3. Состав грунта

При объективной оценке грунтов для целей строительства инженер-геолог не может ограничиться лишь визуальным описанием слоя или образца породы. В дополнение к обычным традиционным методам, применяемым при геологической съемке, используются специальные инженерно-геологические методы исследования (полевые и лабораторные), дающие возможность произвести не только качественную, но и количественную оценку таких свойств грунта, как влажность, плотность, водопроницаемость, деформируемость прочность и др.

Представление о том, что горные породы изменяются во времени, является общеизвестным, однако, быстрые изменения горных пород происходят лишь в том случае, когда соотношение между компонентами, составляющими горную породу, меняется достаточно быстро. Это положение наиболее характерно для дисперсных грунтов, у которых особенно важны 2 компонента: вода и воздух, содержащиеся в их порах. В зависимости от того, полностью или частично будут заполнены поры водой (или газом) и содержатся в них живые организмы или нет, грунты могут быть двух- и трех- и даже четырехкомпонентными системами.

Физико-механические свойства грунтов в значительной степени определяются составом грунта (минеральным, гранулометрическим и химическим). Наибольшее значение минеральный, гранулометрический и химический состав имеет для рыхлых несвязных и мягких связных грунтов.

Гранулометрический состав позволяет классифицировать грунты, оценивать однородность, условия их образования, характеризовать физико-механические свойства грунтов, возможность использования их для различных хозяйственных целей.

Минеральный состав является важнейшей характеристикой для глинистых грунтов, т.к. природа их определяется именно минеральным составом и главным образом составом тонкодисперсной части, в зависимости от которой находится активное физико-механическое взаимодействие этих грунтов с водой.

Химический состав глинистых грунтов обычно не определяется, т.к. не дает непосредственного представления о физико-механических свойствах породы, а определение его сопряжено со значительными трудностями.

3.1. Минеральный состав грунта

При инженерно-геологическом изучении горных пород особенно важно знать содержание в них породообразующих минералов, которые находятся в преобладающих количествах и оказывают влияние на их свойства. Наибольшее значение имеют минералы:

-класса первичных силикатов (полевые шпаты, оливин, кварц, пироксены и амфиболы и др.), у которых преобладают внутрикристаллические связи ионно-ковалентного типа.

-класса глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.), характеризующиеся большим разнообразием внутрикристаллических связей, включая ковалентную, ионную, водородную и молекулярную связи

- класса простых солей (карбонаты, сульфаты, галоиды) имеют ионный тип связей

- органическое вещество, в строении которого большую роль играют водородные и молекулярные связи.

Большое влияние на свойства дисперсных грунтов оказывают глинистые минералы, которые относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов и отличаются от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью сорбции и ионному обмену. Глинистые минералы являются наиболее активной составляющей дисперсных горных пород, в значительной степени обуславливающей их инженерно-геологические свойства. Высокая активность обусловлена не только большой удельной поверхностью, но и особенностями их кристаллохимического строения. Основу слоистого мотива структуры глинистых минералов тетраэдрические и октаэдрические сетки, неограниченно развитые в одной плоскости. Связь между слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и величины его заряда.

КАОЛИНИТ. (водородные связи) Кристаллическая решетка устойчивая, прочная, неподвижная, что обусловливает слабую сжимаемость по сравнению с другими глинистыми минералами. Внутренне набухание отсутствует

МОНТМОРИЛЛОНИТ (молекулярные связи). Кристаллическая решетка подвижная, связь между слоями атомов слабая, легко проникает вода. Грунты, состоящие из этих минералов, обладают высокой гидрофильностью, слабопроницаемы, сильно набухаемы и сжимаемы, с высокой адсорбционной способностью.

ГИДРОСЛЮДЫ. Обладают свойствами, промежуточными между каолинитом и монтмориллонитом.

Глинистые грунты, когда они служат основаниями для инженерных сооружений, могут быть очень коварными. Дело в том, что они, несмотря на кажущуюся плотность, - высокопористые породы. И хотя их пористость весьма значительна (до 60%), но без лабораторных исследований она не обнаруживается. Объясняется это микроскопическим размером пор (1-5 микрон). В природных условиях микропоры обычно заполнены влагой. Пористость глин приводит к тому, что при возведении на них тяжелых зданий грунт под весом сооружений уплотняется и оседает. Если осадка идет неравномерно, здания становятся наклонными, "падающими". Широко известна падающая башня в итальянском городе Пизе. За время с 1174 г. до середины XX века башня осела с одной стороны на 3,2 м, с другой - на 1,6 м. Незадолго перед второй мировой войной осадка илисто-глинистого грунта прекратилась. Но во время военных действий на площадь, где стоит башня, упали бомбы. Взрывы вызвали сотрясение почвы, грунт "ожил", и вновь стал увеличиваться наклон башни. Сейчас отклонение верхушки башни от вертикальной оси достигло 4,9 м. Если не будут предприняты энергичные меры, башня неминуемо рухнет.

Другим интересным, но менее известным примером "падающего" здания служит башня Сюмбеки в Казанском Кремле, построенная в XVII в. Это стройное семиярусное высотой 58 м здание из красного обожженного кирпича возводилось на дубовых сваях, часть которых со временем опустилась (фундамент ее расположен на глубине всего 1,4 метра). Поэтому башня отклонилась от вертикальной оси на 169 см.

Таблица 3.1.

ТВЕРДЫЙ КОМПОНЕНТ

МИНЕРАЛЫ КЛАССА ПЕРВИЧНЫХ СИЛИКАТОВ

ГЛИНИСТЫЕ МИНЕРАЛЫ

ПРОСТЫЕ СОЛИ

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ЛЕД

КВАРЦ

ОЛИВИН

ПОЛЕВЫЕ ШПАТЫ

ДРУГИЕ МИНЕРАЛЫ

ГРУППА КАОЛИНИТА

ГРУППА МОНТМОРИЛЛОНИТА

ГРУППА ГИДРОСЛЮД

ЛЕГКОРАСТВОРИМЫЕ (ГАЛИТ,СИЛЬВИН И ДР.)

СРЕДНЕРАСТВОРИМЫЕ (ГИПС)

ТРУДНОРАСТВОРИМЫЕ (КАЛЬЦИТ. ДОЛОМИТ)

ТОРФ (50% О.В.)

ЗАТОРФОВАННЫЕ ГРУНТЫ (10-50%О.В.)

ВКЛЮЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

ВОДА В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Результат физического выветривания; d>0,05мм; основная часть песчаных и крупнообломочных отложений. Прочые, но прочность зависит от размера, окатанности, уплотненности, расположения частиц. Нерастворимы. Устойчивы в химическом отношении, несжимаемы. Благоприятны для строительства.

Результат химического выветривания, d< 0,005мм. Составляют тонкодисперсную часть глинистых грунтов. Гидрофильны, водонепроницаемы, пластичны, набухаемы, сжимаемы. Свойства зависят от минералогического состава и состояния минералов.

В твердом состоянии цементируют грунты, при взаимодействии с водой цементация разрушается. Происходит резкое снижение прочности. Соли уменьшают пластичность, набухаемость, но увеличивают просадочность. Неравномерное распределение солей приводит к неравномерной осадке. В поровом растворе наиболее благоприятны соли кальция, менее благоприятны соли натрия. Засоленные грунты содержат более 5% солей, засоленные пески – более 0,5%.

Свойства горных пород зависят от количества органического вещества, степени его разложения и состава. Гумус уменьшает водопроницаемость, повышает водоустойчивость (склеивает частицы в агрегаты), но увеличивает влагоемкость, пластичность, повышает сжимаемость, увеличивает набухаемость, уменьшает прочность. Неблагоприятны для строительства.

Лед придает породам прочность, но неустойчив термодинамически. Мерзлые грунты динамичны, быстро реагируют на изменение температуры, свойства зависят от количества льда и его состояния.