Глава 2. Классификации строительных свойств грунтов криолитозоны

В инженерной геологии все грунты по типу структурных связей подразделяются на скальные – жесткие структурные связи и не скальные – остальные типы структурных связей. Грунт, с температурой равной или ниже нуля градусов, содержащий в своем составе лед, формирующий в нем криогенные связи, называют мерзлыми, не содержащий лед – морозными, при наличии высокоминерализованных подземных вод с отрицательными температурами (криопегами) и отсутствием льда - переохлажденными грунтами. К мерзлым, морозным и переохлажденным грунтам криолитозоны относятся скальные (магматические, метаморфические, осадочные сцементированные породы) и дисперсные - крупообломочные, песчаные, глинистые и торфяные. Снег, наземные и подземные льды в инженерной геокриологии принято рассматривать как мономинеральную мерзлую горную породу [8,102 ].

2.1. Вещественный состав мерзлых грунтов криолитозоны

Вещественный состав мерзлых грунтов характеризуется химико-минеральным, дисперсным, компонентным и фазовым их составом. Скальные не трещиноватые грунты представляют однофазную систему, вещественный состав и особенности жестких структурных связей которых определяется преимущественно генезисом и условиями образования. В случае если массивы скальных грунтов характеризуются наличием открытой трещиноватости и пористости они могут содержать воду в твердом (лед), жидком (свободная, связанная при положительных температурах, незамерзшая – при отрицательных) и парообразном (независимо от температуры) состояниях. В этом случае, как и нескальные массивы грунтов, они становятся двух-, трех- и четырехфазными (характерно для мерзлых массивов) системами [89].

Массивы нескальных грунтов сложены преимущественно крупнообломочными, песчаными и глинистыми грунтами. При этом размеры обломков пород (глыб) и минеральных частиц (глинистые минералы) с учетом существующих классификаций по размеру гранулометрических элементов грунта, изменяются от несколько десятков сантиметров до нескольких микрон [21, 73]. Их соотношение, структура и минеральный состав, в значительной мере предопределяют строительные свойства грунтов в не мерзлом и мерзлом состоянии. Это объясняется тем, что с уменьшением размера частиц резко увеличивается их удельная поверхность и несвязные грунты (крупнообломочные с песчаной составляющей и песчаные) становятся связными (крупнообломочными с глинистой составляющей – супесями, суглинками и глинами).

Вода в грунтах в зависимости от температуры играет двоякую роль. В не мерзлых грунтах увеличение влажности приводит к ухудшению строительных свойств. В мерзлых грунтах (при той же влажности) аналогичные их свойства многократно улучшаются, за счет появления льдоцементных связей. Увеличивая прочность, мерзлые грунты приобретают несвойственную характеристику для талых грунтов – длительную ползучесть.

2.2. Классификация разновидностей грунтов криолитозоны

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков: класс - по общему характеру структурных связей; группа - по характеру структурных связей (с учетом их прочности); подгруппа - по происхождению и условиям образования; тип - по вещественному составу; вид - по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств); разновидности - по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов [20].

Наименования грунтов должны содержать сведения об их геологическом возрасте в соответствии с местными стратиграфическими схемами, принятыми в установленном порядке.К характеристикам грунтов по разновидностям, предусмотренным стандартом, допускается вводить дополнения и изменения в случаях появления новых количественных критериев выделения разновидностей грунтов и результате научно-технических разработок.

Скальные грунты подразделяются на разновидности:

- по прочности на одноосное сжатие R_c, МПа:R_c> 120 - очень прочные; R_c = 120 – 50 - прочные; R_c = 50 – 15 - средней прочности;R_c = 15 – 5 - малопрочные; R_c< 5 – полускальные;

- по плотности сухого грунта , г/cм³: > 2,50 – очень плотный; 2,5 > > 2,10 – плотный; 2,10 > > 1,20 – рыхлый; < 1,20

- по коэффициенту выветрелости К_wr, за который принимают отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта: К_wr = 1,0 - невыветрелые; К_wr = 1,0-0,9 - слабовыветрелые; К_wr= 0,9-0,8 – выветрелые; К_wr< 0,8 - сильновыветрелые;

- по размягчаемости в воде, К_sjf - коэффициент размягчаемости воде, вычисляемый как отношение прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии к его прочности в воздушно-сухом состоянии: К_sjf ≥ 0,75 - неразмягчаемый К_sjf< 0,75 - размягчаемый;

- по степени растворимости в воде К_sr, измеряется в граммах растворенного вещества в 1 л воды К_sr, г/л: К_sr< 0,01- нерастворимые; К_sr= 0,01-1,00 – труднорастворимые; К_sr= 1,0-10,0 - среднерастворимые; К_рас > 10,0 – легкорастворимые;

- по степени водопроницаемости (по величине коэффициента фильтрации), К_ф, м/cут: К_ф< 0,005 – неводопроницаемый; 0,30 ≥ К_ф ≥ 0,005 – слабоводопроницаемый; 3 ≥ К_ф> 0,30 – водопроницаемый; 30 ≥ К_ф> 3 - сильноводопроницаемый; К_ф> 30 - очень сильноводопроницаемый (Применяется также для класса дисперсных грунтов)

- по степени засоленности, D_sal, %: 2 ≥ D_sal- незасоленный; D_sal> 2 - засоленный.

Таблица 2.1.

Структура и текстура скальных грунтов

Подгруппа грунтов		структура	текстура
Магматич-еские	Интрузивные	Меско-. средне- и крупнокристаллическая		Массивная, порфировая, миндалекаменная
	Эффузивные	Стекловатая, неполно-кристаллическая
Метаморфические		Меско-. средне- и круп-нокристаллическая, стекловатая, неполно-кристаллическая	Гнейсовая, сланцеватая, слоисто-сланцевая, тонко-слоистая, полос-чатая, массивная и др.
Осадочные		Меско-. средне- и крупнокристаллическая	Массивная, слоистая

По температуре грунты подразделяются t, °C: t ≥ 0 - немерзлый (талый); t< 0 – морозный (при влажности менее 0,03 д.ед. при влажности более 0,03 д. ед. и наличии льда - мерзлый.дополнение автора)

Разновидности природных дисперсных грунтов. Разновидности по гранулометрическому крупно-обломочных и песчаных грунтов (по размеру зерен, частиц d, мм, по содержанию зерен, частиц, s, % по массе:

- крупнообломочные: d> 200 мм, s> 50% - валунный (при преобладании неокатанных частиц - глыбовый); d> 10 мм, s> 50% - галечниковый (при преобладании неокатанных частиц - щебенистый); d> 2 мм, s> 50% - гравийный (при преобладании неокатанных частиц - дресвяный);

- пески: d> 2 мм, s> 25% - гравелистые; d> 0,50мм, s> 50% - крупные; d> 0,25 мм, s> 50% - средней крупности; d> 0,10 мм, s ≥ 75% - мелкий; d< 0,10 мм, s 75% - пылеватый.

Примечание. При наличие в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40%, или глинистого заполнителя более 30% от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.

- по степени неоднородности гранулометрического состава С_u, крупнообломочные грунты и пески подразделяются на: С_u ≤ 3 - однородный грунт; С_u> 3 - неоднородный грунт;

- по числу пластичности I_pглинистые грунты подразделяются на: 1 >I_p≥ 7 - супесь; 7 >I_p≥ 17 - суглинок; I_p> 17 - глина

- по гранулометрическому составу (содержание песчаных частиц (s_{d = 2-0,5}, % ) и числу пластичности I_pглинистые грунты подразделяют на: 1 >I_p≥ 7, s_{d = 2-0,5} ≥ 50 - супесь песчанистую; 1 >I_p≥ 7, s_{d = 2-0,5}< 50 - супесь пылеватую; 7 >I_p≥ 12, s_{d = 2-0,5} ≥ 40 - суглинок легкий песчанистый; 7 >I_p≥ 12, s_{d = 2-0,5}< 40 - суглинок легкий пылеватый; 12 >I_p≥ 17, s_{d = 2-0,5} ≥ 40 - суглинок тяжелый песчанистый; 12 >I_p≥ 17, s_{d = 2-0,5}< 40 - суглинок тяжелый пылеватый; 17 >I_p≥ 27, s_{d = 2-0,5} ≥ 40 - глина легкая песчанистая; 17 >I_p≥ 27, s_{d = 2-0,5}< 40 - глина легкая пылеватая; I_p> 17 (по количеству песчаных частиц не регламентируется) - глина тяжелая;

- по наличию включений крупнее 2 мм и содержанию по массе в процентах s, %, глинистые грунты подразделяют: 15 >s ≥ 25 - супесь, суглинок, глина с галькой (щебнем); 25 >s ≥ 50 - супесь, суглинок, глина галечниковые (щебенистые), гравелистые (дресвяные);

- показателю текучести I_L глинистые грунты подразделяют на следующие разновидности: супесь твердая - I_L< 0; супесь пластичная - 1 ≥ I_L>0; супесь текучая - I_L> 1; суглинки и глины твердые - I_L< 0 ; полутвердые 0,25 ≥ I_L> 0; тугопластичные - 0,50 ≥ I_L> 0,25; мягкопластичные - 0,75 ≥ I_L> 0,50 ; текучепластичные - 1 ≥ I_L> 0,75 ; текучие - I_L> 1;

- по относительной деформации набухания без нагрузки е_sw, д.ед.глинистые грунты подразделяют на: ненабухающие - е_sw,< 0,04; слабонабухающие - 0,08 ≥ е_sw> 0,04; средненабухающие - 0,12 ≥ е_sw> 0,08; сильнонабухающие - 0,12 ≥ е_sw> 0,08; сильнонабухающие е_sw> 0,12;

- по относительно деформации просадочности е_sl, д.ед.глинистые грунты подразделяют на: непросадочные - е_sl< 0,01; просадочные - е_sl≥ 0,01;

- по коэффициенту водонасыщения S_r, д.ед. крупнообломочные грунты и пески подразделяют на: малой степени водонасыщения - 0,50 ≥ S_r> 0; средней степени водонасыщения - 0,80 ≥ е_sw> 0,50; насыщенные водой - 1 ≥ е_sw> 0,80;

- по коэффициенту пористости е, д.ед. подразделяются пески гравелистые, крупные и средней крупности: плотные - е< 0,55; средней плотности 0,70 ≥ е > 0,55; рыхлые - е > 0,70; пески мелкие: плотные - е< 0,60 ; средней плотности - 0,75 ≥ е > 0,60; рыхлые е > 0,75; пески пылеватые: плотные - е< 0,60; средней плотности - 0,80 ≥ е > 0,60; рыхлые е > 0,80;

- по степени плотности I_D, д.ед. пески подразделяются на: слабоуплотненные - 0,33 ≥ I_D> 0; среднеуплотненные - 0,66 ≥ I_D> 0,33; сильноуплотненные - 1 ≥ I_D> 0,66;

- по коэффициенту выветрелости К_wr, д.ед. крупнообломочные грунты подразделяют на: невыветрелые 0,50 ≥ К_wr> 0; слабовыветрелые - 0,75 ≥ К_wr> 0,50; сильновыветрелые - 1 ≥ К_wr> 0,75;

- по коэффициенту истираемости К_fr, д.ед. крупнообломочные грунты подразделяют на: очень прочные - К_fr< 0,10; прочные - 0,20 ≥ К_fr> 0,10; средней прочности- 0,30 ≥ К_fr> 0,20; малопрочные 0,40 ≥ К_fr> 0,30; пониженной прочности - К_fr> 0,70;

- по относительному содержанию органического вещества l_оm, д.ед. одразделяют на глинистые грунты: с примесью органического вещества - 0,10 ≥ l_оm> 0,05; слабозаторфованный - 0,25 ≥ l_оm> 0,10; среднезаторфованный - 0,40 ≥ l_оm> 0,25; сильнозаторфованный - 0,50 ≥ l_оm> 0,40; на пески: с примесью органического вещества - 0,50 ≥ l_оm> 0,40;

- по относительному содержанию органического вещества l_оm, д.ед. сапропели подразделяются на: минеральные - 0,30 ≥ l_оm> 0,10; среднеминеральные - 0,50 ≥ l_оm> 0,30; слабоминеральные - l_оm> 0,50;

- по степени разложения D_dp, % торфы подразделяются на: слаборазложившиеся - D_dp< 20; среднеразложившиеся - 0,45 ≥ D_dp> 0,23; сильноразложившиеся -D_dp> 0,30;

- по степени зольности D_as, д.ед. торфы подразделяются на: нормальнозольные D_as< 0,10; высокозольные D_dp ≥ 0,20;

- по температуре t дисперсные грунты подразделяются на: немерзлые (талые) - ≥ 0 и охлажденные < 0;

По степени засоленности D_sal (для морского типа засоления - NaCl, Na2SO4 более 90%) подразделяют песчаные грунты: слабозасоленные 0,05 < D_sal≤ 0,10; среднезасоленные 0,10 < D_sal≤ 0,20; сильнозасоленные D_sal> 0,20; глинистые грунты: слабозасоленные 0,20 < D_sal ≤ 0,50; среднезасоленные 0,50 < D_sal ≤ 1,00; сильнозасоленные D_sal> 1,00;

Таблица 2.2.

Разновидности дисперсных грунтов по степени засоленности D_sal, %

Разновид-ность грунтов	Степень засоленности грунтов Dsal, %
	Суглинок	Супесь	Песок	Крупнообломочный грунт
				Содерж. песчан. заполн. ≥ 40%	Содерж. суглин. заполн. ≥ 30%	Содерж. супесч. заполн. ≥ 30%
Незасо-ленный	Dsal< 0	Dsal< 5	Dsal< 3	Dsal< 3	Dsal< 10	Dsal< 5
Слабозасо-ленный	15≥ Dsal > 10	8 ≥ Dsal >5	7 ≥ Dsal >3	-	-	-
Среднезасо-ленный	20≥ Dsal > 15	12 ≥Dsal >8	10 ≥ Dsal >7	-	-	-
Сильнозасо-ленный	25≥ Dsal > 20	15≥Dsal 12	15≥ Dsal >10	-	-	-
Избыточно засоленный	Dsal >25	Dsal >15	Dsal >15	-	-	-

- дисперсные грунты на: слабольдьдистые - i_i< 0,20; льдистые - 0,40 ≥ i_i>0,20сильнольдистые 0,60 ≥ i_i>0,40 ; очень сильно-льдистые 0,90 ≥ i_i>0,60;

- по криогенной текстуре грунты подразделяются вс виды скальных грунтов: трещинная; пластовая; полостная; все виды полускальных грунтов: массивная; глинистые и все виды органо-минеральных грунтов: массивная; слоистая; сетчатая; атакситовая; все виды органических грунтов: порфировидная; слоистая; сетчатая; атакситовая; крпнообломочные грунты: массивная; корковая; базальная; пески: массивная; слоистая; сетчатая; базальная;

Разновидности грунтов приведенные выше, регламенти-рованные соответствующими нормативными документами не могут учесть все особенности состава, строения и свойств и в значительной мере они носят, во-первых, субъективных характер, во-вторых, рассчитаны на минимизацию экономических расходов.

Таблица 2.3.

Разновидности по относительной деформациипучения e_fh, д.ед.

Разновидности грунтов	efh, д.ед.	Характеристика грнтов
Практически непучинистые	efh< 0,01	Глинистые IL≤0. Пески (все разновидности) при Sr ≤ 0,6 а также пески мелкие и пылеватые sd=0,05<15% (независимо от значения Sr ) КОГ грунты с заполнителем ≤15%
Слабо пучинистые	0,035 ≥ efh > 0,01	Глинистые 0 <IL ≤ 0,25. Пески пески мелкие и пылеватые при 0,6 <Sr ≤ 0,8 КОГ с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым) 10 <s ≤ 30 % (по массе)
Средне-пучинистые	0,07 ≥ efh > 0,035	Глинистые 0,25 <IL ≤ 0,50. Пески пески мелкие и пылеватые 0,8 <Sr ≤ 0,95 КРГ с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым) s> 30 % (по массе)
Сильно-пучинистые и Чрезмерно-пучинистые	0,12 ≥ efh > 0,07 efh > 0,12	Глинистые IL > 0,50. Пески пески мелкие и пылеватые Sr > 0,95

Примечание.КОГ - крупнообломочные грунты

Таблица 2.4.

Разновидности грунтов по температурно-прочностным свойствам

Вид грунтов			Разновидность грунтов
			Твердомерзлый (≤ 0,1 кПа-1) при t <Th, оС		Пластичномер-злый (> 0,1 кПа-1) при t < 0 оС	Сыпуче-мерзлый при t < 0 оС
Все виды скальных и полускальных грунтов		Th= 0		-	-
Крупнообломочный грунт		Th= 0		Th<t <Tbf
Песок гравелистый, крупный и средней крупности		Th= –0,1		Sr< 0,8	при Sr ≤ 0,15
Песок мелкий и пылеватый		Th= –0,3		Th<t <Tbf приSr< 0,8	при Sr ≤ 0,15
Глинис-тый грунт	супесь	Th= –0,6
	суглинок	Th= –1,0		Th<t <Tbf
	глина	Th= –1,5
Заторфованный грунт		Th= –0,7(Ir+¸ Th)		Th<t <Tbf	-
торф		-		t < 0	-