7.4. Факторы, влияющие на физико-механические свойства грунтов как оснований сооружений

7.4.1 Природные (естественные факторы)

Природные (естественные) факторы играют определяющую роль при изучении инженерно-геологических условий и во многом обусловливают степень активизации различных геологических процессов при техногенном влиянии (наличие в разрезе толщи просадочных грунтов создает условия для поверхностной деформации сооружения под действием статической нагрузки при условии дополнительного замачивания и т.д.). Важным этапом при инженерно-геологических исследованиях является выделение как ведущего фактора, влияющего на состояние природно-технической системы, так и подчиненных факторов (с учетом специфики их взаимодействия и синергетики), что позволяет выбрать оптимальный вариант размещения сооружений и предусмотреть (проектом) ряд мероприятий, направленных на обеспечение устойчивого функционирования сооружения.

Среди основных природных факторов, влияющих на инженерно-геологические условия проектирования и строительства можно выделить:

• Минералогический состав

• Текстура и структура

• Условия залегания пород

• Гидрогеологические условия

• Рельеф, геоморфологическая обстановка и климатические условия

Минералогический состав

Влияние минералогического состава на физико-механические свойства наиболее четко прослеживается при изучении несвязанных - песчаных, и в особенности связанных – глинистых грунтов. Минералы, из которых построены дисперсные (осадочные) породы, делятся на 3 группы:

- Первичные, практически нерастворимые в воде

- Вторичные минералы

а) нерастворимые

в) растворимые

- Органогенные

По общему минералогическому составу различают мономинеральные и полиминеральные грунты.

Первичные практически нерастворимые в воде минералы являются основной составляющей песчаных пород. Присутствие некоторых минералов является характерным для определения генетических типов песков. Полевые шпаты входят в состав аллювиальных, делювиальных и флювиогляциальных песков, слюды характерны для эоловых песков, глауконит – для морских песков.

Физико-механические свойства песков обусловлены размерами, формой, степенью окатанности зерен кварца. В целом кварц придает рыхлым породам большую стойкость по отношению к воде и повышает сопротивляемость внешним воздействиям от сооружений.

Присутствие водорастворимых минералов снижает водостойкость и механическую прочность грунтов как оснований.

Вторичные нерастворимые в воде минералы являются основными породообразующими минералами глинистых грунтов. Они составляют их тонкодисперсную – коллоидную часть (глинистые минералы).

Отличительная особенность – высокая дисперсность (размер частиц менее 0,001 мм). Даже при относительно небольшом содержании их по отношению к грубодисперсной части глин они в значительной мере определяют такие свойства породы как прочность и водопроницаемость.

Минералы группы каолинита слабо набухают и имеют незначительную водопроницаемость относительно других глинистых минералов, при нагревании быстро теряют воду.

Минералы группы монтмориллонита присутствуют в составе многих глин (основной минерал бентонитовых глин). Минералы характеризуются высокой гигроскопичностью (обладают способностью выделять воду в сухой воздух и поглощать ее из влажного). Минералы характеризуются относительно большей набухаемостью и сжимаемостью, а также малой водопроницаемостью.

Монтмориллонит хорошо адсорбирует из растворов (подземных вод) различные катионы, что создает возможность искусственного воздействия на свойства монтмориллонитовых глин.

Группа гидрослюд характеризуется относительно меньшей способностью к набуханию (по сравнению с монтмориллонитом) и занимает промежуточное положение между слюдами и монтмориллонитом.

Вторичные растворимые в воде минералы в осадочных породах присутствуют в виде растворимых солей (легко - галит, сильвин, мирабеллит, сода; средне-гипс, ангидрит и труднорастворимых-кальцит, магнезит, доломит).

При преобладании в поровом растворе ионов кальция (известковистые и загипсованные глины) породы в значительной мере теряют пластичность, способность к набуханию и сильную сжимаемость.

При наличии натрия – происходит увеличение набухаемости, пластичности, сжимаемости, уменьшение водопроницаемости.

В целом увеличение концентрации солей, растворенных в подземной воде, ведет к резкому проявлению глинистых свойств грунтов.

Характерно то, что связи, образованные труднорастворимыми солями, придают породе водоустойчивость и прочность, значительную роль при этом играет равномерность и вид распределения солей в толще породы.

Органические соединения находятся в тесном химическом взаимодействии с минеральной частью породы. Наличие примесей органики, как правило, определяет высокую влагоемкость, пластичность, низкую водопроницаемость, высокую сжимаемость под нагрузкой и низкое сопротивление сдвигу. Влияние органики на свойства породы во многом определяется степенью разложения остатков (чем больше степень разложения остатков, тем сильнее их влияние на инженерно-геологические свойства пород).

Изучение минералогического состава глинистых грунтов проводится с помощью следующих методов:

1.Валовый химический анализ.

2.Иммерсионный анализ (определение показателей преломления минералов).

3.Рентгеноструктурный анализ.

4.Электронно-микроскопический метод.

5.Термический анализ (изучение кривых температур при нагревании минералов).

6.Хроматографический анализ (на основе избирательной адсорбции глинистых минералов при взаимодействии с красителями).

7.Химический состав водной вытяжки для изучения состава легкорастворимых солей.

8. О суммарном содержании органики судят по величине потери веса при прокаливании.

Текстура и структура

Структурно-текстурные особенности пород отражают условия их формирования и изучаются в процессе инженерно-геологических изысканий в полевых и лабораторных условиях. В первую очередь, применительно к изучению физико-механических свойств грунтов и прогнозированию их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружений, изучение текстуры и структуры грунтов должно быть направлено на рассмотрение неоднородности пород, которая обусловливает анизотропность в отношении водопроницаемости, сопротивления сдвигу, определяющих поведение пород под нагрузкой и устойчивость последних.

Структуры обломочных несцементированных пород обладают разнообразием, что обусловливается различием размеров, форм и количественного соотношения их структурных элементов.

Среди крупнообломочных пород выделяются валунные (каменистые), галечниковые (щебенистые), гравийные (дресвяные) структуры в зависимости от состава, количества заполнителя и окатанности.

Среди песчаных по степени отсортированности зерен и обломков – гравелистые, пылеватые, чистых песков. По размеру преобладающих зерен – грубозернистые, крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые.

Структура глинистых и лессовых грунтов определяется характером взаимодействия песчаных и пылеватых зерен и глинистых минералов. На основе морфометрических особенностей выделяются: ячеистая, скелетная, матричная, ламинарная, турбулентная, доменная, псевдоглобулярная, губчатая структуры.

По Чаповскому для глинистых грунтов выделяются следующие виды структур:

Пелитовая структура. Порода состоит главным образом из глинистых частиц. Она характерна в основном для глин морского, лагунного, озерного происхождения.

Алевропелитовая структура отличается тем, что в основной массе глинистых частиц содержится 8-10 и более процентов алевритовых (пылеватых) частиц угловатой, реже округлой формы. Структура свойственна для большинства глинистых пород водного происхождения.

Псаммопелитовая структура. В основной массе глинистых частиц содержится 8-10 и более процентов песчаных частиц. Структура свойственна большинству глинистых частиц континентального происхождения.

Фитопелитовая структура. Характерна для глинистых грунтов, у которых в основной массе глинистых частиц, окрашенных в темные тона, наблюдаются растительные остатки. Часто встречается в болотных, озерных и аллювиальных глинах.

Алевритовая структура. Присуща главным образом пылеватым породам эолового происхождения (лессам и лесссовидным породам). Иногда встречается в делювиальных, пролювиальных и аллювиальных глинистых породах. Состоит в основном из алевритовых (пылеватых) частиц с небольшой примесью глинистых.

Из макроструктур в глинистых породах выделяют:

1.Конгломератовидную. Округлые обломки глинистой породы, сцементированные глинистыми частицами той же породы.

2.Брекчиевидную. Аналогична конгломератовидной макроструктуре, отличается тем, что крупные обломки имеют неправильную остроугольную форму.

3.Порфировидная. Наблюдается в глинистых породах ледникового происхождения. В основном состоит из глинистых, пылеватых, песчаных частиц, среди которых встречаются валуны, галька, гравий, щебень и другие крупные обломки.

Наряду с тонкодисперсными частицами в глинистых грунтах часто содержатся коллоидные частицы (соединения элементарных тонкодисперсных частиц). Микроструктура глинистых пород изменяется под действием физико-химических процессов, механического уплотнения и сдвига, в зависимости от чего агрегаты могут исчезать, появляться и изменяться. При этом более устойчивы песчаные и пылеватые частицы, которые образуют скелет микроструктуры. Коллоидные и глинистые - наиболее подвижны. Глинистые породы с микроагрегатной структурой во влажном состоянии обычно сильно сжимаются под статической нагрузкой. Динамические нагрузки (вибрация и сотрясение) практически не оказывают влияния на породы с агрегатной структурой, несмотря на их высокую пористость.

По микроагрегатности выделяют:

Песчано-микроагрегатную мезоструктуру ( глинистые и пылеватые частицы образуют микроагрегаты, которые связаны с песчаными зернами, содержание которых превышает 45%).

Пылевато-микроагрегатную (агрегаты из глинистых частиц связаны с пылеватыми зернами, содержащимися в породе в значительных количествах).

Микроагреганную (основная масса состоит из агрегатов глинистых частиц).

Текстуры рыхлых обломочных пород

В группе крупнообломочных пород наиболее характерными являются бутовая и псевдопорфировая текстура.

Бутовая характеризуется тем, что крупные обломки, слагающие основную массу пород , непосредственно опираются друг на друга, в результате чего порода приобретает механическую жесткость и прочность. Фильтрационные свойства пород в данном случае зависят от состава и степени заполнения промежутков между обломками более мелкозернистым материалом.

Псевдопорфировая – отдельные обломки включены в основную массу более мелкозернистого материала. Свойства пород в этом случае зависят от состава основного материала (глинистый, песчаный, гравийный). При глинистом – сопротивление сдвигу меньшее, чем у породы с аналогичной текстурой, но песчаным или гравийном составе основного материала.

В крупнообломочных породах выделяются также разные виды косослоистой и беспорядочной текстуры. Свойства таких пород во многом определяются грансоставом, характером слоистости и т.д.

Изучение текстур песков позволяет установить степень и характер различия в свойствах песчаных грунтов, слагающих отдельные слои, выявить ослабленные участки в толще песков (контакты между слоями, имеющими одинаковое направление с действующими на породу нагрузками, тонкие глинистые прослои глинистого материала в толще песка и т.д.)

Текстуры глинистых пород обусловлены взаимным расположением в пространстве слагающих породу элементов.

По классификации М.В.Викуловой:

1. Слоистые, скрытослоистые, гнездовидные, чешуйчатые, хаотичные и др. связанные с различными условиями отложения глинистых осадков.

2. Сетчатые, полигональные, связанные с периодическим высыханием глинистого осадка

3. Пористые и сплошные (монолитные), связанные с различной степенью уплотнения пород.

4. Плойчатые – неправильные, связанные с нарушением залегания глинистого осадка.

5.Сланцеватые, возникшие под влиянием высоких давлений в процессе диагенеза.

Типы текстур учитываются при отборе монолитов для лабораторных исследований. Ориентировка образцов при исследовании таких свойств как сжимаемость, сопротивление сдвигу, фильтрационные свойства, должна соответствовать условиям работы породы под сооружением.

Структурно-текстурные особенности строения связанных глинистых грунтов (микроагрегатность) изучается с помощью микроскопических методов.

Условия залегания пород

Условия залегания пород оказывают влияние на инженерно-геологические свойства пород в массиве, на оценку их возможного поведения при взаимодействии с сооружением, на оценку их устойчивости в естественных условиях и под сооружением. Условия залегания пород могут быть изучены только при комплексном исследовании пород в полевых условиях при инженерно-геологической съемке и в лаборатории на образцах, отобранных из отдельных точек массива, с учетом всех особенностей строения и условий залегания пород. При этом необходимо учитывать характер будущего сооружения.

Особое внимание следует уделить пространственному изменению условий залегания грунтов, характеризующихся различными физико-механическими свойствами, направлению их падения.

Гидрогеологические условия

Понятие гидрогеологические условия включает в себя: гидрогеологическое строение (структуру) геоситемы , определяемое отношением водосодержащих пород и относительных водоупоров, гидродинамические свойства геосистемы (условия питания и разгрузки подземных вод), фильтрационные свойства пород, химический состав, температуру, агрессивность вод и др.

Характер подземных вод, их химический состав, температура, наличие в составе растворенных газов, наличие напора, скорость движения влияют на состав, плотность сложения, консистенцию, степень сцементированности и др. показатели. Особенно велико это влияние на глинистые породы, тонкие пески, а также сцементированные породы, содержащие легкорастворимые соли.

Обводненность – одна из основных причин снижения прочности пород вследствие размягчения, перехода в пластичное состояние или выщелачивание легкорастворимых солей, а также уменьшения устойчивости пород и перехода в подвижное состояние (сплывы, оползни, плывуны).

Кроме того, естественные гидрогеологические условия играют важную роль при развитии геологических процессов, влияющих на условия строительства и эксплуатации сооружений.

Для прогноза изменения физико-механических свойств в процессе инженерно-геологических изысканий проводятся гидрогеологические исследования, направленные на изучение уровенного режима подземных вод, динамики сезонного изменения положения УГВ, наличия и пространственной характеристики водоупоров, вертикальной и горизонтальной расчлененности рельефа, гидрохимической характеристики воды.

На основании данных о гидродинамическом режиме подземных вод возможно прогнозирование изменения свойств пород при сезонном естественном и техногенном изменении УГВ. На основании данных о литологическом строении толщ грунтов и положении УГВ и т.д. производится районирование территории по степени потенциальной подтопляемости.

Рельеф, геоморфологическая обстановка

и климатические условия

Геоморфологическое строение и рельеф территории являются важнейшими свойствами - компонентами инженерно-геологических условий и часто полностью определяют ее инжененрно-геологическую оценку.

Определенные геоморфологические условия ( в том числе вертикальная и горизонтальная расчлененность рельефа) создают условие для развития геологических процессов (эрозия, карст, подтопление и др.), что позволяет на начальных стадиях изысканий:

- выбрать оптимальный комплекс исследований направленных на количественную и качественную оценку пораженности территории процессами;

- провести районирование территории для выбора наиболее оптимальных вариантов размещения сооружений, или (при отсутствии вариантов) предусмотреть мероприятия направленные на обеспечение их устойчивости;

- разработать программу мониторинга геологических процессов для разработки прогноза их развития во времени применительно к сооружениям;

Состояние и свойства грунтов во многом зависят от приуроченности их к различным геоморфологическим элементам рельефа. Глинистые грунты, залегающие в пределах речных долин, оказываются в большинстве случаев менее плотными, чем на участках водоразделов. Лессовидные породы, слагающие низкие террасы речных долин, обычно не обладают просадочными свойствами, либо они проявляются в незначительной степени, в то время как аналогичные породы на водоразделах, как правило, обладают большей просадочностью.

Карбонатные породы, залегающие ниже базисов эрозии, характеризуются монолитностью строения и как следствие отсутствием карстовых процессов.

Аллювиальные грунты, сформировавшиеся в условиях избыточного увлажнения, характеризуются наличием органики и слабой засоленностью. Кроме того, климатический фактор обусловливает инженерно-геологические свойства пород в зоне выветривания.