Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Инженерная геология

ГРУНТОВЕДЕНИЕ

В разделе рассматриваются вопросы, связанные с характеристикой грунтов и их свойствами, применительно к строительству, а также приводятся основные сведения по способам улучшения их свойств (техническая мелиорация).

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ГРУНТОВЕДЕНИЯ

Грунтоведение — это наука о грунтах. Понятие «грунт» до сих пор является неоднозначным, вокруг него ведется много споров, и до конца вопрос определения этого термина еще не решен.

Например, одним таким определением является следующее: грунты — это любые горные породы (магматические, осадочные, метаморфические) и твердые отходы производства, залегающие на поверхности земной коры и входящие в сферу воздействия на них человека при строительстве зданий, сооружений, дорог и других объектов.

Наиболее удачным представляется высказывание академика Е.М. Сергеева о том, что под грунтом следует понимать любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека. В дальнейшем мы будем в основном придерживаться смысла этого определения.

Определение термина «грунт» дает возможность представить те задачи, которые призвано решать грунтоведение. Но, естест-

венно, любое название науки не описывает полностью всех ее положений, проблем, нерешенных вопросов.

При оценке свойств грунтов, выступающих в роли оснований, большое внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям. Однако следует помнить, что эти показатели в большой степени находятся в зависимости от многих других особенностей грунтов: химико-минерального состава, структуры и текстуры, характера взаимодействия грунтов с водой, степени их выветрелости и ряда других. Недоучет тех или иных особенностей свойств «грунтов-оснований» влечет за собой ошибки при проектировании и строительстве зданий и сооружений, что в итоге приводит к утрате прочности грунтов в период эксплуатации.

Грунтоведение изучает свойства грунтов в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей. Указанная зависимость и является основным положением отечественной школы грунтоведения.

Совокупность состава и строения (структуры и текстуры) грунтов является выразителем их качества — внутренней сущности и определенности того или иного грунта, которая отличает его от других грунтов. Внутренние связи, существующие в самом грунте, и внешние связи между грунтом и другими телами и определяют свойства грунтов.

Свойство грунта отражает только какую-то одну его особенность, т. е. является частью общего или, иначе говоря, частью его качества. Поэтому для познания качества грунта как совокупности отдельных свойств необходимо познание каждой из этих частей. Однако необходим и обратный процесс познания: от общего качества к сущности отдельных частей в их взаимоотношениях с другими телами при протекании как внутренних (в грунтах), так и внешних (с другими телами) процессов взаимодействия. Отсюда следует, что нельзя изучать только свойства грунтов или только их качество. Даже в том случае, когда интересующие инжене-ров-геологов горные породы были изучены специалистами других геологических наук, при рассмотрении горных пород как грунтов приходится проводить ряд дополнительных исследований, так как только инженеры-геологи изучают грунты как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени. Вследствие этого в инженерной геологии за главный принцип принято комплексное изучение грунтов: как их свойств, так состава и строения, а зачастую и состояния.

Прогноз изменений свойств грунтов во времени под влиянием различных воздействий возможен только при условии полной информации о том, как они сформировались в процессе генезиса и всей последующей их «жизни».

В инженерной геологии термин «генезис» понимается в настоящее время более широко, чем буквальный перевод с греческого и чем принято сейчас в других геологических науках. Речь идет не только об определенной форме осадконакопления, об определенном виде формирования осадков, но обо всех процессах, которые совершаются и в процессе формирования породы, и тогда, когда порода уже сформировалась, обо всех постгенетических процессах, иначе говоря, о всей геологической жизни породы: от момента начала ее формирования и до того момента, когда порода становится предметом инженерно-геологического изучения. Справедливо было бы говорить, что свойства грунтов зависят от их генезиса и постгенетических процессов, которые в них совершаются, но обычно мы упрощаем и говорим: состав, строение, а отсюда свойства грунтов зависят от генезиса.

Из вышеизложенного следует, что генетический подход при изучении грунтов является методологической основой грунтоведения, как и большинства наук геологического цикла. Эта методологическая основа должна использоваться и при решении практических вопросов — всегда должна прослеживаться связь между свойствами горных пород и процессами, которые их сформировали и на них впоследствии воздействовали. Это необходимо как для полного познания качества породы, так и для прогноза изменений этого качества.

Естественно, в грунтоведении, да и в инженерной геологии вообще существуют и широко применяются другие методы исследований. Например, механика грунтов для реализации количественных методов требует схематизации процессов и некоторой формализации при создании моделей грунтов.

Определенная схематизация нужна и в грунтоведении, например при изучении отдельных свойств грунтов, так как сразу невозможно познать сущность не только свойств их массивов, но и даже свойства самих грунтов. Если изучать породу целиком, то получить информацию об отдельных свойствах будет практически невозможно. Горные породы сами по себе сложно организованные системы, не говоря уже об их массивах. Исходя из этого свойства массивов оцениваются постепенно: от простых систем — отдельных свойств, к более сложным — качеству всего грунта и далее к массиву грунта.

Может рассматриваться следующий порядок изучения массива грунтов:

  • • первый этап — простейшие модели в виде мономинеральных, монодисперсных, моноионных систем;
  • • второй этап — более сложные модели, в виде естественных минеральных масс с нарушенными связями (например, рыхлые

осадочные образования) или смеси различного минерального состава;

  • • третий этап — образцы естественных грунтов в сохранном состоянии с природными структурными связями;
  • • четвертый этап — грунты в естественном залегании в массиве;
  • • пятый этап, как конечная цель, — определение свойств массивов грунтов, состоящих из различных по составу, строению и состоянию пород.

При всех видах воздействия на геологическую среду, в том числе и при строительстве, важнейшим свойством является сопротивление грунтов действию различных внешних факторов. Это понятие при известной схематизации может пониматься как прочность грунтов. Но более важным представляется изучение процессов формирования прочности горных пород. Изучение этих процессов возможно только при сочетании трех направлений: геолого-петрографического, физико-химического, с позиций механики и с применением таких современных методов исследований, как рентгенография, электронная микроскопия и др.

Указанные методы исследований позволяют изучать грунты на микроуровне, но в последнее время все больше в грунтоведении изучаются свойства в массивах и оцениваются свойства массивов.

Особая актуальность этой проблемы возникает при рассмотрении скальных грунтов. Это вызвано тем, что, например, прочность скальных грунтов в образцах при испытании на одноосное сжатие может составлять сотни МПа, а сам массив, из которого отобраны образцы, вследствие тектонической раздробленности, наличия литогенетической трещиноватости, выветрелости может быть настолько непрочным, что строительство на нем ответственных сооружений становится невозможным.

Таким образом, грунтоведение охватывает чрезвычайно широкий спектр вопросов — от характеристики внутреннего строения грунта до характеристики массивов.

В связи с этим проследим взаимосвязь грунтоведения как составной части инженерной геологии с другими науками. На современном этапе грунтоведение не может развиваться без учета современных достижений в области математики, механики, физики и химии. Естественно использование всех результатов сопредельных геологических наук, горного дела и строительства, регионального подхода к изучению геологических вопросов. В последние годы выявилось взаимодействие грунтоведения с технической мелиорацией грунтов. Но особую значимость все больше стали приобретать экологические вопросы, особенно геоэкологические их аспекты.

В связи с тем что при возведении промышленно-гражданских сооружений, и особенно их фундаментов, в непосредственную работу вовлекаются в основном осадочные породы, остановимся несколько подробнее на вопросах их формирования.

Эти геологические образования, особенно глинистого, пылеватого и, по последним данным, песчаного состава, характеризуются часто неудовлетворительными или по меньшей мере слабопригодными для использования в строительстве свойствами, весьма большой их изменчивостью.

Осаждение вещества, его диагенетические и постдиагенетиче-ские преобразования протекают по-разному, в зависимости от физико-химических условий среды, температуры, давления, длительности процессов.

Влияние температуры на формирование осадочных пород и их свойств весьма существенно на всех стадиях процесса литогенеза. Температурный режим континентальных районов во многом определяет скорость и направленность процессов выветривания. Температура воды в водоемах сказывается на выпадении осадков из раствора. Значительна роль температуры и в постдиагенетиче-ских процессах — в преобразовании пород: повышение температуры с глубиной ускоряет процессы минералообразования.

Горные породы в земной коре испытывают давление от веса вышележащих толщ и тангенциальное давление (стресс), возникающее в эпохи складчатости, при горообразовании. Особенно сильно сказывается роль гравитационного уплотнения и стресса в постгенетических изменениях пород. Установлена определенная зональность в характере и интенсивности переработки пород по глубине. Эта зональность выражается в появлении новообразованных минералов и определенных структурно-текстурных признаков пород, в изменении их физико-механических свойств.

Воде принадлежит огромная роль в геологических процессах, протекающих в земной коре, и, исходя из выводов В.И. Вернадского, мы никогда не сможем познать многие процессы диагенеза и литогенеза, если не будем знать геологической судьбы воды, ее геохимическую роль.

Степень минерализации, солевой и газовый состав подземных вод изменяются по глубине в земной коре, охватывая сверху вниз осадочный чехол и глубинные магматические и метаморфические породы. В верхней части разреза в породах господствуют процессы разрушения и выщелачивания, иногда имеют место некоторые новообразования, например образование гипсов и карбонатов. В более низких зонах идут окислительно-восстановительные процессы с интенсивным новообразованием минералов, цементацией и вторичными изменениями пород. Еще ниже рас-

сольные и соленые воды взаимодействуют с вмещающими их породами в течение длительного времени (по продолжительности вплоть до геологических периодов и даже эр). Вследствие этого устанавливается химическое равновесие между горными породами и подземными водами.

От химического состава подземных вод и поровых растворов зависит окислительно-восстановительный потенциал (сН) и реакция среды (pH), т. е. активность обменных реакций между породами и водой. Они являются важными факторами перемещения вещества на большие расстояния в горизонтальном направлении и миграции его по вертикали, в результате чего происходит выщелачивание одних пород и обогащение минералами других, цементация горных пород и ряд других процессов.

Физико-химические особенности геологической среды оказывают влияние на формирование минералогического состава пород, а тем самым и свойств. Например, изменение pH наиболее резко сказывается на растворимости гидроксидов железа; карбонаты и сульфаты к pH нечувствительны.

Возрастающее при увеличении давления и снижающееся при увеличении температуры содержание диоксида углерода определяет поведение карбонатов в водной среде.

Интенсивность проявления процессов, формирующих свойства горных пород, при прочих равных условиях зависит от длительности их протекания. Даже самые незначительные изменения, происходящие в породе с очень малой скоростью, за геологически длительные отрезки времени существенно изменяют первоначальный облик грунтов.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы