7. Инженерно-геологическая характеристика засоленных и мерзлых горных пород.

Инженерно-геологические свойства песчаных и глинистых пород в значительной степени зависят от количества в них водорастворимых солей. При содержании таких солей более 0,3 % от веса сухой породы ее считают засоленной. Выщелачивание водорастворимыx соединений обычно приводит к существенным изменениям плотности пород, их связности, прочности, деформируемости, устойчивости и водопроницаемости.

Накоплению растворимых солей в приповерхностных горизонтах горных пород в значительной мере способствуют климатические ус­ловия аридных и полуаридных районов, где величина испарения существенно превышает количество атмосферных осадков. Кроме того, засоленные грунты часто встречаются на пониженных бессточных территориях с минерализованными поверхностными и подземными водами, где соли накапливаются в породах в результате выпадения в осадок при испарении насыщающих их водных растворов. При этом водорастворимые соединения в засушливых районах накапливаются прежде всего в тонкодисперсных глинистых грунтах, а в песчаных водопроницаемых породах растворимые соли в большом количестве не содержатся.

Растворимые соли в засоленных породах можно разделить на три основные группы: легко-, средне- и труднорастворимые. К лег­корастворимым относятся хлористые, сернокислые и карбонатные соли натрия, калия, магния и кальция (галит, сильвин, мирабилит, сода и др.); к среднерастворимым - сульфаты кальция (гипс, ангид­рит); к труднорастворимым - карбонаты кальция и магния (каль­цит, магнезит, доломит и др.). В результате процессов выщелачива­ния наибольшие изменения претерпевают засоленные породы с преобладанием легко растворимых солей, меньшие - с преобладанием среднерастворимых, а труднорастворимые соли практически не из­меняют свойств пород при воздействии на них воды. Различают несколько типов засоления грунтов по преобладанию в них растворимых солей определенного состава: хлоридный, сульфатный, содовый, карбонатный и смешанный - хлоридно­-сульфатный и др.

К наиболее распространенным относятся солончаки и солонцы, которые содержат различные количества растворимых солей. В сухом состоянии поры этих пород заполнены кристаллами солей, что приводит к кажущемуся повышению их плотности. Однако при увлажнении соли растворяются, что вызывает посадочные явления и потерю прочности и устойчивости засоленных пород.

Пределы пластичности засоленных пород обычно более низкие, чем аналогичных по гранулометрическому минеральному составу незасоленных пород. При этом модуль общей деформации и сопротивление сдвигу понижается с увеличением количества солей. Это особенно заметно при их содержании более 10 %, когда наиболее существенно проявляются разуплотняющие воздействия солей.

При проектировании и строительстве сооружений на засоленных грунтах необходимо определить: засоление, солевой и влажный режимы пород, степень их засоления и состав солей. В случае любого хозяйственного освоения засоленных территорий особое внимание стоит уделять регулированию поверхности и подземного стока для поддержания оптимально влажностного режима пород.

Мерзлыми называются горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие лед. Породы с отрица­тельной температурой, но без льда, предложено называть морозны­ми. При этом следует особо подчеркнуть, что именно переход воды в лед при промерзании горных пород существенно изменяет их ин­женерно-геологические свойства: деформируемость, прочность, во­допроницаемость и др. При этом промерзание пород сопровождается развитием таких особых мерзлотных процессов и явлений, как морозное пучение, образование морозобойных трещин, наледей, перераспределение влаги в породах. Инженерные сооружения на мерзлых грунтах нередко испытывают резкие и неравно­мерные осадки, вплоть до полного их разрушения. В связи с этим разработка теоретических основ и практических рекомендаций по условиям строительства на таких грунтах и обеспечение их устойчи­вости при хозяйственном освоении северных территорий представляют важную и сложную научную и инженерную проблему.

На территории России мерзлые породы распространены почти повсеместно и подразделяются на сезонномерзлые (месяцы) и мно­голетнемерзлые (годы и тысячи лет). На севере страны они залегают сплошным покровом и имеют мощность свыше 1000 м (Восточная Сибирь). К югу зона сплошной мерзлоты постепенно сменяется зоной островной мерзлоты с мощностью многолетнемерзлых пород до нескольких десятков метров. Сезонномерзлые грунты слагают верх­нюю часть разреза до 3, реже до 4 м и формируют деятельный слой с сезонным промерзанием или протаиванием горных пород. Законо­мерности распространения мерзлых пород, особенности их строе­ния, состава и свойств, а также специфика мерзлотных процессов и явлений изучаются специальной наукой геокриологией, или мерз­лотоведением.

Лед в мерзлых породах заполняет поры, трещины и пустоты. Его общее содержание определяется суммарной льдистостью гор­ных пород, выраженной в долях единицы или в процентах по отно­шению к объему мерзлой породы. Важной характеристикой мерзлых дисперсных, пород служат типы льда-цемента, среди которых обыч­но различают контактный, пленочный, поровый и базальный. В за­висимости от пространственного расположения льда в породах вы­деляют следующие типы текстуры мерзлых пород:

- массивную, при равномерном распределении порового льда;

- слоистую, при залегании льда в виде отдельных (часто па­раллельных) прослоек, линз и слоев;

- сетчатую, при формировании взаимнопересекающимися ле­дяными прослоями и жилами в породе ячеистой сетки.

Удельный и объемный вес мерзлых пород изменяются в широ­ких пределах. Так, средний удельный вес песков может варьировать от 2,65 (в талом состоянии) до 0,92 Г/смЗ (удельный вес чистого льда). При этом объемный вес скелета мерзлых грунтов стремится к нулю, если в их составе преобладает лед.

В связи с тем, что лед заполняет поры мерзлых пород, их порис­тость обычно меньше, чем у талых. Поэтому мерзлые породы обыч­но водонепроницаемы. При оттаивании скважность грунтов резко возрастает, что вызывает их значительную деформируемость и про­садочность. При промерзании водонасыщенных пород происходит увеличение их объема и разуплотнение. Это вызывает морозное пучение грунтов, чему в значительной степени способствует миграция влаги к фронту промерзания.

Прочность и несущая способность мерзлых грунтов изменяются в зависимости от типа горных пород. Мерзлые песчаные и глинистые породы по прочности приближаются к породам полускальным. Прочность мерзлых пород зависит от величины отрицательной температуры и степени их влажности (льдистости). При этом для мерзлых дисперс­персных грунтов характерно хрупко-пластическое разрушение, так же как для многих полускальных пород.

Прочность мерзлых песков значительно выше прочности мерз­лых глин, что связано с малым содержанием в песках незамерзаю­щй воды и более совершенной их цементацией льдом. Мерзлые песчаные и глинистые породы отличаются хорошо выраженными реологическими свойствами. В связи с этим их длительная проч­ность в 5-10 раз меньше, чем условно-мгновенная, они склонны к упруго-вязким и вязкопластическим деформациям.

Промерзание и оттаивание горных пород сопровождаются развитием весьма своеобразных мерзлотных процессов и явлений. В связи с этим строительство на них требует применения особых принципов и специальных инженерных мероприятий для поддержания оптимального температурного режима и обеспечения их длительной устойчивости.

Насыпные антропогенные грунты. Территории городов, строительные площадки, районы добычи полезных ископаемых часто с поверхности покрыты искусственно отсыпанными грунтами. Характерной особенностью таких отложений является их пре­рывистое распространение. По составу могут быть выделены четыре группы по­добных образований:

1) смесь отходов промышленного и строительного производства;

2) смесь коммунально-бытовых отходов и отходов различных производств;

3) породы планомерно возведенных насыпей и намытых площа­дей;

4) породы отвалов на участках добычи полезных ископаемых.

Капитальные сооружения на таких породах обычно не строят. Однако при необходимости строительства наиболее слабые грунты удаляют, либо проходят основаниями сооружений до подстилающих естественных пород. При этом изучение свойств антропогенных образований представляет практический интерес в связи с необходимостью оценки их устойчивости, проектирования инженерных мероприятий для предупреждения просадочных явлений и развития оползневых деформаций.