2.2.2. Классификационные показатели грунтов содержащих органическую компоненту

Классификация органоминеральных грунтов при проведении инженерно-геологических изысканий проводится так же, как и для минеральных связных (глинистых) грунтов (табл. 2.3), для их подразделения по разновидностям дополнительно следует устанавливать для заторфованных грунтов, илов и сапропелей – содержание органического вещества I_r [34]; а также коэффициент консолидации С_v; для органических грунтов: торфов – степень разложения органического вещества D_pd, зольность D_as [34] и ботанический состав.

При проведении изысканий следует отдавать предпочтение полевым методам исследования грунтов в массиве, учитывая специфические свойства органоминеральных и органических грунтов, особые условия их залегания и трудности отбора образцов без нарушения природного сложения. Необходимо особое внимание уделять исследованиям содержания в грунтах органических веществ, определению профиля минерального дна и свойств слагающих его грунтов.

2.2.2.1. Классификационные показатели органоминеральных грунтов и их определение

Ил – водонасыщенный современный осадок, преимущественно морских акваторий в начальной стадии своего формирования, содержащий органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса, состоящий в основном из пылеватых и глинистых частиц с примесью песчаных зерен. Илами называются грунты, отложенные на этапе седиментации и претерпевшие самые ранние диагенетические-постгенетические изменения. Они занимают первое место в ряду преобразования глинистых осадков в глины: илы – слабоуплотненные глины – уплотненные глины.

Илы формируются в пресноводных и соленых озерах, в акваториях морей и океанов на шельфе, на континентальном склоне и в глубоководных впадинах. Морские илы имеют наибольшее распространение в условиях континентального шельфа (палеодолины, заливы, эстуарии, конуса выноса рек), в прибрежной части Черного, Азовского и Каспийского морей и в приморских районах Дальнего Востока.

Основными компонентами илов являются: терригенный материал, различный по дисперсности и минералогическому составу, органическое вещество и вода. Содержание органических веществ в илах, как правило, менее 10 %. В состав органического вещества илов входят скелетные образования и продукты жизнедеятельности организмов, обитавших на дне моря (бентос) и находящихся во взвешенном состоянии (фито- и зоопланктон).

Минеральный состав крупной фракции илов разнообразен, они содержат кварц, полевые шпаты, слюду и роговую обманку, состав глинистой фракции полидисперсный. Остатки морских организмов: бентос, фито- и зоопланктон, остатки их жизнедеятельности составляют 90 % общего содержания органических веществ. Илы, отложившиеся на дно в периоды с наличием растворенного кислорода в придонном слое воды имеют светлую окраску, при дефиците кислорода в иле образуются сульфидные соединения, придающие ему черный цвет. С течением времени органические отложения в более глубоких слоях минерализуются вследствие разложения органических веществ, образуются сапропелиты глинистые, кремнеземистые, известковые, переходящие в озерный мел, и железистые.

По гранулометрическому составу с учетом коэффициента пористости среди илов выделяются супесчаные (е≥0,9), суглинистые (е≥1) и глинистые илы (е≥1,5). Микростроение глинистых и суглинистых илов – ячеистое, для супесчаных илов – скелетное. Обычно илы имеют коэффициент пористости 0,9–1,5 д. ед. (величина е возрастает от супесчаных к глинистым разновидностям), влажность 0,7–0,8 д. ед. (до 2,0 у глинистых илов богатых органическими веществами), содержание частиц мельче 0,01 мм составляет 30–50 % по массе. Плотность твердых частиц – 2,22–2,83 г/см³, плотность естественная – 1,17–2,02 г/см³, плотность скелета от 1,15 до 1,60 г/см³. Консистенция текучая, скрытотекучая, реже текучепластичная или пластичная [111].

При описании донных отложений озер используют преимущественно классификацию осадков Н.М. Страхова, водохранилищ – классификацию осадков М.В. Кленовой (табл. 2.13). Помимо терригенных алевритовых и глинистых илов в классификации Н.М. Страхова выделяются осадки хемогенные: карбонатные, кремнистые и биогенные, обогащенные органическими веществами, если в химическом составе осадков содержится соответственно СаСО₃, SiО₂ и органического вещества 10 % и более (сапропель).

Таблица 2.13

Классификации осадков в водоемах

По М. В. Кленовой		По Н. М. Страхову
Донные отложения	Количество частиц размером <0,01 мм, %	Тип отложений терригенных осадков	Средний диаметр частиц, мм
Песок	< 5	Пески	> 0,1
Илистый песок	5–10	Крупноалевритовые илы	0,1–0,05
Песчанистый ил	10–30	Мелкоалевритовые илы	0,05–0,01
Ил	30–50	Глинистые илы	< 0,01
Глинистый ил	> 50	–	–

Особой разновидностью морских илов являются иольдиевые глины представленные глинами и суглинками. Верхние слои иольдиевых отложений общей мощностью от 0,3 до 2,0 м имеют сравнительно высокую плотность и прикрывают нижележащую толщу отложений, характеризующихся высокой влажностью (>60 %), малыми значениями объемного веса скелета грунта (<1), резкой потерей несущей способности после разрушения естественной структуры, тиксотропными свойствами.

Учитывая то, что многие илы Мирового океана, согласно критерию Аттерберга, относятся к грунтам текучей консистенции (w>w_l), у морских илов консистенция не может выступать в качестве критерия для выделения инженерно-геологических горизонтов. Поэтому возникла необходимость доработки существующих классификаций применительно к условиям морского дна, в первую очередь в части более дробного разделения грунтов малой степени литификации [64].

Я.В. Неизвестнов предложил специальную инженерно-геологическую классификацию морских грунтов (табл. 2.14), где разделение связных грунтов с коагуляционными связями проводится по их прочности, выраженной сопротивлением вращательному срезу грунта естественного сложения – недренированной прочностью, с_u. В основу создания инженерно-геологической классификации донных грунтов Мирового океана была положена классификация Ф.П. Саваренского и В.Д. Ломтадзе с учётом классификации Е.М. Сергеева и ГОСТ 25100.

Таблица 2.14

Классификация морских донных грунтов [64]

Классы	Группы	Подгруппы
I. Устойчивые	I а. Твёрдые скальные (кристаллизационные и прочные цементационные связи)	Весьма высокой прочности (Rс >400 МПа)
		Высокой прочности (Rс от 50 до 400 МПа)
II. Относительно устойчивые	II а. Относительно твёрдые Полускальные (преимущественно цементационные связи)	Прочные (Rс от 15 до 50 МПа)
		Средней прочности (Rс от 2,5 до 15 МПа)
		Малой прочности (Rс от 0,5 до 2,5 МПа)
	II б. Рыхлые	Относительно прочные (φ>30°) (преимущественно механические связи)
		Относительно слабые (φ< 30°)
	II в. Мягкие (преимущественно ближние коагуляционные связи)	Полутвёрдые (сu>50 кПа)
		Тугопластичные (сu от 20 до 50 кПа)
		Мягкопластичные (сu от 10 до 20 кПа)
		Текучепластичные (сu от 5 до 10 кПа)
	II г. Слабые (преимущественно дальние коагуляционные связи)	Вязкотекучие (сu от 1 до 5 кПа)
		Жидкотекучие (сu < 1)
III. Неустойчивые	III а. Растворимые и выщелачиваемые	Слаборастворимые (растворимость <1г/л)
		Сильнорастворимые (растворимость >1г/л)
	III б. Мёрзлые льдистые и содержащие кристаллогидраты	Слабопросадочные (относительная просадочность при оттаивании под нагрузкой 0,1 МПа 0,01–0,10)
		Сильнопросадочные (относительная просадочность при оттаивании под нагрузкой 0,1 МПа свыше 0,10)
	III в. Обогащённые органическим веществом	Слабообогащённые (с содержанием органического вещества 0,10–0,25)
		Среднеобогащённые (с содержанием органического вещества 0,25–0,50 )
		Сильнообогащённые (с содержанием органического вещества свыше 0,50)

Классы выделены по устойчивости грунтов под воздействием нагрузок от сооружений: устойчивые (практически недеформируемые), относительно устойчивые (слабо деформируемые при соответствии нагрузок физико-механическим свойствам) и неустойчивые (подвергающиеся интенсивным деформациям до полного разрушения при изменении условий окружающей среды).

Группы устойчивых и относительно устойчивых грунтов выделены по характеру структурных связей: твёрдые скальные (кристаллизационные и прочные цементационные связи), относительно твёрдые полускальные (преимущественно цементационные структурные связи), рыхлые (преимущественно механические связи), мягкие (преимущественно ближние коагуляционные связи) и слабые (преимущественно дальние коагуляционные связи). Группы класса неустойчивых грунтов выделяются по особенностям их свойств и состава, определяющим причины их неустойчивости: растворимые и выщелачиваемые; мёрзлые, льдистые и содержащие кристаллогидраты; обогащённые органическим веществом. Группа рыхлых пород разбита на две подгруппы исходя из значений угла внутреннего трения в водонасыщенном состоянии.

Подгруппы выделяются по прочности грунтов, определяющей их несущую способность. Все морские илы, глины, суглинки, супеси по этой классификации разделены на две группы и 6 подгрупп. Наименования подгрупп мягких грунтов принято в соответствии с разделением глинистых отложений по консистенции, исходя из эквивалентных значений удельных сопротивлений пенетрации, предложенных В.Ф. Разорёновым, определённых для образцов с нарушенной структурой. Инженерно-геологические подгруппы подразделяются на генетические типы, а генетические типы – на литологические виды [64].

Для илов необходимо определять карбонатность (содержание карбоната кальция), учитывая широкое развитие карбонатных пород в отложениях озер и южных морей России (Черное и Каспий), а также существенные отличия этих грунтов (по прочностным свойствам и изменчивости) от пород некарбонатных. В практике зарубежных изысканий карбонатность определяется непосредственно в море и является одним из основных классификационных свойств (ASTM D4373). В связи с отсутствием в российской инженерно-геологической практике соответствующего стандарта рекомендуется выполнять визуальное определение карбонатности грунтов в соответствие с табл. 2.15 [113].

Таблица 2.15

Визуальное определение карбонатности грунтов [113]

Весовое содержание	Реакция с 10 % раствором HCl	Визуальный результат
0–10 %	В глинах нет пузырьков или слабое пенообразование, в песках реакция ограничена отдельными частицами или проявлениями на поверхности	Почти весь грунт сохраняется нерастворенным
10–50 %	В глинах ясно видимая продолжительная реакция и пенообразование, в песках интенсивная реакция	Большая часть грунта сохраняется нерастворенной
50–90 %	Интенсивная реакция	Только небольшая часть грунта сохраняется нерастворенной
90–100 %	Интенсивная реакция	Грунт почти весь растворяется

Сапропель (от греч. saprós – гнилой и pelós – ил, грязь) – пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов и содержащий более 10 % (по массе) органического вещества в виде гумуса и растительных остатков. Название «сапропель» было дано озерному илу в конце прошлого столетия Лаутернборном. Вещество это преимущественно биологического происхождения, образующееся под водой, на дне пресноводных водоемов из остатков планктонных и бентосных организмов, при большой роли бактериальных процессов, происходящих в поверхностных слоях отложений при малом доступе кислорода.

Сапропели (называемые также гиттиями) – образования промежуточные между торфами, с одной стороны, и озерными илами и мергелями, с другой. Иногда различают «сапропелевый торф», «известковый сапропель», «глинистый сапропель» и т.д. Эти отложения состоят преимущественно из остатков отмершего планктона и представляют собой студенистую, вязкую массу от тугопластичной до текучей консистенции, разнообразно окрашенную – темно-зеленую, оливковую, серую, коричневую и др. Нередко сапропели имеют микрослоистое строение, переслаиваются с песком и илом и содержат включения древесины, водорослей и т.п.

Сапропелевые грунты подразделяют на сапропелиты и собственно сапропели – органические илы. Содержание органических веществ в первых составляет 30–60 %, во вторых – более 60 %. Эти грунты приурочены к стоячим или слабопроточным водоемам, например, зарастающим озерам. Образование их происходит в результате накопления и разложения в условиях резко восстановительной среды остатков фито- и зоопланктона, высших растительных и животных организмов, а также седиментации привнесенного тем или иным путем минерального материала: песчано-пылеватых зерен, глинистых частиц, тонкой гелеобразной массы, находившейся до выпадения в осадок в коллоидально-молекулярном состоянии. Сапропели встречаются в нижнем горизонте торфяников, образовавшихся при зарастании озер. Мощность сапропелей 0,5–10,0 м (редко больше).

Сапропели в естественном состоянии – это многокомпонентные полидисперсные системы. Содержание органического вещества в сапропелях составляют 15–95 % массы сухого вещества. Состав его представлен битумоидами, углеводным комплексом (гемицеллюлозы и целлюлозы), гуминовыми веществами (гуминовыми кислотами, фульвокислотами), негидролизуемым остатком. Основными компонентами органического комплекса сапропелей являются легкогидролизуемые и гуминовые вещества, на которые приходится 60–80 % органического вещества. Содержание гуминовых кислот изменяется от 4–9 до 50–60 % от органического вещества. Суммарное количество водорастворимых и легкогидролизуемых веществ в сапропелеобразователях от органического вещества составляет 30–60 %, в том числе гемицеллюлозы – 10–27 %, целлюлозы – 9–39 %. В сапропелях выделено 17 аминокислот, из которых преобладают лизин, аргинин, треонин, метионин, фенилаланин, лейцин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аланин, пролин, цистеин. Аминокислоты сапропелей в значительной степени входят в состав гуминовых кислот, где азот составляет около 7 % [128].

Сапропели имеют коэффициент пористости от 3 до 16 д. ед., как правило, текучую консистенцию, высокую дисперсность – содержание частиц крупнее 0,25 мм обычно не превышает 5 % по массе. Характерной особенностью сапропелей является высокое влагонасыщение в естественном состоянии. Влажность сапропелевых отложений составляет от 100 до 2000–3000 %, плотность твердых частиц изменяется от 1,4 до 2,6  г/см³; плотность скелета от 0,05 до 0,5 г/см³. Различия объясняются неоднородностью химического состава сапропелей и разным соотношением зольной и органической частей [111].

Основным минералом легкой фракции в сапропели является кварц, часто встречается пирит, глинистая фракция в основном представлена каолинитом. В золе содержатся макроэлементы (кальций, фосфор, сера, калий, кремний и др.), микроэлементы (марганец, медь, кобальт, цинк, бор, молибден, кадмий, никель, фтор, хром, ванадий и другие), их содержание зависит от типовой и видовой принадлежности отложений.

При описании сапропелей следует дополнительно отмечать их разновидность по составу: известковистые, кремнеземистые, детритовые. Среди слабоминеральных сапропелей выделяют грубодетритовые (торфянистые и гумусированные) и тонкодетритовые (водорослевые), диатомовые.

При проведении инженерно-геологических изысканий для классификации сапропелей по разновидностям суммарное содержание всех органических веществ в грунте оценивается величиной относительного содержании органического вещества I_r, которое равно отношению массы органического вещества в образце абсолютно сухого грунта к массе грунта и измеряется в долях единицы или в %.

Таблица 2.16

Классификация органоминеральных грунтов [34]

1. Классификация глинистых грунтов и песков по относительному содержанию органического вещества
Разновидность грунтов	Относительное содержание органического вещества Ir, д. ед.
	глинистые грунты	пески
Сильнозаторфованный	0,50 – 0,40	–
Среднезаторфованный	0,40 – 0,25	–
Слабозаторфованный	0,25 – 0,10	–
С примесью органических веществ	0,10 – 0,05	0,10 – 0,03
2. Классификация сапропелей по относительному содержанию органического вещества
Разновидность сапропелей	Относительное содержание органического вещества Ir, д. ед.
Минеральная	0,10 – 0,30
Среднеминеральная	0,30 – 0,50
Слабоминеральная	> 0,50

Количество органических веществ I_r в сапропелях является их главным классификационным показателем (табл. 2.16) [34], прямо связанным с проточностью водоема. Для определения I_r надлежит установить раздельно количество растительных остатков и гумуса.

Определение растительных остатков и содержания гумуса [31]. Растительные остатки следует выделить из грунта сухим или мокрым способом, после чего определить их количество. Для установления количества гумуса необходимо определить содержание углерода разложившихся органических веществ в грунте – органического углерода. Взятую пробу необходимо поместить на стекло с под­ложенной под него бумагой для фона. Растительные остатки следует тщательно отбирать под лупой, раздавливая комочки грунта пинцетом (сухой способ). Для ускорения процесса уда­ления растительных остатков из грунта следует пользоваться неэлектризованной пластинкой из органического стекла, а при боль­ших количествах растительных остатков применять отмучивание их в водопроводной воде (мокрый способ).

Для определения органического углерода надлежит применять методы: оксидометрический и сухого сжигания [31].

Оксидометрический метод следует применять для опреде­ления органического углерода в песчаных и глинистых грунтах, содержащих менее 10 % гумуса, а в грунтах, содержащих хлориды, – после удаления последних. Органическое вещество надлежит окислить двухромовокислым калием в сильнокислой среде до образования углекисло­ты, затем оттитровать избыток двухромовокислого калия раство­ром соли Мора и определить содержание органического углерода по разности объемов солей Мора, израсходованных на титрование двухромовокислого калия в опыте без грунта и в опыте с грунтом.

Метод сухого сжигания в кислороде следует применять для определения органического углерода в грунтах морского, ли­манного, старичного, озерного, болотного происхождения и в грунтах, содержащих более 10 % гумуса, после удаления карбона­тов. Окисление углерода бескарбонатной навески грунта сле­дует производить сжиганием этой навески в потоке кислорода при температуре 950–1000°С до прекращения выделения угле­кислого газа, учитываемого газообъемным методом, с последу­ющим пересчетом на углерод. Содержание органического углерода в грунте надлежит определять в процентах сухого вещества пробы и пересчитывать на количественное содержание гумуса, применяя коэффициент – 1,724.

Почва – это особое природное образование, обладающее некоторыми свойствами, присущими живой и неживой природе. Почва состоит из генетических горизонтов, образующих почвенный профиль и возникающих в результате преобразования растительных остатков и поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха и организмов. Рыхлая толща может иметь мощность от нескольких сантиметров до 1,5–2 метров. Почвы подразделяются на горизонтальные слои или генетические горизонты: гумусово-аккумулятивные, иллювиальные горизонты, элювиальные горизонты, глеевые горизонты, горизонты почв долин, материнская (или почвообразовательная) порода. Сочетание тех или иных горизонтов, их последовательность, морфология дают различные типы почв и характер их строения [60]. В нормативных документах [34] классификация почв не приводится, так как сами почвы попадают под классификацию дисперсных грунтов и при строительстве сооружений верхний дерновый слой обычно удаляется.

Грунт заторфованный – песок и глинистый грунт, содержащий в своем составе в сухой навеске от 10 до 50 % (по массе) торфа. Заторфованные грунты занимают промежуточное положение в ряду: минеральные связные грунты с растительными остатками – заторфованные связные грунты – торф, хотя и включают пески. По относительному содержанию органического вещества I_r заторфованные глинистые грунты и пески подразделяют согласно табл. 2.13.