Итак, мы разобрали, что представляет из себя каждый из 4-х компонентов системы «грунт». Соединение этих компонентов в систему происходит, безусловно, не механически. Все 4 компонента находятся в тесном физико-механическом, химическом и физико-химическом взаимодействии. В целом система постоянно стремится к равновесию, то, приближаясь, то, удаляясь от него вследствие экзогенных и эндогенных процессов, взаимодействия полей, геологической среды с другими средами.

I. Физико-механическое взаимодействие

I. Физико-механическое взаимодействие жидкого компонента с твердым и газообразным прежде всего зависит от их соотношения в грунте, и как правило, пропорционально ему.

В скальных грунтах (n=0.2-0.3) преобладает роль твердой фазы… Массив-трещины, блоки, по сути крупные частицы и здесь между частицами работают все три фазы.

Полускальные – пористость увеличивается иногда до 30-35%.

1,Влияние воды в системе на ее свойства. Соотношение твердого и жидкого компонентов характеризуется W. Характеристика W. Что такое W. Как определяется 105-107⁰С – не обоснованы. ГОСТ 5180-84.

Весовая влажность g воды /g сухого грунта; объемная влажность Vводы / Vгрунта.

Коэффициент водонасыщения S_r= wρ_s/eρ_w по Гост влияние W на крупнообломочные и пески . ≤0.5 – маловлажные; 0.5<Sr≤0.8- влажные; 0.8<S_r≤1. Приводится таблица для глинистых грунтов…….

Это грунты, в которых взаимодействие компонентов проявляется сильно.

В скальных, крупнообломочных грунтах вода также оказывает влияние на их свойства, но для нас меньшей значимости. Временное сопротивление раздавливанию в сухом и водонасыщенном состоянии характеризуется коэф-ом размягчаемости k_saf- отношение временного сопротивления одноосному сжатию Rc в водонасыщенном состоянии к Rc в сухом состоянии. >50кгс/см^{2 –} скальные. k_saf>0.75- неразм., k_saf<0.75 – разм.

2. Соотношение газового компонента характеризуется следующим положением – газоносностью: количество свободных, защемленных и адсорбированных газов, которое содержится в единице массы (V) г.п.

Газоносность опр-ся = Vпор+Vтрещин+Vдр.полостей, с учетом степени их заполнения водой, к общему Vгрунта.

Газоносность=(Vпор+Vтрещин+Vдр.)/V.

Наличие защемленных и адсорбированных газов может обуславливать значительную как бы амортизирующую способность грунтов. Релаксация напряжений происходит из-за наличия газов очень медленно.

Что-то типа порового давления в глинистых грунтах.

Это обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформацию и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроводимости грунтов.

Воздух, зажатый между грунтовым потоком (или капиллярной каймой) и инфильтрационным потоком прорывается наружу, разрушая насыпь.

Влияние сказ-т на изменение на изменение температуры. в скальных и глинистых породах. Массив начинает дышать, что сказывается на работе различных сооружений – передвижении водяных паров.

Значительна связь микроорганизмов (органического компонента) с газовым компонентом.

Газообразование широко распространено среди всех групп микробов. Следствием этого является изменение состава газового компонента. Особенно богаты газом, появившиеся в результате деятельности микроорганизмов илы. Имеются данные о: 0.04-8см³/л в сутки. (пресноводные озера на территории Марийской АССР).

Т.о. в 20см ила за год при площади озера 0.1км² бактерии вырабатывают 70000м³ метана (Беляев, 1974).

Частично газ улетучивается в атмосферу, частично растворяется в поровой воде, частично сохраняется в грунте в защемленном состоянии (в зависимости от места газообразования). Наличие этого газа может приводить к увеличению давления в поровой воде до 0.4 МПа и >. Это ведет к взвешиванию грунта, уменьшению сил трения, ослаблению связей между частицами грунта, сопротивления сдвигу. Может произойти оплывание породы, переход в плывунное состояние. Есть данные о значительной загазованности оснований бетонных плотин крупных ГЭС, обусловленное микроорганизмами. Этот процесс также со временем может привести к разуплотнению грунтов.

II. Химическое взаимодействие компонентов.

Более скрытым или менее очевидным, но ведущим к более глубоким внутренним преобразованиям состава, структуры, свойств системы грунт является химическое взаимодействие. Среди химических взаимодействий выделяют: 1.Гидролиз; 2.Окисление; 3. Растворение.

1.Гидролиз – от греч. hydor – вода + lysis- разложение – взаимодействие веществ с водой с образованием соединений (кислот, оснований и т.п.)

Диссоциация (распад вещества в растворе на свободные составляющие их ионы) молекул воды H²O↔H⁺+OH^- приводит к образованию свободных активных катионов Н⁺. Благодаря малому размеру ион водорода может легко проникать в кристаллическую решетку минералов, разрывать связи между атомами, замещать атомы, приводя к выносу их из грунта.

И.И.Гинсбург (1962) показал, что гидролиз не требует дополнительных энергетических затрат, т.е. нет необходимости в создании каких-либо специальных условий. Единственными требованиями, обуславливающими интенсивность гидролиза являются: наличие «дырок» в кристаллической решетке и дефицит положительных зарядов в ней. Именно этими свойствами обладают в различной мере алюмокислородные тетраэдры полевых шпатов, оливина, амфиболов, пироксенов, слюд ( т.е. тетраэдры силикатов, у которых катионы Si⁺⁺⁺⁺ замещен на катион Al⁺⁺⁺ или содержащих изоморфно замещенные катионы). Это обуславливает наличие в кристаллической решетке крупных катионов, нарушении энергии равномерности силы связей, наличие дефектов в кристаллической структуре минералов.

Н.В.Беловым было установлена несоизмеримость в структуре силикатов размеров ребер кремнекислородных тетраэдров с размерами крупных катионов. Отсюда энергетически неплотная упаковка. Н⁺ легко проникает в структуру и выгоняет оттуда катионы. Этот процесс еще более увеличивает избыток отрицательного заряда и соответственно приток катионов Н⁺.

Сам Н⁺ образует с кислородом в вершинах алюмосиликатных тетраэдров прочные ОН^- - группы, разрывая кислородные мостики Si⁴⁺-O-Al³⁺. Образуется новый минерал. Происходит химическое выветривание. При этом Аl³⁺ выходит в раствор и появляется свободный кремнезем (кремния окислы – известны окись кремния SiO-аморфное вещество и двуокись кремния SiO₂- кварц, кремнезем, кристаболит).

Минералы, не содержащие крупных катионов (кварц), более устойчивы к гидролизу и, соответственно, к выветриванию, чем минералы с крупными катионами - полевые шпаты, в которых имеются катионы К⁺, N⁺, Ca⁺⁺. Более устойчивыми являются амфиболы и пироксены (при отсутствии или незначительном содержании в них закисного (Fe²⁺) железа. В их структурную решетку входят более мелкие катионы Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺. Самыми устойчивыми являются слоистые силикаты, в которых крупные катионы или отсутствуют (хлориты), или являются компенсаторами зарядов, возникающих при изоморфных замещениях и прочно удерживаются молекулярными силами в межслоевом пространстве (слюды).

Гидролиз силикатов происходит постепенно или стадийно.

Железомагнезиальные силикаты – амфиболы, пироксены, оливин образуют глинистые минералы монтмориллонитового ряда.

Если среда, в которой находится монтмориллонит щелочная, он сохраняется, если нет – происходит гидролиз монтмориллонита на водные окислы Al(ОН)₃, Fe(OH)₃, Si(OH)₄. Поэтому в корах выветривания, формирующихся при преобладании испарения над ифильтрацией (умеренно влажный, но жаркий), обуславливающих щелочную реакцию среды, идет накопление монтмориллонита и гидрослюды.

Полевые шпаты переходят сначала в гидрослюды, которые дальше распадаются на каолинит, опал и растворимые в воде карбонаты (сода Na₂CO₃, кальцит СаСО₃, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃) и бикарбонаты – NaHCO₃ – двууглекислая или питьевая сода.

Каолинит является устойчивым в кислой среде. Поэтому во влажном и умеренно холодном климате (инфильтрация преобладает над испарением), формирующим кислую среду, накапливается каолинит.

Окисление.

Поступающий с инфильтрационной водой растворенный в ней кислород активно вступает в окислительные реакции. Здесь взаимодействуют газовый и твердый компоненты. Этот процесс идет активно в поверхностной зоне (выветривание), затухая с глубиной.

Прежде всего, окисляются сульфиды (химические соединения металлов и неметаллов с серой – пирит FeS₂, молибденит МоS₂, халькопирит FeCuS₂) c образованием сульфатов, карбонатов, гидроокислов и др. Процесс окисления развивается многостадийно. Например, при окислении пирита FeS₂ образуется сульфат закиси железа FeSO₄, который переходит в сульфат окиси железа Fe₂(SO₄)₃, и далее в гидрат окиси железа – лимонит Fe₂O_3*nH₂O. При этом образуется серная кислота H₂SO₄, которая взаимодействует с карбонатами (СaCO₃) и образует гипс (СaSO_4*2H₂O) 

Большое влияние на процесс окисления оказывает органическое вещество, оказывающее сильное восстановительное воздействие, переводя металлы из окисной формы Fe³⁺ в закисную Fe²⁺.

С увеличением глубины (как уже было сказано) процессы окисления затухают, а приобретают значение обратные процессы восстановления. Имеет место как бы непостоянная граница постепенно, но по мере выветривания смещающаяся в глубину.

3. Растворение.

Минеральный фазовый компонент часто растворяется в жидком. Активно этот процесс происходит в коре выветривания, т.е. в зоне активного водообмена.

Ионы воды растаскивают ионы кристаллической решетки минералов и переводят их в раствор.

Подробно растворимость рассмотрим ниже.

Очевидно, что она зависит: а) от свойств минералов. Наибольшей растворимостью обладают простые соли (галлойды, сульфаты, карбонаты), у которых основной является ионная связь между атомами.

б) от свойств растворителя, проявляющихся через диэлектрические свойства: чем выше диэлектрическая способность, тем большей энергией гидратации и, следовательно, растворяющей способностью она обладает.

Растворяющая способность воды существенно зависит от растворенных в ней газов. Особенно углекислого газа СО₂. Он легко растворяется в воде (его растворимость в 10 -ки раз больше, чем О₂ и N). Поэтому содержание СО₂ в водах довольно велико, а углекислые воды активно вступают в химические реакции с минералами, способствуя увеличению растворимости простых солей, прежде всего карбонатов.