Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

включения и линзы, встречающиеся среди доломитов, морских глин и других пород. При этом большое значение имеет правильная оценка процессов выщелачивания, которые не только существуют, но и могут возникнуть в породах в процессе эксплуатации инженерного сооружения.

Попутно заметим, что растворимость гипса колеблется в пределах 2—7

г/л, что само по себе уже требует значительного внимания к возможным процессам химической суффозии и карста и вызывает необходимость тщательных гидрогеологических исследований гипсовых толщ.

Некоторые разности ангидритов, особенно мелкокристаллические,

характеризуются высокими показателями прочности. Природа прочности сульфатных пород слабо изучена и требует тщательного специального исследования для каждого конкретного случая использования их в строительной практике. Гипсы и ангидриты являются ценными полезными ископаемыми.

Среди галоидных солей, встречающихся в природе в виде горных пород, наибольшее распространение имеет каменная соль, практически нацело выполненная галитом (NaCl). Достаточно известны также сильвин

(КС1), сильвинит (KCl'NaCl) и карналлит (KCl MgCl 6H2O).

Выпадение галоидов из перенасыщенных растворов происходит в обстановке либо замкнутых континентальных озер и реликтовых морей-озер,

либо в обстановке морских краевых лагун, имеющих затрудненную связь с открытым морем.

Соляные месторождения достигают громадной мощности и часто отличаются друг от друга своеобразными признаками. Примером может служить Соликамское месторождение каменных солей, в котором при прохождении снизу вверх по разрезу отмечается следующая смена солей:

каменная соль, сильвинит, карналлит. Возможность использования галоидных пород в инженерно-строительных целях весьма ограничена, так как они сильно растворимы в воде. Величина их растворимости превышает

100 г/л. Это обстоятельство играет еще более отрицательную роль в тех

случаях, когда галоидные породы встречаются в виде прослоев, линз или рассеяны в других породах. Наличие растворимой составляющей в этих породах существенно снижает их инженерно-геологические характеристики.

Галоидные породы, в первую очередь, имеют колоссальное значение как очень ценные полезные ископаемые для различных отраслей химического производства.

Биогенные (фитогенные) породы. К числу этих пород относится торф.

Торф—своеобразная, геологически относительно молодая, не прошедшая стадии диагенеза, фитогенная горная порода, образующаяся в результате отмирания и разложения болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода. По внешнему виду торф обычно представляет собой очень сильно увлажненную волокнистую (при малой степени разложения) или пластичную (при высокой степени разложения) массу. Эта масса в зависимости от содержания гумуса бывает или светло-коричневой, или почти черной. Сухое вещество торфа состоит из неразло-жившихся растительных остатков — растительного волокна,

продуктов их разложения — гумуса и минеральных веществ — золы.

Содержание минеральной составляющей — золы — не превышает, как правило, 40 %.

Отличительной чертой торфов является их чрезвычайно высокая влажность в естественном залегании. В массиве она может достигать 500— 1000 и даже 2000 % и более (по отношению к массе сухого вещества).

Плотность торфов — величина более чем малая, в основном 0,07— 0,2

г/см3, очень редко отмечены значения 0,5 г/см3. Соответственно пористость чрезвычайно высока. В условиях естественного залегания влажность торфов

всоответствии с их огромной влагоемкостью в основном всегда выше влажности верхнего предела пластичности, т. е. торф практически находится

вскрыто-текучей консистенции. В естественных условиях торф обладает весьма низкой способностью к набуханию, при высыхании же его наблюдается значительная усадка. Торф — порода водопроницаемая, на

величину водопроницаемости оказывает влияние и достаточно сильное, в

первую очередь, степень разложения органических остатков, а также такая его особенность, как анизотропия в текстуре, которая обусловлена слоистостью, образовавшейся в процессе формирования торфяных залежей.

Отличительной чертой торфов является их исключительно сильная сжимаемость под нагрузкой, величина которой в десятки и сотни раз выше,

чем у обычных (минеральных) фунтов. При этом в торфах, как и в других грунтах, наблюдаются как остаточные, так и упругие деформации, причем остаточные имеют значительные величины. При снятии нагрузки происходит некоторое увеличение пористости уплотненного торфа, что обусловлено упругими свойствами структуры торфа и небольшим всасыванием воды. При нарушении первоначальной структуры торфа уплотняемость его увеличивается на 10—30 %.

Результаты исследований прочностных характеристик торфов, про-

веденные Е.М. Сергеевым, свидетельствуют о значительных величинах сцепления и угла внутреннего трения при сравнительно высоких значениях влажности (200—1000 %). При дальнейшем росте влажности сцепление и угол внутреннего трения постепенно снижаются и падают до нуля при влажности около 1500 %. К примеру, при влажности 300 % угол внутреннего трения равняется 24—30 °, а сцепление 0,03— 0,05 МПа, при влажности

1000% соответственно 15—30 е и 0,02— 0,03 МПа, а при влажности 1500 %

всего 0—5 ° и 0,004—0,001 МПа. В целом торфяные грунты достаточно неоднородны по своему генезису, составу, строению и состоянию,

естественно это влечет за собой очень широкий диапазон изменения их инженерно-геологических характеристик Торфы обладают огромной влажностью, значительной пористостью и, как следствие этого, очень сильной сжимаемостью. Неоднородность строения и состава торфяной залежи и сильная сжимаемость торфа могут привести к значительным неравномерным осадкам возводимых на них сооружений. Эти осадки обычно протекают в течение длительного периода времени. Кроме того, следует

иметь в , что торфяным фунтам в отличие от минеральных свойственен гще один вид доуплотнения, происходящего под влиянием микроби-тогических процессов, протекающих в веществе торфа и сопровождающихся его минерализацией.

С инженерно-геологической точки зрения при оценке площади строительства сооружения следует в значительной мере опасаться чия линз и прослоев торфа в толщах минеральных грунтов, что ' может привести к повышенной неоднородности и сильной сжимаемости всего основания в силу указанных выше причин. Инженерно-геологические изыскания на торфяных грунтах требуют особой тщательности. Торф наряду с вышеописанными характеристиками имеет также значение как энергоноситель (топливо),

удобрение и сырье для химической промышленности.

Лессовые породы относятся к числу очень распространенных пород,

которые встречаются на всех континентах, но особенно широко в Европе,

Азии и Америке. Общая площадь, занятая лессовыми породами на земном шаре, равна примерно 13 млн. км2. В тропических и субтропических областях Земли лессовые породы не встречены, равно как и в северных, и южных районах, где имеют сплошное распространение вечномерзлые породы. В

границах бывшего СССР лессовые породы занимают примерно 14 %

континентальной части, т. е. около 3,3 млн. км2. Они лежат почти сплошным покровом на большей части Украины, на юге Европейской части России,

широко распространены в Средней Азии, Закавказье, Западной Сибири,

слагают значительные массивы в-Беларуси, Якутии и многих других районах.

Лессовые породы встречаются как на равнинах, так и в горных районах. В пределах низменных равнин они имеют почти сплошное распространение и характеризуются выраженным достаточно четко постоянством состава, окраски и строения в пределах однотипных элементов рельефа. Мощность отложений, как правило, возрастает от первых надпойменных террас к водоразделам — в поймах лессовые породы всегда

отсутствуют. Для предгорных и горных районов лессовые породы имеют невыдержанное по простиранию (по площади) распространение. Лессовые породы здесь отличаются многообразием генетических типов. В отложениях четко прослеживается проявление вертикальной зональности.

По условиям залегания лессовые породы повсеместно занимают покровное положение. Между лессовыми и подстилающими породами может наблюдаться как четко выраженная граница, так и постепенный переход.

Для лессовых пород и их толщ можно выделить следующие общие особенности:

•отсутствие слоистости практически во всех описанных случаях;

•изменение окраски от светло-палевой до шоколадной вниз по разрезу;

•наличие в лессовых породах: погребенных почв и гумусированных прослоев; прослоев песка и гравийно-галечных образований; прослоев вулканических пеплов; пустот биогенного происхождения; горизонтов конкреций карбонатов; столбчатой отдельности в верхней части толщ.

До сих пор нет единого мнения специалистов по генезису лессов:

разные ученые высказывают весьма различные, часто резко противо-

положные точки зрения на происхождение лессов и лессовидных пород.

Здесь и эоловый, и морской, и аллювиальный, и пролювиаль-ный,

элювиальный (выветривание) генезис. Иногда даже связывают происхождение лессов с континентальным оледенением. Вопрос о генезисе может быть решен, по нашему мнению, только на основе комплексного изучения состава и строения лессов и их толщ с учетом такого подхода, как полигенетичность лессовых пород, когда эти породы многократно переоткладывались различными способами в разной обстановке от эоловой до морской и (или) в обратном порядке.

По гранулометрическому составу лессовые породы характеризуются значительным разнообразием. Они включают различные разности по крупности, начиная от пылеватых песков до лессовидных глин. Но для всех фанулометрических разностей отмечено наличие практически всегда

пылеватых частиц, содержание которых превышает 50 % по отношению к другим фракциям. Наиболее однородными являются собственно лессы (в них содержится не более 15—16 % глинистых частиц и практически отсутствуют частицы размером более 0,25 мм). В природных условиях лессовые породы отличаются тем, что частицы в них находятся в агрегированном состоянии.

Высокая истинная дисперсность, выраженная в преимущественном преобладании пылеватых частиц, сильная агрегированность глинистых и коллоидных частиц, наличие кальцита в значительных количествах создают благоприятные условия для развития в лессовых породах просадочных явлений, которые во многом являются своего рода отличительной - чертой лессовых пород в инженерно-геологическом отношении.

Лессовые породы — это полиминеральные образования. В состав

|крупных фракций входит до 50 наименований минералов, из них примерно

10—15 минералов —главные породообразующие. Почти на 90 % минералы представлены так называемой легкой фракцией (плотность частиц менее 2,75

г/см3), главная роль в которой отведена кварцу и полевым шпатам, затем следуют карбонаты (кальцит — в среднем 15 %), слюды, гипс и другие минералы. Тяжелая фракция (плотность частиц более 2,75 г/см3) минералов насчитывает порядка 30 минералов. Для крупных фракций лессовых пород,

несмотря на их полиминеральность, характерно удивительное сходство минеральных ассоциаций в разных изученных образцах, отобранных в различных, часто достаточно удаленных друг от друга районах. Это сходство минеральных ассоциаций выражается как в качественном, так и в количественном наличии и соотношении минералов. Все лессовые породы имеют примерно одинаковый состав главных породообразующих минералов,

такое же сходство отмечено и во второстепенных минералах, что имеет важное значение в формировании инженерно-геологических свойств пород.

В тонкодисперсных фракциях лессовых пород встречается до 25

коллоидно-дисперсных минералов. Однако это не значит, что они присутствуют в породах все вместе, обычно они группируются по 7—12

представителей. Среди этих минералов наиболее распространенными являются гидрослюды, кварц, монтмориллонит и каолинит. Каждая гранулометрическая фракция лессов имеет достаточно постоянную минералогическую ассоциацию.

Наряду с минеральными частицами в лессах присутствует гумус (до 12 %). Больше всего гумуса содержится в прослоях погребенных почв. Нужно отметить, что повышенное содержание гумуса снижает проса-дочные свойства фунтов.

Одной из наиболее характерных черт лессов является их карбонат-

ность. Наиболее типичный представитель карбонатов в лессах — кальцит.

Карбонаты содержатся в разных количествах в лессах различной географической принадлежности.

Для лессов Европейской части России содержание карбонатов колеблется от 0,1 до 20 %, для Западной Европы —от 0 до 35 %, для Средней Азии — от 15 до 25 %.

Прочность лессовых пород во многом обусловлена количественным содержанием карбонатов, так как высокодисперсные карбонаты способны к созданию достаточно прочных слаборастворимых кристаллизационных связей между отдельными частицами породы. Кроме того, наличие ионов кальция способствует агрегации глинистой и коллоидной фракций.

Установлено, что просадочность лессов очень тесно связана с содержанием водно-растворимых соединений в них: чем больше этих соединений, тем больше просадочность.

Естественная влажность лессовых пород лежит в большом диапазоне:

1—39 %, но наиболее часто этот диапазон составляет 3—25 % Естественная влажность и просадочность связаны между собой: обычно просадочные лессы имеют низкую естественную влажность.

Лессовые породы, являющиеся полидисперсными глинисто-пыле-

ватыми полиминеральными образованиями, характеризуются наличием сложной системы связей между составляющими их частицами. Эта система

связей является определяющей в формировании всего комплекса инженерно-

геологических свойств лессов.

Суммарная пористость, тесно увязанная с указанными структурными связями, обычно очень велика в лессах, ее диапазон составляет 30—64 %

(чаще 44—50 %). Просадочные лессы практически всегда имеют несколько более высокие против средних значения пористости. Пористость способствует просадочности при смачивании лессов.

Важным фактором в проявлении просадочных свойств является микроструктура лессов. Например, установлено, чем ближе друг к друг\

располагаются песчаные и пылеватые частицы, чем меньше толщина глинистых пленок между ними, тем выше просадочность лессовых пород.

Рассматривая свойства лессовых пород, необходимо иметь в виду, что лессовые образования, являющиеся, как уже отмечалось, полидисперсными,

полиминеральными образованиями с различными типами структур,

формируются в результате различных генетических, диагене-тических и эпигенетических процессов. Большое разнообразие факторов, действующих в условиях континентальной поверхности, неизбежно приводит к различиям лессовых пород как по составу, строению, так и по их инженерно-

геологическим свойствам. Именно поэтому лессовые породы одного и того же генезиса в разной климатической обстановке могут иметь разные инженерно-геологические свойства. В районах с одинаковыми климатическими условиями различные генетические типы лессовых пород обладают неодинаковыми свойствами пород.

Приведем некоторые общие физические характеристики лессовых >од:

плотность частиц—2,54—2,84 г/см3, плотность — 1,33—2,03 г/см3, плотность скелета — 1,12—1,79 г/см3. Лессовые породы обычно обладают невысокой пластичностью: число пластичности у чистых лессов меняется от 4 до 10 %, у

лессовидных глин соответственно 25—30 %.

Одним из наиболее характерных признаков лессовых пород является их низкая водопрочность. Она выражается в их быстром размокании и

значительной размываемости, что часто фактически определяет оврагообразование в лессовых толщах.

Водопроницаемость лессовых пород изменяется в широких пределах:

коэффициент фильтрации может быть и 0,001, и 8,5 м/сут. Все зависит от конкретного состава, строения и условий залегания лессовых пород. В

лессовых породах отмечена фильтрационная анизотропия, невзирая на отсутствие видимой слоистости (не имеются в виду отмеченные выше различные типичные горизонты в лессах).

Сжимаемость лессовых пород изменяется в широких пределах (модуль общей деформации в средних значениях лежит в диапазоне 2—52 МПа).

Лессы и лессовидные грунты, имеющие небольшую естественную влажность, обладают незначительной сжимаемостью. Увеличение влажности, а тем более насыщение пород водой резко снижают их сопротивление сжатию.

Сопротивление сдвигу лессовых пород определяется, главным образом,

не отрицая значения других факторов, их физическим состоянием: в сухом состоянии эта величина значительна, при увлажнении породы она естественным образом снижается.

Просадочность — типичное свойство лессовых пород. Она выражается в способности лессов и лессовидных пород уменьшать под нагрузкой свой объем при увлажнении, вследствие чего происходит опускание поверхности земли, называемое просадкой. Различают собственно просадки лессовых толщ и дополнительные осадки сооружений при замачивании пород.

Не рассматривая подробно сущность явления просадки, отметим лишь,

что просадочность, как свойство, является по существу способностью лессовых пород к доуплотнению, поэтому некоторые специалисты выделяют просадки в рыхлых пылеватых песках. Весомую роль в исследовании сути просадки лессовых пород сыграл профессор Н.Я. Денисов, которым создана наиболее правдоподобная схема явления просадки и всех происходящих процессов, его сопровождающих. Просадочность лессовых пород

проявляется как в природной обстановке (так называемые степные блюдца— значительные в диаметре понижения на поверхности земли глубиной 0,8— 1,0 м в степных районах при распространении в них лессовых, склонных к просадкам пород), так и при воздействии человека (примеров описания фактов просадок можно привести множество, но достаточно напомнить

«Атоммаш» в Волгодонске). Назовем те бесспорные факторы, которые характеризуют явление просадки и формируют просадочность лессовых пород:

•высокая пористость и малая влажность до момента просадки;

•после просадки величина их пористости значительно уменьшается, а

степень влажности (или водонасыщенности) увеличивается;

•малая гидрофильность;

•несколько повышенное содержание легководорастворимых солей,

которые располагаются на контактах между частицами и придают дополнительную связность.

Кратко явление просадки можно изложить следующим образом: вода,

попадая в недоуплотненную лессовую породу с большой пористостью,

размягчает и частично растворяет соли на контакте между частицами,

благодаря чему связи между частицами нарушаются. Частицы приобретают возможность перемещения в иные (новые) положения равновесия при данном внешнем давлении, а это как раз и вызывает изменение (уменьшение)

объема породы и просадку поверхности земли над толщей этой породы.

Почвы. Собственно почвы как природные образования не являются предметом изучения инженерной геологии. Это задачи почвоведения. Но в силу того, что почвы довольно часто вовлекаются в сферу строительной деятельности человека и могут служить основанием, средой или материалом для возведения сооружений, то согласно инженерно-геологическим понятиям они являются фунтами.

На наш взгляд, наилучшим является определение почв, данное основоположником мирового почвоведения В.В. Докучаевым: «Почвой