Читайте также:
|
Образование структурных связей в горных породах идет не по всей межфазной поверхности частиц а только и местах их наибольшего сближения — контактах. Контакты — самые слабые зоны в породе, поэтому при действии внешних нагрузок они разрушаются в первую очередь. Следовательно, сопротивление горных пород разрушению определяется величиной силы сцепления частиц в контактах f и количеством контактов внутри объема пористой системы:
Rt=fср*χ,
Где fср – средняя сила сцепления частиц в контактах, Rt – прочность породы на разрыв, χ - количества контактов на единице площади поверхности разрушения.
Число контактов χ определяется размером структурных элементов породы и способом их упаковки, т. е. пористостью породы. Чем дисперснее система, меньше размеры ее пор и плотнее упаковка структурных элементов, тем больше величина χ.
Наряду с количеством контактов χ прочность пород определяется средней величиной структурного сцепления на единичном контакте fс р. Величина fср, в свою очередь, зависит от природы сил, действующих на контактах. В горных породах можно выделить несколько типов контактов, различающихся по своей природе, условиям образования и прочности:
1) фазовые,
2) цементационные,
3) коагуляционные,
4) переходные (точечные)
5) зацепления [1, 2].
| Фазовые контакты | |
| Формируются при непосредственном контактировании кристаллических зерен, слагающих породу, и образованием между ними прочных химических связей. Такими контактами обладают большинство магматических, метаморфические и некоторые осадочные породы. У магматических и осадочных пород образование фазовых контактов идет одновременно с остыванием и раскристаллизацией магмы или накоплением химически осажденного вещества породы. У метаморфических пород фазовые контакты формируются постепенно при перекристаллизации твердой компоненты пород в процессе метаморфизма. В обоих случаях важнейшими факторами, обусловливающими образование фазовых контактов, являются высокое давление и температура. Величина силы сцепления зерен при возникновении фазовых контактов определяется числом валентных связей, возникающих в контактной области. Количество таких связей зависит от энергетической неоднородности поверхности зерен и дефектности их кристаллических структур. Сила сцепления таких контактов составляет 10-6—10-5 Н. Помимо высокой прочности у породы с фазовыми контактами наблюдается хрупкий характер разрушения, слабая растворимость (за исключением солей) и размягчаемость [1]. | 
Рис. 6. Примеры фазовых контактов: а, б - распределённый контакт в зернистой породе в 2-х фазной среде: а - вода+твёрдый компонент, немёрзлый грунт, б – воздух+твёрдый компонент, мёрзлый грунт;
в – площадной контакт в газонасыщенных грунтах.
Условные обозначения: 1 – прочносвязанная вода, 2 – ДЭС, 3 – минеральная частица, 4 – поровые и капиллярные воды, 5 – воздух, 6 – лёд [2].
|
| Цементационные контакты | |
| Этот тип контактов характерен для большинства осадочных сцементированных пород. Образование цементационных контактов идет в ходе диагенеза и катагенеза пород за счет выделения из циркулирующих растворов новой кристаллической или аморфной фазы. Образующееся вещество «срастается» с поверхностью частиц за счет химических связей и создает на контактах прочные цементационные «мостики». Необходимое условие: химическое родство между цементирующим веществом и поверхностью частиц. Помимо этого процесс формирования цементационных контактов контролируется совокупным действием различных физико-химических факторов: величиной пересыщения раствора, водопроницаемостью породы, значением межфазной свободной энергии, величиной напряжений в контактной зоне и т. д. Сила сцепления таких контактов составляет более 10-6Н. Породы с цементационными контактами обладают высокой прочностью и проявляют необратимое хрупкое разрушение. При напряжениях ниже критических цемент на контактах ведет себя так же, как кристаллические зерна породы, поэтому деформирование осадочных сцементированных пород под небольшими нагрузками носит упругий характер. В зависимости от состава цемента цементационные контакты могут проявлять различную водоустойчивость и способность к выветриванию [1]. | 
Рис. 7. Кварцевый песчаник с доломитовым цементом, Cambrian Salterella Grit, Loch Assynt,, Ник. + [6].
Рис. 8. Кристаллизационно-цементационные контакты между скорлупообразными образованиями на поверхности кварцевого зерна в лёссовой породе (по В.Н. Соколову, 1984), [2].
|
| Коагуляционные контакты | |
| Эти контакты возникают в тонкодисперсных несцементированных образованиях (глины, суглинки, торфа, диатомиты, некоторые разновидности мела) за счёт дальнодействующих молекулярных, а в некоторых случаях — электростатических и магнитных взаимодействий. Характерной особенностью коагуляционных контактов — наличие между частицами тонкой прослойки связанной воды. Ширина этой прослойки соответствует минимуму свободной энергии в данных условиях. Прочность коагуляционных контактов невелика — менее10-8 Н. В отличие от фазовых и цементационных коагуляционные контакты после их разрушения обратимо восстанавливаются. Породы с коагуляционными контактами оказываются термодинамически устойчивыми в зоне выветривания. Благодаря деформируемости и обратимости коагуляционных контактов у таких пород не происходит резких изменений свойств под влиянием процессов физического и химического выветривания. | 
Рис. 9. Коагуляционный контакт тиа «базис – скол» в глине (по В.Н. Соколову, 1984)
|
| Переходные (точечные) | |
| Характерны для тонкодисперсных пород (включая лёссы), находящихся частично в дегидратированном состоянии или испытавших заметное литогенетическое уплотнение. В этих условиях происходит утоньшение и последующий прорыв гидратной пленки на отдельных участках контакта с образованием на них связей ионно-электростатической и химической природы. Важная особенность переходных контактов — их неустойчивость по отношению к воде, т. е. способность гидратироваться и переходить в коагуляционные контакты при снятии внешнего давления и увлажнении системы. Обратимость переходных контактов связана с высокой энергией гидратации обменных катионов, участвующих в образовании ионно-электростатических связей, а также с расклинивающим действием адсорбционных слоев, которое оказывается достаточным, чтобы преодолеть близкодействующие силы сцепления на небольшой площади переходного контакта. С другой стороны, повышение внешнего давления и температуры может приводить к постепенному увеличению площади переходных контактов и их превращению в фазовые, которые являются уже необратимыми по отношению к воде. Таким образом, при определенных условиях рассматриваемые контакты могут переходить как в коагуляционные, так и в фазовые. Прочность единичного контакта переходного типа составляет 10-8—10-6Н. Породы с переходными контактами обладают меньшей прочностью, чем породы с фазовыми и цементационными контактами. Вместе с тем характер их деформирования во многом аналогичен последним, т.е. они проявляют упругое сжатие, а при достижении предельных нагрузок — хрупкое необратимое разрушение. В то же время при увлажнении породы с переходными контактами существенно снижают свою прочность, проявляют набухание и пластифицируются, что связано с трансформацией переходных контактов в коагуляционные [1]. | 
Рис. 10. Схема коагуляционного (а) и точечного (б) контакта плоских частиц в жидкой среде [2].
Рис. 11. Переходный контакт между глинистыми частицами на поверхности пылеватого агрегата в лёссе (по В.Н. Соколову, 1996), [2].
|
| Контакты зацепления | |
| Характерны для крупнообломочных и песчаных несцементированных пород, структурное сцепление у которых чрезвычайно невелико и имеет чисто механическую природу. В определенном интервале влажности в этих породах могут возникать капиллярные силы, заметно увеличивающие структурную связность, особенно у песков. Все остальные виды взаимодействий (молекулярные, ионно-электростатические, магнитные, электростатические) не играют существенной роли в таких породах. Образование контактов зацепления идет при непосредственном соприкосновении крупных обломков минералов и пород. При этом взаимный поджим структурных элементов осуществляется за счет сил гравитации и является далеко недостаточным для образования на контактах связей химической природы. Возникающая на таком контакте незначительная связность обусловлена зацеплением неровностей контактируемых поверхностей, которая тем выше, чем неровнее микрорельеф поверхностей структурных элементов и выше внешняя сжимающая нагрузка. Вследствие низкой прочности контактов зацепления и их небольшого количества в единице площади поверхности разрушения (из-за больших размеров структурных элементов), прочность на разрыв тел с этим типом контактов не превышает сотых и тысячных долей МПа. Поэтому в природных условиях обломочные несвязные грунты ведут себя как типичные сыпучие тела [1]. | 
Рис.12. Схема формирования механического контакта [2]
|
Литература
1. Грунтоведение / Под ред. Академика Е.М. Сергеева. – М., Изд-во МГУ, 1983. – 392 с.
2. Грунтоведение / Под ред. В.Т. Трофимова. – 6-е изд., доп. И перераб. - М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с.
3. Справочное пособие по кристаллическим породам России. / Под ред. В.В. Жданова. – СПб, 2004.
Дата добавления: 2015-07-08; просмотров: 501 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Перевести в нормальный вид! | | | Для определения медианы (Me) прежде всего исчисляют ее порядковый номер по формуле и строят ряд накопленных частот. |