Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Инженерная геология

ОСНОВНЫЕ КАТЕГОРИИ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА СОСТАВ ГРУНТОВ

Химический и минералогический состав грунтов. Химический состав грунтов является одной из важнейших характеристик, определяющих их свойства и состояние. При обычных исследованиях в составе инженерно-геологических изысканий для строительства обычно ограничиваются оценкой общего химического состава по результатам химического анализа по соляно-кислой и водной вытяжкам, иногда определяют валовый химический состав.

Но гораздо более важной характеристикой грунтов является их минералогический, или минеральный, состав, определяющий в конечном счете как саму породу, так и ее состояние и инженерно-геологические свойства. Выше мы уже отмечали, что наиболее распространенными в горных породах являются примерно 100 минералов. Содержание некоторых из них в породе составляет несколько десятков процентов. Эти минералы называют главными породообразующими. Другие обычно содержатся в породе в весьма незначительных количествах (доли процента), и их называют второстепенными, или акцессорными, минералами. Наконец, встречаются так называемые случайные минералы, или примеси, не являющиеся характерными для данной породы.

К числу наиболее распространенных минералов магматических горных пород (гранитов, диоритов, сиенитов, диабазов, по-рфиров, габбро, дунитов и т. д.) относятся полевые шпаты, доля которых может достигать 60 % общего минералогического состава породы; содержание кварца и пироксенов не превышает, как правило, 10—12 %; слюд — 5 %; оливина — 3 %. Остальные минералы встречаются значительно реже.

Осадочные горные породы (песчаники, аргиллиты, алевролиты, глины, лессы, пески, известняки, мергели и др.) обычно содержат в наибольшем количестве кварц, полевые шпаты, слюды; в качестве второстепенных встречаются минералы групп амфиболов и пироксенов, а такие минералы, как рутил, циркон, встречаются весьма редко.

Но особо следует отметить, что в осадочных горных породах очень широко распространены глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды, бейделит, иллит и др.), образующиеся в процессе выветривания магматических и метаморфических горных пород. Некоторые осадочные породы (гипс, известняк и др.) в весьма значительных количествах содержат галоидные, карбонатные, сульфатные минералы. Отдельные из них могут слагать мощные толщи (например, известняки, мергели), а иногда встречаются в виде залежей, вкраплений (каменная соль, мирабилит).

Минералогический состав метаморфических горных пород (гнейсов, кварцитов, сланцев, мраморов) во многом отвечает составу исходных материнских пород. Наряду с этими минералами встречаются типично метаморфические минералы — граниты, хлориты, эпид от.

Почти все минералы горных пород имеют, за редким исключением, кристаллическое строение.

В связи с тем что глинистые минералы активны в формировании свойств многих горных пород, необходимо их рассмотреть более подробно.

Глинистые минералы относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов и отличаются от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью к сорбции и поэтому к обмену. Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием.

Глинистые минералы имеют размер не более 1 — 10 мк. Они являются наиболее активной составной частью дисперсных горных пород, в значительной степени обусловливающей их инженерно-геологические свойства. Поэтому даже небольшое содержание глинистых минералов в горной породе существенным образом влияет на многие важнейшие ее свойства, такие, как гидрофильность, прочность, водопроницаемость, пластичность, набухание и др.

Высокая активность глинистых минералов не может быть объяснена исключительно их большой удельной поверхностью. Многие физико-химические явления, происходящие на поверхности глинистых минералов, определяются особенностями их внутреннего строения.

Именно слоистость минералов позволяет активизировать ионно-обменные реакции, в результате которых обменные катионы входят в межплоскостное пространство решетки кристалла минерала и частично располагаются на внешних гранях кристалла минерала.

Связь между слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от строения слоя и величины его заряда. У ряда минералов эта связь имеет ионный характер и обеспечивается прочным взаимодействием разноименно заряженных слоев или крупными катионами, располагающимися в межслоевом пространстве одноименно заряженных слоев. У других минералов связь между слоями менее прочная и обусловлена остаточными (молекулярными) или водородными силами.

По распространению глинистые минералы подразделяются следующим образом: 1) гидрослюды (58—95 %); 2) монтмориллонит; 3) каолинит.

Следует сказать, что из-за высокой дисперсности глинистых минералов изучение физических свойств отдельных монокристаллов практически невозможно. Большинство из имеющихся данных было получено для мономинеральных глин или отдельных мономинеральных агрегатов, выделенных из глин.

Плотность частиц глинистых минералов варьируется в широких пределах: 1,77—2,60 г/см3 — для монтмориллонита, 2,13—2,66 г/см3 — для гидрослюд.

Такой известный признак минералов, как твердость, для монтмориллонита 1 — 1,5; каолинита 2—2,5; глауконита примерно 2 и т. д.

В воде глинистые минералы практически нерастворимы, однако под действием различных кислот и некоторых щелочей многие из них разлагаются.

Важным компонентом состава горных пород является органическое вещество, или «биота» (хотя этот термин для геологии не является точным и актуальным, так как он по сути имеет больше геоэкологический или даже экологический смысл), которая накапливается в земной коре в результате жизнедеятельности и отмирания растительных и животных организмов. Наибольшее распространение имеют растительные органические остатки, которые могут встречаться как в виде неразложившихся отмерших растений, так и в виде полностью разложившегося вещества — гумуса.

Органическое вещество имеет почти повсеместное распространение в земной коре, особенно в ее верхней части, где оно накапливается в почвах, торфах, глинах (особенно старичных фаций) и реже в песках. В виде различных углей может слагать значительные по мощности залежи.

Для органического вещества, и особенно для его наиболее разложившейся части — гумуса, характерна высокая гидрофиль-ность и связанные с этим свойства, такие, как высокая влагоем-кость, высокая пластичность, низкая водопроницаемость, сильная сжимаемость и т. д. Присутствие в породах гумуса даже в незначительных количествах может коренным образом изменить их свойства, например, только 3 % гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойства, водоустойчивость.

Второй характерной особенностью органического вещества является его высокая активность в окислительно-восстановительных и других физико-химических процессах, имеющих место в горных породах. Обладая кислотными свойствами, гумусовые вещества являются активными агентами выветривания, разлагая силикаты и другие минералы с образованием различных коллоидных гуминовых соединений.

Состав и строение органического вещества являются сложными. При разложении исходных растительных остатков, состоящих из углеводов, белков, дубильных веществ, смол и жиров, в почвах и породах могут возникать различные продукты распада, вплоть до образования углекислоты в воде. Одновременно, в результате синтетических процессов идет гумификация растительных остат-

ков — образуется гумус — вещество, которое не содержится в исходных органических остатках и в продуктах их разложения.

Данные о физических и механических свойствах гумуса и других органических образований крайне ограниченны из-за сложности выделения органического вещества из горных пород и почв.

Можно предполагать, что плотность органического вещества не превышает 1,25—1,80 г/см2. При взаимодействии с различными растворителями гумус растворяется.

Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов. Количественные соотношения и размер слагающих грунты элементов имеют огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов.

Большинство горных пород состоит из отдельных кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. Имеется, правда, небольшое число горных пород с аморфным строением (например, бурый железняк). Все эти элементы горных пород или связаны друг с другом прочными кристаллизационными связями (магматические, метаморфические, часть осадочных пород), или же связи в породах отсутствуют (обломочные осадочные, вулканогенные рыхлые породы). Размеры элементов, слагающих горные породы, варьируют в значительных пределах — от тысячных долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Естественно, такой диапазон размеров не может не сказаться на формировании свойств грунтов. Например, зернистость магматических горных пород во многом определяет их прочность и устойчивость к выветриванию (мелкокристаллические граниты более прочны и менее выветриваются, чем среднезернистые и тем более крупнокристаллические того же минералогического состава). Это установлено и для метаморфических и многих осадочных пород.

Установлено, например, что мелкозернистые граниты из района г. Благовещенска имеют предел прочности на сжатие 70—80 МПа, а крупно- и среднезернистые их разности — лишь 34—36 МПа, причем после 25 циклов «замораживания — оттаивания» прочность соответственно снижается до 53—55 МПа у мелкозернистых и до 23—27 МПа у крупно- и среднезернистых гранитов.

Это является основанием для утверждения о целесообразности подразделения горных пород по крупности слагающих элементов и необходимости изучения их размеров. Что, кстати, позволяет для магматических и метаморфических пород оценивать не только структурные особенности, но и в определенной мере судить об их генезисе. Однако в магматических и метаморфических породах оценка соотношения размеров слагающих элемен-

тов возможна лишь качественно в специально подготовленных образцах — шлифах.

Количественные соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах являются одними из основных классификационных показателей.

Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или, чаще всего, нескольких фракций. Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами.

Под гранулометрическим составом понимается количественное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т. е. гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Его определение ведется специальными методами: ситовым, отмучи-ванием и др. Содержание фракции при этом выражается в процентах по отношению к массе высушенного образца.

Гранулометрический состав изображается в виде графика, который, кроме того, позволяет составить мнение об однородности изучаемой горной породы по крупности частиц. При гранулометрическом анализе в составе пород учитывается содержание в них первичных частиц, т. е. содержание отдельных обломков кристаллов и горных пород.

Но в тонкодисперсных породах, наряду с первичными частицами, имеются так называемые вторичные, образующиеся при соединении («слипании») нескольких первичных частиц и формирующие микроагрегаты частиц.

Количество и размер первичных частиц в грунте определяют его первичную, или предельную, дисперсность. Вторичная, или природная, дисперсность, характеризуемая микроагрегатным составом, учитывает при анализе как первичные, так и вторичные частицы.

Для инженерно-геологической характеристики горных пород необходимо знать как гранулометрический, так и микроагрегат-ный состав. В связи с тем что гранулометрический состав характеризует предельную дисперсность, он является весьма удобным классификационным показателем. Микроагрегатный состав, отражающий степень агрегированности породы в данных условиях, используется для характеристики структурных связей в породе.

Микроагрегатный состав породы не является постоянным во времени, так как в породе непрерывно происходят образование и разрушение вторичных частиц, в связи с чем в отдельных фракциях изменяется содержание частиц. Гранулометрический состав породы на данном отрезке времени является величиной постоянной и изменяется только под влиянием длительных процессов,

протекающих в породе; к числу таких процессов относится, например, выветривание.

Определение того или иного петрографического вида или типа породы, т. е. классификация породы, и является конечным этапом изучения гранулометрического состава дисперсного грунта.

Различными специалистами разработаны гранулометрические классификации, которые можно подразделить на:

  • • общие, стремящиеся охватить большую часть петрографических типов дисперсных грунтов;
  • • частные, разработанные для какого-либо одного типа пород.

Применение той или иной классификации определяется целями исследований, а также вопросами инженерно-геологических изысканий, проектирования и строительства сооружений.

Взаимосвязь минералогического состава грунта с размерами слагающих его элементов. В осадочных породах на первичную дисперсность активно влияет минералогический состав этих пород, хотя размер слагающих элементов в связи с их минералогическим составом может быть оценен и в других генетических классах пород, в метаморфических в частности. Так, в крупном песке кварц преобладает над полевыми шпатами, в песке средней крупности полевые шпаты преобладают над кварцем, а в мелкозернистом снова кварц занимает главенствующее положение.

Указанный факт вполне объясним, если при рассмотрении механизма переноса песчаного материала водным потоком учитывать такую важную характеристику минералов, как твердость.

Прочность кварца на истирание исходя из твердости выше, чем у полевых шпатов, поэтому дробление и обработка кварцевых частиц при переносе протекают менее энергично и они накапливаются в крупном песке в большом количестве, а частицы полевых шпатов — в среднезернистом. На частицы мелкого песка активное воздействие оказывают агенты химического выветривания, а в водном потоке — также процессы выщелачивания и растворения. Под их воздействием полевые шпаты в мелком песке интенсивнее разрушаются, чем кварц, который и становится преобладающим в мелком песке минералом.

Аналогичная зависимость между минералогическим составом и дисперсностью пород прослеживается у глинистых и лессовых пород. Чем выше в породе содержание глинистых минералов, тем выше ее дисперсность. Таким образом, породы определенного минералогического состава имеют вполне определенные структурно-текстурные особенности.

Газы в грунтах. Грунты, как известно, обладают пористостью; наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры од-

ним из этих компонентов, грунты будут представлять собой двух-или трехкомпонентную систему. Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.

Объем пор определяет предельные значения количества воды и газов в грунтах: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них газов, и наоборот. Преобладающий компонент (вода или газ) в очень большой мере определяет свойства грунтов.

Интенсивность газообмена между грунтом и атмосферой зависит от их состава и строения и вызывается диффузным перемешиванием газов, колебаниями температуры и давления, атмосферного воздуха, атмосферными осадками и ветром.

Между атмосферным воздухом и газовой составляющей грунтов различия наиболее велики в количественном содержании диоксида углерода, кислорода и азота. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (около 0,03 %), то содержание ее в почвах и горных породах возрастает до десятых долей и даже целых процентов, а в почвенном воздухе может достигать почти 10 %. Кислород и азот в толще грунтов содержатся в разных количествах.

Газы в порах грунтов могут находиться в различном состоянии: свободном, адсорбированном и защемленном; кроме того, в воде, заполняющей поры, газы могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней.

Адсорбированные и защемленные газы оказывают определенное влияние на свойства грунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности грунтовых частиц, удерживаемое молекулярными силами, зависит от минералогического состава грунтов, наличия в них гумуса и других органических веществ и соединений, от степени дисперсности, неоднородности, морфологических параметров частиц грунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих грунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5—10 % становится равным нулю.

При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в грунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри грунта. Это так называемые «защемленные газы» или «защемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры. Защемленные газы занимают значительные участки в толще грунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах грунта, что является обычным для пылеватых и глинистых грунтов.

Максимальное количество защемленных газов, в отличие от адсорбированных, формируется в грунтах при какой-то оптимальной для данного грунта влажности. Например, в глинистых грунтах защемленные газы могут занимать до 20—25 % объема пор грунтов.

Адсорбированные и защемленные газы с большим трудом удаляются из грунтов внешним давлением. Выявлено, что четвертичная покровная глина и юрская морская глина при естественной влажности сохраняли в себе газы даже после уплотнения их нагрузкой 200 МПа.

Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов.

Вода в грунтах. Классификация видов воды в грунтах. В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; связанная — прочносвязанная (гигроскопйческая), рыхлосвязанная; свободная — капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная (рис. 50).

Парообразная вода. Наряду с другими компонентами в состав грунтовой атмосферы входит водяной пар. Обычно количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности (что отличает его от всех других видов воды в грунтах), а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.

Парообразная вода в грунте находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды, например, с гигроскопической и с водяным паром в атмосфере. Парообразная вода способна при определенных условиях конденсироваться.

Возможность образования из парообразной воды других видов связана со способностью и интенсивностью адсорбции парообразной воды минеральными частицами.

Интенсивность адсорбции определяется различными факторами, в частности, она зависит от относительной упругости водяного пара. С ростом упругости количество адсорбируемой влаги возрастает. Около 50 % конденсационной воды адсорбируется поверхностью грунтовых частиц, а оставшаяся часть конденсируется в микропорах грунта, где она переходит в связанную воду.

Особенностью адсорбции водяного пара на поверхности грунтовых частиц является то, что помимо отдельных молекул форми-

Н

н

н

О^н

ё

ПН о1Г°н /I Н Н Ь>)Н

Н „"/^Н4 НГ" °и 9^)0^+ ° ? “

ё

н

/

0<^

н

р

Ъ -По" / Н

н

?н" ко.

X ЬГ / и V

* сгн

н

о+

V- + I- +

+ 1-

?Л»н

уЖ

ь'0+? >-

,+

Г- + I- +

тГ 1

н? °н;

1ЧР° *±—

!/<>

нй и?оч+1

н° N* 0^-

- +

“ +

+

Ш°/>

о? °Чн,?

? УЧ 1 н

,+Дк >ЬН /9

/ А Иро0,1

Оо

Н о 'I I <

1°--9

На • '* ~<°Н

Ь

О н

о

;*н

н

'/

н

О о '/ /

®Н

н

н

°!

ь'н

аГа 1

НЧНН н^нн/

Н9---0 *Са

*•»

ОН

Ннн^

80^^Н и

о

Нн

о/ ? 2

N

ь,'*нп

)////

4 о---'о5

о°о°о°° о о° о О о О о О о

° 0 ° г, л 0 Атмосфера о ° °

ООО о ° 0 о о о 9 0 п о_о_

,6.С.^.е)-твердая 0 ~ вода частица

а

Рис. 50. Схематическое изображение коллоидной частицы, по С. Карамати (а), водные оболочки вокруг

глинистых частиц, по А.Ф. Лебедеву (б)

руются комплексы молекул водяного пара, а это сказывается как на количестве адсорбированной влаги, так и на интенсивности ее взаимообмена с грунтовой атмосферой и с атмосферой вообще.

Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздействует на их естественную влажность.

Связанная вода. Еще в начале нашего века специалистами, изучавшими поведение почв и грунтов, установлено, что минеральные частицы в них окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к минеральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан.

Современные исследования подтвердили изложенные предположения, и было установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 % всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связанной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства.

По своим характеристикам связанная вода существенно отличается от свободной воды (в частности, от той, которую мы знаем в обыденной жизни). Средняя плотность ее лежит в диапазоне 1,20—1,40 г/см3. Здесь небезынтересно отметить, что существующими способами, например механическими, удается лишь уплотнить воду на доли процента, и обычно во всех расчетах в диапазоне нагрузок, возникающих в строительной практике, вода принимается как практически несжимаемая жидкость. Связанная вода перемещается в грунтах в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, большего содержания глинистых минералов, в сторону падения температур грунта. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к — 4 °С.

Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100 %.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей, каждая из которых существенно влияет на свойства пород; например, так называемая вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные пленки воды, вследствие этого величина связи между

отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, указанная потеря прочности глинистыми грунтами весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц, а также составом обменных катионов в них.

В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит в пределах 0,2—30 % (в монтмориллонитовых глинах содержание этой воды доходит до 20%, а в каолинито-вых — всего около 1 %).

Рыхлосвязанная вода по своим свойствам существенно отличается от прочносвязанной, например, имеет плотность, близкую к плотности свободной воды. Остановимся на этой разновидности воды несколько подробнее. Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в значительно меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весьма близка к поведению прочносвязанной влаги, но она подвижнее и диполи молекул воды в водной оболочке сориентированы относительно частицы грунта в значительной мере хуже. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пленочной воды составляет влажность, которая называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунтов ММЛ. Величина максимальной молекулярной влагоемкости показывает, какое количество связанной воды содержится в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения грунтовых частиц. Максимальная молекулярная влагоемкость у песка в среднем около 1—2 %, а в монтмориллонитовых глинах может достигать почти 135%.

Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма слабо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды и по структуре и свойствам практически от нее не отличается.

Наличие в грунтах осмотической влаги обусловливает, особенно в глинистых грунтах, их пластичность во вполне определенных для различных грунтов диапазонах влажности.

Свободная вода. Рассмотрим сначала капиллярную влагу.

Капиллярную воду подразделяют на три вида: 1) вода углов пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода.

Первый вид воды (вода углов пор, или стыковая вода) иногда называют капиллярно-разобщенной водой или капиллярно-не-

подвижным состоянием свободной грунтовой воды. Этими названиями вполне четко характеризуется данный вид воды. Вода углов пор обычно образуется в местах соприкосновения — на контактах частиц — в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды. Содержание этого вида воды, например в песках, составляет 3—5 %, в супесях — 4—7 %. С ростом дисперсности количество воды до определенного предела растет.

При увеличении влажности грунта капиллярные поры могут быть полностью заполнены водой, в этом случае капиллярную воду подразделяют на собственно капиллярную и подвешенную воду (в зависимости от того, соединяется она с уровнем грунтовых вод или нет.)

Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. Мощность капиллярной каймы определяется высотой капиллярного поднятия Нк. Капиллярное поднятие зависит от ряда факторов, например, степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта (например, в песках она равна в среднем 50 см, а в супесях и других глинистых грунтах доходит до 2—3 м).

При уменьшении капиллярной воды в связи с высыханием грунта наблюдается ее восстановление благодаря подъему по капиллярным порам новых порций воды из водоносных горизонтов, подобно тому как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду.

Влажность грунта, у которого все капиллярные поры заполнены водой, называют капиллярной влагоемкостью, которая зависит от тех же факторов, что и высота капиллярного поднятия, а также такой специфической характеристики, как капиллярная пористость.

При промачивании грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, а также в других случаях, возникающих в строительной практике, в грунтах образуется подвешенная вода. Наиболее часто формирование ее происходит в песках, как в однородных, так и слоистых их толщах. Образование подвешенной воды зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности.

Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удерживаться грунтом, называют наименьшей влагоемкостью или водоудерживающей способностью грунта. Вся влага, которая посту-

пает в грунт сверх величины наименьшей влагоемкости, стекает по порам в нижележащие слои массива или слоистой толщи грунта.

Капиллярная вода, подобно гравитационной воде, передает гидростатическое давление, по другим свойствам она имеет как сходства, так и различия, например, температура замерзания у нее, как и у связанной воды, может быть значительно ниже нуля (если капилляры 0 1,6 мм /3 = — 6,4 °С; при 0 0,06 мм /3 = —19 °С).

Эта вода способна передвигаться за счет разности температур (от холода к теплу), растворять и переносить соли; при испарении воды эти соли кристаллизуются и этим разрушают структуру грунтов и строительных материалов, например в дорожных одеждах.

Переходим к рассмотрению гравитационной воды, которую подразделяют на: 1) просачивающуюся и 2) воду грунтового потока.

Первый вид воды преимущественно располагается в зоне аэрации (зона аэрации—это часть грунтового массива, располагающегося между поверхностью земли и поверхностью грунтовых вод; в этой зоне грунт находится в трехфазном состоянии: минеральные частицы—воздух—вода) и перемещается под действием гравитационной силы сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока вода не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью,— фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде потока грунтовых вод. Слой грунта, в котором движется вода грунтового потока, называют водоносным горизонтом.

В различных по степени дисперсности и неоднородности грунтах количество гравитационной воды может быть различным: так, в крупнообломочных грунтах (гравий, галечник) и в крупнозернистых песках гравитационная вода преобладает над другими видами воды.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта.

Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной воды. Она содержит в себе растворенные соли и газы, а также вещества в коллоидальном состоянии. Общая минерализация лежит в пределах от нескольких сот миллиграммов до нескольких сот граммов на литр, к примеру, соленость морской воды равна 35 г/л.

Минерализация подземных вод увеличивается с глубиной. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней.

Гравитационная вода практически всегда находится в движении. Проблемами динамики подземных вод и влиянием их на

строительные свойства массивов и слоистых толщ грунтов занимается гидрогеология. Движущаяся вода способна к растворению горных пород, выносу из них частиц, т. е. к изменению структуры и состава грунтов, к образованию и активизации геологических процессов.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте как прослои различной, иногда значительной мощности, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед в большинстве случаев играет роль природного цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта.

Свойства мерзлых рыхлых грунтов зависят от изменений температуры, особенно при колебаниях ее около О °С, так как вблизи этой границы резко меняется количество в грунте незамерзшей воды. Соотношение содержания незамерзшей воды и льда в грунте влияет на изменение большей части физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов.

Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых, грунтов. Эти изменения влекут за собой естественное изменение физических и механических свойств грунтов. Следует иметь в виду, что повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород приводят к необратимым изменениям структуры (и в том числе степени дисперсности) и свойств этих пород, так, например, увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяются прочность, электрические и другие свойства.

Влажные песчаные грунты при промерзании резко изменяют свои свойства уже при близких к нулю отрицательных температурах; глинистые же грунты при замерзании изменяют свои свойства более плавно, монотонно и в более значительном диапазоне отрицательных температур. Неразрушенные скальные породы при промерзании изменяют свои физические и механические свойства в наименьшей мере. Изучением свойств мерзлых грунтов занимается мерзлотоведение. Мерзлые грунты распространены в России широко, поэтому в строительстве их используют очень часто. Кроме того, значительные территории страны относятся к климатическим зонам, где грунты испытывают постоянное (ежегодное) сезонное промерзание — оттаивание.

Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называемая конституционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Так, вода входит в состав таких минера-

лов, как гипс (СаБ04 • 2Н20) и ряда других. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму.

Химически связанная вода входит в состав таких соединений, как, например, лимонит (Ре203 • лН20). Эта вода не сохраняет своего молекулярного единства, однако более прочно, по сравнению с кристаллизационной, связана с другими молекулами кристаллических решеток.

Для того чтобы удалить химически связанную воду из минерала, его нужно нагреть примерно до 200 °С, а это может привести к распаду (разрушению) минерала.

В химически связанной воде, в отличие от кристаллизационной, в некоторых случаях ион водорода может замещаться ионом металла (Са, М§, №, К, Ре).

Химически связанная и кристаллизационная вода или одна из них присутствуют во вторичных минералах. Среди первичных минералов значительное количество безводных. Поэтому в глинистых грунтах вода, входящая в кристаллические решетки минералов, играет более значительную роль, чем в песчаных.

Очень близко к рассмотрению влияния различных видов воды на свойства грунтов находится оценка роли обменных катионов в грунтах.

Обменные катионы в грунтах. Общее количество ионов в грунте, способных к обмену в данных условиях, называют емкостью поглощения или емкостью обмена грунта.

В обменных процессах в грунтах участвуют главным образом катионы, так как большинство минеральных и органических частиц в воде приобретает отрицательный электрический заряд.

Обменные катионы, т. е. катионы, участвующие в реакциях обмена, находятся в химической связи с поверхностными молекулами минеральных частиц. Проникновение катионов в состав кристаллической решетки обусловливает возможности этой химической связи.

Способные к обмену катионы входят в состав коллоидных мицелл вокруг частиц грунта, находятся на внешней поверхности частиц, в межпакетном пространстве кристаллической решетки. В грунтах наиболее распространены такие катионы, как Са2+, М§2+, №+, К+, Н+; гораздо реже встречаются А13+, Ре3+, Ре2+, МН4+, 1л+. По своей активности ионы располагаются в следующий ряд (по убыванию активности): 1л, №, К, 1ЧН4, М§, Са, Ва, Н, А1, Ре.

Изучение состава обменных катионов и изменения его во времени имеет большое практическое значение, так как свойства высокодисперсных грунтов, например глинистых и лессовых, за-

висят от состава обменных катионов не в меньшей степени, чем от других факторов. Состав обменных катионов играет определяющую роль в содержании различных категорий воды в грунте, одновременно сказываясь на формировании его микроструктуры и микротекстуры. Это же, в свою очередь, определяет инженерно-геологические свойства грунтов.

Количество связанной воды существенным образом зависит от состава обменных катионов в ней. Образование мощных оболочек связанной воды влечет за собой распад микроагрегатов в грунте. Уменьшение оболочек связанной воды вокруг грунтовой частицы ведет к обратному явлению — процессу коагуляции частиц, т. е. к образованию микроагрегатов, а это, в свою очередь, оказывает заметное влияние на формирование микроструктуры и микротекстуры грунта. Состав поглощенных катионов в очень большой мере сказывается на сорбционной способности частиц, т. е. способности частиц связывать воду. Так, в присутствии одновалентного катиона №+ при прочих равных условиях частицы связывают существенно большее количество воды, чем в присутствии двухвалентных катионов — Са2+, 1У^2+. Таким образом, Ыа-катион как бы усиливает влияние глинистых частиц на свойства пород, а двухвалентные катионы, наоборот, это влияние уменьшают. Иными словами, замена в глинистых породах двухвалентных катионов катионами N3 эквивалентна по своему влиянию на свойства пород увеличению содержания глинистых частиц. Это обстоятельство имеет чрезвычайно важное значение. Содержание глинистых частиц в породе, так называемая «глинистость» породы, определяет такие свойства, как способность грунта к набуханию и величину его усадки. Например, набухание происходит при поглощении породами воды, сопровождающемся увеличением толщины пленок связанной воды в контактах частиц и расстояния между ними под действием расклинивающего влияния этих пленок. Набухание сопровождается падением прочности глинистых пород.

Для сохранения индивидуальных частиц в суспензии и предотвращения коагуляции (т. е. объединения в агрегаты) необходимо сохранить отрицательный заряд частиц, вызывающий их отталкивание друг от друга. Этому способствует наличие в дисперсионной среде одновалентных катионов. Наоборот, появление в этой среде двухвалентных катионов приводит к коагуляции и переходу коллоидных систем из золя в гель. Описанное явление имеет существенное значение для формирования плотности глинистых осадков, приобретения рыхлыми горными породами преимущественно глинистого состава того или иного состояния по «плотности — влажности».

Начальная пористость (плотность) водных глинистых осадков зависит от количества частиц и состава воды. Чем больше глинистых частиц (выше «глинистость») содержит осадок при одинаковом составе воды, тем больше его начальный объем и пористость и тем меньше плотность. Это объясняется различным набуханием осадков разного состава. Таким образом, начальная пористость самая высокая у глин, постепенно она снижается у суглинков, супесей и, наконец, песков. В воде, содержащей ионы натрия, объем глинистых осадков при прочих равных условиях больше, чем при содержании ионов кальция. Уплотнение осадков различного состава при увеличении природного давления в процессе их накопления протекает по-разному: наиболее интенсивно в глинах, причиной чего является смазывающее влияние связанной воды, окружающей глинистые частицы, и наличие значительного количества сравнительно крупных пор; значительно меньшая интенсивность уплотнения в суглинках, еще меньше — в супесях и совсем незначительно в песках. Интенсивность уплотнения глинистых осадков и пород зависит от количества глинистых частиц, их минералогического состава и валентности поглощенных ионов. К примеру, при прочих равных условиях она возрастает с увеличением количества монтмориллонита в глинистой фракции и при наличии поглощенного натрия.

Исходя из этого, отметим, что интенсивность уплотнения глинистых осадков и пород является функцией предела текучести; чем выше значение предела текучести, тем меньше начальная плотность глинистого осадка и тем интенсивнее будет протекать уплотнение осадков и пород при увеличении давления.

Известно, что прочность дисперсных систем, к числу которых относятся и глинистые породы, зависит от давления, влияние которого они испытывали. Следовательно, при одинаковой плотности наиболее прочной будет глина, менее прочным — суглинок и наименее прочной из рассмотренных пород — супесь. Надо иметь в виду, что от прочности пород зависит возможность их выдавливания из-под фундаментов, что обычно является причиной разрушения зданий и сооружений. Кстати, это показывает, что распространенное представление о том, что с большей плотностью связана и большая прочность глинистых пород, справедливо лишь в отношении пород одинакового состава.

Отмеченное выше влияние катионного состава на «глинистость» породы сказывается на усадке глинистых пород при потере ими влаги. Величина усадки характеризуется процентным отношением уменьшения объема образца породы при его высушивании к первоначальному объему, а эта величина существенно возрастает с увеличением содержания в породе глинистых частиц

(особенно монтмориллонита), т. е. с увеличением предела текучести. Усадка при высыхании может быть одной из причин перехода пород нормальной плотности в переуплотненное состояние. Особенно часто это проявляется в тяжелых суглинках и глинах у поверхности земли в районах со сравнительно сухим климатом.

Недоуплотненное состояние наиболее характерно для пород с малой величиной предела текучести, т. е. для пылеватых супесей и суглинков, с незначительным количеством глинистых частиц, особенно частиц монтмориллонита, и наличием одновалентных катионов.

При доуплотнении недоуплотненных пород под нагрузкой и при увлажнении, которое не может быть равномерным, возможно возникновение неравномерных дополнительных осадок сооружений.

СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ

Общие понятия. Под строением грунтов понимают совокупность их структурно-текстурных особенностей, т. е. их структуру и текстуру.

Термины «структура» и «текстура» выражают очень близкие понятия. В переводе с латинского «структура» — это строение, расположение, устройство, построение, а «текстура» — ткань, соединение, связь.

В настоящее время под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих его элементов (минералов, обломков минералов и горных пород, других отдельных частиц, агрегатов, цемента) и характер взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой — пространственное расположение слагающих элементов грунта (независимо от их размера).

Все структурные элементы (минеральные зерна и обломки), которые являются слагающими горных пород, связаны между собой структурными связями. Эти связи отличаются друг от друга своей энергией; они могут быть прочными, кристаллизационными (в этом случае их энергия соизмерима с внутрикристалличе-ской энергией химической связи отдельных атомов); они могут быть весьма слабыми, едва проявляющимися в обычных условиях и практически не оказывающими влияния на инженерно-геологические свойства горных пород.

Типы структурных связей. Структурные связи являются одной из самых важных характеристик горных пород; от них во многом зависят их инженерно-геологические свойства и состояние. Внут-рикристаллические химические связи определяют прочность МИ-

неральных зерен — кристаллов, достигающую весьма высоких значений в десятки и сотни МПа. Средняя прочность магматических и метаморфических горных пород равна примерно 500 МПа, осадочных сцементированных — 400 МПа, в то же время у некоторых дисперсных несцементированных пород она снижается практически до нуля. Но прочность горных пород определяется не столько прочностью минеральных зерен, сколько прочностью связи между ними, т. е. структурными связями.

Формирование структурных связей происходит в результате сложнейших физико-химических процессов: кристаллизации, старения, конденсации содержащихся в породе соединений, а также адсорбции, миграции, пропитки и кристаллизации проникающих в горную породу цементирующих веществ из окружающей среды. Влияние проникающих веществ из окружающей среды может носить и «регрессивный» характер, т. е. сложившиеся в породе структурные связи могут разрушаться или переходить в новые, отличающиеся своей энергией, а в конечном счете прочностью, связи между минеральными зернами. Кроме того, существующие методы технической мелиорации (или улучшения свойств) грунтов позволяют человеку вмешиваться в процесс формирования структурных связей и создавать грунты с заданными в определенной степени свойствами или изменять их в нужном направлении, например, создавать искусственные связи в трещиноватых скальных грунтах (гранитах, известняках и других) путем их цементации.

В природе образование структурных связей представляет собой весьма длительный историко-геологический процесс, который развивается на протяжении всего периода формирования горной породы и ее последующей геологической жизни.

На первом этапе, в момент образования горных пород (остывание магмы, перекристаллизация при метаморфических процессах, осадконакопление и т. п.), в них возникают первичные структурные связи. На следующих этапах существования горной породы под влиянием уплотнения, выветривания, инфильтрации и растворения водой и растворами в породе возникают вторичные структурные связи. Одновременно с этим возможно изменение в ту или иную сторону первичных структурных связей. Все эти противоречивые процессы обусловливают постоянную изменчивость структурных связей в течение геологического времени, а это влечет за собой и изменчивость инженерно-геологических свойств горных пород. Таким образом, следует еще раз подчеркнуть, что правильное изучение и прогнозирование свойств грунтов необходимо проводить в естественно-историческом аспекте, на генетической основе. При этом нельзя забывать о том, что

прочность и характер структурных связей в каждом конкретном случае зависят от состояния горной породы.

Хорошо известно, что прочность глин в сухом состоянии может достигать почти 10 МПа, во влажном же состоянии глины представляют собой зачастую пластичную или даже текучую массу, легко деформирующуюся под действием собственного веса. Таким образом, при инженерно-геологическом изучении горных пород, помимо определения их состава, возраста, генезиса, нужно учитывать их состояние в каждый конкретный момент времени и прогнозировать их свойства с учетом этого состояния и возможного его изменения.

В различных генетических типах пород развиты или преобладают различные структурные связи, обусловленные различной природой формирования и проявления. В магматических, метаморфических и некоторых осадочных сцементированных породах широко развиты связи химической природы; в тонкодисперсных несцементированных породах связь между отдельными минеральными частицами породы осуществляется за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий, которые в инженерно-геологической литературе получили название водно-коллоидных связей. В настоящее время установлено, что дисперсные несцементированные частицы породы могут обладать связями магнитного характера, а также связями за счет поверхностных электрических зарядов, возникающих на контакте минеральных частиц. Рассмотрим более подробно указанные выше типы структурных связей.

Природа химической связи отвечает природе внутрикристалли-ческих связей минералов. Химическая связь возникает при непосредственном (истинном) контакте минеральных зерен друг с другом, а также при наличии в пространстве между минеральными зернами прочного цементирующего вещества, которое скрепляется с наружными плоскими сетками кристаллических решеток минеральных зерен.

Химическая связь является наиболее прочным типом структурных связей. Это связь в некоторых горных породах, например метаморфических, в кварцитах, по прочности близка внутрикрис-таллическим химическим связям. При разрушении этих пород образующиеся линии скола могут проходить как по местам контактов минеральных зерен, так и по самим зернам.

Способы формирования структурных связей химической природы в различных породах неодинаковы. У магматических пород они появляются одновременно с кристаллизацией и твердением магматического расплава, т. е. при образовании самих минерально

ных зерен. В метаморфических породах связи формируются при перекристаллизации материнских (исходных) пород.

В осадочных породах образование структурных связей происходит в результате инфильтрации природных растворов и выпадения из них солей или при осаждении в поровом пространстве таких соединений, как коллоидный кремнезем или гидроксиды железа, дальнейшем их старении и кристаллизации на контактах между зернами. По своей природе химическая связь представляет собой силы гравитационного, магнитного и электрического характера. В основе химической связи лежит электрическое взаимодействие между атомами.

Более сложный характер имеют молекулярная и ионно-электростатическая связи.

Известно, что при сближении атомов или даже двух микроскопических сил между ними в определенных условиях возможно взаимодействие благодаря молекулярным силам (Ван-дер-Вааль-са), которые носят универсальный характер. Указанное взаимодействие существует всегда и проявляется не только между заряженными ионами, но и между нейтральными атомами, молекулами и твердыми телами. Энергия этого типа структурных связей значительно меньше, чем при проявлении химической связи, однако молекулярные силы играют важную роль в формировании связей между частицами в тонкодисперсных грунтах.

Наиболее оптимальными условиями для проявления молекулярных связей являются высокая плотность и низкая влажность тонкодисперсных пород. Поэтому глинистые грунты всегда имеют максимальную прочность в сухом состоянии. Однако в природе большинство дисперсных грунтов содержит то или иное количество влаги. Структурные связи во влажных дисперсных грунтах носят поэтому значительно более сложный характер, так как там наряду с молекулярными силами притяжения проявляются расклинивающие силы притяжения гидратных оболочек вокруг твердых минеральных частиц, которые направлены противоположно молекулярным силам, а кроме того, возникают силы взаимодействия ионно-электростатического характера. Это взаимодействие связано с возникновением электрического заряда у твердых минеральных частиц и образованием диффузного слоя ионов вокруг них. Вследствие этого во влажных тонкодисперсных грунтах правильнее говорить о молекулярно-ионно-электро-статических связях. Такой тип связей проявляется в глинах, некоторых разновидностях мела и мергеля.

В зависимости от характера проявления молекулярных и мо-лекулярно-ионно-электростатических сил связи, выражающегося

прежде всего в степени агрегации первичных частиц, выделяется несколько типов структур дисперсных пород:

  • стабилизационная структура; возникает в тонкодисперсных грунтах при наличии на поверхности минеральных частиц активных гидрофильных стабилизаторов, препятствующих слипанию (коагуляции) частиц под влиянием сил молекулярного притяжения, например, пленки гидрофильного органического вещества. К породам со структурой такого типа можно отнести карельские четвертичные перигляциальные глины; истинные плавуны; майкопские глины Предкавказья; поволжские глины нижнемелового неокомского возраста; глины кембрийского возраста, распространенные в Санкт-Петербурге; мергели мелового туронского возраста и ряд других;
  • коагуляционная структура; встречается в породах, в составе которых до 1,5 % электролитов. В этих условиях, как известно, возникает структурная коагуляция, которая приводит к образованию в породах рыхлого структурного каркаса. К породам, обладающим такого типа структурой, относят высокодисперсные глины Заволжья, так называемые хвалынские; монтмориллонитовые глины киммериджского и оксфордского ярусов юрского возраста;
  • пластифицированно-коагуляционная структура; формируется при структурной коагуляции, когда в породах присутствуют органические соединения, обладающие пластифицирующими свойствами, часто в присутствии карбонатов кальция, причем в поровом растворе электролиты должны обладать концентрацией от 0,3 до 10 %. Примером пород с этим типом структуры могут служить глинистый мел туронского яруса мелового возраста; современные черноморские илы; озерные глины; отдельные горизонты морских отложений Каспийского моря; так называемые спондиловые глины;
  • смешанная коагуляционно-кристаллизационная или коагуляционно-цементационная структура; образуется при одновременном проявлении ионно-электростатических взаимодействий и сил химической природы, поэтому сформированные структурные связи отличаются от перечисленных связей других типов структуры значительно большей прочностью и хрупкостью. Рассматриваемый тип структуры встречается в типичных лессах; мергелях мелового периода кунгурского и сантонского ярусов; в типичном чистом писчем меле; аргиллитоподобных юрских глинах; сланцеватых юрских и нижнемеловых глинах; современных покровных суглинках.

Остановимся теперь на недостаточно еще изученной связи магнитного характера. По полученным данным исследований, она обусловлена наличием магнитных сил за счет присутствия в породах таких природных ферромагнетиков, как минералы гематит, гетит, гидрогематит. Эти минералы встречаются в виде тон-

ких пленок на поверхности твердых частиц. Толщина и степень развития пленок на поверхности частиц зависят от многих факторов, таких, как степень дисперсности, минеральный состав частиц, степень их обработанности, условия образования, транспортировки и существования породы, которые весьма различны в разных генетических типах пород. Степень влияния такого типа связи на формирование структуры естественно невелика, но она накладывает свой специфический отпечаток на общие структурные особенности породы.

Наряду с указанными связями в породах может образоваться связь за счет взаимодействия электрических зарядов, возникающих на контактах минеральных зерен. Электрический заряд в этом случае обусловливается контактной разностью потенциалов. Аналогичное явление возникает при трибоэлектризации (электризации при трении частиц друг о друга). При увлажнении этот тип связи естественно разрушается, так как эффект приобретения электрического заряда характерен только для сухих минеральных частиц, поэтому этот тип связи необходимо учитывать только при оценке сухих рыхлых грунтов.

Форма и характер поверхности (морфология) слагающих горную породу элементов. Генезис горной породы играет весьма существенную роль в формировании морфологических особенностей слагающих ее минеральных зерен, причем это относится, вопреки сложившимся обычным представлениям, как к дисперсным осадочным породам, так и к магматическим, метамофическим и осадочным сцементированным.

Минеральные зерна и их обломки могут принимать под воздействием генетических и постгенетических процессов весьма разнообразную форму и иметь различный характер поверхности (морфологический облик). Факторы, определяющие морфологию минеральных частиц, весьма разнообразны, к ним относятся, например, такие, как условия кристаллизации и перекристаллизации в магматических и метаморфических породах; дальнейшее их выветривание; дислоцирование при тектонических процессах; первоначальная форма минеральных зерен и их обломков; химико-минеральный состав исходных пород; условия и характер выветривания, переноса, осадконакопления в осадочных и метаморфических породах.

Особенно важное значение в формировании инженерно-геологических свойств морфологический облик имеет в дисперсных осадочных породах, в основном песчаных, супесчаных, крупнообломочных. Первоначальная форма обломков зависит от прочности материнской породы, ее состава и структурно-текстурных особенностей. Массивные скальные породы (граниты, известняки) на

первых стадиях разрушения дают крупные обломки в виде многогранников с тупыми углами. При выветривании эти обломки могут разрушаться дальше, вплоть до образования мелких фракций обломочного материала, состоящего преимущественно из отдельных идиоморфных зерен, т. е. имеющих более или менее правильные очертания кристаллов, соответствующих процессам кристаллизации при остывании магмы. Мергель, сланцы, алевролиты, слоистые известняки дают обломки (щебень) плоской и остроугольной формы, которая, как правило, унаследуется при их дальнейшей обработке, транспортировке и переотложении.

При переносе и отложении минеральные зерна и их обломки приобретают ту или иную степень обработанности. Зерна могут быть обработанными и необработанными, т. е. окатанными или неокатанными с шероховатой, полированной, кавернозной или иной поверхностью. Крупные обломки окатываются сильнее, чем мелкие, поэтому наблюдается связь между окатанностью зерен, их обломков со степенью дисперсности. Особенно четко эта зависимость проявляется в песчаных и мелкообломочных породах. Первичные частицы тонкодисперсных пород практически не подвергаются обработке при переносе и переотложении. Весьма существенным в формировании морфологического облика является содержание в породе того или иного минерала. Кварцевые зерна, как известно, весьма устойчивы к обработке, полевые шпаты, кальцит, слюды разрушаются быстрее и приобретают в силу своего внутреннего строения другие, нежели у кварца, форму и характер поверхности. Степень шероховатости или полированности частиц определяется как условиями переноса (трение частиц друг о друга в водной или воздушной среде), так и условиями отложения. Развитая поверхность, как измененная поверхность самого минерального зерна, так и пленки вторичного вещества на зерне, их толщина и состав зависят от скорости транспортировки и уплотнения в процессе превращения осадка в породу, при наличии того или иного химического агента в грунтовых растворах, когда происходит растворение поверхности первичного зерна или осаждение коллоидного или кристаллического вторичного вещества на этих зернах, а также при других весьма сложных физико-химических процессах.

Морфология песчаных зерен, пылеватых частиц, обломков горных пород более крупных размерностей является комплексным диагностическим признаком при оценке их генезиса, а также вместе с этим оказывает существенное влияние на формирование их инженерно-геологических свойств. Установлено, что морфологический облик частиц дисперсных пород оказывает влияние на прочность, деформируемость, водопроницаемость пород.

В магматических, метаморфических породах морфологический облик минералов играет огромную роль в формировании их прочностных свойств. В осадочных сцементированных породах форма и характер поверхности частиц определяют форму порово-го пространства, активность поверхности частиц — при заполнении пространства между частицами цементирующим веществом и его последующей кристаллизации.

Подводя итог рассмотрению основных понятий структуры горных пород, следует сделать вывод о несомненной зависимости формирования структурных особенностей от генетических и постгенетических процессов и влиянии этих особенностей на приобретение породой тех или иных инженерно-геологических свойств.

Роль структурно-текстурных особенностей грунтов. Текстуре горных пород редко уделяется много внимания, так как эта весьма важная характеристика обычно изучается специалистами в чисто геологических целях, хотя она имеет несомненно инженерно-геологическое и практическое «строительное» значение.

Помимо общего понятия о текстуре грунтов введены понятия о макро-, мезо-, микротекстуре, которые находятся в тесной взаимосвязи с понятиями макро-, мезо-, микроструктуры применительно к глинистым и лессовым грунтам. Введение этих понятий объясняется тем, что в тонкодисперсных грунтах отдельные частицы, являющиеся первичными структурными элементами, образуют под влиянием процессов агрегации элементы второго порядка — микроагрегаты, а последние, в свою очередь, могут образовывать структурные элементы еще более высокого порядка. Размер отдельных макроэлементов может изменяться от 1 м и более и до долей сантиметра. Особенности пространственного расположения макроэлементов характеризуются макротекстурой.

Для глинистых и лессовых пород наиболее характерной является беспорядочная и слоистая макротекстура. Первая характеризуется отсутствием какой-либо видимой слоистости в толще. Порода с беспорядочной макротекстурой выглядит сплошным однородным телом.

Порода со слоистой макротекстурой состоит из отдельных слоев, имеющих какую-либо пространственную ориентацию. Мощность слоев может быть различной: от метров до миллиметров.

Размер, форма, характер поверхности, количественное соотношение микроагрегатов, отдельных микроблоков, а также первичных пылеватых и песчаных зерен в тонкодисперсных грунтах характеризуют их мезоструктуру.

Соответственно мезоструктура определяется пространственным расположением этих элементов в породе и их ориентацией. Элементы мезоструктуры имеют размеры от нескольких МИЛЛИ-

метров до 0,005 и 0,001 мм. Поэтому изучение мезоструктуры и мезотекстуры пылеватых и глинистых грунтов производится на специально изготовленных образцах, так называемых шлифах и аншлифах с помощью поляризационных оптических и даже электронных микроскопов при значительных увеличениях (в некоторых случаях до 1000 раз).

Мезотекстура тонкодисперсных пород может быть беспорядочной и ориентированной. Первая характеризуется отсутствием преобладающего направления пространственной ориентации частиц и агрегатов связанных пород. Под поляризационным микроскопом порода с такой мезотекстурой выглядит неравномерно просветленной сплошной массой.

Ориентированная мезоструктура характеризуется определенной ориентацией мезоструктурных элементов относительно какой-либо оси в пространстве. Чаще всего это направление совпадает с направлением или перпендикулярно направлению прилагаемой нагрузки. При рассмотрении образца такой породы (шлифа) под поляризационным микроскопом можно наблюдать отдельные участки, соответствующие ориентированным микроблокам и микроагрегатам, которые видны в поле зрения микроскопа в виде светлых или угасающих участков.

Микроструктура характеризуется размером, формой, характером поверхности и количественным соотношением первичных тонкодисперсных частиц, образующих в грунте микроагрегаты или (значительно реже) существующих изолированно.

Среди тонкодисперсных пород выделяется несколько типов микроструктур. Наиболее распространенными среди них являются плойчатая, листообразная, овальная, игольчатая и трубчатая. Особенности их пространственного расположения характеризуют микротекстуру грунта, которая может быть беспорядочной и ориентированной.

Размер микроструктурных элементов менее 1—5 мкм. Поэтому микроструктура может быть изучена только с помощью специальной, зачастую уникальной, аппаратуры, например, электронно-микроскопическими методами при увеличениях в 1000, 5000 и даже 10 000 раз. Характеристики микроструктуры и микротекстуры находятся в теснейшей зависимости с описанными выше структурными связями и определяют инженерно-геологические свойства грунтов.

В тонкодисперсных грунтах (глинистых, пылеватых), песчаных, крупнообломочных выделяется несколько типов текстур (микротекстур), таких, как, например, горизонтально-косослоистая, линзовидная, «с признаками ряби» и т. д. Некоторые специалисты при оценке текстуры дисперсных осадочных пород

важное внимание уделяют их пористости, ее видам, размерам пор, так как пористость определяет возможность доуплотнения пород под нагрузкой, их прочностные, деформационные и фильтрационные свойства.

Наличие пористости и ее морфология совместно со степенью трещиноватости играют определенную роль и в формировании указанных характеристик инженерно-геологических свойств для таких осадочных пород, как известняки, мергели, диатомиты, опоки. Трещины и другие особенности состояния пород играют существенную роль в развитии процессов выветривания, растворимости, суффозии, карста и др.

Структура и текстура изверженных горных пород зависят, как уже неоднократно отмечалось, от их генезиса. Магма, поднимающаяся к поверхности земли, быстро охлаждается, а вязкость ее увеличивается благодаря потере воды и газа. Это обстоятельство благоприятствует образованию вулканического стекла с пелито-вой или сферолитовой структурой. Сферолитовые структуры особенно характерны для «древнеобразованных» (палеотипных) излившихся пород и образуются при старении стекла. В поверхностных условиях лавовые потоки затвердевают очень быстро, крупные кристаллы не развиваются, и для эффузивов наиболее типична афанитовая («глухая») структура, равно как для кристаллических, так и для стекловатых пород. Горные породы с подобными структурами имеют высокую механическую прочность и одновременно характеризуются известной хрупкостью. В эффузивных, в частности вулканических, породах часто встречаются пузырчатые текстуры. Породы этого типа усеяны газовыми пузырьками миндалевидной, округлой или эллипсоидальной формы. Такая текстура определяет пористость до 60 % в армянских туфах, снижая их плотность до 0,95 г/см3. Часто пустоты в вулканогенных породах выполнены вторичными минералами и сообщают им миндалекаменную текстуру. Породы миндалекаменной текстуры значительно прочнее пузырчатых, но благодаря своей неоднородности уступают по прочности эффузивным породам с так называемой массивной текстурой, например, в липаритах, андезитах, базальтах. Кроме того, в эффузивных породах выделяют пемзовую текстуру, отличающуюся огромным количеством пор, в которых минеральная составляющая образует тонкие перегородки между порами.

Сходное влияние на физические и механические свойства эффузивных пород оказывает и порфировая структура, при которой крупные вкрапления одного или нескольких минералов бывают погружены в тонкозернистую или стекловатую основную массу. Порфировая структура может образовываться и на глубине при

формировании лайковых пород. Текстура в этих породах обычно относится к так называемой немассивной, иногда имеющей некоторую пористость, в определенных условиях несколько ориентированную, что сказывается в какой-то мере на прочности и устойчивости пород к выветриванию.

Структуры и текстуры глубинных пород существенно иные. Кристаллизация магматического расплава на глубине происходит постепенно под влиянием медленного охлаждения и присутствия летучих веществ. Также постепенно формируется мозаика минеральных зерен, образующих структуры породы. Поэтому наиболее характерная особенность глубинных пород — это полнокристаллическая, относительно крупная и равномерно-зернистая структура. Разновидностей ее очень много, например, одна из наиболее известных — пегматитовая с типичным «письменным» рисунком. При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, так как в общем случае мелкозернистые породы являются более прочными и устойчивыми к выветриванию, чем крупнозернистые.

Вопрос оценки влияния текстурных особенностей глубинных магматических пород на их инженерно-геологические характеристики мало изучен, поскольку для этих пород в основном характерна массивная текстура, которая заведомо определяет высокие инженерно-геологические свойства пород.

Огромное значение для формирования пород в условиях ди-намо-термального метаморфизма, особенно для возникновения сланцеватых текстур, имеет одностороннее давление. Под его влиянием в горной породе происходят скользящие дифференциальные движения, минералы приобретают закономерную ориентировку как по внешней форме, так и по внутреннему строению. Одностороннее давление в известной мере определяет анизотропию растворения и роста минералов, которая также способствует образованию ориентированных структур и текстур.

Для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их типичной сланцеватостью. Прочность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль упругости значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей. Сланцеватостью определяется и значительная выветриваемость этих пород, а также пониженная устойчивость на природных склонах и в бортах искусственных выработок, особенно вдоль сланцеватости. Многие метаморфические породы образуют в результате выветривания тонкоплитчатые и листоватые весьма подвижные осыпи.

Кроме ярко выраженной сланцеватости в метаморфических породах выделяют такие виды текстур, как слоистая, косая гори-

зонтальная, очковая, а в таких породах, как мраморы и роговики, — массивная, однородная, «сахаровидная». Указанные виды текстур имеют вполне четкое влияние на инженерно-геологические свойства пород.

Породы катакластического метаморфизма имеют, как правило, брекчиевидную текстуру, с некоторой сланцеватостью, прослойками таких минералов, как хлориты, серициты, у которых отмечаются пониженные инженерно-геологические показатели.

СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ

В последнее время специалисты в инженерной геологии уделяют большое внимание такой важной категории оценки грунтов, как их состояние. Понятие «состояние грунтов» мы уже рассматривали, здесь попытаемся несколько упорядочить изложенные ранее сведения. Следует отметить, что пока нет четко сформулированного определения этой категории. К числу характеристик, определяющих состояние грунтов, относят степень трещиноватости, выветрелости, влажности, водонасыщенности, плотности и др. Такие характеристики, как трещиноватость и выветрелость, определяют свойства пород в образце и в массиве; как известно, такая величина, как предел прочности на сжатие в образце, существенно превышает ее значения в массиве, иной раз до двух порядков. Степень выветрелости имеет несколько иное влияние на формирование свойств грунтов в образце и в массиве. Трещины выветривания обычно заполнены вторичным минеральным материалом, а это, естественно, резко повышает неоднородность массива, тем самым уменьшая или, точнее, меняя прочностные, деформационные и фильтрационные свойства пород в массиве.

Степень влажности чаще всего учитывают при оценке свойств дисперсных грунтов. Она определяет возникновение, «оживление» и развитие таких неблагоприятных явлений и процессов, как оползни, солифлюкция, в отдельных случаях способствует селеобразованию и ряду других явлений. Степень влажности сказывается на деформационно-прочностных характеристиках массивов грунтов, на консолидации грунтов в основании сооружений при приложении к ним нагрузок инженерных сооружений. Очень близко к степени влажности стоит степень водонасыщенности, более применимая в настоящее время к скальным трещиноватым грунтам. Эти две категории определяют способность грунтов деформироваться под нагрузкой, консолидироваться; существенно влияют на прочностные характеристики массивов грунтов; в климатических зонах, подверженных резким колебаниям температур, в районах распространения мерзлых грунтов степень влажности и

степень водонасышенности их значительно влияют на морозостойкость пород в массиве.

Для дисперсных грунтов особое значение имеет степень их плотности, например, встречаются недоуплотненные пылеватые и песчаные грунты, такие, как эоловые мелкозернистые, распространенные в южной части Кара-Кумов, эолово-морские (дюнные) пески балтийского побережья, лессовые грунты различного генезиса.

Недоуплотненное состояние этих грунтов является одной из причин просадочных явлений, отчасти разжижения песков, неоднородных деформаций в основании сооружений, нарушения устойчивости пород в откосах естественных и искусственных выемок.

Все перечисленные характеристики состояния грунтов в их «предельных» значениях резко ухудшают свойства массивов при приложении вибрационных, динамических, в частности сейсмических, нагрузок. Сильнотрещиноватые, выветрелые, водонасыщенные или влажные недоуплотненные грунты в массиве значительно снижают возможность использования их в основании ответственных сооружений. При расчетах на сейсмическую устойчивость сооружений, проектируемых на грунтах, которые находятся в указанных выше состояниях, согласно действующим нормативным документам, требуется увеличивать расчетные значения, учитывающие сейсмические воздействия, в некоторых случаях на 1 балл выше установленной для всего района общей сейсмической интенсивности.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Физические свойства грунтов. Инженерно-геологические свойства горных пород являются весьма емким понятием, охватывающим их физические, водно-физические и механические свойства. Определение этих свойств, назначение их расчетных значений при проектировании оснований и фундаментов различных сооружений, прогноз их изменений во времени и являются основной конечной целью грунтоведения. При определении параметров свойств грунтов возникают конкретные задачи, решаемые различными способами и методами грунтоведческих исследований, для которых разработаны конкретные методики, приборы и оборудование.

Физические свойства горных пород естественно охватывают все их генетические классы от магматических и метаморфических до обломочных и тонкодисперсных осадочных. Однако в связи с тем, что в строительной практике чаще всего приходится иметь

дело с рыхлыми дисперсными породами, а также в связи с тем, что эти породы обладают значительной изменчивостью свойств, рассмотрение характеристик свойств грунтов мы будем проводить в основном для этих грунтов.

Отметим вначале наиболее характерные физические свойства горных пород, согласно ГОСТ 25100—95. К числу наиболее важных характеристик относятся плотность и пористость породы.

Плотность грунта — это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влажности и характера сложения (пористости)

Р = гп/У,

где р — плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; т — масса породы с естественной влажностью и сложением, г; V — объем, занимаемый породой, см3.

Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта:

р5 =(ш-/и„)/Гг,

где р5 —плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; тв — масса воды в порах грунта, г; Кг — объем твердой части грунта, см3.

Плотность частиц грунта изменяется для всех горных пород в небольших пределах от 2,61 до 2,75 г/см3 и для каждой генетической разности породы определяется только ее минералогическим составом.

Удельный вес грунта характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры, и может быть рассчитан следующим образом:

У = Р?>

где у — удельный вес грунта, Н/м3; g —ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2.

Плотность скелета породы, или плотность сухого грунта, представляет собой отношение массы минеральных частиц породы (твердой части грунта) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

Рг =(т -тв)/У,

где — плотность скелета породы (плотность сухого грунта), г/см3, кг/см3, т/м3; т—тъ = тх — масса сухого грунта, г; V — объем, занимаемый породой, см3.

Плотность скелета породы — величина более постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по данным определений плотности и влажности по формуле

9 л = р/(1+0,01Ж),

где р — плотность породы, г/см3; р^ — плотность скелета породы, г/см3; Ж—влажность породы, %.

Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса сухого грунта к объему его твердой части и может быть рассчитан следующим образом:

у в = у в 8,

где у* — удельный вес частиц грунта, Н/м3, кН/м3, МН/м3.

Удельный вес сухого грунта характеризует отношение веса сухого грунта ко всему занимаемому этим грунтом объему и может быть рассчитан следующим образом:

Уг= 9аё = 7/(1 + ИО,

где уа — удельный вес сухого грунта, Н/м3.

Физические значения плотности применяют для характеристики физических свойств горной породы грунта основания или строительного материала, а также в динамических расчетах оснований.

Физические значения удельного веса используют непосредственно в остальных расчетах оснований, в частности при определении природного давления, при расчете осадки.

Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных промежутков между минеральными частицами, составляющими породу.

Пористость обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы:

п = (УП/У)�0,

где Уп — объем пустот породы, см3; V — объем, занимаемый породой, см3.

Кроме того, пористость можно выразить через значение плотности грунта:

П= [(р,- р^/рЛЮО; п = ( - р„/р,)ЮО.

Приведенной пористостью, или коэффициентом пористости, называют отношение объема пустот (пор) к объему твердых минеральных частиц породы. Коэффициент пористости выражается в долях единицы по формулам:

е= УП5, е= п/1 - п или е= (р5- ра)/рФ

Водно-физические свойства грунтов. Влажностью породы IV называют отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой породы (высушивание образца должно производиться в термошкафу при 1 = 105...107 °С в течение 8 ч и более).

Влажность породы, кроме того что она является физическим свойством породы, служит важнейшей характеристикой ее физического состояния, определяющей прочность, деформируемость и другие свойства при использовании в инженерных целях.

Под естественной (весовой) влажностью породы IV, %, понимается количество воды, содержащееся в породе в естественных условиях:

РУ= [(т-т,)/т,]Ю О,

где т — масса породы вместе с содержащейся в ней водой, г; т| — масса высушенной породы, г.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной, гравитационной воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостью породы и определяют по формулам:

п = п/ра или И' = ер„/р5.

Под гигроскопической влажностью У/Г понимают влажность воздушно-сухого грунта. Степенью влажности, или относительной влажностью, называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношением объема воды к объему пор грунта:

5Г = И/р5 (100 — п)/п или 5Г = VpJepyn

где ? — степень влажности породы, %; IV— естественная влажность породы, %; р5 —плотность частиц породы, г/см3; п —пористость, %; Ри, — плотность воды, г/см3; е — коэффициент пористости.

По степени водонасыщенности все рыхлые породы подразделяют на четыре основные группы (по величине 5Г): су

хие — 0—0,2; слабовлажные — 0,2—0,4; влажные — 0,4—0,8; насыщенные водой — 0,8—1,0.

Максимальная молекулярная влагоемкость характеризует содержание прочносвязанной, рыхлосвязанной воды и воды ближней гидратации, т. е. влажность грунта при максимальной толщине пленок связанной воды вокруг минеральных частиц Жммв. Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов — способом высоких колонн.

Пластичность — способность породы изменять под действием внешних сил (давления) свою форму, т. е. деформироваться без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось, — является характеристикой, во многом определяющей деформируемость.

Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их консистенции (относительной влажности). Для того чтобы выразить в численных показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены понятия о нижнем и верхнем пределах пластичности.

Нижним пределом пластичности Жр, или границей раскатывания, называют такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, замешанная на дистиллированной воде, при раскатывании ее в жгутик диаметром 3 мм начинает крошиться вследствие потери пластических свойств, т. е. такая влажность, при которой связный грунт переходит из твердого состояния в пластичное.

Верхний предел пластичности Щ, или граница текучести, представляет собой такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, положенная в фарфоровую чашку и разрезанная глубокой бороздой, сливается после трех легких толчков чашки ладонью. При большей степени влажности глинистая масса течет без встряхивания или при одном-двух толчках, т. е. такая степень влажности, при которой связный грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, Ур, %:

По числу пластичности Ур выделяют породы четырех типов: 1) высокопластичные (глины) — 17 %; 2) пластичные (суглинки) — 17...7 %; 3) слабопластичные (супеси) — 7 %; 4) непластичные (пески) — 0.

Консистенция У, или показатель текучести, — это характеристика состояния грунта нарушенной структуры:

/ = (^ - ^р)Л/р-

Количественные характеристики гранулометрического состава.

При характеристике гранулометрического состава используют такие показатели, как эффективные диаметры У60 и У10, т. е. диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится по массе соответственно 60 или 10 % частиц. Иногда к числу эффективных диаметров относят У50, б95 и ф, которые вычисляют аналогично описанному способу. Эффективные диаметры применяют для оценки степени неоднородности гранулометрического состава грунта

Сн *4оЛ6о

или степени сортированности

3 — Фо/^о-

Применяют также показатели, характеризующие однородность

грунта, такие, как У50 д90М0 или ^50 ^55.

В практике инженерно-геологических исследований применяют также специальные статистические коэффициенты, характеризующие крупность частиц грунта с помощью методов математической статистики (по нормальным и логарифмически нормальным распределениям частиц по крупности).

Приведенные характеристики применяют обычно для песчаных, гравийно-галечных и пылеватых грунтов.

Некоторые свойства глинистых грунтов и их характеристики. Возвращаясь к оценке свойств глинистых грунтов, рассмотрим следующие важные их характеристики.

Набуханием называют способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания. Набухание зависит от содержания в породе глинистых и пылеватых частиц и их минералогического состава, а также от химического состава взаимодействующей с породой воды. Бентонитовая глина может, например, увеличить свой объем более чем на 80 %, као-линитовая — на 25 %.

Коэффициент набухания (к, %) определяют по данным лабораторных исследований по приросту объема породы в процессе насыщения ее водой:

к=[(У- К,)/К,]100,

где V — объем набухшей породы, см3; Ух — объем воздушно-сухой породы, см3.

Способность пород к набуханию характеризуется:

  • • степенью деформации набухания /?н, %, определяемой по изменению объема или высоты образца;
  • • давлением набухания Рн, МПа, которое развивается при невозможности объемных деформаций в процессе набухания породы;
  • • влажностью набухания УН, соответствующей такому состоянию породы, при котором прекращается процесс поглощения жидкости (воды) породой.

Явление набухания учитывают при строительных работах. Набухание пород (главным образом дисперсных) наблюдается в котлованах, траншеях и других выемках, а также при строительстве плотин, дамб, транспортных насыпей и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия сооружений и увеличивается влажность пород, особенно глинистых, за счет вновь поступающей воды.

Усадкой породы называют уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка. В наибольшей степени набуханию и усадке подвержены глинистые породы.

Размоканием называют способность глинистых пород в соприкосновении со стоячей водой терять связность и разрушаться — превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Размокание породы имеет большое значение для характеристики ее строительных качеств. Скорость размокания породы определяет степень ее устойчивости под водой.

При оценке размокаемости принимают во внимание вид породы после распада (пылевидный, пластичный, комковатый) и отмечают размер распавшихся частиц. Глинистые породы размокают в несколько раз медленнее, чем песчаные. Наличие в породе гумуса и карбонатов замедляет размокание.

Большая часть пород с кристаллизационной структурой является практически неразмокаемой. Большинство же дисперсных пород с другими видами связи относятся к категории размокаемых.

Для характеристики размокания пород обычно используют два показателя:

  • • время размокания, в течение которого образец породы (главным образом, глинистой), помещенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера;
  • • характер размокания, отражающий качественную картину распада образца породы.

Размокание породы имеет существенное значение при подготовке проекта производства работ и организации возведения соо-

ружения с учетом климатических особенностей района строительства и сезона работ.

Плотные суглинки и четвертичные, а особенно древние, глины, не размокающие в стоячей воде, разрушаются при длительном воздействии текучей воды, т. е. размываются.

Размываемость пород со слабыми структурными связями обусловливается сопротивлением их размоканию.

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики. Расчет оснований сооружений, проектирование фундаментов, качественных насыпей, создание проектов производства работ, оценка и прогноз эксплуатации оснований и фундаментов, а в конечном итоге и сооружений; выяснение причин развития и активизации природных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений невозможны без определения физико-механических свойств грунтов, наиболее важными из которых являются деформационные и прочностные.

Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться под влиянием внешней нагрузки, например давления от возведенных сооружений, не подвергаясь разрушению. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор вследствие деформации частиц породы, воды и газа.

При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе характеристик относятся: коэффициент уплотнения а, коэффициент компрессии ак, модуль осадки ер, ко второй — коэффициент консолидации и др.

Общая характеристика сжимаемости грунтов как деформационного показателя определяется модулем общей деформации Е.

При нагрузке на грунт возникают деформации, протекающие во времени. Даже для неполностью водонасыщенных глинистых грунтов сжатие под нагрузкой происходит не мгновенно, но в ряде случаев осуществляется сразу со скоростью приложения нагрузки.

Деформация сжатия перечисленных грунтов обусловлена при обычных в строительстве нагрузках упругим сжатием частиц и газа. Для водонасыщенных глин, особенно с нарушенными структурными связями, сжатие осуществляется при оттоке воды

из пор грунта, скорость которого зависит от водопроницаемости грунта. Для правильного суждения о скорости осадки сооружений используют данные о консолидации грунтов. Консолидация дисперсных грунтов — это их уплотнение во времени под постоянной нагрузкой.

К числу факторов, определяющих сжимаемость грунтов, относят их гранулометрический, минералогический составы и характеристики структуры и текстуры.

Дисперсность и степень неоднородности грунтов определяют отчасти их пористость, а тем самым обусловливают возможность их деформирования. Определенное значение здесь имеет и фильтрационная способность различных по крупности грунтов.

Немаловажное значение имеет и минералогический состав грунтов. Наличие в песках частиц слюды значительно увеличивает сжимаемость таких песков и величину обратимой деформации. Состав минералов в глинистых грунтах определяет размер, форму и гидрофильность частиц грунта. Пористость глинистых грунтов возрастает, как и возможность уплотняться при действии внешней нагрузки, с увеличением дисперсности и гидрофильности глин. Это подтверждается фактом наибольшей деформируемости монтмориллонитовых глин по сравнению с другими минералогическими разностями глин, что определяется свойствами монтмориллонита, его внутренним строением.

К числу факторов, определяющих способность грунтов деформироваться, относится и морфология их частиц, формирующая в некоторой степени размер и форму порового пространства, их фильтрационную способность. Угловатые частицы с шероховатой поверхностью по сравнению с окатанными полированными обладают не только повышенной способностью адсорбировать на себе водные пленки и пленки вторичных образований различного химического состава, тем самым способствуя развитию структурных связей различного характера, но и затрудняют перемещение частиц друг относительно друга за счет естественного в таком случае повышенного трения частиц при перемещении. Наиболее характерно это для песчаных, мелкообломочных и отчасти пылеватых грунтов. Наличие в грунтах гумуса и других гидрофильных компонентов определяет степень развития структурных связей, сорбционную способность грунтовых частиц. Указанный факт, толщина пленок воды, упругие и пластические свойства гумуса и других органических соединений существенно сказываются на способности грунтов деформироваться под нагрузкой, кроме всего прочего, за счет изменений в возможности фильтрационного отжатая воды из порового пространства. Наиболее ярко это проявляется в глинистых, пылеватых и отчасти супесчаных грунтах.

Установлено также, что на формирование и размер водных пленок и развитие структурных связей влияет и состав обменных катионов в поровом растворе грунтов. Естественно, это в определенной степени сказывается и на деформационных свойствах грунтов.

Прочность грунтов. К числу наиболее важных физико-механических свойств грунтов относят их прочность. Прочностные характеристики грунтов являются определяющими при решении инженерно-геологических задач, возникающих при оценке оснований, проектировании, строительстве и эксплуатации фундаментов сооружений. Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других — грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение грунта происходит в виде перемещений одной части грунтового массива или слоистой толщи относительно другой (к числу примеров, часто возникающих в строительной практике, можно отнести оползание откосов строительных котлованов и других выемок, «выпор» грунта из-под сооружений).

Сопротивление грунтов сдвигу в определенном диапазоне давлений (от десятых долей до целых единиц МПа) может быть описано линейной зависимостью Кулона

^: = ptg(p+ С,

где т — предельное сдвигающее напряжение, МПа; р — нормальное давление, МПа; — коэффициент внутреннего трения; ср — угол внутреннего трения, град; С — сцепление, МПа.

Величины ф и С являются параметрами зависимости сопротивления грунтов сдвигу, которые необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости массивов грунтов.

Подробное рассмотрение процессов формирования прочности различных грунтов на основе обобщения результатов многочисленных экспериментальных исследований привело специалистов к выводу о том, что параметры прочности (ф и С) не являются однозначными факторами в формировании сопротивления сдвигу для глинистых и песчаных грунтов. Так, для песков основную роль играет внутреннее трение, выражаемое коэффициентом внутреннего трения tgф, сцепление же носит подчиненный характер, главным образом, это сцепление-зацепление между отдельными частицами, вторичные цементационные связи между пленками

на поверхности песчаных частиц. Сцепление в песках обусловлено, таким образом, морфоскопическими особенностями их зерен. В глинистых грунтах главная роль принадлежит сцеплению С, в силу развитых внутренних связей различного характера и природы в этих грунтах. Несколько упрощая вопросы формирования прочности в грунтах различного состава и строения, можно условно записать, что в зависимости Кулона в глинах коэффициент внутреннего трения стремится к нулю, а в песках, в свою очередь, сцепление С стремится к нулю.

Минеральный состав песков и глин определяет характер сопротивления их сдвигу; для глинистых грунтов характерно сопротивление их одноосному сжатию и разрыву. Содержание в песках слюд, хлорита, талька и других минералов, характеризующихся низкими показателями трения, снижает сопротивление таких песков сдвигу. Наименьшее сопротивление сдвигу и сжимаемость характерны для монтмориллонитовых глин.

Исключение составляют глины в воздушно-сухом состоянии, по изложенным выше причинам. Наибольшее сопротивление на одноосное сжатие и разрыв будет присуще тем же глинам, благодаря дегидратации, обусловливающей образование в грунте максимума контактов, проявляющихся в степени развития ионно-электростатических связей.

К числу факторов, влияющих на развитие структурных связей, относятся степень дисперсности и однородности грунтов, их морфологические характеристики, степень развития вторичных пленок на зернах песков, количество связанной воды, состав обменных катионов, значение коэффициента трения частиц друг о друга. Указанные факторы обусловливают прочность грунтов по изложенным причинам при рассмотрении их сжимаемости.

К настоящему времени накоплен значительный объем результатов исследований, проливающий свет на процессы формирования прочности грунтов и объясняющий природу трения и сцепления, которые развиваются в грунтах и являются основными расчетными показателями прочности, используемыми в инженерных расчетах.

Физико-механические свойства дисперсных грунтов зависят, таким образом, от соотношения твердой и жидкой минеральных компонент грунта. В последнее время получены данные о влиянии на физико-механические свойства органики (гумуса) элементов биоты и газовой компоненты и о чрезвычайно важной роли в этом структурно-текстурных особенностей дисперсных грунтов. К примеру, как это уже отмечалось, глинистые грунты обладают сопротивлением сжатию и на разрыв, в песчаных грунтах последнее свойство практически не проявляется.

Формирование физико-механических свойств скальных грунтов имеет свои специфические особенности, весьма важные и необходимые для познания их природы и прогноза проявления. При изучении скальных горных пород важно установить содержание в них породообразующих минералов. Наибольшее значение имеют минералы класса первичных силикатов — полевые шпаты, пироксены, амфиболы, оливин и др. С определенной условностью к ним относят кварц, у которого, как известно, преобладают внутрикристаллические связи. Играют роль и простые соли: карбонаты, сульфаты, галоиды имеют ионный тип связей, которые существуют внутри самих минералов (атомов, ионов, радикалов). Свойства же минералов передаются свойствам грунтов.

Наибольшее значение для скальных пород имеет их трещиноватость. К скальным породам с кристаллическими и структурными связями относятся, главным образом, магматические и метаморфические. При пористости 1—5 % эти породы могут характеризоваться трещинной системой объемом в 10—20 %. Очевидно, что водопроницаемость трещиноватых грунтов, физико-механические свойства определяются не столько их пористостью, сколько трещиноватостью.

В настоящее время выделяют различные генетические типы трещин:

  • • первичной отдельности, или литогенетические, обычно тонкие, чистые от заполнителя, закономерно ориентированные;
  • • выветривания, иногда значительные по размерам, затухающие с глубиной, с различным по составу заполнителем;
  • • тектонического происхождения, различного, иногда весьма значительного размера, незатухающие с глубиной, с различным заполнителем или без него.

Иногда выделяют также специфические трещины исключительно сейсмогенного происхождения. Для характеристики трещиноватости разработаны специальные приемы, описывающие их ориентированность, размеры и другие параметры.

Трещины подразделяют на тонкие (менее 1 мм), мелкие (1—5 мм), средние (5—20 мм), крупные (20—100 мм) и очень крупные (более 100 мм).

Высокая прочность магматических и метаморфических пород, как уже отмечалось, объясняется наличием структурных кристаллизационных связей химической природы. Под воздействием факторов выветривания магматические и метаморфические горные породы разрушаются; если физическое выветривание преобладает над химическим и разрушение сводится в основном к дроблению грунтов, то при участии процессов денудации из выходящих на поверхность грунтов образуются крупнообломочные

и песчаные породы со слабыми молекулярными, капиллярными и электростатическими структурными связями. В случае, когда химическое выветривание преобладает над физическим, из названных горных пород формируются чаще всего глинистые и, может быть, лессовые, но скорее всего пылеватые породы с чрезвычайно разнообразными свойствами.

Примечательно, что скальные грунты, представленные карбонатными, сульфатными и галоидными породами, сцементированными, крупнообломочными и мелкообломочными породами, песчаниками, характеризуются в свойствах степенью литификации, качеством и количеством цемента для последних.

При характеристике деформационных свойств скальных грунтов принимают во внимание модуль деформации Е, модуль упругости Еу и модуль общей деформации Е0. Модуль упругости равен отношению напряжения т при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации:

е0ьРу т/^обр.

Модуль общей деформации равен отношению напряжений при одноосном сжатии к общей относительной деформации:

Е0 = т/е0

Для упругодеформируемого материала модуль упругости и модуль общей деформации устанавливаются для определенной величины и продолжительности действия давления.

Модуль упругости и модуль общей деформации зависят от характера грунта и его структуры: для скальных пород Еу/Е0 ~ 2. Показателем деформационных характеристик скальных грунтов служит также коэффициент Пуассона р, определяющий, в какой мере происходит изменение объема грунта в процессе деформации.

Коэффициент Пуассона представляет собой собственно характеристику упругой деформации, зависящую в основном от свойств породообразующих минералов. Эта характеристика породообразующих минералов изменяется в широком диапазоне от 0,08 до 0,34, что определяется особенностями кристаллической решетки и направлением реализации напряжений относительно кристаллографических осей. Коэффициент Пуассона зависит от минералогического состава грунта, пористости и трещиноватости.

Кроме отмеченного влияния на свойства скальных грунтов трещиноватости, очень велико воздействие на них степени вы-ветрелости скальных грунтов. Например, степени размягчаемости

в воде скальных грунтов — отношения временных сопротивлений к одноосному сжатию в водонасыщенном и в воздушно-сухом /?5 состояниях:

^.га/ Яс / Я5 .

Следует отметить, что временное сопротивление грунта, особенно скального, одноосному сжатию, или предел прочности на сжатие 7?сЖ, является чрезвычайно важной классификационной характеристикой, согласно которой проводится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа). Естественно, эта характеристика описывает грунт в образце в измененных (при отсутствии естественного напряженного состояния) условиях.

КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ

Одной из важных задач любой науки на определенном этапе ее развития является построение классификации. Большинством ученых доказано, что построение становится возможным только тогда, когда в какой-то области знания уже накоплен достаточный фактический материал, позволяющий выявить общие закономерности развития объекта исследований данной науки. В частности, построение классификации грунтов стало возможным только тогда, когда в определенной мере оформились представления о зависимости инженерно-геологических свойств горных пород от особенностей их состава и строения на основе значительного объема фактического материала. Первые классификации грунтов появились во второй половине XIX в.

Классификации грунтов могут быть общими, частичными, региональными и отраслевыми.

Задача общих классификаций — по возможности охватить все наиболее распространенные типы горных пород и охарактеризовать их как грунты. Такие классификации должны основываться исключительно на генетическом подходе, при котором оказывается возможным связать инженерно-геологические свойства горных пород с их генетическими особенностями и проследить изменение этих свойств от одной группы грунтов к другой. Эти классификации служат базой для разработки всех других видов классификаций.

Частные классификации подразделяют и детально расчленяют грунты на отдельные группы по одному или нескольким признакам. К таким классификациям относятся классификации осадочных, обломочных, песчано-глинистых грунтов по гранулометрическому составу, глинистых пород — по числу пластичности, лессовых пород — по степени просадочности и т. п. Эти класси-

фикации могут быть развитием или составной частью общих классификаций.

Региональные классификации рассматривают грунты применительно к определенной территории. В их основе лежит возрастное и генетическое подразделение пород, встречающихся на данной территории. Разделение групп грунтов проводят, базируясь на формационно-фациальном учении о горных породах.

Отраслевые классификации грунтов составляются применительно к запросам определенного вида строительства. Естественно, такие классификации базируются на положениях более высокого общего ранга их применения для решения вопросов при инженерно-геологической оценке территорий и площадки строительства.

Классификация грунтов отражает их свойства. В настоящее время грунты, согласно ГОСТ 25100—95, разделяют на следующие классы — природные: скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные образования. Каждый класс имеет свои подразделения. Так, грунты скальных, дисперсных и мерзлых классов делятся на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности, а техногенные грунты вначале разделяются на два подкласса, а далее также на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности. Классификация грунтов, согласно ГОСТ 25100—95, в сокращенном виде показана в табл. 15.

Скальные грунты. Их структуры с жесткими кристаллическими связями, например гранит, известняк. Класс включает две группы грунтов: 1) скальные, куда входят три подгруппы пород: магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и хемогенные; 2) полускальные в виде двух подгрупп — магматические излившиеся и осадочные породы типа мергеля и гипса. Деление грунтов этого класса на типы основано на особенностях минерального состава: например, силикатного типа — гнейсы, граниты; карбонатного типа — мрамор, хемогенные известняки. Дальнейшее разделение грунтов на разновидности проводится по свойствам: по прочности — гранит — очень прочный, вулканический туф — менее прочный; по растворимости в воде — кварцит — очень водостойкий, известняк — неводостойкий.

Дисперсные грунты. В этот класс входят только осадочные горные породы. Класс разделяется на две группы — связных и несвязных грунтов. Для этих грунтов характерны механические и водно-коллоидные структурные связи. Связные грунты делятся на три типа—минеральные (глинистые образования), органоминеральные (илы, сапропели и др.) и органические (торфы). Несвязные грунты представлены песками и крупнообломочными породами (гравий, щебень и др.). В основу разновидностей грунтов положены плотность, засоленность, гранулометрический состав и другие показатели.

185

Природные скальные грунты

Класс

Группа

Подгруппа

Тйп

Вид

Разновидность

Скальные грунты (с жесткими структурными связями)

Скальные

грунты

Магматические

породы

Силикатные

Граниты, базальты, габбро и др.

Выделяются по:

  • 1. Прочности;
  • 2. Плотности;
  • 3. Выветрелости;
  • 4. Водорастворимости;
  • 5. Размягчаемости в воде;
  • 6. Водопроницаемости;
  • 7. Засоленности;
  • 8. Структурам, текстурам и др.

Метаморфические породы

Силикатные

Гнейсы, сланцы, кварциты

Карбонатные

Мраморы и др.

Железистые

Железные руды

Осадочные

Силикатные

Песчаники, конгломераты и др.

Карбонатные

Известняки, доломиты

Полускаль-ные грунты

Магматические эффузивные породы

Силикатные

Вулканические туфы

Осадочные породы

Силикатные

Аргиллиты, алевролиты и др.

Кремнистые

Опоки, трепелы,

диатомиты

Карбонатные

Мелы, мергели

Сульфатные

Гипсы, ангидриты

Галоидные

Галиты и др.

186

Класс

Группа

Подгруппа

Тип

Вид

Разновидность

Дисперсные грунты (с механическими и

водно-коллоидными связями)

Связные

грунты

Осадочные породы

Минеральные

Глинистые грунты

Выделяются по:

  • 1. Гранулометрическому составу;
  • 2. Числу пластичности;
  • 3. Набуханию;
  • 4. Просадочности;
  • 5. Водонасыщению;
  • 6. Коэффициенту пори-стости;
  • 7. Плотности;
  • 8. Содержанию органического вещества;
  • 9. Засоленности;
  • 10. Пучению и т.д.

Органоминеральные

Илы, сапропели, за-торфованные земли

Органические

Торф

Несвязные

грунты

Осадочные породы

Силикатные

Карбонатные

Полиминеральные

Пески и крупнообломочные грунты

Мерзлые грунты (с криогенными структурными связями)

Скальные

грунты

Промерзшие магматические, метаморфические и осадочные породы

Ледяные минеральные

Все виды грунтов магматических, метаморфических и осадочных

Выделяются по:

  • 1. Льдистости;
  • 2. Температурно-прочностным свойствам;
  • 3. Засоленности;
  • 4. Криогенной текстуре и т.д

Полускаль-ные грунты

Промерзшие магматические эффузивные породы. Осадочные породы

Связные

грунты

Промерзшие осадочные породы

Ледяные, минеральные Ледяные органоминеральные

Ледяные органические

Все виды дисперсных связных и несвязных грунтов

187

Ледяные

грунты

Внутригрунто-

вые

Льды

Ледниковые

Погребенные

Наледные, речные, озерные и т.д.

Пещерно-жиль

ные

Жильные, пещерные

Техногенные грунты

Класс

Подкласс

Группа

Подгруппа

Тип

Вид

Разновидность

Техногенные грунты (с различными структурными связями)

Скальные

грунты

Скальные и полуска-

льные

грунты

Природные породы в естественном залегании, измененные физиче

ским или физико-химическим воздействием

Силикатные

Граниты, базальты, кварциты,

песчаники и др.

Выделяются в соответствии с принадлежностью к тем или иным природным

породам или антропогенным образованиям с учетом специфических особенностей и свойств

Карбонатные

Мраморы, известняки, мергели и др.

Дисперсные грунты

Связные

грунты

То же

Силикатные, карбонатные, по-лиминеральные, органоминеральные и др.

Раздробленные скальные и дисперсные породы (глинистые, песчаные и др.)

188

Класс

Подкласс

Группа

Подгруппа

Тйп

Вид

Разновидность

Техногенные грунты (с различными

структурными связями)

Дисперсные грунты

Несвязные грунты

Природные породы, перемещенные грунты: насыпные;

намывные

Антропогенные образования:

насыпные;

намывные

Отходы производственной и

хозяйственной деятельности человека

Городские свалки, строительный мусор, шлаки,

золы и др.

Мерзлые

грунты

Скальные и полу-

скальные грунты

Природные породы в естественном залегании, измененные физиче

ским (тепловым или физико-химическим воздействием)

Те же природные породы, но в мерзлом состоянии

Все представители природных

скальных и полу-скальных пород

Выделяются, как разновидности природных и антропогенных образований с учетом специфических особенностей и свойств

Связные,

несвязные,

ледяные

грунты

То же

То же

Все виды природных дисперсных пород

Перемешенные природные породы, антропогенные образования (насыпные, намывные, намороженные), измененные физическим

(тепловым) или химико-физическим воздействием

Все виды природных дисперсных пород, бытовые и производственные отходы,

шлаки, искусственные льды и т.д.

Мерзлые грунты. Все грунты имеют криогенные структурные связи, т. е. цементом грунтов является лед. В состав класса входят практически все скальные, полускальные и связные грунты, находящиеся в условиях отрицательных температур. К этим трем группам добавляется группа ледяных грунтов в виде надземных и подземных льдов. Разновидности мерзлых грунтов основываются по льдистым (криогенным) структурам, засоленности, температурно-прочностным свойствам и др.

Техногенные грунты. Эти грунты представляют собой, с одной стороны, природные породы — скальные, дисперсные, мерзлые, которые в каких-либо целях были подвергнуты физическому или физико-химическому воздействию, а с другой стороны, искусственные минеральные и органоминеральные образования, сформировавшиеся в процессе бытовой и производственной деятельности человека. Последние нередко называют антропогенным образованием.

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

Популярные страницы