14.3. Інженерно-геологічна характеристика основних типів ґрунтів
Тундрові ґрунти формуються в умовах тундри і лісотундри. Породи, які їх підстилають, піддаються багаторічній мерзлоті та залягають, як правило, на незначній глибині.
Основною особливістю тундрового грунтотворення є практично повсюдний розвиток болотного глеєвого процесу, що зумовлено низькими температурами, високою відносною вологістю повітря і ґрунту, а, головно, наявністю багаторічної мерзлоти. Другою особливістю його є дуже слабкий розвиток хімічного вивітрювання і сповільнений хід біохімічних процесів. Тут переважає фізичне вивітрювання.
Загальною особливістю всіх тундрових ґрунтів є їх надмірна зволоженість і мала потужність, пов'язана зі слабким розвитком біохімічних процесів грунтотворення.
У зв'язку з оглеєністю і відсутністю виносу колоїдних частинок тундрові ґрунти характеризуються досить високою ємністю вбирання (до 9-16 мг-екв на 100 г ґрунту). Для них характерна кисла реакція, що зумовлює їхню агресивність до багатьох будівельних матеріалів.
Інженерно-геологічні особливості тундрових ґрунтів вкрай незадовільні: вони не можуть використовуватись у якості природних основ. Верхній їхній шар - торфовий - володіє надзвичайно низькою несучою здатністю. Нижчележачий глеєвий горизонт, переважно високодисперсний і сильно перезволожений у талому стані, також не може бути використаний як основа, наприклад, дорожніх споруд (доріг, шляхів) у зв'язку з тим, що при його промерзанні розвивається інтенсивне вспучування. Крім того, слід мати на увазі, що глеєвий горизонт тундрових ґрунтів суглинкового або глинистого гранулометричного складу характеризується слабкою водовіддачею, він володіє чітко вираженими тиксотропними властивостями і при динамічних діях на нього переходить у пливучий стан.
Підзолисті та дерново-підзолисті ґрунти утворюються під хвойними і листяними лісами в умовах надлишкового зволоження. Ці ґрунти добре диференційовані на генетичні горизонти.
В утворенні дерново-підзолистих ґрунтів велика роль належить різним органічним кислотам, які утворюються при розкладанні органічних решток - хвої, коренів, листя, трави. Характерне для цих ґрунтів наскрізне промочування зумовлює виніс із ґрунту основ, у зв'язку з чим органічні кислоти не можуть бути повністю нейтралізовані. Тому в умовах кислого середовища проходить інтенсивне вивітрювання мінеральної частини ґрунтів. Колоїдні продукти вивітрювання вимиваються із верхніх горизонтів у нижні, де накопичуються, утворюючи ілювіальний горизонт. У протилежну сторону (вверх) направлені процеси біогенної акумуляції, які приводять до накопичення гумусу у верхньому гумусово-елювіальному горизонті дерново-підзолистих ґрунтів.
Характер дисперсності підзолистих і дерново-підзолистих ґрунтів дуже різноманітний. Серед них зустрічаються глинисті, суглинкові, супіщані і піщані різновиди. Проте у всіх випадках підзолистий процес викликає значні закономірні зміни гранулометричного складу різних генетичних ґрунтових горизонтів у порівнянні з материнською породою. Ці зміни виражаються у глинистих і суглинкових різновидах ґрунтів у різкому збідненні тонкодисперсними частинками верхніх горизонтів профілю і накопичення їх у нижніх горизонтах. На піщаних породах, навпаки, у верхніх горизонтах ґрунтів спостерігається максимальна кількість тонких частинок, що зумовлено накопиченням їх у процесі грунтотворення.
Підзолисті та дерново-підзолисті ґрунти характеризуються невисоким вмістом гумусу, вони мають кислу реакцію. У зв'язку з чіткою вираженістю генетичних горизонтів їхній склад і властивості досить різко змінюються в межах ґрунтового профілю.
У цілому слід відмітити, що інженерно-геологічні особливості цих ґрунтів значною мірою визначаються їхньою дисперсністю, тобто гранулометричним складом. Найбільш сприятливими будівельними властивостями характеризуються підзолисті та дерново- підзолисті ґрунти супіщаного і піщаного гранулометричного складу.
Болотні ґрунти формуються в умовах надлишкового зволоження. Вони зустрічаються у різних природних зонах, але найбільші їхні масиви зустрічаються у північній частині лісової зони і тундрі.
Для болотних ґрунтів характерний торфовий горизонт (потужність його у торфово- глеєвих ґрунтах не перевищує 50 см, у торф'яників досягає 1-2 м і більше) і глеєвий горизонт, що підстеляє торфовий. Лише у дерново-глеєвих ґрунтах торфовий горизонт відсутній, і безпосередньо під дерновим шаром залягає глеєвий горизонт.
Характерною ознакою всіх болотних ґрунтів є висока вологість, що зумовлює їхню слабку аерацію і, як наслідок того, широкий розвиток відновних процесів. Хімічні елементи з різною валентністю (ферум, марганець і ін.) переходять у болотних ґрунтах у нижчі форми окислення, утворюючи відповідні мінерали. Розклад рослинних рештків супроводжується утворенням ряду летучих органічних з'єднань, наприклад, метану. В умовах кислого середовища, яке характерне для болотних ґрунтів, двохвалентне залізо набуває високої рухомості та мігрує часто у комплексі з органічними з'єднаннями. У зв'язку з тим болотні води часто багаті ферумом.
Болотні ґрунти є вкрай несприятливими з інженерної точки зору. Вони характеризуються дуже високою вологістю і значною шпаруватістю, здатні сильно стискатись (просідати) навіть при невеликих навантаженнях на них. Тому у якості основних природних основ болотні ґрунти непридатні для інженерних споруд. При використанні їх в цьому напрямку потрібно провести ряд спеціальних заходів.
Сірі лісові ґрунти формуються у лісостеповій зоні, на їхнє походження є два різні погляди. Згідно з першим (походить ще від В. В. Докучаєва), сірі лісові ґрунти - це самостійний тип ґрунту лісового походження. Другий розглядає сірі лісові ґрунти як перехідні стадії розвитку або чорноземів у дерново-підзолисті (теорія деградації), або дерново-підзолистих у чорноземи (теорія проградації).
Для сірих лісових ґрунтів характерні темно-сіре або сіре забарвлення, зерниста або горіхувата структура, порівняно більша кількість гумусу, вміст якого швидко зменшується вниз по профілю, відсутність легкорозчинних солей, слабокисла реакція. У них, зазвичай, міститься значна кількість глинистих і колоїдних часток, причому у процесі грунтотворення їх рухомість у профілі досить незначна.
За своїми інженерно-геологічними особливостями сірі лісові ґрунти займають проміжне положення між дерново-підзолистими і чорноземами, причому у більшості випадків їхні властивості ближчі до чорноземів.
Чорноземи - типові ґрунти степів. Утворюються під степовою рослинністю в умовах різного рельєфу і на різних ґрунтотворних породах. Типові чорноземи формуються в умовах рівнинного рельєфу на лесах або лесоподібних суглинках.
Чорноземи мають потужний гумусовий горизонт чорного або чорно-бурого забарвлення. Вони характеризуються зернистою або Грудкуватою структурою, високим вмістом гумусу, максимум якого припадає на верхню і середню частину ґрунтового профілю, накопиченням карбонатів у нижніх горизонтах, відсутністю легкорозчинних солей. Реакція чорноземів у гумусових горизонтах близька до нейтральної, в карбонатних - слаболужна. Вбирна здатність їх висока (до 65 мг-екв на 100 г ґрунту), їх ҐВК насичений кальцієм і магнієм, що зумовлює агрегацію тонкодисперсної частини ґрунтів.
Серед чорноземів найбільш поширені суглинкові відміни. При використанні їх у якості основи дорожнього полотна ці ґрунти у випадку недостатнього дренажу можуть сприяти утворенню пучин. Висока вологоємність, пластичність, набухання і липкість чорноземів зумовлюють їхні негативні якості як насипних будівельних ґрунтів (матеріалів). У суху погоду полотно ґрунтових доріг, проложеннх по них, надзвичайно пилувате, після дощів або весною при таненні снігу чорноземи розмокають і утворюють дуже липку масу, по якій важко проходити транспорту. Виїмки, що утворюються у чорноземах при проходженні транспорту, у суху погоду зберігають вертикальні стінки, які при сильному зволоженні ґрунтів легко розмиваються і можуть навіть опливати.
У гірсько-степових районах чорноземні ґрунти часто крім піщаних і глинистих часток містять також щебінь і окреме велике каміння. За шляховими і будівельними властивостями такі чорноземи більш придатні, так як домішка каменів і щебеню робить дорожнє полотно більш твердим, і воно менше розмокає при зволоженні. Після дощів хоч і утворюється грязюка, але все-таки проїзд по ґрунтових дорогах можливий і тривалого "бездоріжжя" не буває. Через наявність щебеню такі ґрунти розробляються (руйнуються) з труднощами. Вертикальні стінки у виїмках добре зберігаються і кріплення не потребують.
Каштанові та бурі ґрунти широко поширені у сухих степах і напівпустелях. Формуються у значно сухіших умовах, у порівнянні з чорноземами, під біднішою рослинністю. Промочування ґрунтів незначне (мало опадів), тому карбонати вимиті у них лише на глибину 20-30 см (рідко більше), де утворюють карбонатний ілювіальний горизонт. У бурих ґрунтах закипання від 10 % НСІ місцями спостерігається безпосередньо з поверхні, на глибині 1 м у них часто міститься гіпс і водорозчинні солі. Реакція ґрунтів лужна. Вбирний комплекс їх насичений кальцієм і магнієм, але дуже часто у ньому міститься обмінний натрій.
Дорожні властивості каштанових і бурих ґрунтів у цілому задовільні. Хоча вони і розмокають після дощів, але швидко висихають і не утруднюють рух транспорту.
Сіроземи утворюють ґрунтовий покрив пустельних степів. Сіроземна зона характеризується континентальним засушливим кліматом з сухим і жарким літом, опадів 200-350 мм в рік, тому карбонати вимиті у ґрунтах на незначну глибину.
Сіроземи характеризуються світло-сірим, інколи буро-сірим забарвленням, невеликим вмістом гумусу (до 2 %), який знаходться в основному у верхній частині профілю, високим вмістом карбонатів (до 15-18 %). Легкорозчинних солей ці ґрунти не містять або містять дуже мало (до 0,1 %). Проте у материнських породах (переважно це лес) з глибини 2-3 м з'являються легкорозчинні солі (переважно сульфати), кількість яких може досягати 20 мг-екв на 100 г породи. Вбирний комплекс ґрунтів насичений кальцієм і магнієм.
Сіроземи характеризуються дуже високим вмістом пилуватих часток (до 80 %). У зв'язку з цим ґрунтові дороги, прокладені по них, дуже пилуваті. Після зимових і весняних дощів вони сильно розмокають, утворюючи важко прохідну грязюку.
Червоноземи - ґрунти субтропіків і тропіків. Формуються в тропічних умовах при інтенсивному розвитку процесів вивітрювання і розкладу органічної речовини. Вони збагачені гідратами заліза і алюмінію, містять невелику кількість гумусу.
Вище були розглянуті зональні типи ґрунтів. Розглянемо основні особливості інтразональних ґрунтів.
Чорноземовидні ґрунти за зовнішнім виглядом нагадують чорноземи, але не мають зернистої структури. До них відносять дерново-карбонатні (перегнійно-карбонатні, рендзини) і лучні ґрунти.
Дерново-карбонатні ґрунти формуються на карбонатних породах (вапняках, мергелях тощо), головним чином серед підзолистих і дерново-підзолистих ґрунтів. Це темно-сірі і навіть чорні ґрунти, містять від 2-3 до 7 % і більше гумусу, уламки карбонатних порід.
Лучні ґрунти формуються на сучасних алювіальних відкладах. Вони характеризуються підвищеним вмістом гумусу і неоднорідністю складу. За своїми інженерно-геологічними особливостями вони наближаються до чорноземів.
Засолені ґрунти - солончаки, солонці та солоді - характеризуються наявністю у поверхневому або більш глибоких горизонтах значної кількості водорозчинних мінеральних солей (КаСІ, №2804, ИагСОз та ін.).
Солончаки - ґрунти, які містять у поверхневому горизонті значну кількість легкорозчинних натрієвих солей (в основному хлоридів, сульфатів і карбонатів). їхнє утворення пов'язане з принесенням солей мінералізованими ґрунтовими водами і відкладенням цих солей у поверхневих горизонтах ґрунту у результаті випаровування ґрунтових вод при їхньому капілярному піднятті до денної поверхні. У нижчележачих горизонтах цих ґрунтів вміст водорозчинних солей також значний.
Солонці - ґрунти, які містять вбирний натрій і характеризуються особливою будовою ґрунтового профілю. Верхній елювіальний горизонт не містить значної кількості розчинних солей, він бідний на колоїди і півтораоксиди, збагачений кремнеземом і має слаболужну реакцію. Середній ілювіальний горизонт характеризується чітко вираженою стовпчастою структурою, він багатий на розчинні солі і сильно збагачений півтораоксидами, особливо АІ2О3, та глинистими частками. Третій - сольовий ілювіальний горизонт - містить значну кількість водорозчинних солей.
На поверхні солонців під впливом застою води у результаті водонепроникності стовпчастого горизонту з часом проходить процес обміну вбирного натрію на гідроген, в результаті чого колоїдний комплекс ґрунтів частково руйнується і колоїди переміщуються вниз по профілю. У результаті формується новий тип засолених ґрунтів - солоді.
Інженерно-геологічні властивості засолених ґрунтів досить різні. У сухому стані вони володіють значною твердістю, але при зволоженні засолені ґрунти розмокають, їхні колоїди переходять у розчин і утворюється глибока, дуже липка непрохідна грязюка. Розмоклий солонець підсихає повільно. Використовувати засолені ґрунти як матеріал навіть для насипів також не можна, оскільки застосування їх призведе до погіршення стану дорожнього полотна.