9. Классификации грунтов

Классификация грунтов – система деления со­вокупности соподчи­ненных единиц (классов, видов, разновидностей и др.) объекта «грунт», используе­мая для установления между ними связей, необхо­димых для достижения поставленной цели.

Проблема классифицирования грунтов в ин­женерной геологии – одна из ключевых проблем, так как без расчленения изучаемой области литосферы на разновидности грунтов, имеющих различные, определенные типы поведения при взаимодействиях, нельзя представить инженерно-геологические условия строительства сооружения. Большинство инженерно-геологических задач и опе­раций требуют отнесения грунтов к определенно­му классу, виду, разновидности. Каче­ство имеющихся в инженерной геологии общих и частных классификаций объекта отра­жает уровень ее развития как научного направления.

Необходимый и достаточный для достиже­ния цели и решения теоретических и практичес­ких задач уровень качества классификации обеспечивается оптимальным количеством и со­ставом единиц классифицируемого множества и признаков-оснований, соблюдением при класси­фицировании правил таксономического анализа. Общая классификация грунтов должна охватывать полное множество частных предста­вителей (моделей, предметов).

Каждый класс анализируемого множества пред­ставляется необходимым и достаточным количе­ством частных элементов. Для классифицирова­ния указываются четкие таксономические правила разделения множества на таксоны и значения параметров, по которым будет устанавливаться принадлежность частного представителя, например образца грунта к определенному классу грунтов.

Выбор структуры классификации, диапазоны возможных из­менений показателей разных качеств в пределах классов и состав признаков в пределах классов множества остается за инженером геологом. Он же руководствуется имеющимися представлениями об объекте и задачами, вытекающими из постав­ленной цели.

9.1. Виды классификаций грунтов в инженерной геологии

Построение классификаций основано на использовании прямых и косвенных (диагностичес­ких) признаков-оснований. Первые имеют непосредственное отношение к решаемым зада­чам, вторые – тесно коррелируются с прямыми признаками и могут использоваться для отнесе­ния объектов в тот или иной класс. В простейших случаях классификация грунтов может быть по­строена на одном наборе признаков-показателей (например, для песков – по гранулометрическому составу), в сложных (с выделением нескольких соподчинен­ных уровней) – на нескольких наборах признаков, причем на каждом уровне может использоваться один (матричная система) и разные наборы признаков (древовидная система). Формальные при­знаки-основания, используемые при построении классификаций, определяются в своем большинстве теоретическими, статистическими и экспе­риментальными полевыми или лабораторными методами. Оба вида классификаций могут в той или иной форме совмещаться.

По назначению все показатели можно подразделить на два типа: классификационные и расчетные.

Расчетными показателями называются показатели, которые используются при проектировании в инженерных расчетах, а также при инженерно-геологических работах, в частности, при расчетах величин показателей одних свойств грунта по характеристиками его состава или других свойств. В качестве расчетных может использоваться широкий круг показателей состава (гранулометрический состав, влажность и др.) и свойств (в первую очередь прочностных, деформационных, водопроницаемости) грунтов.

Классификационные показатели это любые показатели, описывающие особенности состава, строения, состоянии и свойств грунтов, на основе которых в исследуемой их выборке выделяются различные их категории (классы, типы, виды и др.). Именно классификационные показатели используются при составлении классификаций грунтов по различным их особенностям (минеральному и гранулометрическому составу, величине набухания и др.).

По представительности показатели, используемые для характеристики грунтов, подразделяются на частные (индивидуальные) и обобщенные (нормативные и расчетные.

Частные показатели характеризуют любую особенность состава, строения, состояния или свойства грунта в конкретной точке.

Обобщенные показатели описывают те же особенности грунта, но применительно к определенной выборке, полученной при исследовании одного образца грунта в разных его точках или разных образцов одного грунта, отобранных по той или иной системе опробования в толще. К этой категории относятся так называемые нормативные и расчетные показатели. Нормативные значения характеристик грунтов (Х_n) определяют как среднеарифметическую величину частных результатов определений для каждого выделенного на площадке строительства.

Расчетные значения характеристик грунтов определяются по формуле Х=Х_n/γ_g, где Х_n – нормативное значение данной характеристики; γ_g – коэффициент надежности по грунту обеспечивающий безопасность расчета. Коэффициент надежности при вычислении расчетных значений прочностных и физических характеристик (удельного сцепления, угла внутреннего трения нескальных грунтов, сопротивлениия, а также удельного веса) устанавливается в зависимости от их изменчивости, числа определений и значения доверительной вероятности (при расчетах оснований по несущей способности принимается равной 0,95, а по деформациям – 0,85). Для прочих характеристик допускается принимать γ_g = 1.

В практике инженерно-геологических иссле­дований используется два вида классификаций: генетические и формально-логические.

Генетические классификации основаны на определении генезиса и условий образования грунтов, которые устанав­ливаются на основе общих геологических сообра­жений и набора диагностических признаков. Эти операции поддаются лишь ограниченной форма­лизации, что является их существенным недостат­ком. Однако выделяемые генетические типы со­держат богатую информацию о физико-механичес­ких и иных свойствах грунтов и могут служить надежной основой для прогноза их предрасполо­женности к различным естественным и антропо­генным процессам, поведению при взаимодействии с инженерными сооружениями.

Формально-логические классификации осно­ваны на правилах формальной логики, таксоно­мического анализа. Они могут быть, в свою оче­редь, подразделены на частные, отраслевые, региональные, общие.

Частные классификации представляют собой логические построения, подразделяющие множество грунтов по одному или нескольким конкретным, как правило, количественным, морфологическим, для состава и свойств грунтов признакам. Их примерами являются классификация грунтов по гранулометрическому составу, классификация глинистых грунтов по показателю консистенции, классификация грунтов по величине деформации набухания или давления набухания.

Частные классификации, отражающие взаимодействие показателей механических и физических свойств, целесообразно строить по следующей схеме. Первая ступень отражает характеристики, определяющие в конечном итоге наименование грунта, вторая ступень – показатели состава, третья – показатели состояния (физические свойства), четвертая – характеристики механических свойств. Поэтому основной задачей возникающей при разработке частной классификации является выявление показателей состава, физических и механических свойств, которые удовлетворительно коррелировали бы между собой. В частной классификации могут быть приведены значения механических характеристик, при этом разновидности выбирают таким образом, чтобы показатели механических свойств менялись в узком заданном диапазоне.

Отраслевые классификации обычно представляют собой частные классификации грунтов, разработанные применительно к задачам и требованиям определенного, конкретного вида строительной, деятельности человека. Такие классификации разрабатывались применительно к требованиям дорожного, гидротехнического и других видов строительства. Из отраслевых специальных классификаций наиболее распространены следующие.

Классификация грунтов по их устойчивости в откосах. Мерой такой устойчивости является угол естественного откоса, т. е. предельный, наибольший угол наклона поверхности откоса, при котором грунты находятся еще в устойчи­вом состоянии. Классификация применима при проектирова­нии и строительстве каналов, невысоких насыпей, выемок, дамб и дру­гих земляных сооружений.

Классификация по несущей способности грунтов, определяющимся той наибольшей нагрузкой, ко­торая не вызывает опасных деформаций сооружений, осадок, нарушения их устойчивости. Классификация широко ис­пользуется при проектировании и строительстве сооружений, расчетах проходимости техники.

Классификация по способу и трудности разработки горных пород. В этой строительной классифи­кации горные породы подразделяются на категории в зависи­мости от того, каким инструментом они разрабатываются: с применением ударных инструментов, с частичным применением взрывных работ или только взрывным способом. Класси­фикация широко используется при выполнении зем­ляных работ, так как категория пород определяет стоимость 1 м³ земляных работ.

Классификация по крепости пород, характери­зующейся их сопротивлением разрушающим усилиям. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости и упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная М.М. Протодьяконовым, согласно которой все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_кр разделены на десять категорий. Наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3, – к X категории. В строительных нормативных документах принята обратная шкала, в которой наиболее крепкие породы (с f_кр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие – к I группе.

Классификация по степени водопроницаемо­сти или водопоглощения. Показателями водопрони­цаемости горных пород, а для скальных и полускальных пород также их трещиноватости, являются коэф­фициент фильтрации и удельное водопоглощение. Коэффициент фильтрации характеризует скорость движения воды в породе при напорном градиенте, равном единице. Под удельным водопоглощением понимают расход воды, поглощаемой горными породами, вскрытыми скважиной, при напоре 1 м и длине интервала 1 м. Коэффициент фильтрации является абсолютной характеристикой породы, а удельное водопоглощение – относительной, сравнительной. Оба эти показателя часто используются для решения различных строительных задач.

В региональных классификациях систематизируются знания о грунтах развитых на той или иной, но определенной территории. При их построении учитываются не только количественные и качественные, но и генетико-возрастные показатели. В виде региональных могут рассматриваться и частные классификации, «привязанные» к химико-минеральным особенностям грунтов определенной территории. На начальных стадиях проектирования широко используются региональные типизации, которые разрабатываются с учетом районирования территории региона по природным условиям. Районирование также выполняется по определенным логическим принципам [54]:

• объективности, согласно которому, выделяемые районы это объективно существующая в природе реальность;

• генетической взаимосвязи и взаимообусловленности природных условий;

• многогранности, выражающейся в возможности широкого практического применения районирования;

• условности границ, которые в реальности представлены не линиями, а зонами перехода количественных характеристик в новое качественное состояние;

• всеобщей контурности не допускающей существования нерайонированных участков и пересечение границ участков одного ранга;

• монологичности – ведущего принципа определяющего единство критериев для выделения территорий одного иерархического ранга.

Районирование осуществляется на основе выбранных исследователем классификационных признаков, главнейшими из которых являются признаки, характеризующие распространение комплексов пород, которым свойственны однотипное строение, состав, состояние и инженерно-геологические свойства. При установлении значимости и очередности признаков в случае использования многоступенчатых схем районирования, на первых ступенях предпочтение всегда следует отдавать тем признакам, которые связаны с наибольшим числом отдельных компонентов инженерно-геологических условий. Обычно, при районировании территории подразделяются:

• на регионы по структурно-тектоническому признаку,

• на области – по геоморфологическим условиям и особенностям рельефа,

• на районы – по геолого-генетическим комплексам горных пород,

• на участки – по одному из характерных для данной территории факторов.

Общая классификация призвана рассматривать полное, глобальное многообразие (полное множество) грунтов и систематизировать их в определенную, логически непротиворечивую иерархическую систему. При ее составлении осуществляется логическая операция деления понятия «грунт» по отобранным исследователями классификационным критериям, в качестве которых могут быть использованы и генетико-возрастные, и морфологические показатели. Каждая из этих групп показателей должна использоваться на определенных этапах классифицирования, но смешивать их на одном этапе нельзя. Общая классификация грунтов используется для решения многих задач: систематизации мно­жества грунтов в логически непротиворечивую иерархическую систему, получения «мерила теоретической зрелости грунтоведения» или «инструмента для дальнейшего развития теории», обретения осно­вы для построения частных классификаций, ис­пользуемых в практической деятельности инже­нера геолога