1.1. Состав грунтов
Минеральный состав грунтов (горных пород) оказывает большое влияние на их свойства. Это влияние обратно пропорционально связи между отдельными элементами грунта (кристаллами, зернами, агрегатами и т.д.). Например, для базальтов с прочными кристаллизационными связями минеральный состав имеет меньшее значение, чем для глин с их мягкими коллоидными связями.
Минералы в грунтах могут иметь различное происхождение, состав и свойства. По относительному содержанию в грунтах они делятся на главные (породообразующие), второстепенные (акцессорные) и случайные.
Первые являются обязательной частью грунта и составляют его основную массу. Содержание акцессорных минералов обычно не превышает 5 % и присутствие их в грунте необязательно.
Случайные минералы содержатся в рыхлых или мягких связных грунтах в незначительном количестве. По условиям образования минералы в горных породах делят на первичные и вторичные.
Первичные образуются из магмы и составляют основную массу магматических пород (кварц, слюды, полевые шпаты, пироксен, роговая обманка и др.).
Вторичные обычно образуются в процессе выветривания или метаморфизма и делятся в свою очередь на растворимые (галит, гипс, ангидрит, кальцит, доломит) и не растворимые (каолинит, монтмориллонит, иллит, тальк, графит, хлорит и др.) в воде. В некоторых грунтах присутствуют также органические соединения.
Свойства преобладающих в природе кристаллических минералов определяются в основном природой связи между атомами, ионами или молекулами в кристаллической решетке. Эти связи делятся на ковалентные (гомополярные), металлические, водородные, ионные и молекулярные (остаточные) [8].
Если связь между атомами осуществляется с помощью общих (обобществленных) электронов, двигающихся по совместной орбите соединяющихся атомов, то она называется ковалентной (гомополярной). Если электроны могут свободно покидать орбиты своих атомов и двигаться между группами атомов, то связь называется металлической.
В минералах, содержащих водород и электроотрицательные элементы (фтор, кислород, азот, хлор), связь может быть и ковалентной и образующейся за счет электростатического притяжения атомов водорода и атомов электроотрицательных элементов. Такая связь получила название водородной. В этом случае, когда атомы разных химических элементов обладают различной способностью захватывать электроны, образуются противоположно заряженные ионы (иногда комплексные или радикал-ионы) и формируется ионная или полярная связь. Молекулярная связь возникает вследствие поляризации взаимодействующих молекул.
Наиболее прочны ионные, ковалентные и металлические связи, менее прочны водородная и особенно молекулярная. В минералах часто имеют место не один, а несколько типов связи. При этом наиболее слабый, молекулярный тип связи присутствует, как правило, всегда.
В соответствии с типами связей все минералы в грунтах делятся на четыре группы (Е.М. Сергеев):
минералы с преимущественно ковалентным типом связи - почти все силикаты (кроме слоевых) и другие прочные и практически нерастворимые минералы;
минералы с преимущественно ионным типом связи - простые слои (галоиды, сульфаты, карбонаты и др.), растворимые в воде;
минералы с несколькими типами связи без четко выраженного преобладания одного из них - все глинистые минералы и слоевые силикаты;
органические соединения - гуминовые кислоты, протеин, клетчатка и другие сложные соединения.
Гранулометрический состав характеризует размеры обломков и частиц в обломочных и глинистых грунтах. Содержание обломков или частиц (в глинистых грунтах) в определенном диапазоне размеров (фракции) выражается в процентах от общей массы сухого образца.
Гранулометрический состав песчаных грунтов определяется ситовым методом, а мягких связных (глины, суглинки, супеси, лёссы) - аэрометрическим или пипеточным, основанным на различной скорости осаждения частиц грунта в воде.
Результаты механического (гранулометрического) анализа для большей наглядности изображают графически. Для этого по оси абсцисс откладывают логарифмы размеров фракций, а по оси ординат - их процентное содержание в породе. При этом по оси ординат последовательно откладывают количество частиц каждого размера, начиная с самого мелкого.
Величина ординаты для каждого размера частиц получается суммированием с данными для предыдущих размеров, так что каждая точка графика дает суммарное количество частиц данного размера и размеров, меньших, чем этот размер. Полученный график носит название графика однородности песчаных грунтов (рис. 1.1).
Рис. 1.1. График однородности песчаных грунтов
Если на кривой однородности наметить точки, соответствующие 10 и 60% - они укажут частицы, мельче которых в породе содержится 10 и 60%. Исследованиями было установлено, что на свойства породы главным образом влияют частицы, приходящиеся на указанный участок кривой.
Величина частиц, мельче которых в породе содержится 10%, называется действующим, или эффективным, диаметром d10. Величина частиц, мельче которых в породе содержится 60%, называется контролирующим диаметром d60. Отношение Кн = d60/d10 называется коэффициентом неоднородности породы. Коэффициент неоднородности не может быть меньше единицы и практически не бывает больше 200. Чем меньше его величина - тем однороднее порода.
Существуют и полевые методы определения гранулометрического состава грунтов. Результаты определения гранулометрического состава грунтов изображаются в форме таблиц и графически в виде интегральных (кумулятивных) кривых, циклограмм, гистограмм и на диаграмме-треугольнике (Ферре).
С помощью равностороннего треугольника, по углам которого отмечается 100%-ное содержание песчаных, пылеватых и глинистых фракций, можно изобразить гранулометрический состав, полученный в результате большого числа анализов, каждый из которых изображается точкой. Циклограмма представляет собой круг, площадь которого принимается за 100%.
Содержание каждой фракции имеет вид сектора, площадь которого пропорциональна ее процентному содержанию. В столбчатых диаграммах (гистограммах) содержание каждой фракции изображается в одном масштабе в виде прямоугольников (столбиков), имеющих общее основание. Природные грунты (рыхлые обломочные и глинистые) состоят обычно из обломков или частиц разных размеров. Для определения названия грунта используют соответствующие классификации.
Название крупно- и среднеобломочных (песчаных) грунтов определяется по СНиП 11-15-74 (табл. 1.1), а глинистых и смешанных - по классификации Охотина.
Таблица 1.1. Крупно- и среднеобломочные горные породы (СНиП 11-15-74)
Виды грунта |
Содержание частиц |
Крупнообломочные |
|
Валунный (при преобладании не окатанных частиц - глыбоватый) Галечниковый (при преобладании не окатанных частиц - щебнистый) Гравийный (при преобладании не окатанных частиц - дресвяный) |
Частиц крупнее 200 мм - более 50 %
Частиц крупнее 10 мм - более 50 %
Частиц крупнее 2 мм - более 50 %
|
Песчаные |
|
гравелистый
крупный
средней крупности
мелкий
пылеватый
|
Частиц крупнее 2 мм - более 25 % Частиц крупнее 0,5 мм - более 50 % Частиц крупнее 0,25 мм - более 50 % Частиц крупнее 0,1 мм - 75 % и более Частиц крупнее 0,1 мм - менее 75 % |
Примечание. Для определения названия грунта последовательно суммируется содержание (в процентах) частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм, далее крупнее 2 мм и т. д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю.