9.2. Общая классификация грунтов

Представления о классифицировании грунтов существенно изменялись во времени по мере на­копления сведений об их составе, свойствах, структуре, особенностях поведения при различ­ных взаимодействиях. Одними из первых являются классификации грунтов оснований сооружений Витрувия (I в. до н. э.) и А. Палладио (1570). Изве­стны классификации М.С. Волкова (1840), Ф.П. Саваренского (1937), Н.Н. Маслова (1941, 1982), Е.М. Сергеева, В.А. Приклонского, П.Н. Панюкова и Л.Д. Белого (1957), В.Д. Ломтадзе (1970, 1984), Г.К. Бондарика (1981) и др.

В I в. до н. э. архитектор Витрувий предлагал при строительстве зданий разделить основания, сложенные материковыми (коренными), наносными и болотистыми грунтами [52].

Спустя полто­ры тысячи лет А. Палладио более подробно рас­смотрел и даже классифицировал грунты основа­ний сооружений. Он выделял: «природные фундаменты» – камни, туф, твердую почву, гра­вий, песок, разрыхленную землю, землю мягкую (глинистую – авт.) и болотистую. А. Палладио предложил и первые специальные методы оценки грунтов оснований сооружений. Можно отметить близость структуры и содержания одной из первых инженерно-геологических классифи­каций грунтов к разделению грунтов на первом уровне (группы) в классификации пород (грун­тов) Ф.П. Саваренского (1937), выделяющего на уровне групп породы скальные, полускальные, мягкие связные, рыхлые несвязные и, наконец, мягкие и рыхлые породы особого свойства или состояния.

Классификация Ф.П. Саваренского в неявном виде содер­жит две части. В первой части на первом, втором и третьем уровнях разделения классифицируются горные породы. Выде­ляются 5 основных групп пород, классы и подклассы.

Группа А. Твердые компактные «скальные» породы, практи­чески не сжимаемые. Сюда входят магматические, метаморфические и прочносцементированные осадочные породы.

Группа В. Отдельно твердые и компактные породы «полу­скальные». Слабосжимаемые – выветрелые, трещиноватые породы группы А, а также слабоцементиро­ванные и растворимые в воде осадочные породы.

Группа С. Мягкие пластичные связные глинистые породы. Практически водонепроницаемые. Прочность зависит от степени увлажнения.

Группа Д. Рыхлые несвязные породы, хорошо водопроница­емые (пески, галечники, гравий).

Группа Е. Мягкие рыхлые породы особого состава и состо­яния (торф, насыпные грунты, илы),

При характери­стике таксономических единиц приведены данные о свойствах, которые можно использовать при инженерно-геологической оценке. Во второй части классификации рассмотрены свойства грунтов, выявляющиеся при взаимодействии твердой и жидкой фаз и при внешних взаимодействиях.

В.Д. Ломтадзе, дополнивший классификацию Ф.П. Сава­ренского, четко выделил две части классификации: в первой части классифицируются горные породы, а во второй – грунты.

В классифика­ции Н.Н. Маслова также можно выделить две части. Первая часть предусматривает практически такое же разделение пород, как и в классификации Ф.П. Саваренского, затем вы­деляются подмножества пород (классы) по гидростойкости и перечисляются группы пород. Во второй части классифика­ции содержится разделение пород по свойствам, характеризую­щим уже не горную породу, а фазовую систему, грунт. Разде­ление учитывает характер взаимодействия грунта с сооруже­нием, при нагрузке, при неравномерной осадке, при сдвиге, фильтрации и т. д.

Наиболее распространена общая инженерно-геологическая классификация, разработанная Е.М. Сергеевым, В.А. Приклонским, И.И. Панюковым и Л.Д. Белым и принятая в 1957 г. совещанием по инженерно-геологическим свойствам горных пород. В классификации выделены 3 класса пород по характеру связей между частицами: I класс – породы с жесткими связями; II класс – породы без жестких связей; III класс – искусственные грунты. В свою очередь, породы I класса делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные, II класса – на осадочные и почвы. Дальнейшее деление пород производится по литолого-минералогическому составу и состоянию пород.

Все перечисленные классификации предусматривают выде­ление пяти групп (классов) пород: скальных, полускальных, рыхлых, связных и пород особого состава, состояния и свойств (слабых). Эти классификации нельзя считать генетическими, так как группы объединяют породы разного происхождения. Их преимущество в том, что группы пород сопоставлены с их свойствами, охарактеризованными количественно, и указано, какие процессы следует ожидать при взаимодействии с соору­жениями. Недостатком классификаций следует считать смеше­ние признаков-оснований, одни из которых относятся к горным породам, а другие – к грунтам (фазовым системам). Следствием смешения признаков-оснований является нечеткость отражения объекта в классификации [50].

Классификации грунтов, принятые в странах западной Европы и США, основаны на тех же принципах, что и в России. Используются те же или близкие наборы признаков и в основном ана­логичные или близкие по сути методы их определения. Редко, например, при определении влаж­ности на границе текучести или усадки методы анализа отли­чаются полностью. По числу таксономических единиц все они упрощены и, как правило, ограни­чиваются выделением двух, трех уровней. Кроме того, они дополняются значительным числом ча­стных классификаций, рассчитанных на решение частных задач. Они также имеют свои достоинст­ва и недостатки, которые можно учитывать и ис­пользовать при обновлении классификации грун­тов в России [50].

За рубежом в настоящее время наибольшим распространением пользуется Unified soil classification system (USCS или US), разработанная в 1952 г. инженерами военного корпуса США при кон­сультативном участии А. Казагранде. Различные модификации этой классификации вошли в каче­стве основы в национальные стандарты практи­чески всех стран: США, Германии, Англии, Авст­ралии, стран Латинской Америки и многих дру­гих, в том числе и в стандарты объединенной Европы.

Рис. 9.1. Подразделение грунтов по гранулометрическому составу в классификациях: СE – Corp of Engeneers, USBR – U.S. Bureau of Reclamation, AASHTO – American Association for Highway and Transportation Officials, ASTM –American Society for Testing and Material, USDA – U.S. Department of Agriculture, ISSS – International Society of soil Science

Базовыми характеристиками при классификации грунтов как по ГОСТ, так и по наиболее часто используемым стандартам BS (Великобритания) и ASTM (США) являются грансостав и параметры пластичности (для связных грунтов), но при этом применяются разные критерии идентификации. В частности, критерием принадлежности дисперсных минеральных грунтов к виду глинистых согласно ГОСТ 25100 является обладание числом пластичности I_p>1; дальнейшая их классификация по разновидностям производится по числу пластичности, содержанию фракций 0,05–2 мм и показателю текучести I_L. Нужно отметить, что подразделение по фракционному составу отличается в разных классификациях (рис. 9.1). В зарубежных стандартах принадлежность к связным (глинистым) грунтам определя ется процентным содержанием мелких частиц (диаметром менее 0,075 мм по ASTM и менее 0,063 мм по BS), а дальнейшая классификация выполняется по соотношению числа пластичности PI и влажности на границе текучести LL в соответствии с диаграммой, разработанной А. Казагранде и включенной как в ASTM, так и в BS. Следует отметить, что методики определения влажности на границах раскатывания w_p и текучести w_L и пределов пластичности PL и текучести LL имеют некоторые отличия, что приводит к различным количественным оценкам этих характеристик. Число выделяемых разновидностей (групп) в рассматриваемых стандартах также не совпадает. Очевидно, что взаимно однозначный перевод терминологии невозможен как из-за различия критериев выделения глинистых и песчаных грунтов и разделения их на группы, так и из-за количественного несоответствия классификационных групп [4].

Среди классификационных параметров кроме пределов Аттерберга и гранулометрического состава, в классификации American association for highway and transportation officials (ААSHTO) используется групповой индекс:

G=(F–35) (0,2+0,005(LL–40))+0,01(F–15)(I_p–10),

где F – содержание глинистых и алевролитовых частиц (диаметром менее 0,074, проходящих через сито № 200), %, LL – показатель текучести, I_p – число пластичности. Групповой показатель характеризует качество грунта в основании сооружений: 0 – отличное, 0–1 – хорошее, 2–4 – удовлетворительное, 5–9 – плохое, 10–20 – очень плохое.

Используемый в настоящее время в России для классифицирования грунтов ГОСТ 25100 [34] разработан Производственным и научно-иссле­довательским институтом по инженерным изыс­каниям в строительстве (ПНИИИС) с участием других институтов на основе подхода, предложен­ного Р.С. Зиангировым и В.Т. Трофимовым. Ав­торы классификации (табл. 9.1–9.4) включили в нее как генети­ческие признаки, так и более 30 формальных, ча­стных классификаций, позволяющих переходить к расчетам, используемым СНиП, СП, другими нормативами.

Таблица 9.1

Класс природных скальных грунтов [34]

Группы	Подгруппа		Тип		Вид	Разновидности
Скальные	Маг­мати­ческие	Интрузивные	Силикатные	Ультраосновного состава	Перидотиты, дуниты, пироксениты	Выделяются: 1. по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии; 2. плотности скелета грунта; 3. коэффициенту выветрелости; 4. степени размягчаемости; 5. степени раствори­мости; 6. степени водопро­ницаемости; 7. степени засолен­ности; 8. структуре и текстуре; 9. температуре.
				Основного состава	Габбро, нориты, анорто­зиты, диабазы, диабазо­вые порфириты, долериты
				Среднего состава	Диориты, сиениты, пор­фириты, ортоклазовые порфиры
				Кислого состава	Граниты, гранодиориты кварцевые, сиениты, ди­ориты, кварцевые пор­фиры, кварцевые пор­фириты
		Эффузивные		Основного состава	Базальты, долериты
				Среднего состава	Андезиты, вулканогенно-обломочные грунты, обсидианы, трахиты
				Кислого состава	Липариты, дациты, риолиты
	Метаморфические		Силикатные		Гнейсы, сланцы, квар­циты
			Карбонатные		Мраморы, роговики, скарны
			Железистые		Железные руды
	Осадочные		Силикатные		Песчаники, конгломераты, брекчии, туффиты
			Карбонатные		Известняки, доломиты
Полускальные	Эффузивные		Силикатные		Вулканогенно-обломочные грунты
	Осадочные		Силикатные		Аргиллиты, алевролиты, песчаники
			Кремнистые		Опоки, трепела, диато­миты
			Карбонатные		Мела, мергели, извес­тняки
			Сульфатные		Гипсы, ангидриты
			Галоидные		Галиты, карнолиты

Таблица 9.2

Класс природных дисперсных грунтов [34]

Группа	Подгруппа	Тип		Вид	Разновидности
Связные	Осадочные	Минеральные	Силикатные Карбонатные Железистые Полиминеральные	Глинистые грунты	Выделяются: 1. по гранулометрическому со­ставу (крупнообломочные грунты и пески); 2. числу пластичности и гранулометрическому составу (тинистые грунты и илы); 3. степени неоднородности гранулометрического состава (пески); 4. показателю текучести (глинистые грунты); 5. относительной деформа­ции набухания без нагруз­ки (глинистые грунты); 6. относительной деформа­ции просадочности (глинистые грунты); 7. коэффициенту водонасыщения (крупнообломоч­ные грунты и пески); 8. коэффициенту пористости (пески), 9. степени плотности (пески); 10. коэффициенту выветрелости (крупнообломочные грунты); 11. коэффициенту истираемости (крупнообломочные грунты); 12. относительному содержа­нию органического ве­щества (пески и тинистые грунты); 13. степени разложения (торф); 14. степени зольности (торф); 15. степени засоленности; 16. относительной деформа­ции пучения; 17. температуре
		Органо- минеральные		Илы Сапропели Заторфованные грунты
		Органические		Торфы и др.
Несвязные	Осадочные	Минеральные	Силикатные Карбонатные Полиминеральные	Пески Крупнообломоч­ные грунты

Таблица 9.3

Класс природных мерзлых грунтов [34]

Группа	Подгруппа		Тип	Вид	Разновидности
Скальные	Промерзшие	Интрузивные Эффузивные Метаморфические Осадочные	Ледяные минеральные	Те же, что и для скальных грунтов	Выделяются: 1. по льдистости за счет видимых ледяных включений; 2. температурно-проч­ностным свойст­вам; 3. степени засолен­ности; 4. криогенной тек­стуре
Полускальные		Эффузивные Осадочные
Связные		Осадочные	Ледяные минеральные	Те же, что и для дисперсных грун­тов
			Ледяные органоминеральные
			Ледяные органические
Ледяные	Конституционные (внутригрунтовые)		Льды	Льды сегрегацион­ные, инъекционные, ледниковые
	Погребенные			Льды наледные донные, речные, озерные, морские, инфильтрационные (снежные)
	Пещерно-жильные			Льды жильные, повторножильные, пещерные

Таблица 9.4

Класс техногенных грунтов (скальных, дисперсных и мерзлых) [34]

Группа	Подгруппа			Тип	Вид	Разновидности
Скальные Полускальные	Природные об­разования, изме­ненные в услови­ях естественного залегания	Измененные физи­ческим воздействием		Те же, что и для природных скаль­ных грунтов	Те же, что и для при­родных скальных грунтов	Выделяются как соответствую­щие разновидности классов природных грунтов с учетом специфических особенностей и свойств техногенных грунтов
		Измененные физи­ко-химическим воз­действием
Связные , несвяз­ные	Природные об­разования, изме­ненные в услови­ях естественного залегания	Измененные физи­ческим воздействием		Те же, что и для природных дис­персных и скаль­ных грунтов (раздробленных)	Те же, что и для при­родных дисперсных и скальных грунтов (раздробленных)
		Измененные физи­ко-химическим воз­действием
	Природные перемещенные образования	Насыпные
		Намывные
	Антропогенные образования	Насыпные		Отходы производ­ственной и хозяй­ственной деятель­ности	Бытовые отходы, Промышленные от­ходы: строительные отходы, шлаки, шла­мы, золы, золошла­ки и др.
		Намывные
Скальные, полускальные	Природные об­разования, изме­ненные в услови­ях естественного залегания	Измененные физи­ческим (тепловым) воздействием		Те же, что и для природных мерз­лых грунтов	Все виды природных скальных грунтов	Выделяются как соответствую­щие разновидности классов природных грунтов с учетом специфических особенностей и свойств техногенных грунтов
		Измененные хими­ко-физическим воз­действием
Связные , несвяз­ные , ледяные	Природные об­разования, изме­ненные в условиях естественного залегания	Измененные физи­ческим (тепловым) воздействием		Те же, что и для природных мерз­лых грунтов	Все виды природных дисперсных грунтов
		Измененный хими­ко-физическим воз­действием
	Природные перемещенные об­разования	Насып­ные Намывные	Изменен­ные фи­зическим (тепло­вым) или химико-физичес­ким воздействием
	Антропогенные образования	Насып­ные Намыв­ные Намо­рожен­ные			Бытовые отходы Промышленные от­ходы: строительные отхо­ды, шлаки, шламы, золы, золошлаки и др. Искусственные льды

Согласно [34] все грунты в общей классификации разделяются на основе следую­щих признаков-оснований:

а) класс – общий ха­рактер структурных связей;

б) группа – по харак­теру структурных связей (с учетом их прочности);

в) подгруппа – по происхождению и условиям образования;

г) тип – по вещественному составу;

д) вид – по наименованию грунтов (с учетом раз­меров частиц и показателей свойств);

е) разновид­ности – по количественным показателям вещест­венного состава, свойств и структуры грунтов.

В целом, требования, предъявляемые к общей классификации грун­тов, можно сформулировать следующим образом: общая классификация грунтов должна представлять собой классификацию фазовых систем – грунтов и быть логической системой для разделения полного множества грунтов в пространстве признаков; классификация в той или иной мере должна учитывать генезис и процессы литогенеза твердой фазы грунта–горной породы. Это требование вытекает из главнейшего положения грунтоведения (свойства геологической среды есть функция литогенеза); классификация должна отвечать на вопрос о том, как будет вести себя грунт при изменении фазового состава, фазового состояния и при внешних взаимодействиях, насколько интенсивно и с какой скоростью будет уплотняться, по какому типу будет разрушаться и т. д.; классификация должна быть основой для разработки классификаций грунтов, используемых при проектировании сооружений; классификация должна быть логически непротиворечи­вой и формально строгой [32].

Классифика­ция, ориентированная на массовое типовое граж­данское и промышленное строительство, которое охватывает подавляющее большинство строящихся сооружений, должна быть более простой. Практический опыт, отраженный в нормативных документах, показал, что в первую очередь от инженера-геолога и проектировщика требуется знание показателей свойств грунтов: скальных, крупнообломочных, песчаных и глинистых, мерзлых, органических и органоминеральных, набухающих и дающих усадку, просадочных, засоленных и техногенных. Природа свойств этих грунтов различна, разнообразны методики определения показателей свойств и поэтому признаки (наборы признаков) по которым эти грунты будут классифицированы также различны. Возможно, что такая классификация не будет учитывать генезис, но будет содержать показатели востребованные при расчетах сооружений. Поэтому общая классификация должна быть дополнена специальными или расширенными классификация­ми, рассчитанными на особые или уникальные сооружения или особые условия строительства.