ОСАДОЧНЫЕ ОБЛОМОЧНЫЕ, ПЕСЧАНЫЕ, ГЛИНИСТЫЕ И СМЕШАННЫЕ (ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ) ПОРОДЫ

Обломочные породы и их классификации

К этим классам относятся всем хорошо знакомые сыпучие породы — песок, щебень, галечник, гравий; сцементированные породы, среди которых самым известным является песчаник, а также глинистые породы — глина, суглинки, супеси.

Названные породы сильно отличаются друг от друга по составу и свойствам, но в природе переход от обломочных пород к глинистым очень постепенный, с большим количеством смешанных разностей, что задает необходимость рассмотрения данных классов в рамках одного раздела.

Классификация. В разделе рассматривается пять классов пород — крупнообломочные, песчаные, мелкообломочные, глинистые и смешанные. Для краткости условимся называть их всех вместе обломочными и глинистыми. Как можно видеть, все они классифицируются по размеру, форме обломков, цементации и связности (табл. 3.5).

Осадочные обломочные, глинистые и смешанные породы

Таблица 3.5

Структура и размер частиц, мм

Название породы

Текстура

Несцементированная

Сцементированная

Связная

Угловатые

обломки

Округлые

обломки

Угловатые

обломки

Округлые

обломки

1. Крупнообломочные: более 1000

Неока-

танные

глыбы

Глыбы

Глыбовая

брекчия

Глыбовый конгломерат

200-1000

Неока - танные валуны (камни)

Валуны

Валунная

брекчия

Валунный конгломерат

10-200

Щебень

Галечник

Брекчия

Конгломерат

2-10

Дресва

(мелкий

щебень)

Гравий

Мелкая

брекчия

Гравелит

  • 2. Среднеобломочная — песчаная (0,05-2):
  • 1-2

Пески (по преобладающей фракции):

гравелистый (грубый)

Песчаники (по преобладающей фракции):

гравелистый (грубый)

0,5-1

крупный

крупный

0,25-0,5

средний

средний

о

г

о

мелкий

мелкий

0,05-0,1

пылеватый (тонкий)

пылеватый (тонкий)

3. Мелкообломочная — пылеватая: 0,002...0,05

Алеврит

Алевролит

Лёсс

4. Микрозернис- тая — глинистая: менее 0,002 (0,005)

Глина

Аргиллит

Глина

5. Смешанная

Песок пылевато-глинистый со щебнем и гравием, галечник с песчаным гравийным заполнителем и др.

Конгломерат песчанистый, гравелит песчанистый и др.

Глина,

суглинок,

супесь

Состав. Эти породы состоят из продуктов механического и химического разрушения и преобразования других пород на поверхности земли. В подавляющем большинстве случаев они являются почвообразующим материалом, на них осуществляется большая часть строительства и прочего природообустройства, их чаще других называют словом «грунт».

В составе обломочных и глинистых пород выделяется три основные составные части — обломки, цемент и глинистый материал.

1. Обломочный материал — главная составная часть обломочных пород — каменный материал в составе глыб, валунов, гальки, гравия, щебня, песчинки, образующие песок, кварцевая минеральная пыль. Все это может быть представлено различными скальными или полускальными породами, и название исходной породы может быть только упомянуто — щебень гранитный, галечник известняковый, песок кварцевый. Булыжник, бут, голыш, брусчатка — естественный или специально обработанный и подобранный камень размером в десятки сантиметров, применяемый в строительстве для мощения дорог и кладки фундамента.

По форме выделяют два основных типа обломков — угловатые и округлые, также существует несколько переходных типов между ними (рис. 3.12).

Каменные обломки различной формы

Рис. 3.12. Каменные обломки различной формы: а — угловатые; б — округлые (окатанные); в — полуокатанные

Широко распространенную морену принято называть щебнистым суглинком, в то время как имеющиеся в ней каменные включения скорее ближе к округлой гальке, чем к угловатому щебню.

1.1. Обломки угловатой формы. Они образуются при выветривании и отламывании кусков от коренной монолитной породы.

В природе данный процесс интенсивнее всего развит на склонах; образующиеся в результате него обломки скапливаются у подножья склонов, образуя каменные осыпи. При горизонтальном рельефе угловатые обломки остаются на своем месте, и процесс выветривания быстро затухает с глубиной. Так образуются коры выветривания (рис. 3.13).

Угловатые обломки в составе коры выветривания и каменной осыпи

Рис. 3.13. Угловатые обломки в составе коры выветривания и каменной осыпи

Породы осыпей и кор выветривания в зависимости от размеров обломков называют глыбами, щебнем, дресвой, хрящом. Они могут служить строительным материалом в местах своего распространения, хотя реально используемые в строительстве щебень, глыбы и т.п. значительно чаще являются искусственно дроблеными камнями, добываемыми в карьерах при помощи взрывов. На их основе можно получить более прочные материалы для строительства, чем при использовании выветрелого и трещиноватого естественного камня, тем более что большинство населения России проживает на равнинных территориях, где эти осыпи и коры выветривания практически отсутствуют.

  • 1.2. Округлые (окатанные) обломки приобретают такую форму в результате обработки водой (морским прибоем, реками, водноледниковыми потоками), реже — ветром. Из угловатых глыб образуются валуны, из щебня — галька, из дресвы (мелкого щебня) — гравий. Чем мельче обломки, тем чаще они бывают округлыми. Например, пески с угловатыми обломками в природе встречаются, но крайне редко. Пылеватая фракция — кварцевые обломки размером 0,002-0,05 мм всегда округлые. Из-за мелких размеров они начинают демонстрировать коллоидные свойства — легко слипаются между собой, а будучи взмученными, медленно оседают в воде.
  • 2. Цемент. Некоторые породы в природе напоминают по своему сложению такие известные искусственные материалы, как отвердевший цементный раствор или бетон, тем, что состоят из каменных обломков, скрепленных между собой цементом. Не исключено, что идея создания бетона была заимствована людьми в природе. Природный цемент сходен по составу с некоторыми химическими осадочными породами. Он бывает карбонатным, кремнистым, сульфатным, железистым и глинистым — тогда его называют глинистым заполнителем. Карбонатный цемент сходен по составу с химическим известняком и определяется по реакции с кислотой. Кремнистый — наиболее прочный и твердый из цементов, иногда он имеет жирный блеск, с кислотой не реагирует. Сульфатный — не прочен, он царапается ногтем, изредка на нем видны сахаровидные кристаллы. Железистый цемент узнается по ржавому цвету. Глинистый цемент царапается ногтем, размокает в воде.

Образование цемента возможно двумя путями:

  • 1) в морских условиях при одновременной аккумуляции химического осадка вместе с обломками;
  • 2) за счет выпадения в осадок химического материала из подземных вод внутри обломочной толщи после ее накопления.

Породы с наиболее распространенными типами цементации представлены на рис. 3.14.

Породы с различными типами цемента

Рис. 3.14. Породы с различными типами цемента: а — базальный цемент; б — поровый цемент; в — контактовый

3. Глинистые минералы. В крупнообломочных породах глинистые минералы могут играть роль заполнителя между каменными частицами и фактически являться цементом. При смешении глинистых минералов с песчаным и мелкообломочным материалом образуются так называемые глинистые породы — суглинки, супеси и природные глины. Глинистые минералы приобретают при этом роль главного компонента, придавая всей смеси свойства глинистых пород, главные из которых — влагоемкость, водонепроницаемость и связность — способность делаться пластичной при увлажнении и твердой при высыхании.

Структура, гранулометрический и минеральный состав. Эти характеристики тесно связаны между собой. Структура материала определяется в зависимости от размеров частиц. Частицы определенного размера принято называть фракциями. Границы фракций взяты по ГОСТ 25100—2011 «Грунты», они с очень небольшими изменениями повторяют границы, принятые в геологической литературе, отличаются лишь названия фракций; геологические даны в скобках (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Структуры и примерный состав обломочных, глинистых и смешанных пород

Структура и фракция — размер частиц [20]

Примерный состав

1. Крупнообломочная (псефиты) — крупнее 2 мм

Обломки любых скальных пород

2. Среднеобломочная — песчаная (псаммиты) — 0,05—2 мм

Преобладает кварц, может присутствовать полевой шпат, прочих минералов совсем мало

3. Мелкообломочная — пылеватая (алевриты) — 0,002—0,05 мм

Кварц — практически вся фракция

4. Микрозернистая — глинистая (пелиты) — менее 0,002 мм (менее 0,005 мм)

Каолинит, монтмориллонит, глауконит и другие глинистые минералы, кварц, лимонит

5. Смешанная — обломочно-песчаная, песчано-глинистая и др.

Различные смеси частиц 1-4-й фракций

Известно, что чем мельче раздроблен материал, тем быстрее он растворяется и вступает в химические реакции. Поэтому среди обломков крупного размера (глыб, валунов, щебня, гальки) встречаются почти все породы за исключением наиболее растворимых — гипса, ангидрита, каменной и других солей. Среди обломков средних размеров встречаются в основном кварц — самый устойчивый к выветриванию минерал, реже полевой шпат, еще реже другие минералы. Среднеобломочные породы — это пески.

Среди мелкообломочных (пылеватых) частиц почти не встречаются другие минералы, кроме кварца. Породы — лёсс, алеврит, алевролит.

Микрозернистые породы сложены каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдами и другими глинистыми минералами. Породы — чистые глины.

Смешанные породы — чаще всего смесь песчаной, пылеватой и глинистой фракции — это глины, суглинки и супеси. Широко используются термины «песчано-глинистые» и «глинистые породы», употребляемые как синонимы.

Процентное весовое содержание частиц различных фракций называется гранулометрическим составом (грансоставом). Для его определения образец грунта пропускается через набор сит с дальнейшим взвешиванием каждой фракции. Далее по небольшому набору правил породе дается формально правильное название (табл. 3.7). Это относится к несцементированным крупнообломочным, песчаным и отчасти некоторым глинистым породам, о чем речь пойдет ниже.

Таблица 3.7

Подразделение крупнообломочных и песчаных грунтов [20, 22]

Разновидности крупнообломочных грунтов и песков

Размер частиц, мм

Содержание частиц, % по массе

Крупнообломочные:

валунный (глыбовый)

> 200

> 50

галечниковый (щебнистый)

> 10

> 50

гравийный (дресвяный)

> 2

> 50

Пески:

гравелистый

> 2

> 25

крупный

> 0,50

> 50

средней крупности

> 0,25

> 50

мелкий

> 0,10

<75

пылеватый

> 0,10

< 75

Правильное присвоение названия песчаным и глинистым грунтам — важная задача геологии и грунтоведения. От типа грунта (фактически от наименования) зависят различные табличные значения параметров, входящих в расчеты оснований, что важно для проектировщиков. Поэтому грансостав наряду с другими лабораторными свойствами грунтов является одним из важнейших показателей свойств и в массовом порядке определяется при проведении изысканий.

Происхождение обломочных пород схематично показано на рис. 3.15.

Как можно видеть, все начинается в горных условиях с выветривания, обвалов и осыпания угловатых каменных обломков — так образуются природные глыбы и щебень. В процессе выветривания (химического) образуются также глинистые минералы, которые легко уносятся водой, а если разрушаются очень распространенные в природе граниты и гнейсы, то образуется также обломочный кварц с частицами песчаного и пылеватого размера.

Схема образования обломочных пород

Рис. 3.15. Схема образования обломочных пород

За счет силы тяжести, склоновых процессов, временных водных потоков и рек угловатый обломочный материал попадает на морское побережье. Здесь к нему добавляется материал, образующийся за счет разрушения берега волнами. В зоне прибоя каменный материал дополнительно дробится, обломки округляются, образуются валуны, галечник, гравий, песок и кварцевая пыль материал алевритов. Часть материала растворяется. Волнением и морскими течениями осадки относит на большую глубину, где, возможно, происходят цементация и превращение в сцементированные аналоги — конгломераты, гравелиты, песчаники, алевролиты.

Аналогичные процессы в меньших масштабах могут происходить за счет геологической работы горных рек, ледников и водноледниковых потоков. Если отсутствует фаза округления, то при цементации угловатого материала могут возникать осадочные брекчии.

Тектонические брекчии образуются в зонах тектонических нарушений. Обломочный материал получается при перемещении тектонических блоков вдоль плоскостей разломов, а цементация — за счет выделения химического осадка из подземных вод, легко циркулирующих по раздробленной зоне.

Искусственный галечник, искусственный пляж. При необходимости увеличения площади естественного галечного пляжа на побережье завозится щебень и сбрасывается в прибойную зону. Скорость округления обломков зависит от крепости исходной породы и обычно составляет несколько месяцев, после чего пляж вновь готов для использования. Искусственный пляж необходимо регулярно пополнять щебнем и защищать от размыва, так как в природе постоянно идут процессы перетирания гальки и уноса ее морскими течениями. Наращивание площадей песчаных пляжей выполняется аналогичным образом, но предохранение их от размыва еще сложнее.

Текстура обломочных, песчаных и смешанных пород. Породы этой группы обладают большим разнообразием текстур и сложения в силу разнообразия самих пород (табл. 3.8).

С точки зрения плотности сложения породы могут быть плотными, пористыми, микро- и макропористыми, трещиноватыми и выветрелыми. Плотными текстурами среди пород этой группы обладают только хорошо сцементированные брекчии, конгломераты, гравелиты, песчаники и алевролиты. Пористыми за счет промежутков между обломками и частицами являются все несцементированные породы — валунники, галечник, щебень, гравий, песок, алеврит и пр. Микропористые — все глинистые породы за счет невидимых невооруженным глазом микропор.

Пористость несцементированных обломочных и глинистых пород может составлять 20—35% и превышать 50% у лессов. Широко применяемые термины (плотная глина, плотный песок и т.п.) являются относительными и обозначают минимальную пористость этих пород, составляющую 10—25% объема. Для песчаных и глинистых пород пористость измеряется при изысканиях и является показателем, по которому вычисляется сжатие этих пород в основании сооружений.

По взаимному расположению частиц обломочные породы, как и большинство осадочных пород, бывают слоистыми и неслоистыми. Сильно уплотненные слоистые разности иногда называют сланцеватыми из-за внешнего сходства с группой метаморфических сланцев. В отличие от них осадочные сланцеватые породы размокают.

По связям между частицами (эту характеристику можно отнести и к структуре) обломочные породы определяются как несцементированные (сыпучие, рыхлые), сцементированные и связные (рыхлые). Термин «связные» употребляется в отношении песчаноТаблица 3.8

Текстуры и некоторые особенности сложения осадочных обломочных, глинистых и смешанных (обломочно-глинистых) пород

Вид текстуры

Характеристика

1. Текстура, определяемая плотностью сложения

1.1. Плотная

Поры не видны, в сухой образец вода не впитывается — сцементированные обломочные породы

1.2. Микропористая

Присуща глинистым породам. Точно пористость определяется в лаборатории. Некоторые образцы легкие

1.3. Пористая,

мелкопористая,

кавернозная

Поры видны невооруженным глазом. Это присуще слабосцементированным и несцементированным породам

1.4. Макропористая

Термин используется только в отношении лёссов, обладающих не только микропористостью, но и видимыми невооруженным глазом порами диаметром около 1 мм, называемыми макропорами

1.5. Трещиноватая

В породе имеются трещины

1.6. Вы ветрел ая

Трещины и пустоты в породе расширены в результате процессов выветривания. Порода ослаблена

2. Текстуры, определяемые по взаимному расположению частиц в породе

2.1. Слоистая: а) макрослоистая

Видна только в обнажении по изменению цвета, состава, сложения породы

б) мелкослоистая

Бывает видна в образцах

в) сланцеватая

Тонкая мелкая слоистость глинистых пород тугопластичной и твердой консистенции. Образцы разламываются на плитчатые блоки по напластованию

2.2. Неслоистая

Породы не обладают слоистостью — лёсс, морена

3. Текстуры, определяемые по связям между частицами

3.1. Сцементированная

Частицы породы скреплены между собой цементом

3.2. Несцементированная (сыпучая, рыхлая)

Частицы породы не скреплены между собой

3.3. Связная (рыхлая)

Присуща глинистым породам. Порода связана за счет коллоидных связей между частицами. Порода пластична при замачивании, становится твердой при высыхании, но не является ни монолитным, ни сыпучим материалом

глинистых пород. Они не представляют собой ни скальный, ни сыпучий материал. Они пластичны и текучи при увлажнении и становятся почти твердыми при высыхании.

Гидрогеологические и инженерно-геологические свойства сцементированных обломочных пород. Сцементированные породы могут быть как плотными непроницаемыми, так и пористыми, проницаемыми для воды — все зависит от соотношения промежутков между обломками и количеством цемента. Они могут быть также трещиноватыми, а если в составе сцементированной породы имеются карбонатные или сульфатные составляющие, возможно развитие карста, что дополнительно увеличивает проницаемость. Эти породы обладают обычными свойствами скальных и полускальных пород. Как основание они достаточно прочные и несжимаемые. Как материал для дробления на щебень широко используются только песчаники и алевролиты, хотя возможно использование и крупнообломочных пород. Для получения красивой облицовочной плитки применяются мраморные брекчии, для получения плитки, укладываемой на пол, — песчаники и алевролиты. Крепкий, хорошо сцементированный песчаник используется даже для изготовления ступеней, так как дает хорошую шероховатую поверхность. Тонкослоистые разности песчаника не требуется пилить — они дают природную плитку неправильной формы и подходят для укладки на дорожки.

Гидрогеологические и инженерно-геологические свойства несцементированных обломочных пород. Все несцементированные породы обладают хорошей проницаемостью, водообильностью, образуют водоносные горизонты, пригодные и удобные для эксплуатации. Чем крупнее обломки, тем больше проницаемость, тем больше коэффициенты фильтрации (см. ч. II, табл. 8.1). Галечники, щебень, гравий по своей проницаемости уступают только сильно пористым, трещиноватым и закарстованным скальным породам.

Пески — тоже проницаемая порода. Размеры песчинок варьируют от 0,05 до 2 мм. Также в десятки раз варьирует коэффициент фильтрации — он максимален у гравелистых песков и минимален у пылеватых.

Наибольшей распространенностью среди несцементированных обломочных пород обладают пески. Они часто залегают на поверхности, образуя грунтовые водоносные горизонты. Пески часто встречаются в разрезе, а будучи перекрыты сверху глинистыми породами образуют межпластовые водоносные горизонты пресных вод. Для целей проектирования строительства крупнообломочные грунты и пески в соответствии с ГОСТ 25100—2011 классифицируются по гранулометрическому составу, степени водонасыщения, пористости и некоторым другим показателям, определяемым лабораторно.

Наличие заполнителя из глины или органики сильно снижает проницаемость несцементированных пород. Галечники с глинистым заполнителем превращаются, по сути дела, в слабопроницаемые породы. Проницаемость глинистых песков с органикой уменьшается в десятки раз по сравнению с аналогичными породами без заполнителя. Как основание и среда сооружений несцементированные породы обычно не представляют сложностей, за исключением пылеватых и мелких песков, способных к проявлению плывунных свойств и морозному пучению. Валуны, глыбы, галечники, щебень, гравий — слабо сжимаемое основание.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >