2.3.2.2. Осадочные породы

Общие сведения. Осадочные породы возникли путём накопления вещества в водной среде, реже – из воздуха и в результате деятельности ледников. Осаждаются механическим, химическим и биогенным путём. Разделяются на обломочные, хемогенные и органогенные. Включают глинистые (≈ 50 %), песчаные и карбонатные фракции (в сумме ≈ 45 %). Составляют ≈ 10 % массы земной коры и покрывают своеобразным осадочным чехлом 75 % поверхности Земли. В недрах осадочных пород хранится свыше 3/4 полезных ископаемых. Устройство фундаментов, подземных и иных сооружений в подавляющем большинстве случаев производится в (на) осадочных породах. Особую группу минералов, пород и грунтов составляют такие, которые растворяются водой и являются проблемными при строительстве зданий и сооружений. Их растворимость проявляется как опасное геологическое явление под названием карст. Классификация и свойства карстующихся пород приведены в приложении В.

Осадочные породы в силу специфичных условий образования имеют ряд особенностей, существенно отличающих их от магматических и метаморфических пород. Эти особенности проявляются в минеральном и химическом составах пород, в их структуре, слоистости, пористости, объясняют зависимость состава и свойств пород от климата, а также содержание в них органических остатков.

Кроме минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты др.), в образовании осадочных пород принимают участие минералы, возникшие в составе пород в процессе литогенеза (кальцит, доломит и др.). Во многих случаях последние играют ключевую роль.

Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть растворимые породы: карбонаты, сульфаты, сульфиды, галогены, мергели, гажа и др. Большая группа нерастворимых пород представлена глинистыми грунтами, такими как каолинит, гидрослюда и монтмориллонит (всего 50 разновидностей).

Обычно определяют валовый химический состав осадочной породы. В результате исследования одной из глинистых проб, взятых нами на экспериментальном полигоне БашНИИстроя, выявлен состав: SiO₂=64,98 %, Al₂O₃=15,42<[20 %], п.п.п.=5,87<[9,0 %], соотношение SiO₂:R₂O₃=6,14, т. е. в пределах [3,2<6,14<8,0], что характеризует глину как монтмориллонитовую (см. рис. 1.5). В то же время содержание в пробе К₂О=1,7 % свидетельствует о примеси гидрослюды, а наличие СаО=1,69 %>[0,79 %],=Na₂O исключает морозное пучение глины, что и подтвердилось впоследствии на названном полигоне.

Слоистость. Осадочные породы залегают послойно, по мере периодического накопления осадков в водной и воздушной средах. В составе слоя может наблюдаться микрослоистость. Она характерна для озёрных и речных отложений и отражает осадконакопление в различные времена года. В слое горной породы могут быть также тонкие слои других пород. Их называют прослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины, ила.

П ри резком различии слоёв по составу (например, в случае, когда слой глины лежит на слое известняка) слои более или менее постоянной мощности и сравнительно большой занимаемой площади называют пластами. В таких случаях пласты обычно ограничены по глубине поверхностями – плоскостями напластования, верхнюю плоскость при этом называют кровля, нижнюю – ложе, а пространство между ними – мощностью пласта. Наибольшей мощностью пластов обладают морские отложения (от сотен до тыс. м). Континентальные образования четвертичной системы, залегающие непосредственно на земной поверхности, имеют, как правило, относительно небольшую мощность (10 – 50 м).

Комплекс слоёв, объединённых сходством состава или возраста, или один слой, но значительной мощности, нередко называют толщей.

Слои (толщи) образуются в процессе накопления отложений в морях, озёрах, долинах рек и т. д. Это обуславливает образование слоёв различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям по вертикали. Обычным является нормальный согласованный слой. Для него характерна сравнительно большая мощность и протяжённость и параллельность кровли и подошвы. Для континентальных отложений также характерны линзы, слои, занимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя, что иногда приводит к неравномерным деформациям основания сооружения (рис. 1.6).

Слоистость залегания пород приводит к анизотропности прочностных (удельное сцепление с, угол внутреннего трения φ) и деформационных свойств (модуль общей деформации Е) грунтов. Поэтому при лабораторных анализах необходимо сохранять бывшее природное пространственное положение пробы грунта, о чём свидетельствует верхнее расположение этикетки на пробе. Слоистость залегания, типы и свойства пород, подземные воды и др. особенности грунтовых толщ составляют основу инженерно-геологических изысканий.

Климатические условия влияют на состав и свойства осадочных пород. В пустынях образуются породы обломочного характера. В замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей, гумуса и создаётся среда с соответствующим значением рН, что имеет решающее значение при химическом выветривании. Например, определяющая роль в формировании глинистых осадков принадлежит физико-химическим условиям среды (рН, природа и концентрация катионов, соотношение количества кремнезёма и глинозёма). В кислых озёрах (рН<5) в гидротермальных условиях возникают каолинит, в щёлочной среде (рН<9) – монтмориллонит, иллит.

В осадочных породах практически всегда присутствуют остатки растений и живых организмов, информация о которых используется для составления стратиграфической колонки, т.е. последовательности формирования пород.

Классификация. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные, химического происхождения (хемогенные) и органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление несколько условно, т. к. многие породы имеют смешанное происхождение и неоднородный состав компонентов.

Классификация обломочных и тонкодисперсных осадочных пород включает огромный спектр наименований пород с размахом 7 порядков. К примеру, по гранулометрическому составу классификацию осадочных пород открывают камни размером > 200 мм и завершают глинистые частицы с диаметром частиц < 1 мк (табл. 6).

Структурные связи. Осадочные породы имеют различные структурные связи между составляющими компонентами. Коллоидные связи предопределяются силами молекулярного и электростатического притяжения – как между частицами размером от 1 мм до 1 мкм, так и между частицами и молекулами воды, содержащейся в породе. При минимальном количестве свободной воды эти связи могут быть достаточно прочными. Если же частицы окружены гидратными оболочками, то связи превращаются в водноколлоидные, менее прочные, а сама порода становится пластичной и приобретает связность. Этот процесс – обратимый и может регулироваться в нужном направлении изменением количества воды. К связным грунтам относятся различные глины, суглинки, супеси, лёссы и лёссовидные породы, сформировавшиеся в процессе глубокого физического и химического выветривания.

Пески и обломочные породы не имеют связи между частицами, как связные грунты. Поверхностные свойства и потенциальные возможности минералов, входящих в состав песков и обломочных пород, иные. Частицы, слагающие их, дискретны. Каждая из них живёт своей жизнью.

Цементацию осадочной породы несвязного типа обеспечивают жёсткие связи. Происходит это за счёт веществ, выделяющихся из циркулирующих водных растворов. Из пересыщенных растворов

Таблица 6 – Классификация обломочных и тонкодисперсных осадочных пород

Размер зёрен, частиц d, мм	Обломки, частицы		Обломочные и тонкие породы			Наименование по ГОСТ 25100-95
	Угловатые, дроблённые	Окатанные, речные	Естественного сложения	Сцементированные из обломков и частиц
				угловатые	окатанные
>200	Глыбы	Валуны	Грубо-обломочные	Брекчии	Конгломераты	Валунный (глыбовый)
10…200	Щебень	Галька	-	-		Галечниковый (щебенистый)
2...40	Дресва	Гравий				Гравийный (дресвяный)
0,05…2	Песчаные		Песчаные		Песчаники	Песчаный
0,001…0.005	Пылеватые		Пылеватые		Алевролиты	Пылеватый
<0,001	Глинистые		Глинистые		Аргиллиты	Глинистый

в осадок могут выпадать гипс, кальцит, кремнекислота, гидроксиды железа и др. соли. Возникает монолитность породы из некогда дисперсной системы с образованием жёстких кристаллизационных связей между частицами с превращением её в конгломерат, брекчию, песчаник. Такие метаморфические процессы возможны в зоне цементации в земной коре на глубине ниже зоны выветривания, что рассматривается в гл. 2.3.2.3.

Песчано-пылеватые и глинистые породы претерпевают уплотнение, повышение температуры и кристаллизацию коллоидов, которые превращаются в аргиллиты и алевролиты в платформенных и в складчатых областях и представлены в виде прослоек в толще песчаных или песчано-карбонатных пород.

Аргиллиты и алевролиты практически всегда неморозостойки, не выдерживают механического перемятия и размягчения, а также резких температурных колебаний и возникающих в связи с этим напряжений. Породы выветриваются исключительно быстро, чему способствует их слоистая текстура и наличие в ней слюдистых включений. Многие образцы, извлечённые из скважин на земную поверхность, рассыпаются в труху, размокают в воде в течение первых суток, а при резких сменах температуры окружающего воздуха и ещё быстрее – буквально на глазах, в течение нескольких часов. Установлено также, что глинистые алевролиты по сравнению с песчаными обладают меньшей плотностью и, соответственно, большей пористостью. Наличие алевролитов и аргиллитов как слабых прослоев в массивах (слоистых толщах) терригенных пород существенно осложняет общую инженерно-геологическую обстановку, затрудняет проведение инженерных изысканий, требует длительного изучения слоистой толщи, в общем, отрицательно сказывается на качестве оснований промышленно-гражданских зданий. Алевролиты и аргиллиты не пригодны для использования в качестве материала грунтовых сооружений, особенно полотна (тела) автомобильной дороги.

Карбонаты. Карбонатные известково-магнезиальные породы – наиболее распространённые осадочные образования. Главным образом, они представлены различными известняками, доломитами и породами промежуточного характера. По кристаллохимической классификации (гл. 2.3.1.3), они относятся ко II классу минералов (см. табл. 4).

Известняки – породы, весьма широко распространённые в земной коре. Они имеют двойное происхождение, связанное одновременно с химическими осадками и процессами органогенных образований. В состав известняков входят такие минералы, как кальцит и доломит. В качестве примесей могут присутствовать магнезит, кварц, глинистые минералы, сидерит, пирит и многие др. В зависимости от содержания этих минералов известняки подразделяют на доломитизированные, кремнистые, глинистые, железистые и т.д. Окраска известняков различна: серая, белая, желтоватая – и обусловлена примесями.

По характеру сложения все известняки бывают землистыми, ракушечниками, плотными и мраморовидными. В зависимости от условий генезиса их разделяют на четыре типа: 1) органогенные (скопления остатков организмов); 2) химического происхождения (осаждение карбонатов из водных растворов); 3) обломочные (обломки известняков, сцементированные зернистым кальцитом в виде мергелей и доломитов); 4) смешанного происхождения.

Они встречаются практически в составе всех стратиграфических систем, например среди нижнепалеозойских отложений Сибирской платформы, в среднем и верхнем палеозое Русской платформы, в башкирском ярусе карбона. Девонская система представлена терригенно-карбонатными и карбонатными породами, общая мощность которых меняется от 130 до 800 м.

Карбонатные породы представляют большой интерес для строительного комплекса и в значительной мере обеспечивают его потребности в камне, щебне, минеральном порошке. Карбонатные породы используются в качестве наполнителя для некоторых классов тяжёлых бетонов, для асфальтобетонных смесей, а также в качестве сырья при производстве строительных материалов (цемента), включая сухие строительные смеси. Кроме того, карбонатные породы играли и всегда будут играть важную роль в качестве оснований или среды гидротехнических сооружений, в частности крупных водохранилищ. На карбонатных породах на территории б. СССР построено 10 крупнейших гидростанций, в т.ч. Павловская на р.Уфа и Юмагузинская на р.Белая в Башкирии. По российским проектам такие же станции в таких же геологических условиях построены в Сирии, Тунисе, Ираке, Иране и во Вьетнаме (И.А. Парабучев).

Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые перекристаллизованные окварцованные известняки. Их прочность на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии изменяется в очень прочных пределах 100–240 МПа. В некоторых случаях после испытаний на морозостойкость она снижается до 70 МПа, что, главным образом, объясняется их микротрещинностью, существенно нарушающей внутреннюю структуру породы.

Кристаллические известняки разнообразны по структуре: от мелкозернистых до крупнозернистых и даже брекчиевидных. Если оценивать известняки по структуре, то наиболее прочными являются мелкозернистые образцы (их прочность достигает 100 МПа). Прочность крупнозернистых известняков меняется в диапазоне прочных и очень прочных значений (75-250 МПа) и зависит как от структуры породы, так и от её микротрещинности, имеющей литогенетическое и тектоническое происхождение. Немалую отрицательную роль здесь играют микротрещины выветривания. Другими породами карбонатного комплекса, также широко распространёнными, как известняки, являются доломиты. Обычно это мелко- или среднекристаллические породы, гораздо реже встречаются крупнозернистые и брекчиевидные представители доломита. Основным признаком, определяющим физико-механические свойства доломитов, является их микротрещиноватость. Немаловажную роль в формировании свойств играет и состав доломитов. Так, известковистые доломиты имеют прочность 80 МПа, глинистые – в среднем, 60 МПа, тогда как чистые образцы пород (без примесей) всегда дают прочность намного больше, чем 100 МПа, т.е. относятся к прочным разновидностям (ГОСТ 25100-95).

Мергель. К карбонатным породам относится мергель (нем. – mergel). Это известково-доломито-глинистая смесь, в которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом. Распределение глинистого и карбонатного веществ чаще всего равномерное. Обычно под мергелем понимают такую породу, в которой суммарное содержание кальцита СаСО₃, магнезита MgCO₃ и доломита колеблется в пределах 25-30 %. При бóльшем содержании например СаСО₃ породу называют мергелистый известняк, при меньшем – глинистый мергель.

Мергели во влажной среде предрасположены к выщелачиванию – растворению карбонатных фракций и выносу их подземными водами. Этот процесс называется кластокарстом. Разновидностью мергеля является гажа, рыхлая рассыпчатая масса из кальцита и глинисто-илистых отложений.

Мергель благодаря содержащемуся в нём глинистому (монтмориллонитовому) веществу способен набухать, при этом все мелкие трещины и капилляры, по которым циркулирует вода, тампонируются. Тем самым прекращается фильтрация воды сквозь мергелистые толщи. Набухание мергелей, равно как и кластокарст, зависят явным образом от соотношения в породе и дисперсности карбонатной и глинистой составляющих.

Содержание карбонатов с различной степенью дисперсности отражается на физико-механических свойствах мергеля, которые варьируются в широких пределах. На природных склонах и откосах искусственных (временных) выемок мергели быстро выветриваются, разрушаются, формируя весьма подвижные плитчатые осыпи, обвалы, называемые коллювием.

Свойства мергеля должны быть тщательно и всесторонне выявлены при любом виде строительства. Наибольшая осмотрительность нужна при использовании их в качестве дорожного полотна автомобильных дорог, в грунтовых плотинах и др. При этом должны быть приняты упреждающие меры против проявления набухания либо переувлажнения дорожного полотна, кластокарста, разрушения откосов, активизации оползневых процессов и др. негативных проявлений.

Немаловажной особенностью мергелей, обусловленной уникальностью их состава (карбонаты + глина), является (практически без дополнительного обогащения) возможность использования их в качестве природного сырья для производства цемента, гидравлического вяжущего.

Сульфаты. Сульфатные породы (VI класс минералов, см. табл. 4) распространены весьма широко, имеют химическое происхождение и образуют мощные пласты, залежи, штоки (стволы), линзы и прослойки, часто в смеси с глинистыми породами.

Гипс как типичный представитель растворимых сульфатных полускальных отложений часто встречается вместе с ангидритом. Ангидрит (СаSO₄) в соприкосновении c водой активно гидратируется и переходит в гипс (СаSO₄2H₂O). Этот переход сопровождается значительным увеличением объёма породы, что влечёт деформацию гипсовых толщ и сказывается на работе этих отложений в качестве оснований сооружений, вызывая набухание.

К сульфатным породам относятся также не только чисто гипсовые, но и загипсованные породы. Прежде всего, это гипс землистый, загипсованные грунты, белозёмы, часто рыхлые, рассыпчатые, порошкообразные массы, включающие, кроме гипса, глину и песок в разных соотношениях. Естественно, такие породы обладают унаследованной растворимостью.

Галогены. Галогеновые соединения весьма разнообразны и широко представлены в земной коре (VII кл. минералов, см. табл. 4). Соляные месторождения (галит, NaCl) используются как сырьё для пищевых целей и химической промышленности (г. Соль-Илецк, г. Соликамск и др.). Галоиды относятся к сильно растворимым породам.

Лёссы. Лёссовые породы (нем. Löβ) широко распространены, залегают в степных засушливых районах на всех континентах, особенно в Европе, Азии и Америке. Они залегают в виде сплошного покрова и могут достигать в глубину 100 м (как, например, в Средней Азии). В Башкирии встречаются лёссовидные суглинки либо псевдолёссы с утраченной просадочностью, возникающей вследствие повышенной природной влажности (степень влажности > 0,8).

В естественных условиях лёссовые породы выглядят как неслоистые, однородные, тонкозернистые известковистые породы светло-жёлтого или палевого цвета. Преобладающий размер частиц – 0,01-0,05 мм, более крупные представлены зёрнами кварца и полевого шпата, находящимися в агрегированном состоянии. Высокая дисперсность лёссовых пород ввиду преобладания в них пылеватых, глинистых и коллоидных частиц, а также наличие в лёссах значительного количества водорастворимых солей являются причиной развития просадочных процессов и явлений в грунтах. Просадка возникает при контакте лёссовых пород с водой и очень опасна.

Сжимаемость сухих природных лёссовых пород изменяется в широких пределах (модуль общей деформации варьируется в диапазоне 2 … 52 МПа). Лёссы и лёссовидные грунты, имеющие малую естественную влажность, обладают незначительной сжимаемостью и высокой пористостью, достигающей 40…50 %. Увеличение влажности и насыщение пород водой резко снижают их сопротивляемость сжатию, даже от собственной массы.

Просадочность возникает по причине низкой водоустойчивости лёссов и проявляется в их быстром размокании (10…15 сек) и значительной размываемости. Происходит это по причине наличия в лёссах растворимых солей (связей) KCl, NaCl, CaCl₂ и др. При замачивании природная структура породы полностью разрушается.

Величина просадки определяется их массой. Зависимость эта лежит в основе классификации грунтовых условий площадок, сложенных просадочными грунтами. Различают два типа таких грунтов:

I тип – грунтовые условия, в которых возможна просадка грунтов от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственной массы отсутствует или не превышает 5 см;

II тип – грунтовые условия, в которых помимо просадки грунтов от внешней нагрузки возможна их просадка от собственной массы, а размер её превышает 5 см.

В последней трети 20 в. в СССР на территории строящихся и эксплуатируемых промышленных и гражданских объектов произошли аварийные просадочные деформации оснований фундаментов (гг. Волгодонск, Никополь, Грозный, Ростов-на-Дону, Одесса, Элиста и др.). Это результат недоучёта особенностей поведения лёссовых грунтов, находящихся под нагрузкой, при подъёме уровня подземных вод.

Сапропелевые грунты. Сапропелевые грунты (греч. sapros – гнилой и pelos – грязь, ил) представляют собой органо-минеральные отложения древних пресных озёрных водоёмов, образованные преимущественно продуктами распада живших в воде растительных и животных организмов, в меньшей мере – привнесёнными с суши остатками наземных растений. Минеральная часть сапропелевых грунтов состоит из кластического материала (глины, песка) и растворённых в воде окислов Ca, а также Fe и Mg.

Сапропелевые грунты являются промежуточными образованиями между торфами и озёрными илами и мергелями. Встречаются в нижнем горизонте торфяников, образовавшихся при зарастании озёр на фоне седиментации привнесённого тем или иным путём минерального материала: песчано-пылеватых зёрен, глинистых частиц, тонкой гелеобразной массы, находившейся до выпадения в осадок в коллоидально-молекулярном состоянии. Сапропелевые грунты на ощупь представляют собой оливково-бурую жирную массу. Подразделяются на глинистые, известковые, диатомовые (из водорослей), грубодетритовые (из обломков раковин и скелетов животных) и тонкодетритовые.

При воздействии повышенной температуры и давления сапропелевые отложения минерализуются и формируются гуминовые соединения. Состав и строение сапропелей зависят от удалённости береговой полосы и проточности озёр. По А.Я. Рубинштейну, сапропели в зависимости от содержания в них органических веществ подразделяются на органические (70-90 %), минерально-органические (50-70 %), органо-минеральные (30-50 %) и минеральные (10-30 %).

Физико-механические свойства сапропелевых грунтов разнообразны. Влажность по мере увеличения содержания органического вещества изменяется от 50 до 2000 %,, плотность – 1,01…1,14 г/см³, плотность скелета – от 0,05 до 0,6 г/см³. Обладают высокой пластичностью, синерезисом, «чувствительностью», высокой деформативностью. Отсюда видно, что строительные свойства сапропелевых грунтов достаточно низкие.

Необходимо осмотрительно осуществлять строительное освоение площадок, содержащих в своих толщах сапропелевые включения в виде линз и прослоек, изучив габариты инженерно-геологических сапропелевых элементов и их свойства. Строительство должно проводиться с учётом требований нормативных документов.

Сапропелевые грунты исследовали А.Я. Рубинштейн, И.М. Горькова и др. учёные.

Торфяные грунты. Торфяными грунтами (турфяными по М.В. Ломоносову) называются породы органо-минерального состава, сформировавшиеся в результате накопления в болотах остатков отмёрших растений, не полностью разложившихся по причине повышенной влажности и затруднённого доступа воздуха. Торфообразование сопровождается биохимической гумификацией – микробиологическим разложением органического вещества, которое в присутствии азота при оптимальной температуре в недрах субаэробной щёлочной среды превращается в гумус, тёмную бесструктурную массу коллоидного типа.

Торфяные скопления чаще всего перекрыты минеральными осадками аллювиального происхождения, т.е. существуют в форме линз и прослоек в обжатом природным давлением состоянии.

Строительные свойства таких органо-минеральных образований существенно отличаются от свойств обычных минеральных грунтов. В частности, влажность торфяных грунтов – выше в 20…60 крат, чем у минеральных, плотность – в 2 раза меньше, плотность скелета – малая, пористость – в 3…4 раза больше, модуль деформации составляет 0,2 МПа, т.е в 100 раз ниже, чем у минеральных грунтов. Кроме того, торф имеет водно-коллоидные связи, не обладает связностью, липкостью, хорошо фильтрует воду, обладает ползучестью и криогенной пучинистостью, не смерзается с вертикальными гранями подземных бетонных конструкций (фундаментов, разных помещений, столбов). Покрывающие «чистые» минеральные грунты, залегающие над торфяными, чутко реагируют на деформации нижележащих, более слабых торфяных грунтов, что сопровождается неравномерными осадками, проседаниями и т.п.

Наличие подземных торфяных залежей должно быть принято во внимание при инженерно-геологических изысканиях и проектировании фундаментов и подземной инфраструктуры. На территориях, где представлены торфяные грунты, при закладке фундаментов используются конструктивные решения, исключающие проявление отрицательных сил трения и горизонтальные нагрузки. Исследования проблемы строительства на торфяных грунтах проводили проф. Л.С. Амарян, Ф.П. Винокуров, Н.Н. Морарескул и др.