1.6.3. Класс с. Грунты без структурных связей (рыхлые породы)

Раздельно зернистые осадочные горные породы представляют собой скопление минеральных частиц (зерен, обломков), находящихся в простом соприкосновении друг с другом. Из-за небольшой величины удельной поверхности частиц связность и число пластичности этих пород равны или близки к нулю, цементация частиц отсутствует.

Породы этого класса представляют собой сыпучие тела, сохраняющие свою форму только под действием веса частиц и трения между ними.

Деформации сжатия (уплотнения) связаны главным образом с перемещением и взаимным приспособлением частиц и поэтому имеют необратимый характер.

Деформации уплотнения протекают быстро вслед за приложением давления, что резко отличает данную группу пород от связных (глинистых) пород. Свободная поверхность породы (откоса) наклонена к горизонту под некоторым углом, называемым углом естественного откоса, величина которого в основном определяется плотностью сложения, формой и размером частиц.

Влияние влажности на механические свойства пород данной группы значительно меньше, чем для глинистых пород. Раздельно зернистые породы входят в состав морских, лагунно-морских и континентальных отложений.

Зерновой и минералогический состав. Частицы, составляющие скелет породы, отличаются друг от друга по своим размерам, форме и минералогическому составу. По размерам частиц различают валуны и камни (диаметром свыше 200 мм), гальку и щебень (размером от 10 до 200 мм), гравий и дресву (размером от 2 до 10 мм), песок (размером от 0,05 до 2,0 мм), пыль (размером от 0,002 до 0,05 мм) и глинистые частицы (размером менее 0,002 мм).

Зерновой состав влияет на все важнейшие водно-физические свойства и механические показатели пород. Значительное влияние на указанные свойства пород также оказывает форма минеральных зерен. Форму обломков различают по степени их окатанности, угловатости и изометричности.

С повышением крупности и угловатости зерен резко повышаются все показатели механической прочности. Отрицательно влияют на механические свойства песчаных пород пылеватые частицы.

Классификация раздельно зернистых пород в зависимости от зернового состава приведена в таблице 1.12.

Таблица 1.12. Классификация раздельнозернистых пород в зависимости от зернового состава

Наименование пород	Распределение частиц грунта по крупности в % от веса сухой породы
Галечники и щебенистые горные породы	Сумма всех частиц крупнее 10 мм составляет 50% и более
Гравийные и др. связные горные породы	Сумма всех частиц крупнее 2 мм составляет более 50%
Песок гравелистый	Сумма всех частиц крупнее 2 мм составляет более 25%
Песок крупнозернистый	Сумма всех частиц крупнее 0,5 мм составляет более 50%
Песок средней крупности	Сумма всех частиц крупнее 0,25 мм составляет более 50%
Песок мелкий	Сумма всех частиц крупнее 0,1 мм составляет более 75%
Песок пылеватый	Сумма всех частиц крупнее 0,1 мм составляет менее 75%

При высоком содержании пылеватых фракций, особенно в мелко- и тонкозернистых песках, порода легко размывается, приобретает повышенную сжимаемость и слабую устойчивость в фильтрующих откосах, особенно в рыхлом состоянии. Глинистые частицы несколько уменьшают отрицательное действие пылеватых частиц, но вместе с тем резко снижают водопроводимость породы.

По минералогическому составу раздельнозернистые породы могут быть однородными (часто одноминеральными) или смешанными (многоминеральными). Главными минеральными компонентами песков являются кварц, полевые шпаты и обломки различных пород и минералов. В меньшем количестве встречаются слюда, карбонаты, глауконит, пирит, магнетит и некоторые другие минералы. В составе рассматриваемых пород преобладают твердые, химические стойкие и инертные минералы.

Физические свойства. Из физических свойств наиболее важными для раздельнозернистых пород являются их уплотненность, влагонасыщенность, капиллярность, водоотдача и водопроводящие свойства. Уплотненность данных пород характеризуется коэффициентом плотности D, численно равным:

где ε_max - коэффициент пористости в самом рыхлом состоянии; ε_min - коэффициент пористости в самом плотном состоянии; ε_о - коэффициент пористости в естественном состоянии; n_max, n_min, n_о - соответственно значения пористости.

В зависимости от величины коэффициента плотности раздельнозернистые породы называются:

• плотными при 1,00 > D> 0,67;

• средней плотности при 0,67 > D> 0,33;

• рыхлыми при 0,33 > D > 0.

По величине коэффициента водонасыщения различают породы:

• маловлажные 0 < Kω ≤ 0,5;

• очень влажные 0,5 < Kω ≤ 0,8;

• насыщенные 0,8 < Kω ≤ l,0.

Капиллярные свойства пород характеризуются высотой и скоростью капиллярного поднятия. Максимальная высота капиллярного поднятия наблюдается у песков с размером фракций 0,1-0,05 мм; она в 8 раз превышает высоту капиллярного поднятия фракции песка с размерами зерен 1-0,5 мм и достигнет 100 см (табл. 1.13).

Таблица 1.13. Скорость капиллярного поднятия в различных песках

Наименование породы	Высота капиллярного поднятия, см
Песок крупнозернистый	12-15
Песок среднезернистый	40-50
Песок мелкозернистый	90-100

Скорость капиллярного поднятия характеризуется следующими данными: первые сутки капиллярное поднятие в крупнозернистых песках достигает 88%, а в мелкозернистых - 50% от максимального значения.

Предельным размером зерен, среди которых еще наблюдается капиллярное поднятие, можно считать 2 мм.

Способность породы, насыщенной водой, отдавать свободную (гравитационную) воду, называют водоотдачей. Она характеризуется коэффициентом водоотдачи, численно равным отношением объема свободно стекающей воды к объему всей породы. У крупнозернистых песков коэффициент водоотдачи практически совпадает с величиной их пористости. Величина водоотдачи уменьшается с уменьшением крупности зерен.

Водоотдача раздельно зернистых пород численно равна разности между пористостью (полной влагоемкостью Wпв) и максимальной молекулярной влагоемкостью (W_м). Последняя соответствует количеству воды, находящейся в породе в связанном состоянии - в виде пленок, обволакивающих минеральные частицы.

Водопроницаемость раздельнозернистых пород в первую очередь зависит от их зернового состава (табл. 1.14).

Таблица 1.14. Водопроницаемость отдельных фракций песка (В.В. Охотин)

Наименование породы	Коэффициент фильтрации, м/сут
Галечник чистый	>100
Гравийный песок	100-20
Песок среднезернистый	50-2
Песок глинистый	2-0,1

Большое влияние на водопроницаемость раздельнозернистых пород оказывает их сложение. В зависимости от сложения различают однородную водопроницаемость, когда последняя одинакова во всех направлениях, и неоднородную, когда она изменяется с изменением направления (вдоль слоистости и нормально к слоистости).

Нередко слабосцементированным пескам, заключенным среди пластических глинистых пород, свойственна трещиноватость, которая резко повышает их водопроводимость.

Механические свойства. В раздельнозернистых породах давление передается непосредственно от частицы к частице через точки их соприкосновения. Вследствие малых размеров площадей соприкосновения частиц давления в точках соприкосновения намного (до нескольких тысяч раз) превышают удельные давления. По этой причине пленки воды, обволакивающие частицы, обычно разрываются и наблюдается плотное соприкосновение частиц. Указанными обстоятельствами объясняются относительно высокие значения угла внутреннего трения.

Сжатие раздельнозернистых пород, обладающих жестким минеральным скелетом, возможно почти исключительно за счет перегруппировки частиц в процессе их взаимного приспособления Однако такого рода перегруппировка частиц затруднена внутренним трением, достигающим в точках соприкосновения больших размеров. Перегруппировка частиц (сжатие породы) может быть облегчена действием вибрационных усилий. Этим объясняется известный факт повышенной уплотняемости песков под действием вибрационной нагрузки. На этом же явлении основана практика забивки свай и труб в песчаные породы под действием вибрационных усилий.

Величина сжатия песчаных пород сильно зависит от плотности - с уменьшением плотности сжимаемость, естественно, возрастает. Опытами установлено, что рыхлые пески не сжимаются до максимально плотного для данной породы состояния даже при давлении 20 кг/см². Для того чтобы довести рыхлые пески до максимально плотного состояния, требуется применение динамических (вибрационных) усилий.

Сопротивление сдвигу несвязных пород зависит от их плотности и зернового состава. Оно возрастает с увеличением плотности породы, крупности и угловатости зерен. Для крупнозернистого песка критическая пористость близка к наиболее рыхлому состоянию. Для среднезернистого и мелкозернистого песка она соответствует примерно средней величине между наиболее рыхлым и плотным сложением. Для илистых пород критическая пористость близка к наиболее плотному сложению. Однако критическая пористость песка не является постоянной величиной. Она зависит от того, под каким давлением находится песок при сдвиге.

С критической пористостью обычно связывают явление разжижения песков. Пески, обладающие пористостью выше критической, в водонасыщенном состоянии могут перейти в разжиженное состояние, например при землетрясении, взрыве, забивке свай и других динамических воздействиях. Разжижение может распространиться на большие массивы рыхло-сложенных песков, с пористостью выше критической.

В рыхлосложенных песках в зоне сдвигов происходит уплотнение песка и отжатие воды из этой зоны, что уменьшает устойчивость песчаного водонасыщенного массива: порода растекается подобно вязкой жидкости. С прекращением динамического воздействия порода вновь стабилизуется.

Диаграмма сопротивления сдвигу раздельнозернистых пород обычно представляет прямую, проходящую через начало прямоугольных координат и наклоненную под углом φ к оси нормальных давлений (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Диаграмма сопротивления песка сдвигу ( )

Так как сопротивление раздельнозернистых пород сдвигу обусловливается сопротивлением их трению, то угол (р называют углом внутреннего трения, a tgφ = f - коэффициентом внутреннего трения.

Сопротивление сдвигу у раздельнозернистых пород обусловлено не только трением поверхностей соприкосновения зерен, но и статическим сопротивлением этих зерен изменению их первоначального положения (например, вращению).

Перемещение зерен в начале сдвига требует дополнительного сдвигающего усилия. Это дополнительное усилие, необходимое для поворота зерен и их вращения под действием сдвигающих усилий, называется начальным сопротивлением структуры или зацеплением. Вследствие явления зацепления прямолинейная зависимость между сдвигающим усилием и нормальным давлением нарушается. На начальных стадиях деформации наблюдается увеличение сдвигающей силы, а затем заметное уменьшение этой силы по мере роста величины деформации.

Величина зацепления, как и угла внутреннего трения, зависит от зернового состава и плотности сложения породы. Они возрастают с повышением неоднородности зернового состава и в особенности с увеличением содержания грубообломочных фракций, а также с увеличением угловатости зерен и плотности сложения песков. У разнозернистых песков плотного сложения величина зацепления может достигать до 0,3-0,5 кг/см². У однородных хорошо окатанных песков рыхлого сложения зацепление практически равно нулю.

Угол внутреннего трения песков изменяется в пределах от 19 до 37°. При переходе от песков наиболее рыхлого сложения к пескам плотного сложения угол внутреннего трения может возрасти на 7-15°. Водонасыщение вызывает снижение угла внутреннего трения на 1-2°.

Влияние влажности на сопротивление сдвигу становится особенно заметным при содержании глинистой и пылеватой фракции. Наблюдается некоторое увеличение сопротивления сдвигу с ростом влажности до определенного предела.

Данное явление обычно связывают с силами капиллярного сцепления и называют .капиллярной связностью. Капиллярная связность частиц, очевидно, должна исчезнуть по мере заполнения пор песка водой и исчезновения капиллярных менисков, что в действительности и наблюдается.

Угол внутреннего трения раздельнозернистых пород практически равен или близок к углу естественного откоса. Однако угол естественного откоса их под водой всегда меньше, чем в сухом состоянии. В этом, повидимому, сказывается действие эффекта гидростатического взвешивания частиц породы. Снижение угла естественного откоса под водой особенно характерно для пород, подверженных легкому оплыванию.