Механика грунтов / УМК по механике грунтов / Лекция 2 Происхождение и состав грунтов

ЛЕКЦИЯ 2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СОСТАВ ГРУНТОВ

2.1.Природа образования грунтов и виды грунтовых отложений

2.1.1. Осадочные породы как естественно - исторические образования

Согласно современным научным представлениям об истории нашей планеты, первоначально поверхность Земли представляла собой горное плато, состоящее из базальтовых, гранитных и магматических пород. В

процессе физического и химического выветривания горные породы постепенно дробились на более мелкие фракции, которые в виде

минеральных частиц различного диаметра осаждались в местах своего формирования или переносились водными потоками, ветром, ледниками.

Процесс формирования верхней части коры литосферы из продуктов выветривания, называемых осадочными породами, продолжается вот уже более 4 миллиардов лет и не прекращается в наше время.

Мощность осадочных пород может достигать несколько десятков километров. Более древние отложения, залегающие на значительной глубине, со временем и под весом вышележащих пород приобретали свойства прочных практически полускальных пород (так называемые метаморфические породы). Между частицами грунта образовываться цементационные связи, прочность которых в значительной мере зависит

от возраста грунтовых отложений Находясь во влажной среде, частицы грунта могли подвергаться

химическому воздействию молекул воды, растворенных в ней солей и газов. Это в свою очередь приводило к изменению химического состава осадочных пород и дальнейшему их раздроблению.

Все эти процессы (и множество других, которые детально изучаются в ходе курса «Инженерная геология») существенным образом определяют физико-механические свойства грунтовых отложений. Поэтому прежде чем исследовать свойства осадочных пород необходимо установить:

∙из чего образовалась данная осадочная порода;

∙каков возраст этих пород;

∙условия формирования осадочных пород.

2.1.2.Влияния возраста осадочных пород на свойства грунта

Как известно история формирования Земной поверхности разбита на геологические эры:

∙Архейская эра – самая древняя эра, возраст которой более 1 млрд.лет.

Осадочные породы архейской эры представляют собой мощные отложения гнейсов и кристаллических сланцев, залегающих на глубине более 30км. С учетом глубины залегания, осадочные породы архейской эры, за редким исключением, в качестве оснований не используются;

∙Палеозойская эра – характеризуется мощными отложениями (до 15км) различных осадочных пород, в большей степени подвергнутых метаморфическим изменениям (в том числе каменный уголь). Также как и

отложения архейской эры залегают на значительных глубинах и лишь редких случаях выходят близко к поверхности. К примеру кембрийские глины в Ленинградской области возраст которым более 600млн.лет;

∙Мезозойская эра – характеризуется значительными толщами меловых отложений, мелкодисперсных глин. Встречаются на глубине до 1км. В отдельных районах осадочные отложения мезозойской эры

залегают близко к поверхности грунта и нередко используются с качестве оснований;

∙Кайнозойская эра – современная эра, которая, как принято считать, началась примерно 75 млн.лет назад. Эта эра имеет два периода - третичный (свыше 30млн. лет) и четвертичный. Практически по всей Восточно-европейской равнине верхние слои грунта на глубину до

нескольких сот метров слагают осадочные отложения четвертичного периода Кайнозойской эры. Это и крупнообломочные грунты, и пески, и супеси, глины и современные биогенные отложения.

На рис.2.1. приведен карьерный разрез верхней толщи четвертичных отложений. Хорошо видно слоистое залегание грунтов различного типа.

Рис. 2.1. Слоистое напластование осадочных пород

2.1.3. Условия формирование грунтовой толщи

Свойства грунта во многом также зависят от условий формирования осадочных пород:

По условиям формирования грунты бывают:

∙Континентальные;

∙Морские.

К основным континентальным отложениям относятся:

∙Элювиальные – залегающие на месте своего первоначального образования;

∙Делювиальные – перемещаемые под действием сил тяжести или водными потоками (не имеющих русла);

∙Аллювиальные – переносимые постоянными водными потоками на значительные расстояния.

∙Ледниковые – образовавшиеся в результате движения ледников в периоды оледенения;

∙Эоловые – отложения, переносимые ветром.

На рис.2.2. схематично показаны типы отложений и возможные

места их залегания.

Рис. 2.2. Континентальные отложения

На территории Республики Беларусь широко распространенны ледниковые отложения, среди которых можно выделить:

Моренные – представляющие собой глинистые грунты с примесью крупнообломочных частиц (валунов, гравия, крупных песчаных частиц);

Озерно-ледниковые – сформированные в период таяния ледника в виде слоистых глин, песков мелких и пылеватых, образовавшихся на дне внутренних озер и морей ледников.

Флювиогляциальные – песчаные грунты, галька, наносимые по

окаймляющим ледник областям водными потокам во время таяния ледника.

Примеры озерно-ледниковых и флювиогляциальных отложений приведены на рис.2.3, 2.4.

Рис. 2.3. Озерно-ледниковые мелкие пески

Рис. 2.4. Флювио-гляциальные гравийные грунты

Эоловые отложения могут быть представлены двумя генетическими типами: эоловыми песками и пылеватыми (лессовидными) породами. Эоловые пески образуют характерные формы рельефа: песчаные гряды, барханы и др. Эти образования находятся в непрерывном движении и изменяются под действием ветра. /Абуханов, 2006/, рис.2.5.

Рис. 2.5. Эоловые отложения

Если проанализировать типы континентальных грунтов по прочности, то можно сделать следующие выводы. Из четырёх типов наиболее прочными являются элювиальные и моренные грунты, так как “упаковка” минеральных частиц в этом случае наиболее плотная. Следовательно, деформируемость грунта по изменению пористости будет минимальной, а прочность его будет в основном определяться прочностью минеральной части грунта. В то же время делювиальные грунты являются наименее прочными, так как их деформация может возникнуть даже под воздействием собственного веса. Аллювиальные грунты,

сформировавшиеся в водной среде имеют меньшую пористость по сравнению с эоловыми (макропористыми) и поэтому, в конечном счете деформируются меньше. Эоловые (маловлажные в естественных условиях) при замачивании, кроме осадки, дают дополнительную деформацию – просадку, которая может значительно превышать осадку (основную деформацию от внешней нагрузки). Таким образом по прочностным

характеристикам эти типы грунта можно выстроить в следующем порядке (считая на первом месте наиболее прочный грунт): 1 – элювиальный, мореные; 2 - аллювиальный; 3 - эоловый; 4 – делювиальный. /Абуханов, 2006/

В природных условиях грунты представляют собой смесь частиц самых различных диаметров. Основным классифицирующим признаком дисперсных пород является гранулометрический состав грунта, показывающий, какой размер минеральных частиц преобладает в данной породе. Более точное определение гранулометрического состава можно сделать в виде:

Гранулометрический состав - содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различного размера по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта.

Определение грансостава крупнообломочных грунтов выполняют методом разделение частиц по характерным диаметрам при помощи набора сит, рис.2.6. при помощи сит определяются размеры фракций диаметром более 0,8 мм. Разделение пылеватых и глинистых частиц выполняют ареометрическим или пипеточными методами.

Рис.2.6. Набор сит для анализа грансостава

крупнообломочных и песчаных грунтов

По гранулометрическому составу выделяют следующие подгруппы грунтов (в скобках указаны преобладающие размеры частиц и их процентное содержание по массе):

∙валунный ( > 200мм > 50%);

∙галечниковый ( > 10мм> 50%);

∙гравийный (> 2мм > 50%);

∙песок (>2мм <50% и >0.1мм <75%);

∙пылеватые грунты;

∙глинистые грунты.

Необходимо отметить, что в принятой в странах СНГ классификации

пылеватые и глинистые грунты разделяются не по грансоставу а по числу пластичности (см. ниже).

Другим показателем, характеризующим гранулометрический состав, является степень неоднородности. Степень неоднородности оценивается по кривой гранулометрического состава, рис.2.7 и показывает насколько отличаются содержания фракций различного диаметра.

Данная кривая сроится в полулогарифмических координатах, где на

оси абсцисс откладываются десятичные логарифмы характерных диаметров фракций, а на оси ординат процентное содержание по массе частиц диаметром меньше характерного диаметра (более подробно см. лабораторную работу №1).

По кривой грансостава определяются величины d50, d95, d5 – диаметры, меньше которых в грунте соответственно 50%, 95% и 5% по массе.

Максимальная степень неоднородности определяет из выражения:

Umax = d50 d95

d5

Взависимости от величины Umax грунты подразделяются на:

∙однородные;

∙среднеоднородные;

∙неоднородные;

∙повышенной неоднородности.