617

В дорожном строительстве применяются алевролиты в раздробленном виде при отсыпке насыпей автодорог [5].

Аргиллит – полускальный грунт, образовался в процессе уплотненияицементацииглин,ихдегидратацииподвоздействием гравитационной нагрузки вышележащей толщи пород или в результате горообразовательных процессов.

Цвет грунта – темно-серый, черный (за счет углистого вещества), при выветривании – серый, темно-бурый. Свежая поверхность аргиллита шелковистая, песчаных и пылеватых зерен не видно (в отличие от алевролита).

Плотность 2,0–2,5 т/м3. Прочность зависит от состава цемента. Предел прочности изменяется от 2,0 МПа у аргиллитов с глинистым цементом до 30 МПа – с карбонатным цементом. Коэффициент крепости от 1 до 3. В воде не размокает, но под механическимвоздействиемнеустойчив,привыветриваниипревращается в глинистую труху. Применяется в раздробленном виде при отсыпке насыпей автодорог [6].

Химические скальные грунты образуются в процессе выпадениявосадокхимическихсолей изводныхрастворов,биохимические – в результате накопления обломков раковин и скелетов различных организмов, которые, в свою очередь, состоят из мельчайших кристалловминералов. Этигрунты характеризуются достаточно высокой прочностью в воздушно-сухом состоянии и растворимостью в воде. Наиболее распространенными являются карбонатные и кремнистые грунты.

К карбонатным грунтам относятся известняки, доломиты, мергели, мел.

Характерной их особенностью является вскипание под воздействием соляной кислоты, неустойчивость в зоне выветривания, растворениевводе.Карбонатныегрунтыявляютсяглавным сырьем для производства портландцемента.

Известняки состоят из углекислой извести (кальцита). В зависимости от происхождения различают известняки химического и биохимического генезиса.

Химические известняки состоят из мелких зерен кальцита, отложившегося в осадок чисто химическим путем в морских бассейнах. Биохимические известняки обычно состоят из обломков раковин, беспозвоночных организмов, сцементирован-

51

ных углекислой известью. Порода, в которой преобладают раковины, называетсяракушечником. Органогенныеизвестнякислагают современные рифы.

Залегают известняки в форме слоев, линз. Цвет породы белый, серый, бурый и даже черный (битуминозный известняк).

Структурныесвязикристаллизационные,водонестойкие.Под действием поверхностных и подземных вод, циркулирующих по трещинам, в известняках развиваются карстовыепустоты, полости, пещеры. Плотность известняков изменяется от 1,8 до 2,7 т/м3, пористость от 5 до 22 %. Предел прочности изменяется от 7 у слабых разновидностей до 100 МПа у крепких. Коэффициент крепости от 2 до 10. Используются при производстве цемента, извести и в качестве стенового камня. Прочные известняки используются в качестве щебня в автодорожном строительстве.

Мел и мелоподобные грунты являются разновидностью органогенных известняков. Состоит мел из мельчайших зерен кальцита, слагающих мелкие обломки скелетов микроскопических многоклеточных организмов. Цвет пород от белого до свет- ло-серого. Залегает мел в виде пластов и линз. Структурные связи слабые кристаллизационные, водонестойкие. Пористость изменяется от 30 до 54 %, плотность от 1,2 до 1,7 т/м3. Механическая прочность мела колеблется в широких пределах в зависимостиотпористостиивлажности. Длявоздушно-сухихобразцов предел прочности изменяется от 1 до40 МПа, при водонасыщенном состоянии уменьшается до 0, грунт размокает, обладает малой морозоустойчивостью. Коэффициент крепости изменяется от 1 до4. Мел и мелоподобныепороды относятся к полускальным грунтам.

Используется в производстве цемента и для побелки помещений.

Известковый туф – разновидность известняка, образуется путем выпадения в осадок углекислой извести из источников подземных вод. Порода пористая, ноздреватая, встречается по склонам речных долин в местах выхода подземных вод. Неустойчив к воде, характеризуется малой прочностью, предел прочности менее 5 МПа. Применяется при производстве цемента и как декоративный камень.

52

Мергель – состоит из смеси глины (30–60 %) и углекислой извести (менее50 %). Взависимости от соотношения углекислогокальцияиглиныразличаютглинистыйиизвестковыймергель.

По внешнему виду похож на глину, но бурно вскипает от соляной кислоты, и на местекапли остается грязное пятно, из-за присутствиявпородеглинистыхчастицпахнет«печкой».Окраска мергелей: светло-серая, пестрая, розовато-желтая, бурая, зеленоватая, в зависимости от примесей различных соединений железа. Мергель – порода сложного происхождения: морского, озерного, реже – речного, часто содержит остатки морской или пресноводнойфауныифлоры.Залегаетпластамиилипрослоями.

Структурные связи кристаллизационные, порода относится к полускальным грунтам. Плотность – 2,5 т/м3, предел прочности от 5 до 60 МПа, коэффициент крепости 1–6.

Глинистые мергелиразбухают отводы, как глины. Ввыемках мергели подвержены сильному выветриванию: растрескиваются, разрыхляются и распадаются в щебень. Мергель является сырьем для портландцемента. Особенно ценятся мергели Мархотского хребта под Новороссийском, которые после размола и обжига дают цемент высокого качества.

Кремнистые грунты сложены кремнеземом (опалом, халцедоном) химического и биогенного происхождения.

К ним относятся: диатомит, трепел, опока – легкие, тонкопористые породы, состоящие из опаловых скелетов диатомовых водорослей, мелких обломков опала и халцедона химического происхождения.

Цвет диатомита чаще белый, трепела – желтоватый, светлосерый. Породы залегают в форме пластов, линз. Характерной особенностью этих грунтов является, высокая пористость (до 80 %), плотность — 0,4–1 т/м3, предел прочности в сухом состоянии 5 МПа, в водонасыщенном снижается до 0,1–0,6 МПа, коэффициент крепости около 1. Породы обладают высокой водопоглотительной способностью (прилипают к языку), в сухом состоянии являются хорошими тепло- и звукоизоляционными материалами. Используются для изготовления высокопористого кирпича, получения высокосортного цемента.

Яшма – плотный твердый скальный грунт, состоящий из халцедона с примесью глинистого вещества и окислов железа.

53

Цветкрасно-бурый,зеленый, серыйразличныхоттенков. Наиболее известны алтайские (зеленые) и уральские (красно-бурые) яшмы.

Структурные связи прочные, кристаллизационные. Обладает высокой твердостью, Плотность – 2,7 т/м3, предел прочности 100–200МПа, коэффициенткрепости10–20.

Применяется в качестве облицовочного и поделочного материала.

К полускальным грунтам относятся сульфатные:гипс, ангидрит, игаллоидые:галит, сильвин(см. минералы). Залегаютонив форме слоев и жил в более прочных скальных грунтах. При взаимодействии с водой растворяются с образованием пустот.

Их плотность составляет 2,0–2,8 т/м3, предел прочности 2– 5 МПа. Их присутствие в толще грунтового массива значительно ослабляет его, что приводит к деформациям инженерного сооружения.

Контрольное задание № 3

Определение грунтов осадочного происхождения. Порядок ответа:

1)структура грунта – рыхлый, сцементированный; Размеры минеральных обломков, их форма;

2)название грунта;

3)класс грунта;

4)свойства грунта (плотность, просадочность, набухание, предел прочности);

5)применение грунта в транспортном строительстве.

6.СКАЛЬНЫЕ МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГРУНТЫ

Метаморфические скальные грунты образуются в процессе воздействия внутренних (эндогенных) факторов (температуры, давления, газов и гидротермальных растворов) на ранее существовавшие (магматические, осадочные) породы. В результате метаморфизма происходит перекристаллизация вещества исходной породы, обогащениеее новыми минералами и изменение текстуры.

Длябольшинства метаморфических грунтовсвойственна текстура сланцеватая (см. разд. 2.1). Структура кристаллическая. Структурныесвязи кристаллизационные.

54

К наиболее распространенным метаморфическим грунтам относятся: гнейс, кристаллические сланцы, мрамор, кварцит, тектониты, каменный уголь.

Гнейс — полнокристаллическая порода сланцеватой текстуры.

Минералогический состав: кварц, полевые шпаты, роговая обманка, мусковит, биотит (т.е. как у гранита). Цвет серый, розовый — до черного.

Различают разновидности гнейса: ортогнейс, образующийся

впроцессе перекристаллизации пород группы гранитов, и парагнейс, образованный в результате метаморфизма осадочных

пород (полиминеральныхпесков, песчаников). Форма залегания гнейсов такая же, как у исходных пород. Плотность — 2,7 т/м3. Предел прочности от 80 до200 МПа, коэффициент крепости от 8 до 18. Прочность гнейсов зависит от степени рассланцовки. Парагнейс подвержен выветриванию с образованием дресвы, песка; ортогнейсы характеризуются повышенной прочностью и широко применяются в качестве облицовочного материала (как и гранит) и щебня в дорожном строительстве.

Кристаллические сланцы представляют большую группу грунтов. Характерной особенностью их является отчетливая сланцеватаятекстураиинтенсивнаярассланцовка(плитчатость). Образуются в результате термального динамометаморфизма различных по составу пород.

Взависимости от преобладающего в породе минерала выделяются разновидности:

— слюдяные сланцы — состоят из мусковита, биотита, кварца, образуются в процессе динамометаморфизма кварцполевошпатовых пород, при этом полевые шпаты переходят в мелкочешуйчатый мусковит;

— хлоритовый сланец состоит из хлорита, могут присутствовать кварц, слюда, цвет зеленый;

— серпентиновый сланец — состоит из серпентина, асбеста, образуется в процессе метаморфизма оливиносодержащих магматических пород (дунита, пироксенита);

Кристаллическиесланцы — морозонестойкиепороды, интенсивноразрушаютсяприфизическомвыветривании,превращаясь

вщебень и дресву, быстро разрушаются при механическом

55

воздействии. Плотность составляет 2,3–3,0 т/м3, предел прочно- сти40–80МПа увоздушно-сухихобразцов, 20–30МПа уводонасыщенных. Коэффициенткрепости 2–8.

Кристаллические сланцы применяются при изготовлении ог-

неупоров (серпентиновый), в качестве балластного материа-

ла на автомобильных дорогах. Применение сланцев в качестве инертных заполнителей в бетонах не рекомендуется, так как они содержат вредные примеси.

— глинистый сланец образуется из глин и аргиллитов под действием высокой температуры и давления. Порода разбита на тонкие плитки (рассланцована). Цвет темно-серый, черный (за счет углистого вещества).

В воде не размокает. Под воздействием механического транспорта и при выветривании превращаетсяв дресвуиглину. Плотность 2,3–2,6 т/м3. Предел прочности на одноосноесжатие изменяется от 3 до 50 МПа. Коэффициент крепости от 2 до 5. В качестве балласта в дорожном строительстве не применяется.

Мрамор состоит из зерен кальцита с примесью доломита. Структуракристаллическаяразличнойкрупности—мелко-,сред- не- и реже крупнозернистая. Окраска белая, серая, желтоватая, красная, бурая и даже черная — в зависимости от присутствия красящего вещества (окислов железа, органики). Залегают в форме пластов, линз. Вскипает от действия соляной кислоты.

Мраморы образуются в результате перекристаллизации известняков под действием высокой температуры в условиях высокого давления (региональный, контактный метаморфизм). В отличие от других метаморфических пород мраморы растворяются в воде с образованием карстовых пустот. В условиях атмосферы подвержены физическому и химическому выветриванию.

Плотность—2,7т/м3,пределпрочности20–100МПа,коэффи- циенткрепости2–10. Повышенной прочностьюобладаютмелкозернистые доломитизированные мраморы. Твердость 3 (как у кальцита).

Мрамор широко применяется в качестве облицовочного камня как стеновой строительный камень, может использоваться как сырье для производства цемента.

Кварцит состоит из зерен кварца, в качестве примеси могут присутствовать слюды, окислы железа. Цвет изменяется от

56

белого через различные тона бурого до черного. Структура кристаллическая, текстура массивная, реже сланцеватая.

Кварциты образовались в результате регионального метаморфизма кварцевого песка или кремнистых песчаников. Залегают в форме пластов, линз. Плотность кварцитов — 2,8 т/м3, твердость — 7. Кварциты являются самым и прочными породами в составе земной коры. Предел прочности 160–400 МПа, коэффициенткрепости15–30.

Кварциты не растворяются в воде, устойчивы к механическомувоздействию, морозоустойчивы,слабовыветриваютсяитрудно поддаются обработке.

Применяются при возведении фундаментов ответственных сооружений, для облицовки полов станций метрополитена, в качестве щебня в бетонах.

Каменный уголь – полускальный грунт, представляет собой твердую, плотную массу черного цвета. Образовался в процессе температурного изменения растительных остатков. Залегает в виде слоев и линз в толще аргиллитов и глинистых сланцев. В воде не растворяется. Плотность 1,2–1,5 т/м3. Предел прочности 0,2–10 МПа, чаще – ниже 3 МПа.

В грунтовом массиве является ослабленной зоной. Присутствие угля в массиве является причиной разрушительных газодинамических процессов в подземных транспортных выработках.

Тектониты(милониты, брекчии трения)представляютсобой раздробленные перетертые породы, образованные в процессе динамометаморфизмаразличных исходныхпород. Залегаютони в зонах тектонических разломов. Тектониты состоят из обломков материнских пород — щебня, дресвы с песчаным и глинистым заполнителем с различной степенью цементации. В естественном залегании они имеют достаточно высокую плотность

— 2,6–3,0 т/м3, но прочность их значительно ниже исходных пород (гранитов, песчаников) благодаря сланцеватой текстуре, наличию хлоритов, мелкочешуйчатого мусковита, глинистого вещества. Предел прочности 1–3 МПа, коэффициент крепости 0,5–1. Тектониты следует рассматривать как ослабленные зоны скальных грунтовых массивов и их следует относить к классу природных дисперсных грунтов. При строительстве тоннелей

57

зону тектонитов рекомендуется закреплять химическими растворами перед фронтом забоя.

7.КЛАСС ПРИРОДНЫХ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Кклассу природных мерзлых грунтов относятся природные грунты (скальные, дисперсные), имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своем составе видимые ледяныевключения, лед–цемент. Эти грунты имеют криогенные структурные связи, т.е. сцементированы кристаллами льда.

Среди мерзлых грунтов выделяют:

— многолетнемерзлый (вечномерзлый) — находящийся в мерзлом состоянии в течение трех и более лет;

— сезонномерзлый — находится в мерзлом состоянии в течение холодного сезона;

— морозный — скальный грунт с отрицательной температурой, но не содержащий в своем составе льда;

— сыпуче мерзлый (сухая мерзлота) — крупнообломочные грунты и песок, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом;

— твердомерзлый — дисперсный грунт прочно сцементированный льдом, практически не сжимаемый под нагрузкой;

— пластичномерзлый — пылевато-глинистые грунты, имеющиеотрицательнуютемпературу,нообладающиевязкимипластичными свойствами;

— мерзлый распученный — дисперсный грунт, который при оттаивании уменьшает свой объем (промороженное основание).

Характерной особенностью большинства мерзлых грунтов является присутствие в них льда в виде отдельных кристаллов, линзочек, прослоев и даже мощных пластов и толщ. В этом случае мерзлый грунт представлен льдом (ледяной грунт) — природным образованием, состоящим из кристаллов льда с незначительной примесью обломочного материала (менее 10 %).

Различают льды: наледные, речные, озерные, морские, донные, жильные, пещерные и ледниковые, мощность последних достигает 4 км.

58

8.КЛАСС ТЕХНОГЕННЫХ ГРУНТОВ

Техногенные грунты – природные грунты, измененные или перемещенные в результате производственной, строительной и хозяйственной деятельности человека.

Техногенные скальные грунты создаются путем закрепления цементными растворами, жидким стеклом, расплавленным битумом и др., грунтов, залегающих в природных условиях.

Закреплению подлежат трещиноватые магматические, метаморфические и осадочные сцементированные породы, рыхлые обломочные и пылевато-глинистые грунты. Цементирующее вещество нагнетается под давлением через скважины в трещины и поры грунта, происходит залечивание трещин, цементация обломочных грунтов. В итоге образуется водонепроницаемый прочныйслой грунтовсцементационными структурными связями.

Искусственное закрепление осуществляется при строительстве транспортных и гидротехнических тоннелей, укреплении крутых склонов железнодорожных выемок и подготовке естественных оснований ответственных инженерных сооружений.

Научно-исследовательской лабораторией кафедры «Геология, основания и фундаменты» СГУПСа широко применяется искусственное закрепление слабых пылевато-глинистых грунтов инъекционными методами. В результате нагнетания жидкого стекла в грунты естественного основания были закреплены грунты вокзала Новосибирск-Главный, многих жилых домов и здания дворцов культуры в регионе. На кафедре разработан метод напорной инъекции при усилении земляного полотна железных дорог (патент РФ№ 2277616), который реализован на ряде объектов. Среди них следует отметить земляное полотно насыпей 25-метровой высоты на походе к мосту 15 км Дедюево– Буреничево и над водопропускной трубой 88 км Алтайская– Бийск Западно-Сибирской железной дороги [8]. Все работы на указанных объектах, в том числе проектные и строительномонтажные,выполнялисьсотрудникамикафедрывпериод2002– 2004гг.

Прочность техногенных скальных грунтов оценивается величиной предела прочности на одноосное сжатие и зависит от способа закрепления.

59

Насыпные уплотненные грунты формируются при возведе-

ниинасыпейжелезныхиавтомобильныхдорог,плотин идамбиз пород (супесей, песков, суглинков) прилегающих выемок или карьеров. Привозведенииземляныхсооруженийотсыпкугрунта осуществляют послойно, мощностью от 0,3 м для глин до 1,0 м для песков. Каждый слой грунта уплотняется (трамбованием, укаткой уплотняющей техникой). Для получения максимальной плотности грунта необходимо придать отсыпаемому грунту оп-

тимальную влажность.

Оптимальная влажность — искусственная влажность грунта, при которой в процессе уплотнения возможно получить максимальную плотность грунта.

Оптимальная влажность и максимальная плотность определяются опытным путем. В карьере отбирается проба грунта массой 25 кг. В лаборатории разделяется на 5 частей, каждая тщательно высушивается, перетирается и увлажняется разным количеством воды (100, 150, 200, 250, 300 г). Каждая часть грунта уплотняется в приборе стандартного уплотнения. Определяется масса уплотненного грунта (m), зная объем цилиндра уплотнителя (V) определяются плотности грунтов в каждом опыте поформуле: = m / V; 1, 2, 3, 4, 5 и соответствующие им влажности ( ). Рассчитываются плотности сухого грунтаd = / (1 + ); составляется табл. 8 и строится график зависимости плотности сухого грунта от влажности (рис. 5).

Таблица 8

Результаты опытного уплотнения грунта

По графику определяется максимальная плотность d = 2,0 г/см3 и оптимальная влажность опт = 0,15. Опыт проводится не менее пятиповторностей,определяютсясредниевеличины максимальной плотности и оптимальной влажности, и эти величины рекомендуются в качестве контрольных для уплотнения грунтов в насыпи. После уплотнения каждого слоя осуществляется контроль качества уплотнения его (геотехконтроль).

60