Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

известно, что среди достаточно молодых (например, меловых) песчаников Подмосковья встречаются прослои и линзы песчаников на кремнистом цементе, прочность которых превышает 200 МПа.

Большое разнообразие песчаников и их свойств требует тщательной инженерно-геологической оценки. Крепкие песчаники являются вы-

сокопрочными породами, устойчивыми к выветриванию, мшгосжима-емыми,

слабоводопроницаемыми (фильтрующими воду исключительно по трещинам). Слабопрочные разности песчаников легко выветриваются, часто разрушаются до песков. Эти породы характеризуются водопроницаемостью по порам (кроме трещин) и являются неводостойкими образованиями.

Пылеватые и глинистые сцементированные и сильноуплотненные породы. Типичными представителями этих пород являются аргиллиты и алевролиты. Они образуются при «окаменении» песчано-пылеватых и глинистых пород вследствие их уплотнения, повышения температуры и кристаллизации коллоидов. Аргиллиты типичны для платформенных областей, где они залегают среди недислоцированных и неметаморфизованнъгх пород. Алевролиты встречаются как в платформенных, так и ь складчатых областях. Алевролиты из складчатых областей часто несут на себе следы метаморфизма.

Алевролиты и аргиллиты редко образуют однородные тела значи-

тельных размеров. Чаще всего они залегают прослоями в толще песчаных или песчано-карбонатных пород. В зависимости от гранулометрического состава они могут быть песчаными, пылеватыми или глинистыми (в данном случае это характеристика состава главных примесей). Характеристика состава является определяющей в оценке формирования физико-

механических свойств описываемых пород, но, тем не менее, главнейшими факторами, сказывающимися на прочностных параметрах аргиллитов и алевролитов, являются тип и состав цемента. В зависимости от цемента алевролиты и аргиллиты образуют обширный ряд последовательных переходов от слабопрочных разностей, близких по своим свойствам к

глинам, до окварцованных пород, среднее значение прочности которых превышает 100 МПа. В большинстве случаев алевролиты и аргиллиты в инженерно-геологической практике оцениваются как породы с худшими показателями, нежели песчаник. Объясняется это тем, что породы обладают выраженной слоистостью, особенно в тонкозернистых разностях, и

вследствие этого значительной анизотропией свойств. По базальтовым поверхностям алевролиты и аргиллиты легко выветриваются, часто образуют подвижные осыпи на склонах. Вместе с этим массивные разности алевролитов по своей прочности иногда приближаются к крепким песчаникам, а иногда и превосходят их.

Большое различие в показателях физико-механических свойств определяется широким диапазоном в изменении состава пород, их структуре,

текстуре, характере цементационных связей, степени вывет-релости.

Описываемые породы практически всегда неморозостойкие, не выдерживают механического перемятия и размягчения, а также резких температурных колебаний и возникающих в связи с этим напряжений. Породы выветриваются исключительно быстро, чему способствует слоистая текстура,

которая иногда еще усугубляется наличием слюдистых включений. Многие образцы, поднятые из скважин на поверхность, рассыпаются в труху,

размокают в воде в течение первых суток, а при резких сменах температуры окружающего воздуха и еще быстрее — «на глазах» — в течение нескольких часов. Установлено также, что глинистые алевролиты по сравнению с песчаными обладают меньшей плотностью и соответственно большей пористостью. Наличие алевролитов и аргиллитов как слабых прослоев в массивах (слоистых толщах) терригенных пород существенно осложняет общую инженерно-геологическую обстановку, затрудняет проведение инженерных изысканий, требует длительного изучения слоистой толщи, в

общем, отрицательно сказывается на инженерно-геологической их оценке в качестве оснований промышленно-гражданских и других сооружений.

Хемогенные породы образуются в результате выпадения из водных

растворов химических осадков. Такой процесс происходит в водах морей,

континентальных усыхающих бассейнов, соленых источниках и т. д. К таким породам относятся различные известняки, известковый туф, доломит,

ангидрит, гипс, каменная соль и др. Общей Для этих пород особенностью является их растворимость в воде, трещиноватость.

Наиболее распространенными породами являются известняки, которые по своему происхождению могут быть также обломочными, органогенными.

Органогенные ( б и о -хемогенные) породы образуются в результате накопления и преобразования остатков животного мира и растений,

отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде,

обладают большой сжимаемостью. К органогенным породам относятся известняк-ракушечник, диатомит.

Кремнистые породы химического и биохимического происхождения встречены и описаны среди самых разновозрастных отложений. В составе мезозойских и частично палеозойских кремнистых пород преобладает такой минерал как халцедон, а кайнозойские породы сложены в основном опалом.

Приведенная общая минералогическая характеристика является отличительной чертой кремнистых пород данного генезиса.

Морские кремнистые породы довольно широко распространены в земной коре. В инженерно-геологической практике наиболее хорошо изучены опоки, особенно мелового и палеоген-неогенового периодов.

Они встречаются в Среднем и Нижнем Поволжье, на восточном склоне Урала, в западной части Западно-Сибирской низменности и ряде других районов.

Опоки сложены тонкозернистым опалом, содержание которого достигает 85—90 %. Обычно в опоках полностью отсутствуют частицы,

превышающие размером 0,1 мм, а частиц, которые меньше этой величины,

содержится более 70—80 %. Рядом промежуточных типов опоки связаны с глинистыми и песчаными породами.

Типичные опоки имеют желто-серый и светло-серый цвет, для плотных окремнелых разностей характерна более темная (темно-серая) окраска.

Практически во всех разностях опок обнаруживается раковистый излом.

Общими инженерно-геологическими особенностями опок являются: 1)

высокая пористость; 2) большая влагоемкость; 3) сравнительно высокая прочность в сухом и значительное ее падение при водонасы-щении; 4) слабая морозоустойчивость.

Характерной чертой опок является их чрезвычайно слабая морозо-

устойчивость. Уже после 2—4 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы разрушаются. Это может быть объяснено лишь большой влагоемкостью опок (до 50—70 %). Кроме того нужно отметить, что хотя поры в опоках открытые и сообщаются друг с другом, водопроницаемость опок ничтожна (возникающий в опоках естественного сложения коэффициент фильтрации, равный 5 м/сут, связан исключительно с трещиноватостью пород массива).

Диатомиты и трепелы — также кремнистые породы. Инженерно-

геологически опоки изучены слабо, так как практически не используются в

качестве оснований сооружений, хотя широко применяются в промышленности строительных материалов и других отраслях производства.

Карбонатные осадочные породы распространены довольно широко.

Они встречаются практически в составе всех стратиграфических систем,

например среди нижнепалеозойских отложений Сибирской платформы, в

среднем и верхнем палеозое Русской платформы, в мезозое Крыма, Кавказа и Средней Азии. Инженерно-геологическому изучению карбонатных пород уделяется большое внимание не только потому, что они часто используются в качестве оснований и среды для многих сооружений, но и в связи с их способностью к карстованию. Детальное изучение закарстованных массивов проводится при промышленно-гражданском, дорожном, гидротехническом и энергетическом строительстве (включая подземные сооружения), а также при разработке месторождений полезных ископаемых.

Среди карбонатных пород наиболее широко распространены изве-

стняки и доломиты, значительно реже встречается мел, хотя местами он образует значительные залежи. Помимо чистых разностей указанных пород описано большое число «смешанных» типов: различных мергелей,

известковых песчаников и т. д.

Известняки, как правило, образуются в морских условиях и в зависимости от примесей (глинистых, битуминозных и др.), структуры и текстуры обладают значительно разнящимися свойствами.

Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые пере-

кристаллизованные окварцованные известняки. Сопротивление их сжатию в воздушно-сухом состоянии колеблется в пределах 100— 240 МПа. В

некоторых случаях после испытаний на морозостойкость прочность их значительно снижается и не превышает 70 МПа, что, главным образом,

объясняется их микротрещиноватостью, существенно нарушающей внутреннюю структуру породы.

В различных стратиграфических системах отмечено широкое рас-

пространение битуминозных известняков. Обычно это микро- и мел-

козернистые образования, хотя описаны и среднезернистые разности.

Прочность битуминозных известняков в воздушно-сухом состоянии составляет 75—90 МПа, при водонасыщении эта величина практически не снижается. Аналогичная картина постоянства прочности отмечается и при испытании на морозостойкость.

Кристаллические известняки разнообразны по структуре: от мелкозернистых до крупнозернистых и даже брекчевидных. Наиболее прочными, при оценке известняков по структуре, являются мелкозернистые разности (их временное сопротивление сжатию достигает 100 МПа).

Прочность крупнозернистых известняков колеблется в большом диапазоне значений (75—25 МПа) и зависит как от структуры породы, так и от ее микротрещиноватости, которая имеет литогенети-ческое и тектоническое происхождение. Немалую отрицательную роль здесь играют микротрещины выветривания.

У брекчевидных кристаллических известняков среднее значение предела прочности на сжатие редко превышает 25—30 МПа. Еще менее прочны известняки-ракушечники: их сопротивление сжатию редко превышает 2—3 МПа, а во многих случаях оно менее 1 МПа.

Наличие кремнистого материала сказывается положительно на прочностных и других характеристиках известняков, в то время как примесь глинистого материала (за исключением водопроницаемости) может играть отрицательную роль.

Прочность массивов, сложенных карбонатными породами, в основном определяется их трещиноватостью различного происхождения. Кроме тектонической трещиноватости, трещин первичной отдельности, по долинам рек массивы часто нарушены трещинами отседания. В отсевших блоках породы разбиты на отдельные глыбы густой сетью трещин.

Характер и интенсивность выветривания известняков во многом зависят от их структурных и текстурных особенностей. Наиболее стойкими к выветриванию являются массивные мелкозернистые ок-ремневшие или

окварцованные известняки, особенно же легко выветриваются плитчатые и рассланцованные разности. Аналогичная зависимость прослеживается и в процессе карстования известняков.

Доломиты наряду с известняками являются широко распространен-

ными породами карбонатного комплекса. Обычно это мелкоили среднекристаллические породы, гораздо реже встречаются крупнозернистые и брекчевидные разности. Довольно часто доломиты содержат повышенное количество кальцита, а в отдельных случаях отмечена примесь глинистого материала. Доломиты обычно имеют высокие показатели физико-

механических свойств.

Основным фактором, определяющим физико-механические свойства доломитов, является их микротрещиноватость, но немаловажную роль в формировании свойств играет и состав доломитов. Так, извест-ковистые доломиты имеют прочность на сжатие 80 МПа, а глинистые около 60 МПа,

тогда как чистые разности пород без примесей всегда показывают прочность намного больше, чем 100 МПа.

Прочность доломитов естественным образом тесно связана с генезисом и со структурой породы.

Наиболее прочными являются перекристаллизованные и брекчевидные разности (Rсж ≤ 110 МПа), затем пелитоморфные хемогенные и обломочные

(Rсж ≤ 17—30 МПа), органогенные и мелоподобные разности (Rсж = 3—12

МПа).

При фильтрации через доломиты сульфатных вод образуется вто-

ричный кальцит, выщелачивание которого зачастую приводит к образованию доломитовой муки. Доломитовая мука залегает в виде линз или относительно выдержанных прослоев среди пермских и каменноугольных отложений и подробно изучена в Поволжье (район Самарской Луки). Доломитовая мука состоит в основном из доломита (87—99 %) и кальцита (13—1 %), размеры частиц которых в своей основной массе составляют 0,01—0,25 мм. В

некоторых разностях содержание частиц размером 0,05—0,01 мм достигает

88 %. Часто присутствуют крупные частицы размером 5—7 мм. Естественная пористость породы очень высокая —до 33—54 %. Доломитовая мука не пластична. Отдельные ее «участки» слабосцементированы вторичным кальцитом. Главные физико-механические свойства доломитовой муки во многом сходны со свойствами тонкозернистых песчаных грунтов.

Водопроницаемость же доломитовой муки очень мала. Это, по-видимому,

является одной из главных причин оплывания ее в фильтрующих откосах и бортах карьеров, а также возникающей в ее толще механической суффозии,

особенно когда слабо уплотненная доломитовая мука выполняет открытые сообщающиеся трещины.

Одной из очень интересных карбонатных пород является мергель. Это известково-глинистая порода, у которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом. Распределение глинистого и карбонатного вещества в мергеле чаще всего равномерное. Мергель и мергелистые породы встречаются в отложениях всех стратиграфических систем. Обычно под мергелем понимают такую породу, у которой содержание СаСО3 колеблется в пределах 25—30 %. При большем содержании СаСО3 порода получает название мергелистый известняк, а при меньшем — глинистый мергель. Эти типы пород связывают мергель, с одной стороны, с известняками, а с другой

—с глинами. Мергели характеризуются различными свойствами, которые должны учитываться в конкретной обстановке (на участке исследований для проектирования и строительства основания сооружения).

Мергель способен набухать благодаря содержащемуся в нем гли-

нистому веществу, при этом все мелкие трещины, по которым возможна циркуляция воды, закрываются и тем самым прекращается фильтрация воды сквозь мергелистые толщи. Набухание мергелей, равно как и другие их инженерно-геологические свойства зависят главным образом от соотношения в породе карбонатной и глинистой составляющих.

Физико-механические свойства мергелей в связи с содержанием карбонатов и степени их дисперсности определяются в очень широком

Диапазоне изменения. На природных склонах и откосах искусственных выемок мергели быстро выветриваются, разрушаются, формируя весьма подвижные плитчатые осыпи.

Немаловажной особенностью мергелей, обусловленной уникальностью их состава (карбонаты + глина), является (практически без дополнительного обогащения) возможность использования их в качестве природного сырья для производства цемента. Так, мергели карбонатного флиша Цемесской бухты Черного моря служат сырьем для знаменитых новороссийских цементных заводов.

Своеобразной породой карбонатного состава является белый писчий мел. Кроме мела описано значительное число мелоподобных пород. Мел и мелоподобные породы встречаются в России редко, преимущественно в бассейне Дона и в Нижнем Поволжье и приурочены к отложениям верхнемелового возраста.

Мел является органо-хемогенной породой, сформировавшейся в особых условиях, когда одновременно с наличием известковистых остатков организмов шло выделение из воды неорганического кальцита.

Однородность мела весьма высока, а содержание кальцита всегда больше 90

%(92—97 %).

Всухом состоянии мел представляет собой плотную породу, в

водонасыщенном обладает довольно мягкой консистенцией и растирается руками до отдельных мельчайших частиц. Общий состав частиц: размером

0,05—0,005 мм —80 %; менее 0,005 мм —нет (трехсуточное отстаивание суспензии мела давало полное оседание и при этом жидкость в стеклянном цилиндре над осадком была совершенно прозрачной); 0,001—0,005 мм —не более 3 %; крупнее 0,05 мм —15 %, причем преобладают частицы, имеющие размер 0,05—0,1 мм; более 1 мм — нет.

Мел имеет значительную пористость и трещиноватость. При отсут-

ствии трещин водопроницаемость меловых толщ очень мала, при наличии трещин пористость колеблется от 30—32 % до 52—54 % — наименьшей

пористостью обладают образцы с повышенным содержанием терригенного материала.

Прочность мела изменяется в значительных пределах в зависимости от его состава, пористости и влажности. Благодаря слабой цементации и большой влагоемкости мел имеет очень низкую морозоустойчивость. При инженерно-геологической оценке массивов, сложенных писчим мелом,

необходимо детально изучать текстуру породы, ее консистенцию, а также возможность механической суффозии по трещинам.

Писчий мел и мелоподобные породы обладают значительной во-

доудерживающей способностью, а также не выдерживают перемятая,

особенно во влажном состоянии, что затрудняет проходимость транспорта во вскрытых в мелах строительных котлованах и карьерах по добыче писчего мела — важное полезного ископаемого, используемого в промышленности строительных материалов.

Сульфатные и галоидные породы образуют самостоятельные крупные тела преимущественно в районах передовых прогибов. В других же образованиях они присутствуют в виде линз, прослоев, цемента в доломитовых толщах или в лагунно-континенталь-ных терригенных отложениях.

Гипс, как типичный представитель сульфатных отложений, часто встречается вместе с ангидритом. Ангидрит (CaSO4) в соприкосновении с водой легко гидратируется и переходит в гипс (CaSO4 2H2O). Этот переход сопровождается значительным увеличением объема, которым, в свою очередь, часто связаны деформации гипсовых толщ и соответственно они сказываются и на расположенных на этих отложениях основаниях сооружений. Деформации проявляются не только на самой породе, но и на соседних породах и проявляются в кровле слоистой толщи. Это обстоятельство следует учитывать при назначении программы инженерно-

геологических изысканий. Чаще всего в инженерно-строительной практике приходится оценивать и изучать не отдельные пласты сульфатов, а их