Глинистые и песчано-глинистые смешанные породы

О терминологии. Чистые глинистые породы встречаются в природе редко, только в корах химического выветривания. С формальной точки зрения это и есть глинистые породы. Вместе с тем термины «глинистые породы» или «песчано-глинистые породы» устойчиво закрепились за породами смешанного состава, состоящими из глинистой, пылеватой и песчаной фракций, даже если собственно глинистой фракции в них немного, существенно меньше половины, как, например в суглинках и супесях. Дело в том, что свойства этим породам придают именно глинистые минералы, в то время как песок и пыль влияние на формирование свойств оказывают меньшее.

Гранулометрический и минеральный состав. Глинистая фракция (частицы < 0,002 мм) — это в основном каолинит, монтмориллонит, глауконит, гидрослюды. Песчаная (0,05—2 мм) и пылеватая (0,002-0,05 мм) фракции — преимущественно кварц (см. табл. 3.6). Кроме того, важнейшими компонентами глинистых пород являются вода и органические вещества.

В древних глинистых породах дочетвертичного возраста органика встречается чаще в виде углистых включений, а в четвертичных породах — часто в виде растительных остатков. Глинистые и песчаные грунты в этом случае зовутся заторфованными. Вода всегда присутствует в глинистых грунтах. Внешне грунт может выглядеть совершенно сухим, кусок глины становится твердым и похожим на камень, но некоторое количество воды в нем все равно присутствует. Забегая вперед, скажем, что такая вода называется прочносвязанной. Если воды больше, порода становится сначала пластичной, а потом очень пластичной и влажной на ощупь. Подробнее виды воды в горных породах рассматриваются в части II «Г идрогеология».

Химический состав. Напомним, что глинистые минералы относятся к химическому классу силикатов, а кварц является окисью кремния. Этим объясняется применимость глинистых пород при изготовлении силикатных продуктов — кирпича, цемента, керамики.

Разновидности глинистых пород. В соответствии с ГОСТ 25100— 2011 грунт глинистый — это связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности Ip > 1. Данный показатель определяется в лабораторных условиях и изучается в курсе «Грунтоведение». Он представляет собой разность влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести и на границе раскатывания.

Основные связные разновидности — это глины, суглинки и супеси. Камнеподобная глинистая порода, не размокающая в воде, — аргиллит. Он образуется в результате уплотнения и дегидратации глин. Аргиллиты характерны для складчатых областей и древних отложений платформ. Обычно они рассматриваются как полу- скальная порода.

В отдельных случаях (например, если число пластичности не измерялось) допускается классифицирование по содержанию глинистой фракции: супеси — от 3 до 10%, суглинки — от 10 до 30%, глины — свыше 30%, глинистые пески — менее 3%.

Считается, что число пластичности лучше отражает свойства глинистых пород, чем процентное содержание глинистой фракции (табл. 3.9).

Таблица 3.9

Разновидности глинистых пород [20]

Разновидности

Число

Примерное содержание

глинистых грунтов

пластичности 1р, %

глинистой фракции, %

Супесь

<1р<1

От 3 до 10

Суглинок

1 <1р< 17

От 10 до 30

Глина

Ip - I?

Свыше 30

Подразделение глинистых грунтов по гранулометрическому составу на легкие и тяжелые, пылеватые и песчанистые разности производится по таблице ГОСТа 25100—2011, которая пришла на смену использовавшейся ранее трехчленной классификации В. В. Охо- тина (табл. 3.10).

Таблица ЗЛО

Классификация глинистых грунтов по гранулометрическому составу и числу пластичности 1р (по ГОСТ 25100—2011) [20]

Разновидность глинистых грунтов

Число

пластичности 1р, %

Содержание песчаных частиц (0,05—2 мм), % по массе

Супесь:

песчанистая

<1р<1

> 50

пылеватая

<1р< 7

< 50

Суглинок:

легкий песчанистый

1 <1р<2

>40

легкий пылеватый

7 <1р< 12

< 40

тяжелый песчанистый

12 <1р< 17

>40

тяжелый пылеватый

12 <1р< 17

< 40

Глина:

легкая песчанистая

7<1р< 27

>40

легкая пылеватая

1 <1р< 21

< 40

тяжелая

- 27

Не регламентируется

Кроме того, согласно ГОСТу глинистые грунты подразделяют по наличию крупнообломочных включений на щебнистые, гравелистые, галечниковые и дресвяные.

В соответствии с приведенными классификациями (табл. 3.9 и 3.10) к категории глинистых грунтов следует отнести также лёсс, описанный в разделе 3.6.3 «Пылеватые породы». Действительно, в составе лёсса всегда присутствует глинистая фракция, позволяющая измерить его число пластичности и отнести его к глинам, суглинкам или супесям, добавив к названию слово «пылеватый».

По результатам анализов лёссы, встречающиеся на территории России, чаще всего оказываются суглинками. Аналогичным образом присваивается название морене — еще одной особенной глинистой породе, широко распространенной в центральной и северной частях Русской равнины (см. рис. 3.18). Морена — неслоистые щебнистые глины, суглинки и супеси ледникового происхождения, характерного красновато-бурого цвета, возникающего за счет большого количества окислов железа. Морены других регионов могут иметь совершенно другие окраски.

Происхождение и распространение глинистых пород. Если рассматривать осадочный чехол в целом, то подавляющее большинство глинистых пород в нем имеет морское происхождение. Морские глинистые породы чаще всего бывают представлены именно глинами, реже — суглинками или супесями. В платформенных условиях они образуют крупные пласты мощностью в десятки и сотни метров и протяженностью в десятки и сотни километров. Когда эти пласты залегают на поверхности или вблизи нее, они бывают хорошо известны и изучены на площади своего распространения. Такие пласты часто получают краткое наименование, обычно производное от возраста и внешнего вида, позволяющее сразу понять, о чем идет речь. На Русской равнине это оксфордские и парамоновские глины Подмосковья, синие кембрийские глины района Санкт-Петербурга, майкопские и сарматские глины Предкавказья, хвалынские глины Прикаспийской впадины.

Среди континентальных глинистых пород Русской равнины имеются отложения как водного, так и неводного происхождения. Континентальные глинистые породы, сформированные в водной среде, — это речные, озерные, пролювиальные, делювиальные и водно-ледниковые отложения. Среди этих пород преобладают суглинки. Глины и супеси имеют подчиненное значение. Размеры пластов значительно меньше, чем у пород морского происхождения — преимущественно несколько метров по мощности и десятки-сотни метров по простиранию. В разрезе часто переслаиваются с песчаными и крупнообломочными породами.

Речные (аллювиальные) отложения встречаются повсеместно и имеют наиболее широкое распространение. Глинистые породы в составе аллювия встречаются не реже, чем песчаные отложения, могут слагать такие же геологические тела — поймы, надпойменные террасы, залегать в переуглублениях рек (см. рис. 3.16).

Делювиальные отложения имеются везде и покрывают все склоны и практически всю поверхность земли. Преимущественный состав делювиальных отложений — суглинки. Горный делювий — щебнистые суглинки с крупными камнями и глыбами.

Широчайшее распространение в природе имеют делювиальноэлювиальные отложения. Особенно заметны они на склонах в пределах площадей с низкогорным и глубоко расчлененным равнинным рельефом (рис. 3.24).

Чехол элювиально-делювиальных отложений el-dQ

Рис. 3.24. Чехол элювиально-делювиальных отложений el-dQ

Продукты выветривания, сохраняя во многом свой состав и свойства, постепенно перемещаются вниз по склону, образуя чехол мощностью в несколько метров. Состав целиком соответствует составу коренной породы, преобладают глинистые породы, часто с каменными включениями. Отложения данного типа превалируют на поверхности земли в западном и юго-восточном При- уралье, на юге Западной Сибири и в Северном Казахстане.

Пролювиальные глинистые отложения распространены в предгорьях, образуют отдельные конусы выноса, сплошные предгорные шлейфы и отложения межгорных впадин. В разрезе пролювия обычно наблюдается закономерность — в верховьях залегают крупнообломочные породы — галечники, гравий, а по мере удаления к периферии материал становится все мельче — пески, лёссы, глинистые породы (рис. 3.25).

Разрез конуса выноса

Рис. 3.25. Разрез конуса выноса

Снос вниз обломочного материала может происходить довольно равномерно вдоль всего склона. В этом случае материал соседних конусов выноса сливается и образуется единый пролювиальный шлейф (рис. 3.26).

Пролювиальный шлейф (вид сверху)

Рис. 3.26. Пролювиальный шлейф (вид сверху)

Размеры конусов выноса могут составлять многие километры от верховьев к периферии. Мощность может достигать десятков метров. В межгорных впадинах (таких много в Средней Азии и Забайкалье) пролювиальные шлейфы, обрамляющие впадину, часто сливаются с аллювиальными отложениями рек, протекающими по впадине, и образуют так называемые аллювиально-пролювиальные отложения. Их значительная часть — тоже глинистый материал (рис. 3.27).

Межгорная впадина. Разрез

Рис. 3.27. Межгорная впадина. Разрез

На глинистых породах конусов выноса и межгорных впадин формируются ценные плодородные земли, они имеют хорошую естественную обводнённость, на них проживают миллионы людей, в то время как заселенность сопредельных территорий гор и сухих степей значительно меньше. В отдельных редких случаях с периодичностью в несколько десятков лет пролювиальные отложения могут пополняться за счет селей — мощных грязе-каменных потоков. Подробнее о них сообщается в разд. 4.2.2.

Континентальные глинистые породы других типов происхождения — это ледниковые, водно-ледниковые, аллювиальные, лёссовые, элювиальные (коры выветривания) и покровные отложения (см. рис. 3.18 и 3.22).

Покровные (проблематичные) глинистые отложения распространены в центральных областях России (см. рис. 3.22). Представлены примерно в равном количестве неслоистыми глинами и суглинками без крупнообломочных включений. Мощность — несколько метров. По поводу их происхождения споры у геологов продолжаются уже давно, единого мнения пока нет.

Аллювиальные, а также ледниковые глинистые породы (морены) и водно-ледниковые пески являются главными геологическими образованиями, занимающими поверхность центральной и северной частей Русской равнины. Преобладающими среди морен являются суглинки. В южной части Русской равнины от Украины до Заволжья главными на поверхности земли являются лёссовые и аллювиальные отложения.

Происхождение и распространение большинства континентальных глинистых пород на Русской равнине связано с оледенением. Это последнее крупное геологическое событие, происшедшее здесь в четвертичный период. Ледник, подобный современному антарктическому, находился на территории Европы. Центром оледенения была Скандинавия — современные горы высотой до 1,5 км. Мощность ледяного панциря составляла предположительно еще 3—4 км. Лед стекал на юг наподобие очень вязкой жидкости, перенося, перетирая и перемешивая обломки скандинавских пород, кор выветривания и прочего подстилающего материала. После распада ледника на поверхности остались морены — глинистые породы с полуокатанными крупнообломочными включениями и водноледниковые песчаные равнины. Чем дальше на север, тем больше по количеству и тем крупнее обломки в составе морены и водноледниковых отложений.

По одной из теорий сильные ветры, направленные с севера на юг, перевевали водно-ледниковые песчаные накопления, выдували из них пылеватую и агрегированную глинистую фракции, переносили на юг и откладывали на территории современной Украины, нижнего Поволжья и Северного Кавказа. Так сформировались лёссовые отложения. Возможно, их северным аналогом и являются покровные (проблематичные) отложения.

Структура и текстура. При макроскопическом рассмотрении в соответствии с гранулометрическим составом глинистых пород их структура определяется как смешанная или редко как чисто глинистая. При изучении глинистых пород под микроскопом выделяются разные типы структур, недоступные для визуального рассмотрения. То же можно сказать и о текстурах.

Глинистые породы принято называть рыхлыми и связными, имея ввиду то, что они могут быть текучими, пластичными или твердыми — в зависимости от содержания воды (влажности). Все глинистые грунты являются микропористыми. Внешне это обычно совершенно незаметно из-за малых размеров глинистых и пылеватых частиц, слагающих эти породы, тогда как лабораторное измерение пористости дает величины в десятки процентов. Макропористостью, как уже отмечалось, обладают лёссы. Сланцеватые глины твердой консистенции могут иметь тонкую трещиноватость. Во всех глинистых породах с поверхности могут образовываться трещины усыхания, быстро сходящие на нет на глубинах в несколько десятов сантиметров.

Внутренней слоистостью обладают глинистые породы водного происхождения, неслоисты лёсс, ледниковые морены, покровные отложения.

Гидрогеологические и инженерно-геологические свойства. Глинистые породы обладают рядом характерных «глинистых свойств», среди которых наиболее известное — пластичность — способность изменять и сохранять новую форму после снятия нагрузки (собственно поэтому из глины можно лепить). Источником глинистых свойств являются водно-коллоидные свойства частиц глинистой, пылеватой и отчасти тонкопесчанистой фракции, возникающие за счет большой удельной поверхности. Объясним, что это значит. Вокруг любой частицы грунта (любого предмета) по ее поверхности обязательно формируются тонкая водная оболочка и некоторый электростатический заряд. Водная оболочка может уменьшаться при высыхании, увеличиваться при увлажнении, но всегда тесно связана с частицей грунта и в обычных природных условиях его не покидает.

Водные оболочки и электростатические заряды формируют поверхностные силы, способствующие соединению, слипанию между собой соседних частиц. Если частицы крупны, то гравитационные силы, разъединяющие частицы, например как у песка, превышают поверхностные силы и песок рассыпается. Если частицы малы, как у глины и кварцевой пыли, то соединяющие силы скрепляют их между собой достаточно крепко.

Коллоидные силы в глинах многократно усиливаются за счет плоской формы кристаллов и способности глинистых минералов хорошо адсорбировать воду.

Помимо пластичности к глинистым свойствам относятся водоупорность, влагоемкость, липкость, водостойкость (водопроч- ность), капиллярость, огнеупорность, тиксотропия, способность к релаксации напряжений, набухание, усадка, просадочность, раз- мокание, сжимаемость, осадка под сооружениями и консолидация, разуплотнение и др. Чем больше грунт содержит глинистой фракции, тем сильнее проявляются глинистые свойства. Рассмотрим наиболее важные глинистые свойства.

Водонепроницаемость (водоупорность) — неспособность быть проницаемой для воды. Она оценивается по очень малым значениям коэффициента фильтрации (см. ч. II, табл. 8.1). Известна закономерность: чем больше содержание глинистой фракции, тем слабее водопроницаемость. Свойство водоупорности широко используется, когда надо создать водонепроницаемое земляное сооружение — насыпь, экран или завесу.

Влагоемкость — способность поглощать и удерживать в себе некоторое количество воды. Различают несколько типов влагоем- кости — гигроскопическую, молекулярную, капиллярную, полную и др. Запас воды, находящийся в составе грунта, используют растения в периоды между дождями. Отметим, что свойства влаго- емкости и водонепроницаемости нисколько не противоречат друг другу — глина может содержать в себе воду, даже много воды, но движения этой воды в ней нет.

Сжимаемость — способность под нагрузкой уменьшаться в объеме. С ней связана осадка глинистых пород под сооружениями — обстоятельство, которое значительно меньше проявляется у песков и практически не проявляется у скальных, полускальных и крупнообломочных пород. Под сооружениями осадка глинистых грунтов происходит в два этапа. Сначала грунт довольно быстро сжимается, а потом в течение многих лет происходит консолидация — доуплотнение за счет уменьшения пористости, отжима свободной и связанной воды.

При возведении сооружений реальная осадка на глинистых породах может составлять от нескольких до десятков сантиметров — все зависит от площади и конструкции фундамента и геологических условий. Наиболее опасной считается неравномерная осадка, когда одна часть сооружения опускается больше, чем соседняя, что грозит появлением в стенах трещин и нарушением работоспособности всего сооружения (см. рис. 3.6). Равномерной осадки, которая не навредила бы сооружению, не бывает, и рассчитывать на нее нельзя.

Выпор — предельный, катастрофический вариант осадки. Когда нагрузка под сооружением превышает допустимую нагрузку, в глинистых и песчаных грунтах начинают происходить деформации сдвигающего и текучего характера. Снаружи от сооружения на поверхности земли вырастают бугристые выступы грунта, а сооружение наклоняется недопустимым образом и приходит в аварийное состояние (рис. 3.28).

Схема выпора грунта под сооружением [6]

Рис. 3.28. Схема выпора грунта под сооружением [6]

На практике выпор — редчайшее событие, так как его просто не допускают, а вот деформации сдвигающего типа на склонах, сложенных глинами, — часто явление, называемое оползнями и оплывинами (рис. 3.29).

Схема оползня

Рис. 3.29. Схема оползня

Задачей геологов-изыскателей является доскональное изучение свойств глинистых пород с тем, чтобы можно было правильно решать любые задачи, связанные с работой на их поверхности. Для оценки свойств глинистых (и песчаных) грунтов разработана целая система лабораторных показателей, количество которых уже перевалило за сотню. Показателей свойств скальных и обломочных грунтов значительно меньше.

В проектно-изыскательских учреждениях при геологических отделах созданы лаборатории геотехники и свойств грунтов. Минимальный набор анализов включает гранулометрический состав, естественную влажность, влажность на пределе пластичности и раскатывания, пористость, плотности скелета, влажного и сухого грунта, показатель консистенции. Для наиболее точной оценки осадки глин под сооружениями измеряются модуль сжатия и сопротивление сдвигу.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >