Часть I. Основы грунтоведения

Грунтоведение является одним из разделов инженерной геологии. Слово «грунт» означает основу (немецкое слово «grund» - дно, основание).

При строительстве горные породы, современные осадки и почвы используются в качестве оснований сооружений (гражданские и промышленные здания), среды, в которой находятся сооружения (тоннели, линии метрополитена), или материалы, из которого они строятся (земляные плотины, дамбы). Во всех этих случаях они называются грунтами. Таким образом, под грунтом понимается любая горная порода, современный осадок или почва, если они служат основанием, средой или материалом для каких-либо инженерных сооружений.

По определению Е.М. Сергеева, грунты - это любые горные породы или почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека. Главное направление при изучении грунтов - познание их свойств (прежде всего физико-механических, таких, как прочность, деформируемость) и изменчивости свойств во времени под воздействием инженерных сооружений и природных факторов.

Грунты представляют собой многокомпонентные системы, которые состоят из четырех компонентов - твердого минерального, газообразного, порового водного раствора и микроорганизмов. Грунты изучают в лаборатории (в образцах) и в полевых условиях, т.е. в условиях их естественного залегания (в шурфах, шахтах, скважинах большого диаметра, в котлованах).

Свойства грунтов зависят, прежде всего, от условий их образования. Эти условия в природе весьма разнообразны, поэтому грунты имеют различные свойства. Например, при остывании магмы формируются наиболее прочные скальные грунты, а при отложении частиц минералов и горных пород различного размера и формы в воздушной или водной среде формируются менее прочные, мягкие связные или рыхлые несвязные грунты.

На формирование и изменение свойств грунтов большое влияние оказывают процессы превращения осадков в горные породы (диагенез). В результате этих процессов могут измениться минеральный состав, пористость, плотность, другие свойства грунтов, при этом они обычно улучшаются. В дальнейшем свойства грунтов изменяются под влиянием среды, в которой они находятся. При этом изменения свойств будут тем значительнее, чем больше различие между термодинамическими и химическими условиями формирования грунтов и условиями среды, в которой они находятся в дальнейшем. Например, на поверхности суши метаморфические породы (гнейсы, сланцы), сформировавшиеся при высоких давлениях и температурах, будут подвергаться изменениям в большей степени, чем пески, образовавшиеся в условиях, близких к условиям среды их существования.

Свойства грунтов могут изменяться также вследствие тектонических процессов (поднятия, опускания, смятия в складки). Если условия залегания грунтов изменяются и в них появляются трещины, то свойства их ухудшаются. Таким образом, при оценке свойств грунтов следует учитывать их происхождение (генезис), в том числе процессы диагенеза, а также условия залегания и условия среды, в которой они находятся и находились со времени образования.

Горные породы и другие образования как грунты изучаются на разных уровнях - молекулярном, структурном и макроструктурном. Для понимания природы структурных связей между компонентами грунта и оценки прочности и устойчивости грунты изучают на молекулярном уровне. На структурном уровне определяют структуру, текстуру, минеральный и петрографический состав грунтов.

Это позволяет установить условия формирования физико-механических свойств грунтов. При исследованиях на макроструктурном уровне выделяют в разрезе различные по петрографическому составу грунты, определяют размеры и условия залегания образуемых ими геологических тел.

Количественная оценка состава, состояния и свойств грунтов производится с помощью показателей, которые часто делят на три группы: классификационные, косвенные и прямые расчетные.

Первые используются на предварительных стадиях изучения для определения названия горных пород, их распространения и составления инженерно-геологических карт. Обычно их определяют в полевых условиях непосредственно у скважин (шурфов или обнажений) простыми, нередко визуальными способами или с помощью полевой инженерно-геологической лаборатории.

К классификационным показателям относятся цвет, минеральный состав, структура, текстура, консистенция, пластичность, водопроницаемость, размокаемость и набухание грунта.

Косвенные расчетные показатели определяются в полевых и стационарных инженерно-геологических лабораториях. Они используются на первых стадиях проектирования для оценки возможного поведения грунтов при взаимодействии с сооружениями, при наличии коррелятивной связи с прямыми расчетными показателями. Используются они и для получения прямых расчетных показателей.

К косвенным расчетным показателям относятся обычно плотность грунта, плотность минеральных частиц, пористость, гранулометрический состав (процентное содержание частиц различного диаметра, т.е. фракций), влажность, пределы пластичности, число пластичности и др.

Прямые расчетные показатели используют для расчетов при проектировании сооружений. Они определяются с помощью различных приборов и установок в лабораторных и полевых условиях на образцах или непосредственно в массиве грунтов.

К прямым расчетным показателям относятся коэффициент уплотнения (коэффициент компрессии), модуль компрессии, модуль общей деформации, модуль упругости, временное сопротивление сжатию, коэффициент трения, угол внутреннего трения, коэффициент сдвига, угол сдвига, сцепление, угол естественного откоса, коэффициент фильтрации, коэффициент водоотдачи, высота капиллярного поднятия, относительная просадочность, условная просадочность.

Приведенное деление показателей применительно к некоторым из них является условным; например, такие классификационные показатели, как плотность грунта и плотность минеральных частиц, содержание воднорастворимых солей и др., могут быть использованы при расчетах как косвенные и прямые расчетные. Это зависит от стадии проектирования, типа грунтов (горных пород) и типа сооружения.