ПРОБЛЕМА ЛЁССОВ

СТРУКТУРА ЛЁССОВЫХ ПОРОД

    Многолетний опыт исследований лёссов показывает, что одним из основных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфическая структура, то есть размер и форма твердых (минеральных) структурных элементов, строение порового пространства и особый характер структурных связей (взаимодействий между частицами).  

Рис. 4а. Твердые структурные элементы в лёссах: а - глинисто -пылеватый агрегат, увеличение 700 раз.

Рис. 4б.  Глобулярный агрегат, увеличение 2500 раз.

Как уже отмечалось, лёссы - это пылеватые породы, которые не менее чем на 50% состоят из пылеватых частиц с размерами 0,005 - 0,05 мм. Для большинства лёссов характерно высокое, иногда до 15 - 20%, содержание карбонатов, преимущественно кальцита (CaCO₃), и присутствие до 3 - 5% растворимых солей (сульфаты, хлориды). Важной особенностью структуры лёссовых пород является ее высокая агрегированность, когда пылеватые и глинистые частицы образуют изометричные агрегаты с размерами 0,01 - 0,25 мм. Фотография такого глинисто-пылеватого агрегата, полученная с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), показана на рис. 4а. Специфическое строение имеют песчаные и крупные пылеватые зерна, названные глобулами. Как показали наблюдения в РЭМ, в центре глобулы размещается ядро, состоящее из отдельных кварцевых микроблоков. Поверх ядра располагается дырчатая оболочка кальцита, которая в свою очередь перекрывается глинистой "рубашкой" (непрерывной пленкой частиц глинистых минералов), пропитанной оксидами железа и аморфным кремнеземом (SiO₂). Пример такой искусственно разрушенной глобулы показан на рис. 4б, где в центре виден хорошо ограненный микрокристалл кварца со следами кальцитовой оболочки на поверхности.
    Специфический характер твердых структурных элементов в лёссах обусловливает формирование в них так называемых агрегативных, или зернистых, микроструктур. Пример агрегативной микроструктуры показан на рис. 5а, где А - глинисто-пылеватый агрегат изометричной формы. Пористость просадочных лёссов обычно изменяется от 42 до 46%. При этом поровое пространство лёссовых пород характеризуется присутствием трех типов пор: макропор, межзерновых и межагрегатных микропор, внутриагрегатных микропор. Наиболее крупными являются макропоры, имеющие трубчатую форму с диаметром 0,05 - 0,5 мм (рис. 5а, 3 ). Они обычно хорошо видны невооруженным глазом и пронизывают лёссовую породу в вертикальном направлении. Макропоры являются одним из важнейших диагностических признаков структуры просадочных лёссов. Некоторые ученые считают, что макропоры - следы корней растений. Однако сейчас существует мнение, что большая часть макропор представляет собой своеобразные магистральные каналы, образовавшиеся в результате преимущественно вертикальной миграции воды и газов. Об этом свидетельствует наличие значительных выделений солей на стенках макропор.

Рис. 5а. Микроструктура лёсса: естественная агрегативная, увеличение 600 раз.

Рис. 5б. Микроструктура лёсса: после просадки, увеличение 150 раз.

Наиболее важными в структуре лёссовых пород являются межагрегатные и межзерновые микропоры (рис. 5а, 2 ). Эти микропоры обычно имеют изометричную форму, а их размер изменяется от 0,008 до 0,05 мм. Электронномикроскопические исследования показывают, что подобные микропоры слагают основную часть порового пространства и относятся к категории так называемой активной пористости, которая и определяет величину просадочной деформации породы. Подчиненную роль в поровом пространстве играют более мелкие внутриагрегатные микропоры (рис. 4а ; 5а, 1 ) с размером менее 0,008 мм. Специфический состав и условия формирования лёссовых пород приводят к образованию у них разнообразных по своей природе структурных связей, которые во многом определяют особенности деформирования этих пород при увлажнении.
    Основную роль в структурном сцеплении (связности) лёссовых пород играют контакты между зернами и глинисто-пылеватыми агрегатами, осуществляемые через глинистые "рубашки" или глинистые "мостики". В физико-химической механике дисперсных систем такие контакты называются переходными. Их прочность обусловлена ионно-электростатическими силами. Характерной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воде. При увлажнении они быстро теряют прочность и трансформируются в слабопрочные коагуляционные контакты. Помимо переходных, в просадочных лёссовых породах могут также существовать фазовые контакты цементационного типа, обусловленные выделением легко растворимых солей в приконтактных зонах при испарении поровой влаги.
    Рассматривая механизм просадочности лёссов, можно сказать, что присутствие обратимых переходных контактов повышает просадочность благодаря их быстрому разрушению при увлажнении породы. Наличие же более прочных фазовых контактов цементационного типа может приводить к увеличению прочности всей структуры и, соответственно, снижению величины просадки. Для подобных пород характерны медленные послепросадочные деформации, которые во много раз могут превысить величину самой просадки при кратковременном увлажнении. И, наконец, при рассмотрении процесса просадочности лёссов нельзя не принять во внимание присутствие в этих породах сил поверхностного натяжения воды, так называемых капиллярных сил, о которых часто забывают многие ученые. Точные экспериментальные исследования показывают, что по мере заполнения пор водой, то есть при исчезновении капиллярных менисков, связывающих отдельные зерна и агрегаты, при увлажнении лёсса происходит слишком быстрое и резкое снижение его прочности, которое нельзя объяснить только разрушением переходных и цементационных контактов. Силы поверхностного натяжения воды вполне могут играть роль своеобразного спускового механизма, обусловливающего начало процесса просадки.
    Подводя итог, можно сказать, что в основе просадки лежат два взаимосвязанных явления, развивающихся при увлажнении лёссов и воздействии внешней нагрузки. Во-первых, происходит резкое снижение энергии взаимодействия структурных элементов на контактах, потеря структурной прочности вследствие преобразования переходных контактов в коагуляционные и исчезновение сил поверхностного натяжения. Во-вторых, происходит распад глинисто-пылеватых агрегатов, сопровождаемый формированием своеобразных дефектов в микроструктуре лёссов, и возникают условия для взаимного смещения структурных элементов. Таким образом, в результате просадки происходит смыкание части макропор и большинства крупных межагрегатных микропор и формируется более плотная и однородная микроструктура, аналогичная показанной на рис. 5б. Одновременно возрастает содержание мелких межагрегатных и внутриагрегатных микропор (рис. 5б, 2 и 1 соответственно).

Назад| Следующая страница