Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

карбонатов. В более низких зонах идут окислительно-восстановительные процессы с интенсивным новообразованием минералов, цементацией и вторичными изменениями пород. Еще ниже рассольные и соленые воды взаимодействуют с вмещающими их породами в течение длительного времени (вплоть до геологических периодов и даже эр). Вследствие этого устанавливается химическое равновесие между горными породами и подземными водами.

От химического состава подземных вод и поровых растворов зависит окислительно-восстановительный потенциал (сН) и реакция среды (рН), т. е.

активность обменных реакций между породами и водой. Они являются важными факторами перемещения вещества на большие расстояния в горизонтальном направлении и миграции его по вертикали, в результате чего происходит выщелачивание одних пород и обогащение минералами других,

цементация горных пород и ряд других процессов.

Физико-химические особенности среды оказывают влияние на формирование минералогического состава пород, а тем самым и свойств.

Например, изменение рН наиболее резко сказывается на растворимости гидроксидов железа; карбонаты и сульфаты к рН не чувствительны.

Возрастающее при увеличении давления и снижающееся при увелечении температуры содержание диоксида углерода определяют по концетрацие карбонатов в водной среде.

Интенсивность проявления процессов, формирующих свойства горных пород, при прочих равных условиях зависит от длительности их протекания.

Даже самые незначительные изменения, происходящие в породе с очень малой скоростью, за геологически длительные отрезки времени существенно изменяют первоначальный облик природы.

ГЛАВА 8

ОСНОВНЫЕ КАТЕГОРИИ СОСТАВА СТРОЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА

Состав грунтов

Химический и минералогический состав грунтов. Химический состав грунтов является одной из важнейших характеристик, определяющих |к

свойства и состояние. При обычных исследованиях в составе инженерно-

геологических изысканий для строительства обычно ограничиваются оценкой общего химического состава по результатам химического анализа по соляно-кислой и водной вытяжкам, иногда определяют валовый химический состав.

Но гораздо более важной характеристикой грунтов является их минералогический или минеральный состав, определяющий в конечном счете как саму породу, так и ее состояние и инженерно-геологические свойства. Наиболее распространенными в горных породах являются приимерно 100 минералов. Содержание некоторых из них в породе составляет несколько десятков процентов. Эти минералы называют главными породообразующими. Другие обычно содержатся в породе в весьма незначительных количествах (доли %) и их называют второстепенными или акцессорными минералами. Наконец, встречаются так называемые случайные минералы или примеси, не являющиеся характерными для данной породы числу наиболее распространенных минералов магматических горных пород (гранитов, диоритов, сиенитов, диабазов, порфиров, габбро, дунитов и т. д.) относятся полевые шпаты, доля которых может достигать 60 % от общего минералогического состава породы; содержание кварца и пироксенов не превышает, как правило, 10—12 %, слюд — 5 %; оливина—3 %.

Остальные минералы встречаются значительно реже.

Осадочные горные породы (песчаники, аргиллиты, алевролиты, Глины,

лессы, пески, известняки, мергели и др.) обычно содержат в небольшом количестве кварц, полевые шпаты, слюды.

Состав и строение органического вещества являются сложными. При разложении исходных растительных остатков, состоящих из углеводов,

белков, дубильных веществ, смол и жиров, в почвах и породах могут возникать различные продукты распада, вплоть до образования углекислоты в воде. Одновременно, в результате синтетических процессов идет гумификация растительных остатков — образуется гумус — вещество,

которое не содержится в исходных органических остатках и в продуктах их разложения.

Данные о физических и механических свойствах гумуса и других органических образований крайне ограничены из-за сложности выделения органического вещества из горных пород и почв.

Можно предполагать, что плотность органического вещества не превышает 1,25—1,80 г/см2. При взаимодействии с различными рас-

творителями гумус растворяется.

Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов. Количест-

венные соотношения и размер слагающих грунты элементов имеет огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов.

Большинство горных пород состоят из отдельных кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. Имеется, правда,

небольшое число горных пород с аморфным строением (например, бурый железняк). Все эти элементы горных пород или связаны друг с другом прочными кристаллизационными связями (магматические, метаморфические,

часть осадочных пород), или же связи в породах отсутствуют (обломочные осадочные, вулканогенные рыхлые породы). Размеры элементов, слагающих горные породы, варьируются в значительных пределах — от тысячных долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Естественно такой диапазон размеров не может не сказаться на формировании свойств грунтов. Например, зернистость магматических горных пород во многом определяет их прочность и устойчивость к выветриванию (мелкокристаллические граниты более прочны и менее

выветриваются, чем среднезернистые и тем более крупнокристаллические того же минералогического состава). Это установлено и для метаморфических и многих осадочных пород.

По данным Е.М. Сергеева, мелкозернистые граниты из г. Благове-

щенска имеют предел прочности на сжатие 70—-80 МПа, а крупно- и

среднезернистые их разности лишь 34—36 МПа, причем после 25 циклов

«замораживания — оттаивания» прочность соответственно снижается до

53—55 МПа у мелкозернистых и до 23—27 МПа у крупно-и

среднезернистых гранитов.

Это является основанием для утверждения о целесообразности подразделения горных пород по крупности слагающих элементов и необходимости изучения их размеров. Что, кстати, позволяет для магматических и метаморфических пород оценивать не только структурные особенности, но и в определенной мере судить об их генезисе. Однако в магматических и метаморфических породах оценка соотношения размеров слагающих элементов возможна лишь качественно в специально подготовленных образцах — шлифах.

Количественные соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах являются одними из основных клас-

сификационных показателей.

Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или, чаще всего, нескольких фракций. Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами.

Под гранулометрическим составом понимается количественное со-

отношение различных фракций в дисперсных породах, т. е. грануло-

метрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Его определение ведется специальными методами: ситовым, отмучиванием и др. Содержание фракции при этом выражается в процентах по отношению к массе высушенного

образца.

Гранулометрический состав изображается в виде графика, который кроме того позволяет составить мнение об однородности изучаемой горной породы по крупности частиц. При гранулометрическом анализе в составе пород учитывается содержание в них первичных частиц, т. е. содержание отдельных обломков кристаллов и горных пород.

Но в тонкодисперсных породах, наряду с первичными частицами имеются так называемые вторичные, образующиеся при соединении

(«слипании») нескольких первичных частиц и формирующие микроагрегаты частиц.

Количество и размер первичных частиц в грунте определяют его первичную или предельную дисперсность. Вторичная или природная дис-

церсность, характеризуемая микроагрегатным составом, учитывает при рнализе как первичные, так и вторичные частицы. t Для инженерно-

геологической характеристики горных пород необходимо знать как гранулометрический, так и микроагрегатный солгав. В связи с тем, что гранулометрический состав характеризует Предельную дисперсность, он является весьма удобным классификационным показателем.

Микроагрегатный состав, отражающий степень ЦГрегированности породы в данных условиях, используется для характеристики структурных связей в породе.

Микроагрегатный состав породы не является постоянным во вре-ени,

так как в породе непрерывно происходит образование и разру-ение вторичных частиц, в связи с чем в отдельных фракциях меняется содержание частиц. Гранулометрический состав породы наданном отрезке времени является величиной постоянной и изменяется только под влиянием длительных процессов, протекающих в породе, к числу таких процессов относится, например, выветривание.

Определение того или иного петрографического вида или типа породы,

т. е. классификация породы, и является конечным этапом изучения

гранулометрического состава дисперсного грунта.

Различными специалистами разработаны гранулометрические

классификации, которые можно подразделить на:

•общие, стремящиеся охватить большую часть петрографических типов дисперсных грунтов;

•частные, разработанные для какого-либо одного типа пород.

Применение той или иной классификации определяется целями исследований, а также вопросами инженерно-геологических изыска-

ний, проектирования и строительства сооружений.

Взаимосвязь минералогического состава грунта с размерами слага-

ющих его элементов. В осадочных породах на первичную дисперсность активно влияет минералогический состав этих пород, хотя размер слагающих элементов в связи с их минералогическим составом может быть оценен и в других генетических классах пород, в метаморфических, в частности. Так, в

крупном песке кварц преобладает над полевыми шпатами, в песке средней крупности полевые шпаты преобладают над кварцем, а в мелкозернистом снова кварц занимает главенствующее положение.

Указанный факт вполне объясним, если при рассмотрении механизма переноса песчаного материала водным потоком учитьгеать такую важную характеристику минералов, как твердость.

Прочность кварца на истирание, исходя из твердости, выше, чем у полевых шпатов, поэтому дробление и обработка кварцевых частиц при переносе протекают менее энергично и они накапливаются в крупном песке в большом количестве, а частицы полевых шпатов — в среднезернистом. На частицы мелкого песка активное воздействие оказывают агенты химического выветривания, а в водном потоке также процессы выщелачивания и растворения. Под их воздействием полевые шпаты в мелком песке интенсивнее разрушаются, чем кварц, который и становится преобладающим в мелком песке минералом.

Аналогичная зависимость между минералогическим составом и

дисперсностью пород прослеживается у глинистых и лессовых пород Чем выше в породе содержание глинистых минералов, тем выше ее дисперсность.

Таким образом, породы определенного минералогического состава имеют вполне определенные структурно-текстурные особенности.

Газы в грунтах. Грунты, как известно, обладают пористостью; наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В

зависимости от того, насколько заполнены поры одним из этих компонентов,

грунты будут представлять собой двухили трехкомпонентную систему.

Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.

Объем пор определяет предельные значения количества воды и газов в грунтах: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них газов, и

наоборот. Преобладающий компонент (вода или газ) в очень в большой мере определяет свойства грунтов.

Интенсивность газообмена между грунтом и атмосферой зависит от их состава и строения и вызывается диффузным перемешиванием газов,

колебаниями температуры и давления, атмосферного воздуха, атмосферными осадками и ветром.

Между атмосферным воздухом и газовой составляющей грунтов различия наиболее велики в количественном содержании диоксида углерода,

кислорода и азота. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (около 0,03 %), то содержание ее в почвах и горных породах возрастает до десятых долей и даже целых процентов, а в почвенном воздухе может достигать почти 10 %. Кислород и азот в толще фунтов содержатся в разных количествах.

Газы в порах грунтов могут находиться в различном состоянии:

свободном, адсорбированном и защемленном; кроме того, в воде, запол-

няющей поры, газы могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней.

Адсорбированные и защемленные газы оказывают определенное

влияние на свойства фунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности фунтовых частиц, удерживаемое молекулярными силами,

зависит от минералогического сосгава фунтов, наличия в них гумуса других органических веществ и соединений, от степени дисперсно-ги,

неоднородности, морфологических парамефов частиц фунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы сдержатся в абсолютно сухих фунтах, по мере увлажнения их содер-кание уменьшается и при влажности 5—10 % становится равным нулю. При увлажнении,

связанном с капиллярным поднятием воды в рунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одно-эеменном избыточном увлажнении фунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внуфи фунта. Это гак называемые «защемленные газы» или «защемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры, ащемленные газы занимают значительные участки в толще фунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах фунта, что является обычным для пылеватых и глинистых фунтов.

Максимальное количество защемленных газов, в отличие от адсор-

бированных, формируется в фунтах при какой-то оптимальной для того фунта влажности. Например, в глинистых фунтах защемлен-.ie газы могут занимать до 20—25 % объема пор фунтов. Адсорбированные и защемленные газы с большим фудом удаля-гя из фунтов внешним давлением. По данным Е.М. Сергеева, четвертичная покровная глина и юрская морская глина при естественной влажности сохраняли в себе газы даже после уплотнения их нагрузкой 200 МПа.

Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обус-

ловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов.

Вода в грунтах. Классификация видов воды в грунтах. В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется

следующим образом: парообразная; связанная — прочносвя-занная

(гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная—капиллярная,

гравитационная. В твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода. Наряду с другими компонентами в состав грунтовой атмосферы входит водяной пар. Обычно количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта.

Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того, что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности (что отличает его от всех других видов воды в грунтах), а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды

Парообразная вода в грунте находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды, например, с гигроскопической и с водяным паром в атмосфере. Парообразная вода способна при определенных условиях конденсироваться.

Возможность образования из парообразной воды других видое связана со способностью и интенсивностью адсорбции парообразной воды минеральными частицами.

Интенсивность адсорбции определяется различными факторами, в

частности, она зависит от относительной упругости водяного пара. С ростом упругости количество адсорбируемой влаги возрастает. Около 50 %

конденсационной воды адсорбируются поверхностью грунтовых частиц, а

оставшаяся часть конденсируется в микропорах грунта, где она переходит в связанную воду.

Особенностью адсорбции водяного пара на поверхности грунтовых частиц является то, что помимо отдельных молекул формируются комплексы молекул водяного пара, а это сказывается как на количест ве адсорбированной влаги, так и на интенсивности ее взаимообмена с грунтовой атмосферой и с атмосферой вообще.

Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияе! на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздейсг вует на их естественную влажность.

Связанная вода. Еще в начале нашего века специалистами, изучав шими поведение почв и грунтов, установлено, что минеральные час тицы в них окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к минеральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан.

Современные исследования подтвердили изложенные предположения,

и было установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 % от всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связанной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства.

По своим характеристикам связанная вода существенно отличается от свободной воды (в частности от той, которую мы знаем в обыденной жизни).

Средняя плотность ее лежит в диапазоне 1,20—1,40г/см3. Здесь небезынтересно отметить, что существующими способами, например,

механическими, удается лишь уплотнить воду на доли процента, и обычно во всех расчетах в диапазоне нагрузок, возникающих в строительной практике,

вода принимается как практически несжимаемая. Связанная вода перемещается в фунтах в сторону падения электрического потенциала,

увеличения дисперсности фунта, большего содержания глинистых минералов, в сторону падения температур фунта. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к —4 °С.

Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гифоскопично-сти, т.

е. той влажности фунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми