Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология
.pdfследует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, живых или мертвых». Значительный вклад в изучение почв внес великий русский ученый В.Р. Вильяме.
Гений современной науки В.И. Вернадский выполнил значительные работы в области геохимии почв как составной части биосферы и неживой природы одновременно. Им была по существу высказана мысль о том, что почвы—это переходная грань между живой и неживой природой, настолько в них все переплетено различными взаимодействиями органических и неорганических соединений, соприкосновением живого и неживого.
Своеобразие состава и энергетического состояния почвы позволяет рассматривать ее как особое природное образование, инженерно-гео-
логические особенности которого отличны от особенностей подстилающих почву горных пород. В первую очередь, это своеобразие выражается в том,
что неорганическое минеральное вещество настолько тесно связано с органическим, что удаление того или иного ведет „ к разрушению почвы как природного образования, как самостоятельного тела. Поэтому изучение почв в любых целях должно (и возможно) только в указанном единстве органического и неорганического. Эту главную особенность почв необходимо учитывать, когда почвы приходится использовать в качестве фунтов при строительстве аэродромов, железных дорог и других инженерных сооружений.
Мощность по отношению ко всей зоне выветривания, которую почва обычно покрывает, невелика —не более 1,5—2,0 ми очень редко 5—7 м.
При характеристике почв как грунтов, в первую очередь, следует учитывать некоторые общие их особенности, которые свойственны всем без исключения типам почв:
• своеобразие состава, выражающееся в высокой дисперсности как минеральной, так и органической составляющей и их глубоком взаи-
мопроникновении и взаимовлиянии;
• четко выраженные генетические горизонты в вертикальном разрезе
(профиле);
• ярко выраженная макроструктура.
Рассмотрим главные составные части почв. Минеральная состав-
ляющая в песчаной и пылеватой фракциях представлена главным образом кварцем, полевыми шпатами, слюдами и иногда другими минералами, в
глинистой фракции практически всегда монтмориллонитом, бейделитом,
нонтронитом, каолинитом, галлуазитом, встречены вторичные образования диоксида кремния и оксидов железа. Важное значение имеют простые соли в твердом состоянии, содержание которых колеблется от долей процента до десятков процентов. Часть этих солей растворима в воде и может мигрировать по веществу почвы. Кроме простых солей в почвах выделены и сложные соединения в виде комплексных соединений. Они также могут быть растворимы в воде и мигрировать по веществу почв. Наряду с этим простые соли и другие неорганические соединения, имеющиеся в веществе почвы,
также способны к перемещению по нему. Наличие простых солей, особенно в значительных количествах, оказывает влияние на такую инженерно-
геологическую особенность почв, как агрессивность почв по отношению к строительным материалам. Воздействие на стройматериалы и конструкции других неорганических соединений пока описано лишь в качественном выражении.
Органическая часть почв — гумус содержится в почвах от долей процента до 20—22 % по массе. Он является сложным, относительно устойчивым комплексом органических соединений, в составе которого большую роль играют специфические высокомолекулярные органические кислоты, образующиеся при разложении растительных и животных осадков в условиях недостатка кислорода в ходе сложнейших биохимических реакций.
Как правило, это гуминовые и другие близкие к ним кислоты. Все эти соединения, а также часть минеральной составляющей находятся в коллоидном состоянии. Собственно гумус есть то самое проявление единства
и живого и неживого, органического и неорганического.
Коллоидная природа почвенного гумуса определяет его высокую обменную способность, большую гидрофильность и клеющую способность,
что существенно сказывается на инженерно-геологических особенностях почв, в целом же его наличие ухудшает инженерно-геологические свойства почв и в то же время существенно увеличивает их плодородие и ценность.
Важное значение имеют состав и особенно концентрация почвенного раствора, а также состав поровых вод в нижележащих материнских породах,
которые определяют состав обменных катионов в почвах.
Прочность почв очень сильно зависит от характера их микроструктуры.
Испытания образцов почв показали, что Rсж в среднем лежит в диапазоне 2— 6 МПа. Макроструктура в значительной мере определяет степень водопроницаемости почв, их капиллярные «способности».
Краткая инженерно-геологическая характеристика различных типов
почв:
• тундровые почвы обладают крайне неудовлевторительными ин-
женерно-геологическими свойствами: не могут быть использованы в качестве естественных оснований сооружений, так как обладают ничтожной несущей способностью, при промерзании в них развивается интенсивное пучение, обладают чрезвычайно низкой водоотдачей, проявляют четко выраженные тиксотропные свойства и при динамических воздействиях переходят в плывунное состояние, имеют огромную «экологическую уязвимость», практически невосстановимы в пределах времени существования человеческого общества;
• подзолистые и дерново-подзолистые почвы в инженерно-геологи-
ческом отношении могут обладать благоприятными свойствами, но в зависимости от степени их дисперсности. «Наилучшими» в этом смысле являются почвы супесчаного и песчаного состава. В силу малого количества гумуса в этих почвах они «экологически уязвимы» с точки зрения сохранения их плодородия;
• болотные почвы являются крайне неудовлетворительными грун -
тами, «экологически уязвимы»;
•сероземные почвы характеризуются очень высоким содержанием пылеватых частиц, сильно размокают, труднопроходимы для транспорта, в
бортах выемок при увлажнении оплывают, склонны к засолению при неправильном орошении, «экологически уязвимы»;
•красноземы обогащены гидратами оксида железа и алюминия и содержат небольшое количество гумуса. В инженерно-геологическом отношении в России большого значения не имеют в силу малого распространения, «экологически уязвимы»;
•черноземовидные почвы по инженерно-геологическим свойствам очень близки к черноземам, «экологически уязвимы»;
•засоленные почвы по инженерно-геологическим свойствам доста-
точно различны. Многие из них являются агрессивными фунтами по отношению к строительным материалам, в сухом состоянии обладают значительной плотностью и прочностью, но при увлажнении размокают, их коллоиды переходят в раствор, что ведет к образованию из них глубокой,
очень липкой непроходимой грязи (размокший солонец подсыхает медленно), некоторые их разности практически никогда не просыхают в безморозный период; использование засоленных почв как материала для насыпей невозможно, так как они значительно снижают их прочностные и деформационные характеристики.
Искусственные грунты. В настоящее время под искусственными грунтами понимают горные породы и почвы, которые сознательно изменены человеком при решении различных инженерных задач или подверглись изменениям при производственной или другой хозяйственной деятельности людей, в том числе в виде отходов производства и потребления, т. е.
нецеленаправленно.
В первом случае человек прогнозирует и создает те или иные свойства грунтов в соответствии с решаемыми задачами. Для этого разрабатываются
специальные технологии и методы, оборудование и механизмы для получения фунтов с заданными характеристиками. К числу таких обработанных технологий относится гидромеханизация земляных работ.
Во втором случае человека «не интересует» то, что происходит или может произойти с фунтами или другими материалами, превращающимися в фунты, а все изменения в них совершаются им попутно при решении других,
часто весьма далеких от инженерно-геологических проблем задач.
Инженерно-геологические свойства искусственных грунтов опре-
деляются составом материнской породы или характером поступающего в фунтовую среду материала, а также способом, длительностью, ин-
тенсивностью воздействия человека на материнскую породу или фун-товую среду с поступившим в нее материалом.
По своему петрофафическому составу искусственные фунты пред-
ставляют собой удивительное разнообразие, что вызвано множеством факторов их образования.
По процессам своего образования искусственные фунты могут быть подразделены на следующие виды:
•любые (все) виды фунтов — источником их накопления является горно-техническая, инженерная, сельскохозяйственная и другая деятельность человека;
•виды фунтов, образование исключительно при горно-техниче-ской,
инженерной и бытовой деятельности (кроме фунтов культурного слоя), в
данном случае накопление грунтов происходит на специально отведенных сравнительно небольших по площади участках;
•отвалы и свалки фунтов, отходов производства, строительного мусора
ибытовых отбросов—накопление происходит, как правило, на выделенных локализованных участках, строение и характер изменчивости массивов не подчиняется никаким закономерностям;
•шлаки, золы, шламы энергетической, металлургической и химической промышленности — по составу и свойствам отдельные виды фунтов не
имеют аналогов среди природных образований и могут содержать компоненты, состав и концентрация которых опасны для окружающей среды и человека; обычно концентрируются на специально отведенных участках и предусматривают технологию складирования и утилизации;
•все виды грунтов, кроме скальных, закрепленных в естественном залегании тем или иным способом или материалом, разработанным в технической мелиорации — грунты в данном случае часто находятся в нестабильном состоянии, в связи с чем их свойства могут изменяться во времени за счет физико-химических и гравитационных процессов независимо от внешних воздействий и изменений окружающей среды;
•виды грунтов планомерно, целенаправленно образованные методами гидромеханизации или другими способами земляных работ (отсыпка,
планировка участка, увлажнение, трамбование и т. д.) при создании земляных сооружений (дамб, плотин, оснований), искусственных территорий, планировке земной поверхности, складировании отходов горно-
технической деятельности и производств; грунты, улучшенные в заданных пределах свойств в естественном залегании трамбованием, укаткой,
осушением, взрывами, электроосмосом и другими способами технической мелиорации. Образование грунтов является управляемым, контролируемым на всех стадиях процессом. Грунты в конечном итоге должны соответствовать заранее разработанным пределам изменения состава,
структуры, состояния и физико-механических свойств, а также прогнозу их изменения во времени.
В связи с тем, что при проектировании и создании оснований промышленно-гражданских да и большинства других сооружений часто приходится иметь дело с искусственными грунтами, приведем некоторые характеристики их видов.
Культурный слой имеет чрезвычайно своеобразный состав, форми-
рующийся в процессе его образования. Минералого-петрофафический состав основной минеральной массы обусловлен чаще всего геологическими
условиями местности, а состав включений определяется характером хозяйственно-культурной деятельности человека. В отличие от фунтов природного происхождения культурный слой всегда имеет неоднородность состава, которая незакономерна и отмечается как по вертикали, так и горизонтали. Культурный слой, как основание сооружений при офомных масштабах фадостроительства, в результате урбанизации очень широко вовлекается в строительную практику. В связи со значительной неоднородностью и изменчивостью состава, строения, состояния и свойств его изучение требует чрезвычайной тщательности и проблема строительства на нем весьма далека от завершающего решения. Культурный слой имеет большое историко-археологическое, а значит и культурное значение. Многие проблемы, возникающие при изысканиях на свалках, отвалах строительного сора, бытовых и производственных отходов, не изучены, однако уста-
новлено, что изменчивость и неоднородность их по составу, строению,
состоянию и свойствам как в отдельных образцах, так и в массивах не подчиняются обычным для инженерно-геологической практики зако-
номерностям и требуют разработки специальных методов, способов и приборов.
К насыпным строительным грунтам следует отнести в первую очередь фунты насыпей, автомобильных и железных дорог, плотин и дамб,
кавальеров, а также широко распространяющихся в последнее время искусственных территорий и оснований. К насыпным промышленным грунтам относят выработанные, перемещенные и складированные горные породы, прошедшее переработку сырье горно-рудной и горно-
обогатительной промышленности.
При строительстве автомобильных и железных дорог большие насыпи возводятся как из материала, получаемого из так называемых полезных выемок («деловых»), так и за счет материалов, доставляемых к месту строительства из специально закладываемых разрабатываемых карьеров или созданных резервов и кавальеров. Структура грунта в насыпях, водный и
воздушный режимы будут заведомо отличаться от природного воздушного и водного режимов почв и горных пород данного района (района строительства сооружения). Даже простое перемещение грунта создаст в нем необратимые изменения, поэтому можно поддержать специалистов, считающих искусственными почвог-рунты, перемещенные при сельскохозяйственных работах и даже военных действиях. Сказанное во многом относится и к грунтам плотин и дамб, а также искусственных территорий и оснований. В
этих грунтах могут произойти еще более глубокие изменения, особенно при фильтрации через них воды.
Добыча каменного угля, различных руд и других полезных ископаемых связана с выемкой больших объемов горных пород, выносом их на поверхность земли (кстати, это иногда происходит и в строительном деле при проходке больших котлованов, строительстве полуподземных и подземных сооружений, тоннелей различного назначения, метрополитенов, шахт и т. п.)
и последующей их различной переработкой. В результате создается совершенно особый вид насыпных фунтов — выработанная порода. К этой же фуппе фунтов примыкают некоторые минеральные отходы промышленного производства и транспорта, в частности, шлаки, которые,
попадая на поверхность земной коры, становятся как бы составной ее частью.
Все это в полной мере можно отнести и к отходам энергетики — золам и отходам химической промышленности — шламам, рассолам и др.
Инженерно-геологические свойства насыпных фунтов весьма раз-
нообразны. Например, шлаки, у которых возникают жесткие связи при их остывании, широко используются в промышленности строительных материалов и могут найти применение как надежные основания для инженерных сооружений.
Сложнее обстоит дело с золами, где структурные особенности, а
главное, особенности минерального состава и степени дисперсности, а также морфологии частиц во многом затрудняют процессы консолидации толщ грунтов и решение вопроса о возможности использования их в качестве
оснований сооружений (кроме редких случаев) остается проблематичным и требует еще дополнительного изучения.
Любые отходы химического производства (сухие, влажные, жидкие),
которые в процессе своего существования в местах хранения могут превратиться в грунты и использоваться в качестве оснований сооружений,
должны пройти тщательную экологическую экспертизу в связи с возможным своим активным воздействием как на человека, так и геологическую среду и другие компоненты природной среды, в частности, биосферу.
Намывные грунты — это, как правило, грунты в возводимых целе-
направленно сооружениях методами гидромеханизации — создание намывных территорий, площадок, оснований, аэродромов, плотин и дамб,
иногда гидроотвалов, золошлакоотвалов, шламохранилищ. Возведение сооружений методом гидромеханизации заведомо предусматривает создание сооружений из грунтов с заданным составом, строением, состоянием и свойствами. Зачастую возведение сооружений с помощью гидромеханизации существенно улучшает свойства грунтов и решает многие проблемы с подготовкой оснований под сооружения в части, например, таких их важнейших свойств как прочность и сжимаемость. Большинство искусственных оснований возводится из песчаных грунтов, которые, как известно, являются вполне благоприятными для строительной практики грунтами. Тем не менее, несмотря на значительный опыт плотиностроения из намывных грунтов, в вопросах формирования их свойств еще очень много нерешенных задач.
Несколько слов об «ухудшенных» грунтах. Образование фунтов с ухудшенными против природных фунтов свойствами происходит чаще всего вследствие производства строительных работ. К грунтам этой группы можно отнести: искусственно разрыхленные, искусственно переувлажненные и искусственно «выветрелые». Естественно, что грунты с такими свойствами для использования в строительной практике приходится улучшать хотя бы до их естественного состояния.
К «улучшенным» грунтам относят грунты, состав и свойства которых изменены различными методами в связи с определенными потребностями,
возникающими при производстве строительных работ.
Метаморфические горные породы. Происхождение метаморфиче-
ских пород. На земной поверхности одним из важнейших процессов является процесс выветривания (разрушение горных пород). Глубже располагается зона цементации. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются.
Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие километры располагается зона метаморфизма.
Магматические и осадочные горные породы в процессе своего существования и в результате процессов внутренней динамики Земли могут попасть в такие участки земной коры, где температуры, давление и химизм среды резко отличны от условий образования этих пород. На оказавшиеся в этой зоне горные породы кроме повышенного давления и температуры сильно воздействуют активные химические соединения, циркулирующие в земной коре. В новых условиях многие минералы вступают в реакции,
образуя минеральные парагенезисы. При метаморфозе интенсивно изменяются первичный состав, строение и сложение пород. В целом под метаморфизмом горных пород понимают существенные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения. Достаточно редко, в
особых условиях, процессы метаморфизма сопровождаются переплавлением исходной породы с вмещающими породами или без них, и в результате образуются ультраметаморфические породы.
Изменение минералов и горных пород вызывается воздействием основных факторов метаморфизма: температуры и давления с одно-
временным воздействием флюидов. Флюидами называют жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирующие в глубинах Земли насыщенные газами растворы. В их составе, как предполагается,