Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология
.pdfСоответственно мезоструктура определяется пространственным расположением этих элементов в породе и их ориентацией. Элементы мезоструктуры имеют размеры от нескольких миллиметров до 0,005 и 0,001
мм. Поэтому изучение мезоструктуры и мезотекстуры пылеватых и глинистых грунтов производится на специально изготовленных образцах, так называемых шлифах и аншлифах с помощью поляризационных оптических и даже электронных микроскопов при значительных увеличениях (в некоторых случаях до 1000 раз).
Мезотекстура тонкодисперсных пород может быть беспорядочной и ориентированной. Первая характеризуется отсутствием преобладающего направления пространственной ориентации частиц и агрегатов связанных пород.
Под поляризационным микроскопом порода с такой мезотекстурой выглядит неравномерно просветленной сплошной массой.
Ориентированная мезоструктура характеризуется определенной ориентацией мезоструктурных элементов относительно какой-либо оси в пространстве. Чаще всего это направление совпадает с направлением или перпендикулярно направлению прилагаемой нагрузки. При рассмотрении образца такой породы (шлифа) под поляризационным микроскопом можно наблюдать отдельные участки, соответствующие ориентированным микроблокам и микроагрегатам, которые можно наблюдать в поле зрения микроскопа в виде светлых или угасающих участков.
Микроструктура характеризуется размером, формой, характером поверхности и количественным соотношением первичных тонкодисперсных частиц, образующих в грунте микроагрегаты или (значительно реже)
существующих изолированно.
Среди тонкодисперсных пород выделяется несколько типов мик-
роструктур. Наиболее распространенными среди них являются плой-чатая,
листообразная, овальная, игольчатая и трубчатая. Особенности их пространственного расположения характеризуют микротекстуру грунта,
которая может быть беспорядочной и ориентированной.
Размер микроструктурных элементов менее 1—5 мк. Поэтому микроструктура может быть изучена только с помощью специальной, иной раз уникальной, аппаратуры, например, электронно-микроскопическими методами при увеличениях в 1000, 5000 и даже 10 000 раз. Характеристики микроструктуры и микротекстуры находятся в теснейшей зависимости с описанными выше структурными связями и определяют инженерно-
геологические свойства грунтов.
В тонкодисперсных грунтах (глинистых, пылеватых), песчаных,
крупнообломочных выделяется несколько типов текстур (микротекстур)
таких, как например, горизонтально-косослоистая, линзовидная, «с
признаками ряби» и т. д. Некоторые специалисты при оценке текстуры дисперсных осадочных пород важное внимание уделяют их пористости, ее видам, размерам пор, так пористость, как известно, определяет возможность доуплотнения пород под нагрузкой, их прочностные, деформационные и фильтрационные свойства.
Наличие пористости и ее морфология играют определенную роль совместно со степенью трещиноватое™ и в формировании указанных характеристик инженерно-геологических свойств, таких осадочных пород,
как известняки, мергели, диатомиты, опоки. Трещины и другие особенности состояния пород играют существенную роль в развитии процессов выветривания, растворимости, суффозии, карста и др.
Структура и текстура изверженных горных пород зависят, как уже неоднократно отмечалось выше, от их генезиса. Магма, поднимающаяся к поверхности Земли, быстро охлаждается, а вязкость ее увеличивается,
благодаря потере воды и газа. Это обстоятельство благоприятствует образованию вулканического стекла с пелитовой или сферолитовой структурой. Сферолитовые структуры особенно характерны для
«древнеобразованных» (палеотипных) излившихся пород и образуются при старении стекла. В поверхностных условиях лавовые потоки затвердевают
очень быстро, крупные кристаллы не развиваются, и для эффузивов наиболее типична афанитовая («глухая») структура, равно как для кристаллических,
так и для стекловатых пород. Горные породы с подобными структурами имеют высокую механическую прочность и одновременно характеризуются известной хрупкостью. В эффузивных, в частности вулканических, породах часто встречаются пузырчатые текстуры. Породы этого типа усеяны газовыми пузырьками миндалевидной, округлой или эллипсоидальной формы. Такая текстура определяет пористость до 60 % в армянских туфах,
снижая их плотность до 0,95 г/см3. Часто пустоты в вулканогенных породах выполнены вторичными минералами и сообщают им миндалекаменную текстуру. Породы миндалекаменной текстуры значительно прочнее пузырчатых, но благодаря своей неоднородности уступают по прочности эффузивным породам с так называемой массивной текстурой, например, в
липаритах, андезитах, базальтах. Кроме того, в эффузивных породах выделяют пемзовую текстуру, отличающуюся огромным количеством пор, в
которых минеральная составляющая образует тонкие перегородки между порами.
Сходное влияние на физические и механические свойства эффузивных пород оказывает и порфировая структура, при которой крупные вкрапления одного или нескольких минералов бывают погружены в тонкозернистую или стекловатую основную массу. Порфировая структура может образовываться и на глубине при формировании дайковых пород. Текстура в этих породах обычно относится к так называемой немассивной, иногда имеющей некоторую пористость, в определенных условиях несколько ориентированную, что сказывается в какой-то мере на прочности и устойчивости пород к выветриванию.
Структуры и текстуры глубинных пород существенно иные. Кри-
сталлизация магматического расплава на глубине происходит постепенно под влиянием медленного охлаждения и присутствия летучих веществ.
Также постепенно формируется мозаика минеральных зерен, образующих
структуры породы. Поэтому наиболее характерная особенность глубинных пород — это полнокристаллическая, относительно крупная и равномерно-
зернистая структура. Разновидностей ее очень много, например, одна из наиболее известных — пегматитовая с типичным «письменным» рисунком.
При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, так как в общем случае мелкозернистые породы являются более прочными и устойчивыми к выветриванию, чем крупнозернистые.
Вопрос оценки влияния текстурных особенностей глубинных маг-
матических пород на их инженерно-геологические характеристики мало изучен, поскольку для этих пород в основном характерна массивная текстура,
которая заведомо определяет высокие инженерно-геологические свойства пород.
Огромное значение для формирования пород в условиях динамо-
термального метаморфизма, особенно для возникновения сланцеватых текстур, имеет одностороннее давление. Под его влиянием в горной породе происходят скользящие дифференциальные движения, минералы приобретают закономерную ориентировку как по внешней форме, так и по внутреннему строению. Одностороннее давление в известной мере определяет анизотропию растворения и роста минералов, которая также способствует образованию ориентированных структур и текстур
Для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их типичной сланцеватостью. Прочность на сжатие,
сопротивление сдвигу, модуль упругости значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей. Сланцеватостью определяется и значительная выветриваемость этих пород, а также пониженная устойчивость на природных склонах и в бортах искусственных выработок, особенно вдоль сланцеватости. Многие метаморфические породы образуют в результате выветривания тонкоплитчатые и листоватые весьма подвижные осыпи.
Кроме ярко выраженной сланцеватости в метаморфических породах выделяют такие виды текстур, как слоистая, косая горизонтальная, очковая, а
в таких породах, как мраморы и роговики,— массивная, однородная, «сахаровидная». Указанные виды текстур имеют вполне четкое влияние и на инженерно-геологические свойства пород.
Породы катакластического метаморфизма имеют, как правило,
брекчевидную текстуру, с некоторой сланцеватостью, прослойками таких минералов, как хлориты, серициты, у которых отмечаются пониженные инженерно-геологические показатели.
Состояние грунтов
В последнее время специалистами в инженерной геологии уделяется большое внимание такой важной категории оценки грунтов, как их состояние. Понятие «состояние грунтов» мы уже рассматривали выше, здесь мы попытаемся несколько упорядочить изложенные ранее сведения. Следует отметить, что пока нет четко сформулированного определения этой категории. К числу характеристик, определяющих состояние грунтов,
относят степень трещиноватости, выветрелости, влажности,
водонасыщенности, плотности и др. Такие характеристики, как трещиноватость и выветрелость, определяют свойства пород в образце и в массиве; как известно, такая величина, как предел прочности на сжатие в образце, существенно превышает ее значения в массиве, иной раз до двух порядков. Степень выветрелости имеет несколько иное влияние на формирование свойств грунтов в образце и в массиве. Трещины выветривания обычно заполнены вторичным минеральным материалом, а
это,естественно, резко повышает неоднородность массива, тем самым уменьшая или, точнее, меняя прочностные, деформационные и фильтрационные свойства пород в массиве
Степень влажности чаще всего учитывают при оценке свойств дисперсных фунтов. Она определяет возникновение, «оживление» и развитие таких неблагоприятных явлений и процессов, как оползни, солифлюкция, в
отдельных случаях способствует селеобразованию и ряду других явлений.
Степень влажности сказывается на деформационно-прочностных
характеристиках массивов грунтов, на консолида-1И грунтов в основании сооружений при приложении к ним нагрузок Инженерных сооружений.
Очень близко к степени влажности стоит гепень водонасыщенности, более применимая в настоящее время к скальным трещиноватым грунтам. Эти две категории определяют способность грунтов деформироваться под нагрузкой,
консолидироваться; существенно влияют на прочностные характеристики массивов грунтов; в климатических зонах, подверженных резким колебаниям температур, в районах распространения мерзлых фунтов степень влажности и степень водонасыщенности их значительно влияют на морозостойкость пород в массиве.
Для дисперсных грунтов особое значение имеет степень их плотности,
например, встречаются недоуплотненные пылеватые и песчаные грунты,
такие, как эоловые мелкозернистые, распространенные в южной части Кара-
Кумов, эолово-морские (дюнные) пески балтийского побережья, лессовые грунты различного генезиса.
Недоугоготненное состояние этих грунтов является одной из причин просадочных явлений, отчасти разжижения песков, неоднородных деформаций в основании сооружений, нарушения устойчивости пород в откосах естественных и искусственных выемок.
Все перечисленные характеристики состояния грунтов в их «пре-
дельных» значениях резко ухудшают свойства массивов при приложении вибрационных, динамических, в частности, сейсмических нагрузок Сильнотрещиноватые, выветрелые, водонасыщенные или влажные недоуплотненные грунты в массиве значительно снижают возможность использования их в основании ответственных сооружений. При расчетах на сейсмическую устойчивость сооружений, проектируемых на грунтах,
которые находятся в указанных выше состояниях, согласно действующим нормативным документам, требуется увеличивать расчетные значения,
учитывающие сейсмические воздействия, в некоторых случаях на 1 балл выше установленной для всего района общей сейсмической интенсивности.
Основные понятия при оценке инженерно-геологических свойств грунтов
Физические свойства грунтов. Инженерно-геологические свойства горных пород являются весьма емким понятием, охватывающим их физические, водно-физические и механические свойства. Определение этих свойств, назначение их расчетных значений при проектировании оснований и фундаментов различных сооружений, прогноз их изменений во времени и являются основной конечной целью грунтоведения. При определении параметров свойств грунтов возникают конкретные задачи, решаемые различными способами и методами фунтоведческих исследований, для которых разработаны конкретные методики, приборы и оборудование.
Физические свойства горных пород естественно охватывают все их генетические классы от магматических и метаморфических до обломочных и тонкодисперсных осадочных. Однако в связи с тем, что в строительной практике чаще всего приходится иметь дело с рыхлыми дисперсными породами, а также в связи с тем, что эти породы обладают значительной изменчивостью свойств, рассмотрение характеристик свойств фунтов мы будем проводить в основном для этих грунтов.
Отметим вначале наиболее характерные физические свойства горных пород, согласно ГОСТ 25100—95. К числу наиболее важных характеристик относятся плотность и пористость породы.
Плотность грунта — это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влажности и характера сложения
(пористости)
р = m/V,
где р—плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; т—масса породы с естественной влажностью и сложением, г; V—объем, занимаемый породой,
см3.
Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта,
исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта: pS = (m—mB)/VT,
где p —плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3, mB — масса воды в порах грунта, г; VT —объем твердой части фунта, см3.
Плотность частиц грунта изменяется для всех горных пород в небольших пределах от 2,61 до 2,75 г/см3 и для каждой генетической разности породы определяется только ее минералогическим составом.
Удельный вес грунта — характеризует отношение веса фунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры и может быть рассчитан следующим образом:
γ = р g
где γ — удельный вес грунта, Н/м3; g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2.
Плотность скелета породы, или плотность сухого фунта, представляет собой отношение массы минеральных частиц породы (твердой части фунта)
при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к
занимаемому этой породой объему:
pd = (m—mB)/V,
где pd — плотность скелета породы (плотность сухого грунта), г/см3,
кг/см3, т/м3; m—mB = m1 —масса сухого грунта, г; V—объем, занимаемый породой, см3.
Плотность скелета породы — величина более постоянная по срав-
нению с плотностью породы и обычно вычисляется по данным определений плотности и влажности по формуле:
pd = p/1+0.01W
где р—плотность породы, г/см3; pd — плотность скелета породы, г/см3 ; W—влажность породы, %.
Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса сухого грунта к объему его твердой части и может быть рассчитан следующим
образом:
γ = γsg
где γs —удельный вес частиц фунта, Н/м3; кН/м3; МН/м3.
Удельный вес сухого грунта характеризует отношение веса сухого грунта ко всему занимаемому этим фунтом объему и может быть рассчитан следующим образом:
γd = pdg = γ/1 + W
где γd —удельный вес сухого грунта, Н/м3.
Физические значения плотности применяют для характеристики физических свойств горной породы фунта основания или строительного материала, а также в динамических расчетах оснований.
Физические значения удельного веса используют непосредственно в остальных расчетах оснований, в частности при определении природного давления, при расчете осадки.
Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных промежутков между минеральными частицами, составляющими породу.
Пористость обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы:
n =( Vn/n)100,
где Vn —объем пустот породы, см3; V—объем, занимаемый породой, см3.
Кроме того, пористость можно выразить через значение плотности
.грунта:
n =[( pS – pd)/ pS ]100, n =( l – pd /pS) ]100,
Приведенной пористостью или коэффициентом пористости называют отношение объема пустот (пор) к объему твердых минеральных частиц породы. Коэффициент пористости выражается в долях единицы по формулам:
е = Vn/Vs, е =n/1-n или е = (ps—pd)/pd
Водно-физические свойства грунтов. Влажностью породы W называют отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой породы (высушивание образца должно производиться в термошкафу при t=
105...107 °С в течение 8 ч и более).
Влажность породы, кроме того что является физическим свойством породы, служит важнейшей характеристикой ее физического состояния,
определяющей прочность, деформируемость и другие свойства при использовании в инженерных целях.
Под естественной (весовой) влажностью породы W, %, понимается количество воды, содержащееся в породе в естественных условиях:
W=(m—m1)/m1 100,
где m — масса породы вместе с содержащейся в ней водой, г; m1—
масса высушенной породы, г.
Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной,
гравитационной воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостъю породы и определяют по формулам:
Wn = n/pd или Wn = epw/ps.
Под гигроскопической влажностью Wr понимают влажность воздушно-
сухого грунта. Степенью влажности или относительной влажностью называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношение объема воды к объему пор грунта:
Sr = Wps (100—n)/n или Sг= Wps/epw,
где Sг —степень влажности породы, %; W—естественная влажность породы, %; ps — плотность частиц породы, г/см3; n—пористость, %; pw —
плотность воды, г/см3; е — коэффициент пористости.
По степени водонасыщенности все рыхлые породы подразделяют на четыре основные группы (по величине Sг): сухие —0—0,2; слабовлажные—
0,2—0,4; влажные—0,4—0,8; насыщенные водой — 0,8—1,0.