные связи, как и электростатические, являются дальнодействующими. Они могут проявляться в любых средах, однако, в зависимости от их экранирующей способности (учитываемой магнитной проницаемостью μ), величина их может быть различна.

Величина магнитных зарядов у частиц грунтов зависит от их минерального состава, обусловливающего магнитную восприимчивость частиц, наличия на их поверхности ферромагнитных пленок и примесей ферромагнитных минералов (магнетита, гетита, гематита и др.). Остаточная намагниченность частиц горных пород зависит от их генезиса, возраста и условий образования в геомагнитном поле Земли.

Прочность единичного контакта, возникающего за счет магнитного притяжения между частицами, невелика, порядка 10^-8—10^-9 Н, т.е. такая же, как и для электростатической связи [1, 2].

Связи механической природы обусловлены физическим полем механических напряжений и эффектами сцепления и трения структурных элементов друг с другом.
В общем случае сила механической связи F_мex между частицами грунта определяется двумя составляющими:

F _мех = F _сц + F _тр,

где F_cu — сила механического сцепления частиц; F_тр — сила трения между ними.

Наряду с зацеплением определенный вклад в механические связи вносит и трение взаимодействующих частиц F_тр, особенно в области их зацепления. Эта составляющая зависит от состояния и шероховатости поверхности минеральных частиц. Наличие водной прослойки в контактном зазоре, действую­щей как смазка, снижает трение частиц, и величина F_тр уменьшается [2].

Рис.3. Схема возникновения механического зацепления частиц (область А), F – прочность механической связи [2].

Структурные связи механической природы характерны для более грубых систем, например, для песчаных и крупнообломочных грунтов.

Величина зацепления зерен и обломков зависит от плотности породы, ее зернового состава и окатанности зерен. Она возрастает с крупностью и неоднородностью зернового состава породы и угловатостью минеральных составляющих [1,2].

Далее

Дата добавления: 2015-07-08