МИКРОМИР   ГЛИНИСТЫХ  ПОРОД

                                                                    Матричная микроструктура

Рис. 4. РЭМ-фотография образца морской глины с матричной микроструктурой; увеличение 1000*.

    В ходе геологического развития, когда молодые глинистые осадки погружаются в более глубокие горизонты земной коры и уплотняются, происходят существенные изменения в микроструктуре глинистых пород. Так, например, морской ил с текуче-пластичной консистенцией трансформируется в более плотную пластичную глину с матричной микроструктурой (рис. 4). Она характеризуется присутствием сплошной неориентированной глинистой массы (матрицы), в которой содержатся беспорядочно расположенные пылеватые и песчаные зерна, не контактирующие между собой. Как правило, глинистые породы с матричной микроструктурой (например, ледниковые отложения - плотные моренные суглинки), имеют достаточную прочность и не вызывают каких-либо проблем у строителей.

Турбулентная и ламинарная микроструктуры

Если глинистые породы попадают на большие глубины, где подвергаются воздействию высокого уплотняющего давления и температуры, то начинается интенсивная перестройка микроструктуры, заключающаяся прежде всего в переориентации глинистых частиц в направлении, перпендикулярном прикладываемой нагрузке. Как правило, в результате этого процесса частицы и микроагрегаты в породе уплощаются, существенно сближаются друг с другом и приобретают высокую степень ориентации [7]. На рис. 5 и 6 показаны примеры таких высокоориентированных микроструктур - турбулентной (рис. 5) и ламинарной (рис. 6). Свое название эти микроструктуры получили из-за удивительного сходства расположения листообразных микроагрегатов глинистых частиц с картиной течения жидкости в турбулентном (с завихрениями) и ламинарном (прямолинейном) потоках. Как правило, глинистые породы с такой микроструктурой очень плотные и прочные.

Рис. 5. РЭМ-фотография образца синей кембрийской глины с турбулентной микроструктурой; увеличение 1000*.

Пористость таких пород обычно не превышает 20%, а их прочность может составлять сотни и даже тысячи килограммов на 1 см². Столь высокая прочность у пород с турбулентной и ламинарной микроструктурами обусловлена присутствием в них очень прочных фазовых контактов кристаллизационной или цементационной природы. Иными словами, находясь в условиях высоких давлений и температур, а также подвергаясь воздействию различных химических растворов, отдельные минеральные частицы как бы свариваются друг с другом по контактирующим внешним поверхностям или цементируются различными химическими веществами (карбонатами, железом и т.д.). Прочность таких пород становится соизмеримой с прочностью самих минералов.Казалось бы, такие породы являются наилучшим основанием для строительства - прочным и несжимаемым. Однако это не совсем так. Во-первых, присутствие высокой ориентации частиц по напластованию часто приводит к расслаиванию породы, в результате чего в сильно уплотненных глинах, аргиллитах, глинистых сланцах существует большая анизотропия свойств, то есть прочность перпендикулярно микрослоям может быть во много раз выше, чем вдоль слоев. Безусловно, это надо знать строителям и учитывать в расчетах анизотропию прочности. Ведь в случае наклонного залегания таких пород в основании какого-нибудь тяжелого сооружения, например высотной арочной плотины, перегораживающей в горах узкое и глубокое ущелье, возникающие тангенциальные (боковые) напряжения могут оказаться во много раз большими, чем прочность вдоль микрослоистости. В этом случае может произойти разрушение основания плотины, что повлечет за собой страшную катастрофу. Во-вторых, несмотря на высокую прочность и твердость в сухом состоянии, высокоуплотненные глины, аргиллиты и сланцы при длительном взаимодействии с водой могут существенно терять свою прочность в связи с возникновением эффекта расклинивающего действия воды (эффект Ребиндера).

Рис. 6. РЭМ-фотография образца глинистого сланца с ламинарной микро- структурой; увеличение 1000*.

    Суть этого явления заключается в том, что молекулы воды, проникая в узкие зазоры и щели, а именно такую форму имеют промежутки (микропоры и микротрещины) между параллельно ориентированными глинистыми частицами и микроагрегатами, интенсивно раздвигают стенки (то есть частицы), в результате чего химические связи (фазовые контакты) существенно ослабляются. Например, глинистые сланцы могут многократно терять свою прочность от нескольких тысяч до нескольких сотен килограммов на 1 см². Этот процесс усугубляется, если вода имеет повышенную агрессивность (например, повышенную кислотность) и при ее фильтрации через породу происходит растворение и размягчение связей, увеличение пористости и интенсивный вынос вещества породы.
Если не учитывать подобные особенности таких, казалось бы, прочных и вечных пород, это может привести к тяжелейшим последствиям. История строительства содержит множество описаний тяжелых аварий плотин. Например, катастрофа Безейской плотины в Вогезах (Франция) унесла 150 жизней, когда вырвавшийся водный поток полностью уничтожил четыре населенных пункта. Причиной аварии была ошибочная оценка свойств глины, находившейся в основании сооружения. В результате под действием воды глинистые породы размягчились, потеряли прочность и плотина сползла вниз по уклону речной долины. Бетонная плотина на реке Аустина в штате Пенсильвания (США) просто рухнула. В результате погибло 100 человек. Было установлено, что главной причиной катастрофы стала неверная оценка размягчения глинистых сланцев и водопроницаемости других пород основания.
    Самая крупная катастрофа в Европе после второй мировой войны связана с разрушением плотины Мальпассе. Плотина была возведена в Провансе (Франция) вблизи города Фрежюсон. Высота плотины 66,5 м. Катастрофа произошла в 1959 году после сильных дождей. Ночью плотина сместилась, и сильнейший напор воды разорвал ее. Многотонные обломки плотины были перенесены водой на сотни метров вниз по долине реки. Образовавшийся поток обрушился на селения и небольшой город. В результате погибло более тысячи жителей. Как показали последующие исследования, причина катастрофы заключалась в том, что не были учтены сланцеватость (высокая степень ориентированности глинистых частиц) и сильная трещиноватость (включая микротрещиноватость) глинистых пород, на которых была построена плотина. После интенсивного промачивания дождем эти породы существенно снизили прочность и не смогли выдержать нагрузку от веса плотины.

Назад| Следующая страница