Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ананьев Потапов Инженерная геология.pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
13.12 Mб
Скачать

Глава 10

ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАССОВ ГРУНТОВ

Каждый грунт имеет свои свойства. Это находит отражение в

определенных нормативах и технических условиях на строитель­

ство.

ПРИРОДНЫЕ СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ

На равнинах скальные грунты обычно располагаются на неко­

торой глубине под толщей осадочных пород, на поверхность земли

они выходят редко. Широкое развитие эти грунты имеют в горных

районах, где располагаются на поверхности земной коры.

Скальные грунты обладают монолитностью и состоят из кри­

сталлов минералов и их обломков, либо из обломков тех или

иных горных пород. Эти грунты всегда находятся в плотном со­

стоянии и имеют высокую прочность за счет кристаллических

структурных связей. В массивах скальные грунты имеют трещи­

ны, возникающие в процессе генезиса этих пород и в результате

тектонических движений земной коры.

Верхняя часть массивов, контактирующая с атмосферой, обыч­ но бывает разрушена вследствие воздействия процесса выветрива­

ния. Эта разрушенная зона называется корой выветривания и ха­ рактеризуется величиной koc - степенью выветрелости, которая

определяется сопоставлением плотности выветрелого скального

грунта с <<материнской>> (невыветрелой) частью скального массива. Скальные грунты в силу глубокого залегания в земной коре

редко служат основанием зданий и сооружений. Когда это про­

исходит, то объекты лучше опирать на <<материнский•> скальный грунт, т. е. фундаменты должны прорезать кору выветривания.

Фундаменты можно опирать и на кору выветривания, но для

этого ее следует упрочнять каким-либо методом технической ме­

лиорации грунтов.

При строительстве на скальных грунтах следует учитывать,

что:

в целом скальные грунты по своим свойствам довольно одно­

типны, но между ними имеются определенные различия (табл. 20).

Различия в свойствах скальных грунтов можно видеть на примере максимальных значений временных сопротивлений сжатию Rc,

МПа: гранит -до 400, кварцит -до 570, хемогенный извест­ няк - до 200, мергель - до 42, кремнистый песчаник - до 17,

глинистый песчаникдо 1,6;

201

скальные грунты при небольтих нагрузках, например от

гражданских зданий, практически не сжимаются, но под воздейст­

вием очень больших нагрузок и в течение длительного времени

они могут проявлять реологические свойства;

для скальных грунтов, которые способны к растворению в

воде, необходимо устанавливать степень растворимости. По рас­

творимости их разделяют на три группы: труднорастворимые - из­

вестняки, доломиты, известковые конгломераты и песчаники;

среднерастворимые - гипс, ангидрит, гипсоносные конгломераты;

легкорастворимые -

каменная соль.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 20

 

Свойства скальных грунтов

 

 

Хараперистиu своllств

Состояние rp)'IIТOII

Поuзатели харитернетик

Временное сопротив-

Очень прочные

1\; > 120

 

 

ление одноосному ежа-

Прочные

120 ~ 1\; > 50

 

тию 1\;, МПа

Средней прочности

50~ 1\; > 15

 

 

Малопрочные

15~1\;>5

 

 

Полускальные

Rc < 5

 

 

 

 

 

 

Коэффициент размяr-

}{ераз~аемые

"r>з ~ 0,75

 

 

чаемости в воде "kp3

Размягчаемые

~; < 0,75

 

 

Степень выветрелости

Невыветрелые (моно-

Грунты

залегают

в вИде

kвс

литные)

сплошного массива,

kвс = 1

 

Слабовыветрелые (тре-

Грунты залегают в вИде глыб,

 

щиноватые)

1 ~ k..c ~ 0,9

 

 

 

Выветрелые

Грунты залегают в вИде кур-

 

 

ков с переходом в трещинова-

 

 

тую скалу,

0,9 ~ k..c ~ 0,8

 

Сильнотрещиноватые

Грунты во всем массиве зале-

 

 

гают в вИде кусков,

kвс < 0,8

П р и м с ч а н и с. Значения R, даны в мегапаскалях.

В полускальных грунтах достаточно высокими прочностными

качествами обладают вулканический туф, мергели, аргиллиты, алевролиты. Другие полускальные грунты, такие, как мел, трепе­

лы, гипсы, основное назначение имеют как сырье для получения

строительных материалов и изделий.

ПРИРОДНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ ГРУНТЫ

Грунты этого класса имеют самое широкое распространение

на поверхности земной коры, именно с ними практически по­

стоянно связано строительство самых разнообразных объектов.

202

Дисперсные грунты обладают механическими и водноколло­ идными связями. Обломки и частицы дисперсных грунтов нахо­

дятся в механическом взаимодействии, например, как в сухом

песке, или связаны друг с другом с помощью пленок воды, как в

мокром песке или глине. В этот класс входят две группы:

несвязные грунты (с «механическими связями>>)- обломоч­ ные осадочные породы в виде крупнообломочных образований и

песков;

связные грунты (с водноколлоидными связями)- осадочные породы в виде минеральных (глинистых), органоминеральных и органических образований.

Ниже дается общая характеристика дисперсных грунтов по гранулометрическому и фазовому составу, и далее показываются

свойства типов этих грунтов и свойства разновидностей, из кото­

рых в качестве примера покажем только засоленные грунты.

Гранулометрический состав определяется специальными мето­

дами. Так, крупнообломочные и песчаные грунты анализируются с помощью набора стандартных сит, имеющих различные отвер­

стия. После рассева фракции взвешиваются и устанавливается их процентное соотношение. Гранулометрический анализ глинистых

грунтов проводят с помощью специальных и достаточно сложных

методов. Это позволяет установить литологические типы глини­

стых грунтов (супеси, суглинки, глины) и их разновидности, на­

пример, суглинки легкие, средние и тяжелые.

Гранулометрический состав широко используется при реше­

нии многих вопросов при улучшении свойств грунтов.

Фазовый состав. Дисперсные грунты как мерзлые, так и тех­ ногенные состоят из твердой части (обломки горных пород и ча­ стицы минералов), газообразной (воздух атмосферы), жидкой (вода) и органической массы. Твердая часть является скелетом

грунта. В его порах, т. е. в промежутках между частицами (об­ ломками), размещаются воздух, вода и органическое вещество. В

органоминеральных грунтах картина иная. В них основной мас­

сой является органический материал, который представляет со­

бой <<скелетную>> часть грунта. В этом скелете размещаются вода,

отдельные минералы и отчасти воздух.

Грунты имеют различный фазовый состав. Так, сухой песок представляет собой сочетание двух фаз - твердой и газообразной,

мокрый песоктри фазы (твердая, воздух, вода), почвычеты­ ре фазы (твердая, воздух, вода, гумус).

Свойства дисперсных грунтов, особенно песчаных и глини­ стых, в значительной мере зависят от фазового состава и количе­ ственных взаимоотношений фаз. Так, глинистый грунт обычно состоит из трех фаз. В слабовлажной глине вода представлена

203

малым количеством, а в глине текучего состояния воды очень

много и она придает глине другие свойства. Значение фазового

состава широко используется при выборе методов улучшения

свойств грунтов.

Свойства несвязных грунтов

Крупнообломочные грунты (обломки горных пород размером более 2 мм)- дресва, гравий, галечник. Эти грунты залегают ло­ кальными массивами, имеют небольшую мощность, располагают­ ся в основном в долинах рек, на берегах морей. Для этих грун­

тов характерна «Механическая>> связь обломков друг с другом.

Свойства этих грунтов зависят от сложения и петрографического состава обломков. Обломки могут быть представлены любой гор­ ной породой. Это чаще всего магматические и метаморфические

породы, а из осадочных пород - хемогенные известняки, мерге­

ли, песчаники.

В табл. 21 показаны разновидности крупнообломочных грун­

тов из окатаиных обломков. Наименования этим грунтам даются по названию преобладающих обломков по крупностивалун­

ные, галечниковые, гравийные.

Таблица 21

Разновидности крупнообломочных грунтов из окатанных обломков

IjJyнт ПреобладаюЩJtе обломки по крупности

Валунный (при преобладании неока-

Масса обломков крупнее 200 мм со-

танных обломков - глыбовый)

ставляет более 50% массы воздушно-су-

 

хого грунта

Галечникевый (при преобладании нео-

То же для обломков крупнее 1О мм

катанных обломковщебенистый)

 

Гравийный (при преобладании неока-

То же для обломков крупнее 2 мм

танных обломков - дресвяный)

 

Сложение обломков. Пористость крупнообломочных грунтов

обычно не превышает 40 %. Поры (пустоты) могут быть заполне­

ны воздухом и водой, но встречаются также грунты, поры кото­

рых заполнены песчаными, пылеватыми и глинистыми частица­

ми. В этом случае пористость снижается до 25-30 %. При

наличии такого заполнителя более 30 % (по массе воздушно-су­

хого грунта) к наименованию грунта добавляется название запол­

нителя, например глинистый гравий. Грунты без заполнителя

имеют большую водопроницаемость (kФ > 100 мjсут); за счет воз­

действия движушейся воды грунты могут доуплотниться даже из

рыхлого в плотное состояние.

204

Прочность и водостойкость крупнообломочных грунтов зави­ сит от петрографического состава обломков, например, щебень (или гравий) представлен магматическими породами, а в другом

случае, это известняк или мергель, которые имеют невысокую

прочность, неводостойки. На деформационные показатели силь­

но сказывается степень выветрелости обломков. В сильно вывет­ релых крупнообломочных грунтах модуль деформации значитель­ но ниже. Так, если коэффициент выветрелости не превышает 0,5, грунты относятся к невыветрелым; при 0,5-0, 75 - к слабо­ выветрелым и при О,75-1 - к сильновыветрелым. С увеличением этого коэффициента модуль деформации значительно уменьшает­ ся. В невыветрелых грунтах влажность на деформационные ха­

рактеристики практически не влияет, но в сильновыветрелых

грунтах она существенно понижает модули деформации. Степень

выветрелости также оказывает влияние на угол внутреннего тре­

ния и сцепления. Так, при росте коэффициента выветрелости от 0,45 до 0,75 угол внутреннего трения снижается с 28 до 22·, а сцепление ОТ 0,035 ДО 0,027 МПа.

Крупнообломочные грунты являются хорошим основанием

для зданий и сооружений, при плотном сложении под нагрузкой

не уплотняются, но при большом содержании глинистого мате­

риала появляется тенденция к сжимаемости. При сильных земле­

трясениях воданасыщенные крупнообломочные грунты мoryr те­ рять устойчивость, что сказывается на надежности объектов.

Инженерно-геологическая характеристика крупнообло.мочных не­ сцементированных пород. Крупнообломочные породы представля­ ют собой преимущественно обломки пород размером более 2 мм. Обломки эти несцементированы и аналогичны во взаимодейст­

вии. друг с другом песчаным грунтам, т. е. в них отсутствуют свя­

зи, характерные для глинистых грунтов и грунтов с жесткими

кристаллизационными связями. Обломки пород, в основном

определяющие свойства и поведение грунтов под сооружениями,

мoryr иметь различный петрографический состав и различную

форму, степень обработанности, что, с одной стороны, определя­

ется составом пород, а с другой (и это главное)- генезисом крупнообломочных пород.

Элювиальные крупнообломочные грунты и их инженерно-геологи­ ческая оценка. Крупнообломочный элювий формируется под вли­ янием факторов физического выветривания и образует скопления

крупных обломков горных пород на месте их разрушения. Он

обычно состоит из угловатых остроугольных глыб, форма и раз­

мер которых в основном зависят от структурно-текстурных осо­

бенностей выветривающихся пород. Плотные мелкозернистые и

скрытокристаллические породы дают неправильные угловатые

205

осколки, их размер и форма зависят главным образом от про­

странствеиного расположения тончайших трещинок, пронизыва­

ющих массив выветривающихся пород. Крупнозернистые породы

чаще всего рассыпаются в дресву, для них характерна минераль­

ная дезинтеграция. Метаморфические сланцеватые породы (раз­

личные сланцы, мелкозернистые гнейсы) распадаются на тонкие

пластинки.

По петрографическому составу обломочный элювий мало от­ личается от материнской породы, на которой залегает. Однако по

своим свойствам он качественно иной.

В том случае, когда выветриванию подвержены породы, зале­

гающие на крутых склонах, в разрушении их играет огромную

роль такой мощный фактор, как сила гравитации. Под ее влия­

нием обломки горных пород скатываются вниз, падают и от уда­

ров, получаемых ими при скатывании и падении, еще больше

размельчаются. Скопления таких масс представляют собой свое­

образные гравитационные образования крупнообломочных грун­ rов. Одним из видов гравитационных отложений является осыпь, представляющая собой скопления скатившихся, совершенно не­

обработанных различных по размерам обломков у подножия

склонов. В отличие от чисто элювиальных крупнообломочных грунтов для осыпи характерно наличие слабой сортировки про­

дуктов выветривания по их крупности: более крупные камни и щебень скатываются к подножию склона - к основанию осыпи. Крутизна осыпи отвечает углу естественного откоса слагающего

ее крупнообломочного материала. Этот материал, как правило,

имеет рыхлое сложение в верхних частях разреза осыпи, в нем

отсутствует какой-либо заполнитель, водопроницаемость осыпи

чрезвычайно высока.

Образование неотсортированных щебенистых и каменистых (глыбовых) осыпей на склонах и у подножия гор может происхо­ дить также путем обвалов, когда скапливается большая масса

беспорядочного нагроможденного материала различного размера. Мощность таких отложений зависит от высоты гор, крутизны

склонов, частоты и силы обвалов и других причин. Инженерно-геологическая характеристика отложений временных

водных потоков. Под влиянием деятельности вод, стекающих с

гор, крупнообломочный материал постепенно приобретает (в процессе перемещения при перекатывании и соударениях) раз­ личную степень обработанности и некоторую сортировку. Мощ­

ные временные потоки, выбегающие из горных долин на равни­ ну, откладывают при своем выходе на нее обширные конуса выноса, которые по существу являются одной из фаций пролю­

вия. Одной из разновидностей его являются селевые отложе-

206

ния - результат аккумулирующей деятельности грязекаменных

потоков, перегруженных твердым материалом до состояния полу­

жидкой вязкой массы.

Пролювиальные крупнообломочные грунты и отложения ко­ нусов выноса и особенно селевые образования характеризуются очень слабой отсортированностью и обработанностью. В них на­

ряду с крупным валунником (валуны часто расколоты), галечни­

ком и гравием содержится песчаный, пылеватый и глинистый материал, заполняющий промежутки между крупными обломка­

ми. Быстрое отложение сносимого со склонов материала при

резком уменьшении скорости течения воды у их подножья обу­ словливает формирование беспорядочной или грубой кососло­

истой текстуры с неправильным чередованием линз и прослоев

разного состава и разных свойств. Нередко косая слоистость приобретает форму правильно повторяющихся горизонтальных и косых серий. Общая пористость рассматриваемых крупнообло­ мочных грунтов может быть очень низкой (15-20 %). Уплотне­ нию и увеличению прочности материала крупнообломочных от­

ложений кроме разнородности по крупности способствует глубокое и длительное просыхание с образованием прочных це­ ментационных связей между обломками. В отличие от промытых

аллювиальных отложений пролювиальные и особенно селевые

отложения могут содержать водорастворимые соли. Такие приме­

си особенно характерны для рек с так называемым периодиче­

ским течением в условиях жаркого аридного климата.

Инженерно-геологические особенности аллювиальньvс крупнообло­

мочньvс отложений. Аллювиальные крупнообломочные грунты до­

статочно широко распространены в долинах горных рек, кото­

рые, как правило, обладают быстрым течением, способным

переносить крупный обломочный материал. Например, для того

чтобы рекой могли перемешаться полуторатонные глыбы, ско­ рость течения ее должна равняться 4,4 мjс. В соответствии с

этим аллювий горных рек представлен валунами, галькой и гра­

вием, с содержанием в ряде случаев песчаного заполнителя. Тhи­ нистых частиц и органических остатков и образований среди них нет. Грубообломочный состав определяет чрезвычайно высокую

водопроницаемость толщ отложений (до 100 мjсут), их несжима­ емость под нагрузкой и высокое сопротивление сдвигу.

Крупнообломочный аллювий встречается и у равнинных рек. В их долинах особенно широко распространены гравийные, реже

галечниконые образования, слагающие обычно нижние части ал­

лювиальных толщ. Более крупные разности имеют спорадическое

распространение. Общим признаком крупнообломочных русловых

образований равнинных рек является незначительное содержание

207

вних пылеватых и глинистых частиu, которые непрерывно вы­

мываются и выносятся речными водами. В качестве заполнителя

обычно присуrствует песчаный материал. Как правило, наиболее

крупный гравийный и галечникевый материал залегает в верхо­

вьях, а более мелкий - в низовьях рек, в этом же направлении

увеличивается степень обработанности обломков. В общей схеме

залегания этих образований крупные гравийные частицы обычно перекрыты сверху более мелкими. Это объясняется тем, что по мере выработки продольного вертикального профиля долины ре­

ки постепенно уменьшается и уклон, что вызывает снижение скорости течения, в соответствии с чем происходит изменение крупности частиц осадка.

Крупнообломочные аллювиальные грунты равнинных рек

представлены окатаиными обломками прочных крепких пород, нестойкие и слабые обломки, как правило, отсуrствуют. Они

имеют достаточно плотное сложение, высокую водопроницае­

мость и являются практически несжимаемыми грунтами при на­

грузках, возникающих в строительной практике.

Морские крупнообломочные отложения и их инженерно-геологи­ ческая оценка. Образование морских крупнообломочных грунтов

связано в основном с разрушением берегов морей вследствие тектонических движений земной коры и разрушающей деятель­

ности морских волн и отчасти течений (процесс абразии). Вол­

ны, сила удара которых может достигать 10 т/м2 , дробят в бере­

гах самые прочные кристаллические породы и, захватывая

образующиеся из них обломки, перемещают, обрабатывают и от­

кладывают их у подножья кругого берега на подводной и надвод­

ной поверхностях берега. Здесь, особенно в зоне прибоя, облом­

ки находятся в постоянном движении. Благодаря трению друг о друга, обломки горных пород берега хорошо окатываются и от­

шлифовываются, приобретают округлую или, что чаще, несколь­

ко уплощенную, плоско-вытянутую форму. Постоянное воздейст­

вие прибоя обусловливает хорошую отсортированнесть морских галечников: они практически лишены какого-либо заполнителя,

что определяет их высокую водопроницаемость. Морские галеч­

никевые отложения часто характеризуются <<буrовой текстурой» с плотным расположением галек. Практически несжимаемые, они тем не менее мoryr обладать поиижеиным сопротивлением сдви­

гу. Невысокие прочностные показатели являются следствием морфологических особенностей морских галечников: высокообра­ ботанных весьма округлых по форме с тщательно отшлифован­

ной мягким трением в воде поверхностью галек.

Морские грубообломочные отложения, формирующиеся на

значительных глубинах (до 600-800 м) и на большом удалении от

208

берега, отличаются плохой сортированностью, низкой обработан­

ностью, содержат значительное количество мелкозернистого мате­

риала, наличие которого существенно снижает водопроницаемость

всей толщи грунта. Глубоковолные морские крупнообломочные грунты обладают своеобразной псевдопорфировой текстурой, в

большинстве случаев для них определюощим является то или иное

свойство заполнителя. Зачастую появление крупных обломков в глубоких зонах моря связано с айсберrовым разносом.

Озерные крупнообломочные грунты, имеющие незначитель­

ное распространение, по своим текстурно-структурным особен­

ностям и свойствам близки к морским галечникам, формирую­ щимен в зоне прибоя.

Краткая инженерно-геологическая оценка крупнообломочных

грунтов ледникового комплекса. Крупнообломочные флювиогляци­

альные отложения распространены в районах, <•переживших•> оле­

денение, и современного расположения материковых льдов (на

ледниках). Крупные обширные по площади самостоятельные

массивы они образуют довольно редко. Обычно крупнообломоч­

ный материал залегает в виде прослоеn, линз или рассеян в виде

включений в толщах мореиных образований и флювиогляциаль­

ных песков.

Наиболее часто крупнообломочные грунты представлены га­

лечником и гравием с песчаным заполнителем. Степень окатан­

ности обломочного материала различliа: преобладают средне- и слабообработанные обломки. Эти грунты характеризуются значи­

тельной волопроницаемостью, слабой сжимаемостью и довольно

большой прочностью.

Песчаные rрунты сложены угловатыми и окатаиными обломка­ ми минералов размером от 2 до 0,05 мм. Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов. В качестве примесей всегда присутствуют другие минералы - силикаты, глинистые и т. д. Пес­

ки на поверхности земли имеют широкое распространение, как на

суше (речные и озерные пески), так и в морях (морские пески).

Морские пески занимают большие пл()щади, имеют многометро­

вую мощность, чаще всего хорошо отсортированы по крупности

частиц, нередко бывают мономинер<tльными, например чисто кварцевыми. Речные пески (аллювиальные) всегда локальны по

площади распространения, маломощны, полиминеральны, не от­

сортированы, нередко имеют примесь глинистых частиц и гумуса.

Еще более разнообразны по своему залеганию и составу пролюви­

альные (предгорные) пески. Для них пшично переспаивание пес­

ков с различной крупностью частиц. По форме залегания это про­

слои и линзы среди крупнообломочных грунтов.

209

Пески представляют собой массу частиц с механическими

связями. По крупности частиц пески разделяют на гравелистые,

крупно-, средне- и мелкозернистые, пьmеватые. Пористость пес­

ков в рыхлом состоянии около 47 %, а в плотномдо 37 %.

Рыхлое сложение легко переходит в плотное при водонасыще­ нии, вибрации и динамических воздействиях. Плотность песков

оценивается по значению коэффициента пористости е: плотное сложение (е< 0,60), средней плотности и рыхлое (е> 0,75). В

табл. 22 и 23 показаны нормативные характеристики песков чет­

вертичного возраста.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

22

Нормативные значения С, кПа, (j), град., и Е, МПа,

 

 

 

песков

четвертичного аозраста

 

 

Песu по крупности

 

Коэффициент пористосm е, равный

 

Характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зерен

 

 

0,45

0,55

 

0,65

0,75

 

 

 

 

 

 

Крупные

 

с

2

1

 

-

-

 

 

 

(j)

43

40

 

38

-

 

 

 

Е

50

40

 

30

-

 

Средние

 

с

3

2

 

1

-

 

 

 

(j)

40

38

 

35

-

 

 

 

Е

50

40

 

30

-

 

Мелкие

 

с

6

4

 

2

-

 

 

 

(j)

38

36

 

32

28

 

 

 

Е

48

38

 

28

18

 

Пылеватые

 

с

8

6

 

4

2

 

 

 

(j)

36

34

 

30

26

 

 

 

Е

39

28

 

18

11

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

23

Характеристика песков по плотности сложения

 

 

Пески

 

Плотные

Средней

плотносm

Рыхлые

 

Гравелистые,

крупные

е< 0,55

0,55

$е$ 0,70

е> 0,70

 

Средней крупности, мелкие

е< 0,60

0,60

$е$ 0,75

е> 0,75

 

Пылеватые

 

 

е< 0,60

0,60

$

е$ 0,80

е> 0,80

 

За счет открытой пористости пески всегда водопроницаемы.

В пьmеватых песках kФ не превышает 1 мjсут, в крупнозерни­ стыхдо 40-50 мjсут, а в гравелистых- 80-100 мjсут. В плот­

ном сложении пески хорошо воспринимают нагрузки и рассеива­

ют напряжение в основаниях под фундаментами. Модуль

деформации песков от 11 до 50 МПа и закономерно снижается

от крупнозернистых к пылеватым разновидностям песков.

210

Пески в строительстве имеют широкое применение. Они яв­

ляются надежным основанием, служат хорошим материалом для

изготовления различных строительных изделий, цементных рас­

творов и т. д. ПрименимостЪ песков как сырья для производства

строительных материалов находится в зависимости от крупности

частиц и основного в количественном отношении минерала, а

также от примесей, таких, как слюды, соли, гипс, глинистые ми­ нералы, гумус. Эти примеси в ряде случаев ограничивают испо­

льзование песков.

В табл. 24 показаны разновидности песков по круnности со­

ставляющих их частиц. В зависимости от крупности и количест­

ва тех или иных частиц пески имеют различные названия (граве­

листые, крупные и т. д.).

Таблица 24

Разновидности песчвных грунтов

Пески

Крупность частиц,

мм

% от массы ВО1дУШИО-сухоrо

 

грунта

 

 

 

 

Гравелистые

>2

 

 

>25

Крупные

>0,5

 

 

>50

Средней крупности

>0,25

 

 

>50

Мелкие

>0,1

 

75

и

более

Пьшеватые

>0,05 и 0,1

 

75

и

более

Проходка строительных котлованов в песках соnряжена с из­

вестными трудностями. В рыхлых сухих песках приходится де­

лать очень пологие откосы, что ведет к большим объемам земля­

ных работ.

Инженерно-геологическая характеристика песчаных пород. Пес­

ки имеют чрезвычайно широкое расnространение. Согласно дан­ ным Л.Б. Рухина, площадь, которая занята в СНГ песками, рав­

няется nримерно 2 млн км2 , из которых чуть меньше трети

(600 тыс. км2) приходится на территорию Евроnейской части СНГ. Массивы nесков Средней Азии и Казахстана имеют nло­

щадь около 1 млн км2 • Чрезвычайно энергичное исnользование

песков в строительной практике в различных uелях предопреде­ ляет необходимость тщательного их изучения. Песчаные nороды

открывают в нашем оnисании расnространенную группу несвяз­

ных грунтов, не имеющих или почти не имеющих аналогичных

глинистым грунтам связей между частицами и реализующие свои

прочностные и деформационные характеристики за счет друтих

особенностей своего внутреннего строения.

211

Состав, строение и свойства песков определяются как и у

всех пород их генезисом. Выше было показано, что разные гене­

тические типы песков имеют различное распространение в Евро­

пейской части СНГ; среди них аллювиальные, водноледниковые,

ледниковые, эоловые, элювиальные, морские, озерные и другие.

Дальнейшее описание песков будем проводить по различным их

генетическим типам.

Инженерно-геологические особенности элювиальных песков. Элю­

виальные пески являются характерным продуктом выветривания

и формируются на месте разрушения горных пород. Они харак­

теризуются неоднородностью в гранулометрическом составе, не­

обработанной угловатой формой зерен, рыхлым сложением и

сильно выветрелой неровной, <<кавернозной>> поверхностью час­

тиц, нередко покрытой железистой пленкой. Неоднородность

гранулометрического состава элювиальных песков свойственна,

по суmеству, всей их толше, за исключением самой верхней ее

части, из которой вьщуваются ветром пьmеватые и глинистые ча­

стицы. Эта неоднородность связана прежде всего с отсутствием сортировки материала. Вниз по разрезу неоднородность возраста­

ет, с одной стороны, за счет увеличения количества крупнозер­ нистого материала, а с другой - за счет кольматации мелкими

частицами из верхних слоев при интенсивной инфильтрации во­ ды. Степень неоднородности зависит также и от состава исход­

ных материнских пород, интенсивности и продолжительности

выветривания. Например, разрушение песчаников приводит к об­

разованию толщ сравнительно однородных песков с достаточно

обработанными зернами. Сложение элювиальных песков обычно рыхлое, причем наиболее рыхлые песчаные частицы расположе­

ны в верхней части песчаной толщи. В нижних ее частях распо­

ложение песчинок становится более плотным, однако и здесь оно достаточно неоднородное. Вследствие этого элювиальные пе­ ски обладают достаточно высокой уплотняемостью. В силу огра­

ниченности и специфики своего распространения элювиальные

пески в инженерно-геологическом отношении изучаются кон­

кретно в районе строительства проектируемого сооружения.

Инженерно-геологические особенности делювиальных песков. Де­

лювиальные песчаные отложения по своим инженерно-геологи­

ческим параметрам и распространенности довольно близки к

элювиальным. Для них в целом свойственна неоднородность гра­ нулометрического состава, необработанная угловатая форма час­

тиц, рыхлое сложение и т. п. Однако в разрезе делювиальных

песков иногда прослеживается вполне определенная сортировка

материала. Наличие сортировки напрямую связано с условиями формирования делювия - переносом выветрелого материала по

212

склону движущейся дождевой или талой воды. Вниз по склону и

вверх по разрезу происходит постепенное увеличение дисперсно­

сти песка. С точки зрения инженерно-геологической оценки

пригодности делювиальных песков в качестве оснований соору­ жений следует иметь в виду, что при их небольшой мощности и спорадическом размещении у подножий склонов, а также прак­

тически всегда рыхлом сложении, при выборе плошадки строите­

льства следует проводить тщательные инженерные изыскания не­

посредственно на изучаемом участке, не прибегая к аналогам. Инженерно-геологическая оценка пролювиальных песков. Пролю­

виальные пески, формирующиеся в горных и предгорных райо­ нах под влиянием временных бурных дождевых потоков, характе­

ризуются некоторой, хотя и слабовыраженной обработанностью (слабой окатанностью) частиц. Дисперсность этих песков различ­

на, она, в основном, определяется режимом временных дождевых

потоков, которые приурочены к выходам из горных долин, где

собственно и встречается песчаный пролювий. Для разрезов этих

песков типично переслаивание разностей различного грануломет­

рического состава, среди которых обычно преобладают плохо- и слабоотсортированные. Очень часто пролювиальные пески зале­

гают в виде прослоев и линз в толще крупнообломочного мате­

риала. По плотности сложения они несколько предпочтительнее песчаного делювия. Ограниченность распространения и отсутст­

вия достаточного опыта использования чисто пролювиальных

песков в качестве оснований сооружений не позволяет дать для них обобщающую инженерно-геологическую оценку, поэтому при изысканиях и наличии в общей массе песчаных отложений сле­

дует с особой тщательностью подходить к их исследованиям.

Аллювиальные песчаные отложения и их инженерно-геологиче­ ская оценка. Аллювиальные пески очень широко развиты в пре­ делах равнинных территорий, где они встречаются как в совре­ менных речных долинах, так и вне их пределов. В долинах горных рек, где аллювий представлен в основном грубообломоч­

ным материалом, пески имеют спорадическое распространение.

Среди аллювиальных песков встречаются различные по грану­

лометрическому составу разности, отличающиеся структурно-тек­

стурными особенностями и инженерно-геологическими свойства­

ми. Эти характеристики, а также строение аллювиальных

песчаных толщ определяются прежде всего фациальными условия­ ми их формирования.

Русловые пески. Эти отложения основного потока реки наиме­

нее дисперсны по сравнению с друтими фациальными типами

аллювиальных песков, формирующихся на том же отрезке реки.

В целом же их дисперсность в пределах долин различных рек

213

может зависеть от скорости течения реки и геологических осо­

бенностей местности. Общей характерной чертой русловых пес­

ков является закономерное изменение их дисперсности по про­

дольному профилю реки: вниз по течению уменьшаются размеры

зерен песка и одновременно с этим повышается его однород­

ность. Русловые пески, как и другие типы аллювиальных песков, характеризуются слоистым сложением. Для них характерны раз­ нообразные формы косой и диагональной слоистости. Песчаный

материал в наклонных сериях пропластков, залегающих с углом

падения 15-30°, обычно достаточно хорошо отсортирован. Одна­

ко наибольшей отсортированностью характеризуются пески мик­

рофации nрирусловой отмели; пески пристрежневой микрофа­

ции, представленные более крупными гранулометрическими

разностями, имеют меньшую степень сортировки. Русловые пес­ ки сложены главным образом обработанными частицами (окатан­

ной и слабоокатаиной формы) с полированной поверхностью за счет мягкого трения в воде. Хотя они, как и большинство пес­

ков, в морфологическом отношении имеют в составе частицы разной формы и характера поверхности, но для песчаного аллю­

вия описанная морфология зерен наиболее представительна, в

других генетических типах песков чаще встречаются зерна с дру­

гими морфологическими параметрами. По минеральному составу

русловые пески преимущественно кварцевые; неустойчивые ми­

нералы содержатся в них, как правило, в незначительном коли­

честве. Невысокая дисперсность рассматриваемых песков, их

достаточно хорошая отсортированность и окатанность, преобла­ дающее среднее и рыхлое сложение обусловливают значительную

их водопроницаемость, причем водопроницаемость русловых пес­

ков в горизонтальном направлении обычно выше, чем в вертика­

льном, что связано с особенностями текстуры их толщ. Пойменные и старичные пески. В этих фациях аллювия пески

играют подчиненную роль. Главным образом они залегают в виде

маломощных прослоев и линз в толще супесчаных и суглинистых

пород (отложения ленточной микрофации, микрофации линзо­ видно-слоистых супесей и суглинков и др). Однако отмечено,

что в долинах некоторых рек, особенно в районах широкого рас­

пространения флювиогляциальных песков, роль песчаных отло­

жений в пойменном аллювии становится доминирующей.

Наиболее крупные массы песчаных грунтов в толще поймен­

ного аллювия приурочены к микрофации прирусловых валов.

Прирусловые валы, как известно, формируются на границе русла и поймы на вогнутых сторонах речных меандр, по окраинам бе­

реговых отмелей. Эта микрофация представлена почти всегда и почти полностью косослоистыми песками. Следует напомнить,

214

что эта микрофация занимает как бы Переходное место между

русловыми и пойменными отложениями, что существенным об­

разом на ней и отражается. Пойменные и старичные пески пред­

ставлены преимущественно мелко- и тонкозернистыми, а также

пылеватыми песками, горизонтальноили линзовиднослоистыми,

содержащими примесь глинистого, а иногда и органического ма­

териала. Эти пески имеют значительно меньшую водопроницае­

мость, сжимаемость и прочность по сравнению с русловыми от­

ложениями.

Дельтовые пески. Указанные отложения являются продуктом формирования в области медленного движения речных вод, в

районах, удаленных от источников обломочного материала на

весьма значительные расстояния. В соответствии с этим дельто­

вые пески представлены в основном тонко- и мелкозернистыми

достаточно хорошо отсортированными разностями с хорошо об­

работанными окатаиной формы полированными зернами. В ряде случаев они обогащены пьmеватым и глинистым материалом. Строение дельтовых песков характеризуется чередованием гори­ зонтальных слоев с покрывающими их косыми сериями. Харак­

терно при этом, что горизонтальные слои срезают косые серии

несогласно (уклон косых слоев до 45·). Очень часто дельтовые

пески имеют рыхлое сложение и значительно уплотняются при

динамическом воздействии на них. Здесь следует заметить, что

наличие глинистого и пьmеватого материала в песках субакваль­ ных дельт в условиях активного влияния морской воды при

практически тонкозернистом составе играет существенную роль в

формировании таких инженерно-геологических параметров, как

сжимаемость и прочность. Естественным образом они, с одной стороны, играют определенную роль в формировании различных коллоидных связей, а с другой - создают условия для формиро­

вания высокопористых рыхлых структур, а также отрицательно

влияют, как бьmо уже отмечено, на динамическую устойчивость

песков. Немаловажность последней характеристики следует иметь

в виду при проектировании оснований сооружений, передающих динамические вибрационные нагрузки, на погребеиных субаква­

льных дельтах. Вообще уже точно установлено, что мелкие аллю­

виальные пески особенно пойменной, старичной и рассматривае­

мой дельтовой фации склонны к разжижению при динамических

нагрузках, будучи в водонасыщенном состоянии. Процесс этот

сложен, но в упрощенном виде заключается в мгновенной пере­

упаковке песчаных зерен, переходе песков из одного состояния

плотности в другое, когда собственно свойство прочности носит

неопределенный характер, в силу неясности проявления трения и

потери значительного числа отдельных неизвестно каких струк-

215

турных связей между частицами, но для всего этого должны быть

созданы определенные условия и приложены соответствующие

усилия, а пески должны иметь специфические особенности. llески ледникового комплекса и их ин~енерно-геологическая

оценка. Флювиогляциальные пески. Эти отложения, которые назы­

ваются еще водноледниковыми, имеют очень широкое распро­

странение в Европейской части России и Сибири. В зависимости от условий накопления материала среди флювиогляциальных об­

разований вьщеляют:

типично зандровые отложения, непосредственно примыкаю­

шие к поясу конечных морен соответствующего ледника;

зандровые отложения долинного типа, выполняющие обшир­

ные ледниковые депрессии различного происхождения;

флювиогляциальные террасовые отложения в долинах рек, слагающие наиболее древние высокие террасы.

Флювиогляциальные пески представлены различными по дис­

персности разностями, правда преобладают крупно-, средне- и

мелкозернистые, содержащие то или иное количество грубообло­ мочного материала. Указанный состав и косая слоистость явля­

ются характерными для этих песков.

Типично зандровые пески во многих районах занимают мас­

сивы до нескольких сотен квадратных километров, что вполне

объяснимо, исходя из данных о многоводности отлагавших их потоков воды, а также об отсутствии четко выраженных вырабо­ танных долин для их течения. По мере отступления переднего

края ледника участки накопления зандровых песков также пере­

мешались. Это привело к тому, что в толще песков часто просле­

живается увеличение их дисперсности вверх по разрезу, причем

такая закономерность вьщержана на больших площадях. Песча­ ные и гравийно-галечниконые частицы, слагающие флювиогля­

циальные зандровые пески, в определенной степени отсортирова­

ны и обработаны водой, однако в заметно меньшей степени,

нежели аллювиальные пески равнинных рек. В соответствии с этим многие флювиогляциальные пески отличаются заметной, иногда значительной утловатостью (слабой окатанностью) зерен с ямчатой поверхностью последних. По составу пески полиминера­

льные с высоким содержанием полевых шпатов и других первич­

ных минералов. Они, как правило, лишены растворимых солей и

содержат очень мало органических веществ.

Зандровые пески имеют в большинстве случаев среднее по шютности сложение. Однако во многих районах плотность их невелика, а сложение рыхлое. Об этом свидетельствует факт са­

мопроизвольных осадок песчаных рыхлых толщ, сопровождав­

шихся движением достаточно больших масс водонасыщенных

216

ности он падает до

песков, которые происходили на значительных расстояниях при

поверхности с очень небольшим уклоном.

Типичным представителем зандровых песков являются сред­ нечетвертичные флювиогляциальные пески, широко развитые в

северо-западных районах Западно-Сибирской плиты, где они

слагают обширные междуречные равнины площадью в сотни ты­

сяч квадратных километров. Здесь среди песков встречаются гра­

велистые, крупные, средние, мелкие и пьmеватые разности с

преобладанием мелко- и среднезернистых песков. Для этих пес­

ков характерны включения гравия и гальки, высокое содержание

собственно песчаных частиц (62-95 %), небольшое содержание

пьшеватых и некоторое количество глинистых частиц. В песках

преобладает кварц, остальные минералы составляют всего лишь

2-3 %. Доминируют слабообработанные полуугловатые или сла­

боокатаиные зерна. Плотность частиц 2,64-2,68 г/см3 • Уменьше­

ние плотности песков происходит по мере возрастания их дис­

персности (на 0,2-0,3 г/см3). Пористость песков этого типа

достаточно высока: в гравелистых разностях- 40-41 %, мел­

ких- 40-46 %, пылеватых- 42-51 %. Чаще всего пески имеют

среднее по плотности сложение. Уплотняемость их колеблется в

чрезвычайно широких пределах, причем она возрастает с увели­

чением дисперсности песков. Для описываемых песков коэффи­ циент фильтрации не превышает 10 мjсут, с ростом же дисперс­

1,5 мjсут. Угол естественного откоса в

воздушно-сухом состоянии изменяется от 30 до 40°, под водой этот диапазон снижается до 24-33°.

Зандровые отложения долинного типа образуют обширные

песчаные равнины в Полесье на среднем Днепре, на Дону, в бас­

сейне Верхней Волги и других районах страны. Они выполняют

здесь обширные доледниковые депрессии и переходят вниз по

течению в типичные флювиогляциальные террасы в долинах рек. Для толщ долинно-заядровых песков в целом характерны мно­ гие из вышеуказанных особенностей типично-заядровых отложе­ ний. Однако они имеют ряд отличий, которые отрицательно ска­ зываются на их инженерно-геологических параметрах. Это

большая мелкозернистость состава и наличие линз и прослоев су­

глинистого материала, нередко находящегося в пластичном состо­

янии или обогащенного органическими растительными остатками

(отложениями застойных вод). Вследствие этого устойчивость мас­

сивов, сложенных такими породами, обычно небольшая.

Ледниковые (маренные) пески залегают в виде прослоев и линз

в толще мореиных валунных суглинков и глин. Гранулометриче­ ский состав разнообразен, но преобладают разнозернистые пес­

ки, плохо отсортированные гравелистые и крупнозернистые раз-

217

ности. Во всех этих отложениях практически всегда присутствует

валунный материал, иногда в значительных количествах. Для этого типа песков свойственна большая изменчивость состава и свойств как в разрезе, так и по простиранию. Ледниковые пески,

заключенные в толще мореиных глинистых грунтов, часто содер­

жат напорные воды. Отмечены случаи, когда даже близко распо­

ложенные изолированные друr от друrа линзы таких водонасы­

щенных песков могут обладать существенно разными напорами

подземных вод. Подобные линзы при вскрытии их котлованами или другими строительными выемками и выработками часто вы­

зывают оползание и оплывание откосов, а иногда и прорыв на­

порных подземных вод в котлованы и подземные выработки. Вместе с водой в этих случаях выносится большое количество песка, что значительно ослабляет устойчивость вышележащего грунтового массива. Хорошая водопроницаемость мореиных пес­

ков и, как правило, небольшие запасы подземных вод, заключен­ ных в них, способствуют быстрому осушению таких песчаных

толщ nри их строительном исnользовании.

Инженерно-геологические особенности морских песков. Форми­

рование песков морского генезиса происходит в обстановке ак­ тивного воздействия моря, в условиях морской среды, что обу­ словливает «а priori» их известные отличия от континентальных песчаных отложений. С инженерно-геологической точки зрения

пески целесообразно подразделить на прибрежные и собственно

морские.

Прибрежные пески образуются близ морского берега на глуби­ нах до 200 м. Мощность этих отложений сильно изменчива, до­

стигает в некоторых районах нескольких десятков и даже сотен

метров. Ширина зоны их развития также изменяется в широких

пределах: от нескольких метров до десятков километров. В их

формировании важнейшими факторами являются морской при­ бой и волнение, которые обусловливают характерную косую сло­

истость песчаных толщ, хорошую окатанность и шлифовку пес­

чаных зерен.

Среди прибрежных песков вьщеляются три разновидности, обладающие некоторыми инженерно-геологическими особенно­

стями:

пески побережья выше зо»ы прибоя, имеющие диагональную слоистость и включающие в себя глинистые прослойки, битую и окатаиную ракушку, растительные остатки (наличие указанных

примесей снижает инженерно-геологические характеристики отло­ жений);

пески зоны прибоя, характеризующиеся обычно отсутствием

илистых прослоек, хорошей отсортированностью, малым количе-

218

ством или почти полным отсутствием раковин, имеющие харак­

терную косую слоистость и плотное положение;

пески более глубоких прибрежных частей моря, обычно обла­

дающие правильной слоистостью, которая часто бывает вызвана

переелаиваннем песчаного и глинистого материала; если глини­

стый материал начинает преобладать, то песчаный материал,

обычно тонкозернистый, только разделяет глинистые слои в виде

характерной <<присыпки».

Глубинные пески, образующиеся под влиянием морских тече­

ний на различных глубинах, имеют сравнительно небольщую

мощность (до нескольких десятков метров). Форма и размер

<<глубинных>> песчаных толщ весьма разнообразны (от вытянутых

вдоль подводных депрессий до заполняющих подводные котлови­

ны; от первых метров до нескольких сотен километров по протя­

женности). По гранулометрическому составу пески часто одно­

родны и тонкозернисты, но могут содержать также гравий, а

иногда даже гальку. В отдельных случаях зафиксированы более

грубые и крупные обломки, появление которых может быть

оправдано лишь наличием айсбергового разноса материала. Сло­

истость песков правильная, однообразная. Сложение их может быть более рыхлым, чем у прибрежных песков.

Среди морских песков преобладают кварцевые разности, не­

редко с различными примесями. Одними из наиболее интерес­ ных морских песков являются глауконитовые. Сравнительно лег­

ко разлагаясь, глауконит при благоприятных условиях может

вызвать изменение свойств породы, в частности, цементацию

песков продуктами своего разложениягидроксидами, коагеля­

ми железа и кремнезема и т. п. В этом случае характерным явля­ ется изменение типичного зеленоватого цвета глауконитовой по­ родыона покрывается ржавыми пятнами. Нередко в

глауконитовых песках присутствует пирит, иногда в качестве при­

меси имеется слюда, придающая морским пескам некоторые

<<глинистые» свойства: уменьшение утла естественного откоса,

снижение сопротивления сдвигу.

Морские пески, как уже отмечено выше, часто отличаются

высокой однородностью и очень хорошей окатанностью (за ред­

ким исключением). В соответствии с этим их водопроницаемость

достаточно велика, коэффициент фильтрации значительно боль­

ше 1 мjсут. Пески, сформировавшиеся в мелководных условиях,

особенно пески зоны прибоя, имеют главным образом плотное сложение. Глубинные пески преимущественно рыхлые (но есть и исключения) со склонностью давать быструю осадку при дина­ мических нагрузках и вибрации.

219

Инженерно-геологическая характеристика эоловых песков. Эоловые пески имеют широкое распространение в полупустын­ ных и пустынных областях. Эоловой переработке также подвер­

жены песчаные массивы в тундровых и лесотундровых районах.

Зона тайги практически лишена эоловых песчаных отложений. Эоловые пески обычно представлены хорошо отсортирован­ ными мелкозернистыми или тонкозернистыми разностями. В це­

лом их дисперсность и степень обработанности определяются длительностью и интенсивностью эоловой переработки - чем длительнее перевевается песок, тем более однородным он стано­

вится. В морфологическом отношении частицы песка имеют хо­

рошую окатанность с типичной мелкоямчатой поверхностью,

обусловленной большим числом соударений частиц при переме­ щении в воздухе. Частицы песка очень часто покрыты вторичны­

ми пленками различного химического состава.

Можно отметить, что в целом строение толщ эоловых песков

характеризуется:

неправильностью и разнообразием углов наклона слоев;

преобладанием пологих углов до 5" (наветренный склон) и до

30-33" (подветренный склон);

вогнутостью и выпуклостью напластований;

большой вертикальной мощностью косых серий (до 100 м и

более);

тонкостью и однородностью песчаных зерен;

высокой обработанностью песчаных зерен окатаиной формы

стипично мелкоямчатой поверхностью со вторичными пленками;

в целом очень рыхлым недоуплотненным сложением.

В минералогическом отношении эоловые пески обычно поли­ минеральны с преобладанием кварцевых частиц. По химическому

составу они могут значительно отличаться друг от друга в зави­

симости от климатических условий района их распространения.

Содержание СаО, MgO, Na20, К20 в эоловых песках повышается при более засушливом климате и соответственно с этим умень­ шается содержание Si02

В качестве примера приведем характеристику инженерно-гео­ логических особенностей эоловых верхнечетвертичных отложений Западных Кара-Кумов.

Пески этого района образовались при перевевании морских и

аллювиальных песков раинечетвертичного и более древнего воз­

раста.

Они представлены, главным образом, косослоистыми мелкозер­ нистыми разностями (преобладают частицы размером 0,25-0,1 мм). Пески весьма хорошо отсортированы, полиминеральны: в качестве .

основных компонентов в них содержатся кварц, полевые шпаты,

220

кальцит, обломки пород. Они отличаются от других генетических типов песков этого региона (аллювиальных морских) повышенным содержанием весьма обработанных частиц.

Пористость песков при их рыхлом сложении составляет 47 %, при плотном - 37 %. В условиях естественного залегания они на­

ходятся в рыхлом сложении и в соответствии с этим легко и

значительно уплотняются под действием динамических нагрузок

и вибрации. В связи с хорошей отсортированностью и значите­

льной пористостью (при преобладании крупных пор) высота их капиллярного поднятия не превышает 60 см. Хорошая отсорти­

рованность, однородное и достаточно рыхлое сложение эоловых

песков обусловливают большую их водопроницаемость: обычно

коэффициент фильтрации составляет несколько более 10 мjсут, в

отдельных случаях отмечено его повышение до 15 мjсут. Отметим, что изменение песчаных и рассмотренных выше

крупнообломочных грунтов в процессе диагенеза сравнительно

невелико. Поэтому геологически разновозрастные пески одина­ кового генетического типа, близкой дисперсности и минерально­ го состава обладают, по мнению ряда специалистов, сходными инженерно-геологическими свойствами в пределах инженерных

воздействий, имеющихся в современной строительной практике, хотя специальных исследований в этом направлении, насколько

известно, не проводилось.

Свойства связньах грунтов

К связным грунтам относятся осадочные породы трех типов:

минеральные;

органоминеральные;

органические.

Наибольшее распространение на земной поверхности имеет

минеральный тип, представленный глинистыми грунтами с во­

дно-коллоидными связями между частицами. Земная кора прак­

тически повсеместно (не менее 60 % объема осадочных пород)

покрыта глинистыми образованиями. В эти образования входят

три литологические разновидности: супеси, суглинки и глины.

Минеральные (глинистые) грунты. Этот тип грунтов характери­ зуется большой группой физических свойств: пористостью, влаж­

ностью; поглотительной способностью; коррозионными и спе­ цифическими свойствами (пластичностью, консистенцией, лип­

костью, набуханием и усадкой).

Глинистые грунты обычно залегают самостоятельными слоя­

ми, иногда в виде прослоев или линз в толщах других грунтов,

что типично в основном озерным и речным отложениям. Мощ-

221

ность слоев очень разнообразна - от сантиметров до десятков и

сотен метров. Глины сложены глинистыми минералами (до 95 %), среди которых преобладает гидрослюда, в качестве приме­

сей присугствуют каолинит, монтмориллонит и др. Иногда встре­

чаются глины, в которых основное место занимают каолинит

или монтмориллонит. В суглинках кроме глинистых минералов

присугствуют (до 30-50 %) кварц, полевые шпаты и другие клас­

тогенные минералы, имеющие размер пылеватьiХ частиц. В со­

ставе супесей основное место занимают кластогенные зерна (кварц, полевые шпаты и др.), а глинистые минералы находятся

в подчиненном положении (до 10-20 %).

Пористость n глинистьiХ грунтов различна: супеси - 10-15 %, суглинки- 20-30%, глины- 90-95 %. В супесях, легких и

средних суглинках поры имеют открытый характер, т. е. они

практически соединяются друг с другом, что позволяет достаточ­

но свободно проникать в грунт воздуху и воде (рис. 53). В гли­

нах большинство пор имеет закрытый характер, поры изолирова­

ны друг от друга, могут содержать <<защемленные>> воздух и воду.

Закрытость пор придает глинам характер <<водоупоров>> и через глины вода не фильтруется.

В порах глинистых грунтов кроме воздуха и воды иногда со­

держится органика преимущественно в виде <<rумуса>>. Наиболь­ шее его количество (до 5-15% массы грунта) бывает связано с супесями и суглинками. В таких случаях эти грунты уже можно именовать <<Почвами>>. Гумус очень гидрофияен и поэтому суще­

ственно влияет на свойства глинистых грунтов, повышая их ак­

тивность во взаимоотношениях с водой. В грунтах увеличивается

влагоемкость, пластичность, ежа­

тие под нагрузками и т. д.

 

Глинистые

грунты,

особенно

 

в условиях влажного состояния,

 

под нагрузками способны сжима­

4

ться, т. е. уплотняться. Сжатие

з

происходит за

счет уменьшения

 

пористости. Вначале из пор вы­

 

тесняется воздух, а потом сво­

 

бодная вода. Грунт при этом ве­

 

дет себя как пластичное тело.

 

Дальнейшее увеличение

нагрузки

 

принимает на

себя минеральный

Р и с. 53. КапИJVIЯрная кайма

скелет

грунта.

Если

структура

(Икал) в грунте:

грунта не была разрушена, то

1 - водоупор (глина); 2- грунтовая вода;

после

снятия

нагрузки объем

З- суглинок; 4- зона аэрации; 5 - зда­

 

 

 

 

ния

грунта может несколько увеличи-

222

ться. Это связано с расклинивающим действием пленочной воды,

которая восстанавливает толщину своих пленок и раздвигает час­

тицы грунта.

Влажность W глинистых грунтов. Вода в глинистых грунтах находится в порах, заполняя их полностью или частично. Вода

всегда оказывает очень большое влияние на свойства грунтов, в

частности, на поведение их под нагрузками. В природных усло­

виях глинистые грунты практически всегда содержат воду, коли­

чество же и виды воды бывают различными.

Природная влажность W- это общее количество воды, содер­

жащееся в объеме грунта, т. е. весовое количество воды к весу

сухого грунта. Если поры грунта полностью заполнены водой, то его относят к водонасыщенным Wsar· Величина W может изменя­

ться за счет испарения, давления на грунт, притока воды из

окружающей среды.

Пог.лотительная способность глинистых грунтов связана с ак­

тивной поверхностью глинистых частиц, которая энергично взаи­

модействует с окружающей частицы средой. Наивысшей активно­

стью отличаются глинистые частицы, которые несут на своей

поверхности электрические заряды. Минералы, например, алю­

мосиликатного или силикатного состава имеют отрицательные

заряды, а карбонатыположительные.

Активность поверхности частиц проявляется следующим обра­

зом. При прохождении через грунты жидкостей и газов поверхность частиц притягивает к себе содержащиеся в них вещества или,

наоборот, отдает в эти жидкости и газы какие-либо вещества со

своей поверхности. Это и есть поглотительная способность грунтов. В природных условиях все поверхности глинистых частиц обязательно несут на себе какие-либо вещества. Это мoryr быть:

катионы и анионы; пленки воды; частицы или пленки оксидов

железа и алюминия или органических веществ типа гумуса, сое­

динений из битума и т. д. Все эти вещества называют <<обменны­ ми», так как они мoryr <<уходиТЬ>> и <<приходитЪ» из грунтов. Об­

менные вещества активно влияют на свойства глинистых

грунтов, но характер воздействия различен и зависит от вида по­

глощенных веществ. Наиболее активную роль играют молекулы

воды, органические соединения и катионы химических элемен­

тов, таких, как К, Na, Са, Mg. Специальными способами эти об­

менные катионы можно вводить и выводить из грунтов, заменять

один катион на другой, например К на N а или Са на Mg, и тем

самым целенаправленно управлять свойствами грунтов.

Каждый глинистый грунт может поглотить только определен­ ное количество катионов. Максимальное количество логлощен­ ных катионов зависит от емкости объема данного грунта и выра-

223

жается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г сухого глинистого грунта. Емкость объема зависит: 1) от дисперсности частиц, т. е. чем мельче частицы и их больше в единице объема

грунта, тем больше будет суммарная поверхность частиц и общая

поверхностная энергия; 2) от того, какие минералы присуrству­ ют, например наибольшей поглотителъной способностью облада­

ют монтмориллониL

Поглотителъная способность во многих случаях оказывает ре­

шающее значение при выборе методов и осуществления работ по

искусственному улучшению свойств глинистых грунтов.

Коррозионные свойства глинистых грунтов. Коррозия - это раз­

рушение строительных материалов и подземных металлических

трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах. Коррозия

возникает в результате электролиза, который начинается в грун­

тах после воздействия блуждающих электрических токов на поро­ вый водно-солевой раствор. В этом процессе вода пор становит­ ся электролитом. Коррозионные разрушения наиболее типичны

городским территориям, где развито трамвайное движение. При проектировании объектов против коррозии следует предусматри­

вать меры защиты.

Специфические свойства глинистых грунтов. Вода и ее количе­

ство придает грунтам ряд особых свойств, которые принято на­

зывать специфическими, или «характерными». Это - пластичность, липкость, набухание и усадка. Все эти свойства типичны глини­

стым грунтам и имеют большое значение при их строительной

оценке.

Пластичность - способность глинистых грунтов под действием

внешнего давления изменять свою форму без разрыва сплошно­ сти, т. е. без образования трещин, и сохранять полученную форму. Пластичные свойства обусловливаются наличием пленочной воды

ипроявляются только между двумя определенными значениями

влажности. Представляется нелишним еще раз остановиться на этих значениях. Меньшее значение называют нижним пределом пластичности, или границей раскатывания Wp, а большееверхним пределом пластичности, или границей текучести Wr. При влажно­ сти ниже Wp грунт находится в твердом состоянии, а когда влаж­

ность выше Wr - грунт растекается. Разницу между значениями Wp и Wr называют числом пластичности lp (рис. 54).

Консистенция тесно связана с пластичностью, отражает физи­

ческое состояние грунтов и показывает степень подвижности ча­

стиц в зависимости от различного количества в грунтах воды.

Консистенцию lr определяют по формуле

224

Рис. 54. Состояние

глинистых грунтов

 

 

 

в зависимости от вiЩа

Твердое

Пластичное

Текучее

 

иколичества воды:

/- молекула воды; 2- rиrеRоч­

ная вода; З- свободRая вода;

4 - частицы rpyma

1 2

По значениям JL с помощью таблиц устанавливают, в каком

состоянии liаходится грунт, например, сутлинки и глины мoryr

иметь консистенцию твердую, полуrвердую, тугопластичную,

мягкопластичную, текучепластичную, текучую. Супеси бывают в

твердом

состоянии, пластичном и текучем

(табл. 25) .

 

 

 

Таблица 25

 

 

Значения JL

 

 

Супеси

Суг.11ннки н rлнны

Твердые,

JL < О

Твердые, JL

 

Пластичные, О ::s; JL ::s; 1

Полутвердые, О < JL ::s; 0,25

Текучие,

JL > 1

Туrолластичные, 0,25 < JL::s; 0,5

 

 

Мяrкопластичные,

0,5 < JL ::s; 0,75

 

 

Текучепластичные,

0,75 < JL ::s; 1

 

 

Текучие, 11 > 1

 

Липкость (гjсм2)- способность глинистых грунтов прилипать

к поверхности предметов (колесам и тракам дорожных машин, к

лопате и т. д.). Липкостью обладают грунты, которые находятся в

пластичном состоянии и обусловливаются наличием пленочной

воды, а в почвах также гидрофильного гумуса. Пески и суnеси липкостью не обладают. Липкость определяют лабораторным пу­ тем. При строительных работах в период дождей она осложняет

разработку котлованов и процесс уплотнения грунтов. Набуханиеспособность глинистых грунтов увеличивать свой

объем в результате увлажнения. Этот процесс свойствен прежде всего глинам и тяжелым суглинкам. Набухающие грунты обычно

залегают слоями и чаще всего встречаются на поверхности земли

сухих районов. Мощность слоев набухающих глин обозначается

Hsw- Схема процесса набухания грунтов показана на рис. 55. Из

того же рисунка видно, где под зданием проявляет себя процесс

225

а

б

в

Рис. 55. Схема набухания

грунта (а), давление

набухания (Psw) на фундамент

(б), деформация здания от усадки грунта (в):

1- набухающие грунты; 2- зона усадки грунта; З- здания

набухания грунта основания. За счет давления набухания грунтов здание деформируется.

Набухание грунтов происходит после соприкосновения с во­

дой, если они бьmи сухие или слабо влажные. Вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются до уровня Wммв•

частицы грунта раздвигаются и объем грунта возрастает. В увели­ чении объема грунта играет роль минерал монтмориллонит, кото­

рый поглощает воду и <<разбухает» во много раз. Способность

грунтов к набуханию определяют в лаборатории, устанавливают

величину относительного набухания Esw = (hнс- h)/h, где h - нача­ льная высота образов и hнс - высота после набухания. При Esw = 0,04 грунт считают набухающим; при значении 0,04-0,08 - слабонабухающим; 0,09-0,12- средненабухающим и при более 0,12- сильно набухающим. Одновременно определяется влаж­ ность набухания W""' при которой проявляется максимальное зна­ чение набухания и давление набухания Р""' которое создает грунт при увеличении своего объема. Давление Psw может достигать 0,8 МПа. Такая сила набухания легко поднимает и деформирует

здание и сооружение.

Наличие набухающих грунтов устанавливают в период инже­

нерно-геологических изысканий. Если грунты являются набухаю­

щими, то при проектировании объектов необходимо предусмат­

ривать определенные мероприятия: l) в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и 2) в грунтовом

основании.

При строительстве на набухающих основаниях могут быть ис­

пользованы следующие мероприятия:

водазащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения

проникновения в основания атмосферных и технических вод. Во­

круг зданий устраивают широкие асфальтовые отмостки, канавы и

226

лотки для отвода воды; надземные воданесущие коммуникации

помещают в специальные каналы;

устранение свойств набухания в пределах всей или части тол­

щи грунта путем предпостроечного замачивания. Для промачива­

ния грунтов используют дренирующие скважины. Грунт провоци­ руется на набухание и в таком виде должен находиться весь

период эксплуатации объекта. Следует отметить, что при этом в грунтах понижаются прочностные и деформативные характеристи­ ки. В связи с этим рекомендуется строить объекты с небольшими

нагрузками;

устройство компенсирующих подушек под всем зданием или

фундаментами из слоя уплотненного грунта (песка, суглинка, гли­

ны). Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину

Psw;

полная или частичная прорезка сборными фундаментами

слоя набухающего грунта. При этом боковая часть фундаментов

должна обсыпаться песком в целях устранения прилипания грунта

кфундаментам;

полная или частичная замена слоя набухающего грунта неиа­

бухающим грунтом. Этот способ экономически оправдан при на­

бухающих грунтах с небольшой мощностью слоев;

увеличение давления от зданий на основание, чтобы оно бы­

ло больше рsw·

Необходимо отметить, что наибольший эффект при строите­

льстве объектов на набухающих грунтах можно получить при со­

четании нескольких вышеперечисленных мероприятий и при уве­

личении жесткости и орочиости самих зданий.

Усадка - это уменьшение объема глинистого грунта при вы­

сыхании. Собственно, это процесс, обратный набуханию. Высы­

хание грунтов может происходить за счет испарения воды или

вследствие отсасывания из грунта воды корнями деревьев, кото­

рые посажены слишком близко к зданию, и их корни проникают под фундамент. При усадке грунт растрескивается, теряет моно­

литность, прочность. Поверхность земли опускается, и здания, стоящие на этом месте, начинают деформироваться (см. рис. 55).

Усадку изучают в лаборатории, где устанавливают величину

относительной усадки, т. е.

предел усадки Esh = (hпhd)!hп, где

hп -

высота образца грунта

с Wmax. а hd- высота после высыха­

ния;

определяют влажность

грунта на пределе усадки "Vsh; мощ­

ность грунтов, которые подвержены усадке Hsh· Наибольшая ве­ личина Esh бывает в глинах, меньше в суглинках. В супесях

усадка не проявляется. Проявление усадки предупреждают теми же мероприятиями, что и набухание грунтов.

227

Инженерно-геологическая характеристика некоторых глинистых

грунтов. ЭлювиШiьные глинистые грунты. Образуются в результате

разложения различных пород и накопления на месте разруше­

ния - в коре выветривания - глинистых продуктов указанного

разложения (разрушения). По гранулометричеtкому составу среди

этих отложений встречаются разновидности 01: высокодисперсных

глин до неравномернозернистых супесей, содержащих различное количество грубообломочных включений.

Для толщ элювиальных глинистых грунтов в вертикальном разрезе характерен постепенный переход к ма'fеринским породам.

Формы залегания весьма разнообразны и сnоеобразны: гнездо­

вые, карманообразные, плащеобразные и др.

Протяженность указанных форм очень изменчива, иногда но­ сит прерывистый характер. Мощность колебдется от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Толщи элювиальных глинистых грунтов обычно лишены слоистоtти, которая может наблюдаться только, как реликт слоистой текстуры материнской породы. Окраска глин весьма разнообразна: от белой, желтова­

той, зеленоватой до красной и пестрой. Растительные остатки и

органическое вещество практически не встречаются. Минерало­

гический состав элювиальных глин различе1-1, он определяется

главным образом тем составом, которым обладали Исходные

материнские породы, а также характером и степенью развития

процессов их выветривания. В результате в зависимости от длительности выветривания формируются раздичные, иногда зна­

чительной мощности глинистые толщи соответствующего соста­

вакаолинитовые, галлуазит-каолинитовые, монтмориллонито­

вые, гидрослюдистые или смешанного сост<ша. Именно среди

глин этого генетического типа достаточно часто встречаются

обычно редкие мономинеральные разности. Элювиальные глины

характеризуются различными инженерно-геологическими свойст­

вами. Еще большим разнообразием отличаю'tся такие петрогра­

фические разности элювиальных глинистых отложений, как су­

глинки и супеси в силу чрезвычайной изм~нчивости, а также количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно

ярко это проявляется в таком их свойстве, как пластичность.

Покажем это на примере <<чистых» элювиальных глин: наиболее пластичные их разности формируются при Dазложении осадоч­

ных глинистых и основных изверженных, чаще эффузивных, по­

род. При разложении кислых пород обычно образуются слабо­

пластичные глины, главным образом каолинитового состава.

Пластичность других петрографических разностей элювиальных глинистых пород обусловлена также налич11:ем и количеством

песчаной, пылеватой и грубообломочной Фракций. Прочность

228

элювиальных глинистых пород во много раз меньше, чем в ис­

ходных материнских породах.

Делювиальные глинистые грунты. Эти отложения развиты до­

статочно широко. К ним относятся разнообразные по петрогра­

фическому составу образования, покрывающие более или менее

мощным покровом склоны различных положительных и откосы

отрицательных форм рельефа. Это продукт выветривания выше­

лежащих коренных пород, перемещенный дождевыми и талыми

снеговыми водами вниз по склонам и откосам вершин, возвы­

шенностей, берегам обрывов и балок к их подножьям. Делювиа­ льные образования или вовсе не обнаруживают слоистости и

сортировки материала, или только неправильную местную сло­

истость и неполную сортировку, что резко отличает их от других

генетических разностей осадочных образований. Кроме того, для

описываемых пород характерна быстрая, а часто и резкая измен­

чивость состава. Среди них чаще всего можно встретить суглин­

ки и глины, хотя описаны и супеси, но в меньших объемах. До­ вольно часто делювиальные глинистые грунты содержат щебень

и более крупные обломки пород, развитые на склоне, как прави­

ло, перемещенные гравитационными силами и расположенные

всегда беспорядочно, хаотично. В породах имеются различные растительные остатки. Глинистый делювий почти всегда полими­

неральный, с преобладанием минералов, характерных для окру­

жающих пород. В районах с умеренно влажным климатом он

лишен водно-растворимых солей. Коллоидная его часть характе­ ризуется водоустойчивыми структурными связями, которые свой­

ственны кальциевым агрегатам и коагелям взаимного осаждения.

В засушливых областях глинистый делювий в той или иной сте­

пени засолен и характеризуется водоустойчивыми структурными связями кристаллизационного типа. Нередко присутствует гипс в виде мелких игольчатых кристаллов или присыпки (порошка).

Физико-механические свойства глинистого делювия также сильно изменяются в зависимости от его состава. Однако в об­

щем инженерно-геологические его качества невысоки. Так, пори­

стость нередко выше 50%, во влажном состоянии она очень сильно снижается - относительная осадка при давлении 0,2 МПа может достигать 20 %. Делювиальные грунты быстро размокают в

воде, особенно если их естественная влажность невысока. Сопро­ гивление глинистого делювия колеблется в широком диапазоне и зависит от состояния породы. Некоторые глинистые разности показывают при давлении 0,2 МПа очень малые значения угла

сдвига (2-3°). В других случаях он может достигать почти 45°. Сцепление лежит в пределах 0,005-0,025 МПа. Водопроницае­

мость, благодаря значительной «глинистости•>, весьма невелика.

229

Оценивая делювиальные глинистые грунты с инженерно-гео­

логической точки зрения, следует иметь в виду их общую склон­

ность к движению вниз по склонам, связанную с глинистым со­

ставом и отчасти неясно проявляющейся слоистой текстурой, а может быть и приобретенную тенденцию к движению еще на этапе формирования?! Искусственная подрезка делювиальной толщи при проходке котлована под здание, дорожной выемки и

т. п., особенно в нижней части склона, как правило, вызывает во всей ее массе подвижки оползневого характера, при этом поверх­

ность скольжения может образоваться как внутри делювиальной

толщи, так и на контакте ее с подстилающей коренной породой. Примером служат крупные оползни в делювиальных толщах,

описанные на Южном берегу Крыма.

Пролювиальные глинистые образования. Этот генетический тип континентальных отложений, впрочем как и элювий, впервые был выделен А.П. Павловым в 1903 г. при описании современных от­

ложений тогдашнего Туркестана: <<Здесь работают не одни доЖде­ вые струйки, но и по временам выбегающие из долин значитель­

ные потоки, пороЖдаемые ливнями. Геологические отложения,

накапливающиеся путем распространения по равнинам минераль­

ного материала, выносимого временно излившимися из горных

долин и растекающимися по равнине потоками, заслуживают обо­ собления в особый генетический тип, для обозначения которого было бы удобно пользоваться термином «Пролювиальные отложе­ ния•>, или «пролювий•>. Пролювий располагается непосредственно

за конусами выноса>>. Формирование пролювия происходит при

оседании частиц в мелких озерцах, временно образующихся при заливании их водой горных рек. По своему гранулометрическому составу пролювий чаще всего представлен пылеватыми суглинка­

ми. В настоящее время понятие термина <<пролювиЙ>> несколько

расширилось, в него были включены отложения временных пото­ ков в пределах долин и конусов выноса. Среди слагающих их толщ также встречаются глинистые образования, они обычно слагают маломощные (1-5 м) прослои и линзы в толще грубообломочных

пород, которые прослеживаются на протяжении десятков и сотен

метров. Для таких глинистых образований характерна плохая сор­

тировка материала и наличие включений обломков пород различ­

ной величины. Обычно глинистые породы песчаные или сильно­

пылеватые, причем характерным является беспорядочное

распределение по породе различных по размерам частиц. Глини­ стые отложения обычно и, естественно, полиминеральны, их ми­

нералогический состав зависит от состава размываемых пород и

имеет резко выраженный унаследованный характер. С инженер­ но-геологической точки зрения обобщающих данных немного, хо-

230

тя опыт строительного использования пролювиальных отложений имеется. Глинистый пролювий в силу своего формирования прида­

ет еще большую неоднородность всей пролювиальной толще с

точки зрения деформационных, прочностных и воднофильтраци­

онньiХ характеристик.

Аллювиальные глинистые образования. В аллювиальных отложе­

ниях глинистые породы развиты очень широко, особенно в до­ линах равнинньiХ рек. Глинистый аллювий отличается большим разнообразием состава и свойств. Это разнообразие определяется различными условиями формирования тех или иных глинистых

аллювиальных толщ.

Среди отложений русловой фации аллювия содержание глини­

стых грунтов естественным образом невелико, в силу условий

формирования русловых отложений, хотя встречаются супеси и

суглинки, передко содержащие органические остатки. В связи с

малым распространением русловые глинистые грунты инженер­

но-геологической оценки обобщающего характера не имеют. Пойменная фация аллювия равнинных рек в отличие от рус­

ловой сложена преимущественно глинистыми образованиями. Это обусловлено тем, что паводковые воды, разливающиеся по

пойме, несут, как правило, тонкопесчаный, пылевато-суглини­

стый и глинистый материал. Этот материал оседает на поверхно­

сти поймы после спада воды и покрывает ее прерывистым сло­

ем, при этом наиболее мощные глинистые линзы, обычно обогащенные органическими остатками, образуются в понижени­

ях рельефа. Оседанию взвешенного в воде материала и обогаще­

нию его растительными остатками и органическим веществом

способствует обильно развивающаяся обычно богатая травянистая

растительность и заросли кустарника. Среди отложений поймен­

ной фации наиболее широко развиты горизонтально-, волнисто-,

линзовидно-слоистые суглинки и глины, редко супеси. Суглинки

и глины плохо дренируемых участков пойм обычно имеют се­ ро-сизый цвет, вследствие их оглеения и обогащения органиче­

скими веществами; на дренированных, прирусловых участках

цвет пород коричнево-бурый. Молодые пойменные глины, су­

глинки, супеси обычно очень рыхлые, влажные и слабосвязные. Высыхание их сопровождается структурными изменениями, вы­

ражающимися в появлении мельчайших трещинок, которые раз­ бивают породу на отдельности неправильной формы. По стенкам

этих трещинок часто отлагаются оксиды железа бурого цвета, ко­ торые дополнительно увеличивают неоднородность строения пой­

менных отложений. Очень часто в разрезах пойменного глини­

стого аллювия наблюдаются погребеиные почвы и своеобразные темноцветные горизонты, обогащенные органическим веществом.

231

Наличие таких горизонтов в толще аллювия ухудшает его свойст­

ва, поскольку повышенное содержание органического материала

в таких прослоях повышает гидрофильность, влажность, набухае­

мость, сжимаемость и снижает сопротивление сдвигу аллювиаль­

ных глинистых толщ.

Глинистые грунты со своеобразными особенностями форми­ руются в «брошенных>> старых руслах - старицах, которые со временем медленно превращаются в замкнутые заболоченные по­

нижения, постепенно заполняющиеся в паводковый период пы­

левато-глинистым материалом. Эти отложения богаты гниющими органическими остатками, что вызывает процессы торфообразо­

вания и типичные при недостатке кислорода процессы минера­

лообразования. В результате последних образуются такие минера­ лы, как сидерит, вивианит и т. п. Большинство из них при воздействии кислорода легко разлагаются, обусловливая характер­ ные для старичных отложений процессы диагенеза. Для этих от­

ложений в отличие от других пойменных образований характерно

также постоянное полное водонасыщение. После спада паводко­ вых вод глинистые отложения поймы подвергаются длительному просыханию (до следующего затопления их водой), а старичные

образования, как правило, остаются все время покрытыми водой.

В этих условиях старичные глинистые отложения приобретают явные коллоидные свойства, обусловливающие их обычно плас­

тичное или даже текучее состояние и весьма низкие прочност­

ные и деформационные показатели.

По минералогическому составу глинистые аллювиальные

грунты довольно разнообразны. Среди них преобладают полими­

неральные разности, содержащие в своем составе по несколько

глинистых минералов. Самыми распространенными являются ка­

олинит-гидрослюдистая и монтмориллонит-гидрослюдистая ассо­

циации минералов.

Приведеиное достаточно беглое описание различных фациаль­

ных типов глинистых аллювиальных грунтов показывает, что на­

ихудшими по своим инженерно-геологическим характеристикам

среди них оказываются старичные глинистые грунты, представ­

ленные обычно достаточно высокодисперсными разностями со

значительным количеством органики. Они находятся в мягкопла­

стичном состоянии. Среди них (особенно в молодых современ­ ных образованиях) очень широко распространены грунты текучей и скрытотекучей консистенции. Все они характеризуются высо­

кой сжимаемостью и низкими показателями сопротивления сдви­

гу. Например, Н.Н. Маслов указывал, что коэффициент сдвига

пластичных разностей старичных глинистых грунтов при нагруз­

ке 0,2 МПа равен 0,15-0,25, модуль осадки 150-200 мм/м. Еще

232

более высокие показатели сжимаемости (и соответственно более низкие прочностные показатели) характерны для текучих разно­ стей грунтов. Водонасыщенность старичных грунтов, несмотря на их значительную общую пористость, очень мала, вследствие чего

процесс осадки сооружений, возведенных на них, протекает мед­

ленно, долго и зачастую неравномерно. Высокая сжимаемость и

низкие сопротивления сдвигу старичных глинистых отложений

не позволяют рекомендовать их в качестве основания для тяже­

лых и сложных инженерных сооружений. В случае же необходи­

мости расположения их на участках развития старичных отложе­

ний должны быть применены специальные способы обеспечения

устойчивости, а в отдельных случаях удаление и замена этих

грунтов более надежными.

Глинистые и суглинистые грунты пойменной фации аллювия обладают более благоприятными инженерно-геологическими ха­ рактеристиками. Для них отмечены большие значения сопротив­

ления сдвигу, меньшая сжимаемость, причем отложения высоких

пойменных террас еще более благоприятны для строительства. Водопроницаемость пойменных глинистых грунтов также невели­

ка. Среди них в разрезах надпойменных террас достаточно широ­ ко развиты лессовидные суглинки, которые в разной степени об­

ладают просадочными свойствами и невысокой водопрочностью.

С аккумулирующей деятельностью рек связаны и дельтовые отложения, подразделяющиеся по условиям своего образования

на две большие группы. Одна из них связана своим происхожде­

нием с субаквальными дельтами (реки впадают в водные бассей­ ны), другая- с субаэральными дельтами (реки растекаются по равнине или перестают течь по различным причинам). Отложе­ ния субаквальных дельт формируются под влиянием аккумулиру­ ющей деятельности реки при значительном влиянии морской, озерной или лагунной обстановки. По составу дельтовые отложе­ ния равнинных рек разнообразны, но в общем для них характер­ на большая глинистость. В отдельных случаях значительные скопления растительных остатков предрасполагают к образова­ нию угленосных толщ. Молодые глинистые отложения дельты

особенно при быстром их накоплении отличаются большой рых­ лостью. Особенно указанная рыхлость свойственна дельтовым

осадкам, формирующимся в воде с повышенной соленостью, по­ скольку проходящая в этих условиях коагуляция обусловливает

рыхлую агрегатную структуру осадка с очень высокой пористо­

стью. Например, средняя плотность скелета молодых глинистых

отложений в дельте Волги составляет всего лишь 0,42 гjсм2 , а

средняя пористость- 84 %, при этом нужно учитывать, что объ­

ем их годового прироста равен 48 млн м3

233

При наличии в воде кальция в глинистых грунтах дельты об­

разуются водоустойчивые кальциевые агрегаты. В засушливых ме­ стах дельтовые отложения (особенно подводной части) имеют со­

лончаковый характер, в них формируются нестойкие связи из

выкристаллизовавшихся солей или нестойкие связи коллоидного типа вследствие «высаливаниЯ>>. При расслоении такие грунты

приобретают солонцеватость. Высокая пористость большей части дельтовых отложений сказывается на том, что они обладают в

общем значительной сжимаемостью, низкой прочностью и длите­

льным временем консолидации.

Среди отложений субаэральных дельт собственно глинистые

породы развиты весьма мало. Для них характерны лессовидные

супеси и суглинки, обладающие в большинстве случаев типичны­

ми просадочными свойствами.

Глинистые грунты в отложениях ледникового комплекса. Отло­

жения ледникового комплекса слагают мощные толщи мореиных

водно-ледниковых образований, среди которых широко развиты

глинистые породы.

Мореиные образования представлены супесями, суглинками и

глинами, содержащими различное количество дресвы, гравия, га­

льки и валунов. Состав этих образований достаточно закономер­ но изменяется по мере удаления от области питания. Так, на се­

веро-западе Европейской части России это в основном супеси (реже суглинки), переполненные крупновалунным материалом из кристаллических изверженных пород. Далее к югу развиты преи­ мущественно суглинистые толщи, количество включений в кото­

рых гораздо меньше, чем к северу. Еще южнее (на севере Украи­

ны) морена становится еще более глинистой, количество валунов

уменьшается и они уже представлены в основном обломками

местных пород.

Нижние горизонты мореиных толщ по своему составу в зна­

чительной степени связаны с составом подстилающих пород. Для толщ мореиных образований характерны включения отторжен­ цен - крупных глыб или массивов подстилающих ледник пород,

которые по своим инженерно-геологическим особенностям су­ щественно отличаются от мореиных глинистых пород. Если

подобные отторженцы состоят из твердых пород (известняков,

песчаников), они не представляют опасности в инженерно-геоло­

гическом отношении и лишь вносят «осложнения в инженер­

но-геологическую обстановку•>. Отторженцы пластичных мягких

глин (темные глины юры и др.) играют совершенно иную роль:

их наличие может обусловливать большие и, главное, неравно­

мерные осадки зданий на участках их развития. Для мореиных

образований также характерно наличие внутримореиных линз

234

водонасыщенных песков, которые увеличивают неоднородность

строения мореиных толщ и уменьшают их устойчивость в стен­

ках откосов и котлованов.

Глинистые мореиные грунты являются полиминеральными

образованиями. В их глинистой фракuии чаще всего преобладают

ГИдрослюды. Наряду с ними содержится значительное количество

кварuа, полевых шпатов и других минералов, тонкодисперсные

частиuы которых образовались путем механического перетирания

крупных обломков в проuессе движения льда. Водорастворимые

соли имеются в незначительном количестве или полностью от­

сутствуют, равно как и органическое вещество.

Отличительной чертой глинистых мореиных образований явля­

ется их высокая плотность: обычно от 1,80-1,90 до 2,20-2,30 г/см3.

Пористость этих грунтов малаобычно 25-35% (но чаще 30% или намного ниже). Столь высокая уплотненность рассматривае­

мых глинистых грунтов объясняется в первую очередь уплотняю­ щим давлением ледника в период формирования мореиных

толщ. Высокому уплотнению способствовала в значительной

мере большая разнородность гранулометрического состава мореи­

ных грунтов. Высокая плотность, естественно, во многом обус­

ловила невысокую сжимаемость: в общем показатели физико-ме­ ханических свойств характеризуют морену как плотный,

слабосжимаемый грунт. Модули сжимаемости, полученные по

данным

компрессионных

испытаний,

в

интервале

нагрузок

0,1-0,3

МПа находятся

в пределах

от

6 до 10-15

и даже

20 МПа. Для нагрузок 0,3-0,4 МПа их значения обычно больше 1О МПа. Коэффиuиент пористости для мореиных суглинков ле­ жит в пределах 0,3-0,45, а мореиных супесей- 0,4-0,5. Сопро­

тивление сдвигу мореиных грунтов обычно достаточно высокое:

мореиные суглинки имеют сuепление С= 0,08 ...0,19 МПа, угол внутреннего трения <р = 18.. .42°, мореиные супеси соответственно С= 0,08 ...0,001 МПа и <р = 12... 35°. Необходимо отметить, что мо­

ренные суглинки и глины, хотя и обладают значительной водо­

прочностью, все же размокают в воде и размываются водой. Эта

способность мореиных грунтов иногда является причиной дефор­

маuий откосов и дна выемок и котлованов. В инженерно-геоло­

гической практике мореиные глинистые грунты в большинстве

случаев считаются надежными основаниями для самых ответст­

венных и тяжелых сооружений, что обусловлено плотным их сложением, очень низкой пористостью и сжимаемостью.

Среди водноледншсовых (флювиогляциальных) глинистых отложе­

ний наиболее типичными являются широко известные в инженер­ но-геологической практике ленточные глины. Их образование про­

исходило в приледниковых озерах, в которые вода поступала с

235

различной интенсивностью в течение года. При быстром течении

воды и обильном поступлении ее в озера в летнее время отклады­

вались слои с большим содержанием песка (песчанистые), а зимой

при замедленном движении воды и незначительном ее поступле­

нии в озера формпровались глинистые слои. В результате прои­

зошло образование своеобразных песчано-глинистых толщ, ха­ рактеризующихся четко выраженной ленточной слоистостью.

Ленточным глинам свойственны высокая пористость (до 60-65 %) и высокая естественная влажность. Часто естественная влажность

выше значений верхнего предела пластичности, а это значит, что в

условиях естественного залегания описываемые глины находятся в

скрытотекучем состоянии. Ленточное строение придает этим флю­

виогляuиальным отложениям четко выраженную анизотропию в

отношении uелого ряда свойств. В частности, их водопрониuае­

мость, которая в uелом в ленточных глинах невелика, вдоль на­

пластования значительно выше, чем перпендикулярно ему. Так, в

песчаных и пылеватых прослоях, которые главным образом и со­ здают возможность фильтраuии, вдоль напластования коэффиuи­ ент фильтраими kФ = 1·10-1•• .1·10-3 м/сут , а в глинистых прослоях он снижается примерно на два порядка, т. е. до 1·10-5 м/сут. В свя­

зи с незначительной водопрониuаемостью осушение водонасы­ щенной толщи ленточных глин является чрезвычайно трудной ин­

женерной задачей и не всегда осуществимо. Ленточные глины в

естественном состоянии могут без значительных деформаuий вы­

держивать нагрузки до 0,3-0,4 МПа, даже если их естественная влажность превышает верхний nредел пластичности. Повторное

чередование нагрузки и разгрузки в этих пределах придавало, по

данным ряда спеuиалистов, ленточным глинам упругие свойства.

Отмечено также, что после нарушения естественного сложения

породы путем ее перемятия, сопровождающегося переходом грунта

из скрытотекучего состояния в текучее, наблюдается резкое сни­ жение прочностных свойств, а также снижение деформаuионных

показателей. Это указывает на наличие в ленточных глинах внут­

ренних связей между частиuами, сообщающих породе дополните­

льную прочность, несмотря на ее высокую естественную влаж­

ность. Этому способствует наличие среди обменных катионов в

ленточных глинах таких трехвалентных элементов, как железо и

алюминий. Сопротивление сдвигу ленточных глин зависит от мес­

та расположения поверхности сдвига: если поверхность сдвига

расположена в песчанистых прослоях, то значение сопротивления

сдвигу значительно выше, чем если эта поверхность проходит по

глинистым прослоям. Кроме того, ввиду анизотропности породы

это сопротивление изменяется от направления сдвигающего уси­

лия по отношению к поверхности наслоения. Например, для водо-

236

насыщенных ленточных глинутол внутреннего трения, определен­

ный в интервале давлений О,1-0,2 МПа параллельно слоистости, равняется для глинистых слоев 11-13°, для пылеватых- 15-19°, для песчаныхоколо 24°. При сдвиге перпендикулярно слоисто­ сти этот угол в среднем равен 16°. Сцепление в глинистых слоях составляет 0,02-0,03 МПа, в пылеватых- 0,007-0,017 МПа. При

нарушении естественной структуры сцепление как таковое не фиксируется.

Таким образом, ленточные глины характеризуются наличием

четко выраженной ленточной слоистости, высокой пористостью, высокой естественной влажностью, достаточно высокой прочно­

стью при естественном сложении, величина которой резко падает

при его нарушении, четко выраженной анизотропией свойств.

Инженерно-геологические особенности озерных глинистых отло­ жений. Озерные глины и сутлинки имеют сравнительно неширо­

кое распространение. Они, как правило, тонкослоистые, реже линзовидно-слоистые. Отличительной их особенностью является

значительное содержание органических веществ, причем, как

правило, растительные остатки в них плохо разложившиеся, что

наиболее часто отмечается в высокодисперсных глинах. В озер­

ных глинистых породах могут быть встречены любые глинистые

минералы, галлуазит и гидрослюды играют преимущественную

роль. Из аутигеиных неглинистых минералов отмечаются лимо­

нит и другие оксиды железа, пирит, марказит, карбонаты и ино­

гда минералы, состоящие из оксидов алюминия.

По условиям своего формирования озерные отложения очень сильно зависят от общих характеристик водоема (озера), его пита­

ния, наличия впадающих рек, несущих различный терригенный

материал, от гидрологических параметров озера и впадающих в не­

го водотоков, характера, состава и условий залегания горных по­

род, в которых находится озеро. Тем не менее названные особен­

ности состава и строения озерных глинистых отложений являются

достаточно типичными. Высокая пористость и значительное со­

держание органики, а также высокая естественная влажность обу­

словливают невысокие инженерно-геологические характеристики

озерных отложений, таких, как прочность и сжимаемость. Пожа­ луй, лишь низкая водопроницаемость придаст им некоторый по­ ложительный оттенок.

Эоловые глинистые отложения и их инженерно-геологическая

характеристика. Собственно эоловые глинистые грунты развиты

нешироко. Среди них очень интересными образованиями явля­ ются современные глинистые дюны, образующиеся в равнинной частично заболоченной местности близ лагун. Илистые лагунные

осадки, высыхающие в сухое время года и <<скручивающиеся>> в

237

результате этого в глинистые <<стружки>>, переносятся ветром на

некоторое расстояние. В результате многократного повторения

этого проuесса формируются глиняные дюны высотой до не­

скольких метров. К сожалению, эти образования в инженер­

но-геологическом отношении очень плохо изучены, а в качестве

оснований сооружений не используются.

Инженерно-геологическая оценка морских глинистых отложений. Глинистые грунты очень широко распространены среди морских отложений. Они образуются практически во всех областях моря,

впределах которых отсутствует привнос крупного материала и

сушествуют благоприятные гидрохимические и гидродинамиче­

ские условия. Наибольшее распространение они имеют среди от­

ложений глубоких частей моря. По своему составу эти глины наиболее однородны среди других типов глинистых пород.

Сушествуют различные фациальные типы морских глинистых

отложений. Прибрежные глинистые грунты формируются в бухтах,

заливах, лагунах и между островами у побережий, т. е. там, где

отсутствует прибой и непрерывное перемешивание (<<взмучива­

ние») осадков, а поступление с суши грубообломочного материа­

ла очень невелико. Эти отложения залегают в виде прослоев и линз мощностью от 0,2-0,3 до 8-10 м среди толщ изменяюще­

гося состава и очень часто замещаются по простиранию песками,

песчаниками, алевролитами, карбонатными и другими породами. Эти глинистые породы характеризуются некоторой неотсортиро­

ванностью материала - в них встречаются крупнопесчаные и не­

редко грубообломочные включения. Они очень часто обогащены

органическим веществом, которое встречается как в виде тонко­

диспергированного материала (битума, гуммновых соединений),

так и в виде растительных остатков. В этих глинистых отложени­ ях развиты углистые разности. Состав глинистых минералов это­ го фаuиального типа морских глинистых отложений весьма раз­

нообразен: гидрослюды, монотермит, хлориты, монтмориллонит,

реже каолинит. Состав преобладающих минералов зависит от ти­

па выветривания на суше, а также характера механизма переноса

материала в море с суши. Глины часто слюдисты, содержат каль­

цит, сидерит, пирит, иногда сильно ожелезнены.

Глубинные глинистые грунты образуются на глубинах более

40-50 м. Они имеют большое площадное распространение (де­

сятки и сотни квадратных километров) и значительную мощ­

ность (до 100 м и более). Гранулометрический состав их доста­

точно однороден, грубо- и крупнопесчаные частицы в них, как

правило, отсутствуют. Наиболее однородные глины формируются

на участках, удаленных от берега при отсутствии течений, кото­

рые способны привносить обломочный материал. Глины обычно

238

слоистые; слоистость эта тонкая горизонтальная, ленточная, ино­

гда волнистая. Часто слоистость внутри слоев отсутствует или

трудноразличима. В толще глин встречаются следы малых по

масштабу оползневых явлений, микротектоники и т. д.

Ведущую роль в составе тонких фракuий глубинных глин игра­

ют гидрослюды, реже монтмориллонит, еще реже каолинит, при­

суrствует хлорит, сидерит, фосфоритовые, марганuевые и кремне­ земистые включения, пирит в виде конкреuий и зерен, глауконит,

скопления слюды, битумы. Растительного детрита нет, равно как и

нет другой органики.

На глубинах более 3500 м формируется красная океаническая (пучинная) глина. По своим свойствам это типичная глина: твердая

в сухом состоянии, она легко размокает и даже расплывается в во­

де. Красная океаническая глина является результатом накопления

минерального материала, приносимого ветром, морскими течения­

ми, выпадающего материала при вулканических извержениях. К

этому материалу примешивается поступающий на Землю космиче­

ский материал. Все эти поступления подвергаются в морской воде коренной химической переработке. Соленость морской воды обу­

словливает некоторые важные в инженерно-геологическом отно­

шении спеuифические особенности образующихся в морских

условиях глинистых осадков. В частности, сравнительно высокая конuентраuия солей в морской воде (до 35 г/л) вызывает коаrуля­ uию глинистой и коллоидной составляющих осадков с образова­ нием между частиuами коллоидных связей. Эти связи, упрочняясь

во времени, формируют характерное для морских глин скрытопла­ стичное (затвердевшее) состояние. С проuессами коаrуляuии свя­

зано также образование слоистых микроструктур, которые и при­

дают морским глинам часто встречающуюся высокую пористость.

Как известно, среди растворенных в морской воде солей преобла­ дают соли натрия и магния. Эти соли активно взаимодействуют с

привносимым с суши тонкодисперсным материалом, в поглощае­

мом комплексе которого преобладает кальuий, вызывая катион­ ный обмен, при котором кальuий переходит в раствор, а эти соли переходят в поглощенное состояние. Именно в связи с этим в большинстве морских глин в обменном комплексе преобладает

натрий, который активно препятствует агрегаuии их глинистой и

коллоидной составляющих. Однако не все глины морского генези­

са натриевые, довольно много встречено доломитизированных и

мергелистых их разностей, в которых присуrствует значительное

количество кальuия. Для морских глин, естественно, характерным является наличие водно-растворимых солей. При кристаллизаuии

эти соли создают жесткие связи, что увеличивает прочность поро­

ды. Удаление указанных солей изменяет состояние породы, вслед-

239

ствие чеrо ухудшаются ero свойства. Наличие свободноrо кремне­ зема и оксидов железа в морских rлинах обыкновенно ведет к уве­ личению их связности, прочности и водоустойчивости. Противо­ положную роль играют сульфиды железа и орrанические вещества,

которые, разрушаясь, ведут к ухудшению инженерно-геологиче­

ских характеристик пород в силу своих специфических особенно­

стей.

Плотность и состояние морских глинистых пород весьма раз­

нообразны. Разжиженные и мяrкопластичные неуплотненные разности rлин встречаются только в молодых, главным образом, современных осадках. Большинство более древних глин в плат­

форменных областях находится в скрытотекучем или тугоплас­

тичном состоянии: по некоторым данным, их коэффициент

уплотненности близок к единице или превышает ее. Повышен­

ной уплотненностью часто обладают прибрежные глинистые об­

разования, что во многих случаях определяется периодическим

обсыханием прибрежных участков дна моря. Это приводит к вы­ сыханию отложенных на них осадков. При таком высыхании мноrие коллоиды необратимо свертываются, пористость осадков уменьшается, а засоленность увеличивается. Сильно уплотненные

глинистые породы, находящиеся в полутвердом или твердом со­

стоянии, встречаются прежде всеrо в геосинклинальных и силь­

нодислоцированных областях, а также и в пределах платформ, но

на значительной rлубине. Многие морские глинистые отложения,

несмотря на свою высокую уплотненность, подвержены на скло­

нах оползневым явлениям, достигающим иноrда колоссальных

размеров. Это объясняет склонность морских глинистых пород к

оползанию, что связано не с величиной их пористости или сте­ пенью уплотненности, а с их специфическими <<Глинистыми>>

свойствами, которые обусловливают при определенном содержа­

нии влаги в породе весьма низкие значения их сопротивления

сдвигу.

Морские глинистые образования выветриваются достаточно

энергично, образуя зону поверхностного выветривания, мощность

которой (обычно не более 10 м) выше, чем у континентальных

глинистых грунтов. Наибольшей склонностью к выветриванию обладают морские глины, которые образавались в резко выра­ женной восстановительной среде при значительном содержании сероводорода. В результате выветривания естественным образом

прочность глин уменьшается, а сжимаемость увеличивается.

Инженерно-геологические особенности некоторых специфических

глинистых отложений. Свойства и состояние rлинистых грунтов

связаны не только с их rенезисом, но и с возрастом. Гравитаци­

онное уплотнение и высыхание грунтов и связанные с ним фи-

240

зико-химические процессы (выпадение солей, агрегация частиц и

др.), часто имеющие необратимый характер, приводят к умень­

шению пористости грунтов и увеличению прочности структурных

связей в них. В результате этого древние глинистые грунты обла­

дают, как правило, более благоприятными инженерно-геологиче­ скими характеристиками по сравнению с более молодыми и осо­

бенно современными образованиями.

Однако иногда достаточно прочные глинистые грунты встреча­ ются и среди молодых четвертичных образований. Это связано,

конечно, с их генезисом и специфическими условиями формиро­

вания.

Хвалынекие шоколадные глины. Это верхнечетвертичные мор­

ские глины, распространенные в Поволжье, точнее в Прикаспии

на глубине 1-20 м. По своим свойствам и физическому состоя­

нию полутвердые разности этих глин близки к нижнемеловым

породам аптекого яруса Среднего Поволжья, залегающим на глу­ бинах 40-80 м. Повышенная уплотненность и большая проч­

ность хвалынеких шоколадных глин в условиях отсутствия суще­ ственного гравитационного уплотнения указывают, что основное значение в диагенезе этих глин имели процессы высыхания мор­

ского осадка с сохранением первоначального содержания элект­

ролитов. Эти процессы обусловили формирование полутвердых

глин с высоким значением коэффициента уплотненности и зна­

чительной прочностью при высокой их пористости, высокой

концентрации солей в поровом растворе с выпадением их части

в твердом виде. Вследствие быстрого упрочнения в процессе подсыхания в полутвердых разностях хвалынеких глин образава­

лись рыхлые структуры, исключающие их дальнейшее уплотне­

ние при малых нагрузках (в пределах давлений до 1 МПа для

них характерны только упругие деформации).

Со специфическими условиями формирования связаны также

особенности рассмотренных выше четвертичных маренных гли­

нистых грунтов, обладающих высокой плотностью и прочностью. Спондиловые палеагеновые глины. Существенное влияние на со­ стояние и свойства глинистых грунтов оказывают также совре­ менные условия их залегания. В частности, свойства глинистых

грунтов, распространенных под современными речными долина­

ми, оказываются несколько отличными от свойств тех же по воз­

расту и генезису глин, залегающих под современными меЖдуреч­

ными плато. Различия в состоянии и свойствах глин одного и

того же возраста и генезиса, характеризующихся различными со­

временными условиями залегания, обусловлены в первую оче­

редь, неодинаковым их напряженным состоянием, явившимел

следствием различной истории формирования и развития отдель-

241