Глава 2. Общие понятия о свойствах грунтов

Горные породы, рассматриваемые в качестве сферы действия инженерно геологических и инженерно строительных процессов и явлений и в том числе в качестве оснований сооружений, принято называть грунтами. При изучении горных пород в инженерно-строительных целях на первый план выступает их сопротивление действующим механическим усилиям (нагрузкам от сооружений). Сопротивление внешней нагрузке в значительной мере зависит от характера и прочности связей между частицами породы. Можно наметить четыре основных вида связей между частицами горных пород:

1) жесткие прочные связи, не изменяющиеся при увлажнении породы;

2) жесткие прочные связи, ослабляющиеся при увлажнении;

3) подвижные водноколлоидные связи, резко изменяющие свою прочность под влиянием увлажнения или осушения породы;

4) отсутствие связей; в этом случае взаимному перемещению частиц породы препятствуют только силы трения между ними. В соответствии с этим все горные породы делят на два основных класса: скальные и нескальные. К скальнымотносятся все горные породы с жесткимисвязямимежду частицами. Эти связи могут быть кристаллизационными, возникающими в процессе формирования породы, и цементационными, образованными цементирующими растворами в процессах сингенеза и диагенеза. Вследствие этого к скальным горным породам относятся магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы. У некоторых скальных пород, в основном осадочного происхождения, кристаллизационные связи легко ослабляются при увлажнении и частично заменяются подвижными водноколлоидными связями. Эту группу пород называютполускальными.Нескальныегорные породы, у которых между частицами существуют подвижные водноколлоидные связи, называютсвязными, а нескальные, не имеющие связей между частицами, —несвязными, или раздельно-зернистыми.Следует отметить, что в инженерно-строительной литературе при рассмотрении горных пород как грунтов, как правило, грунтами называют нескальные горные породы. Что же касается скальных и полускальных грунтов, то их в одинаковой мере называют и грунтами и горными породами.

Классификация грунтов

Грунтами называются любые горные породы, залегающие преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющиеся объектам инженерно-строительной деятельности человека. Грунты используются в качестве основания, среды или, материала для возведения зданий и сооружений.

В соответствии с ГОСТ 25100-82 все грунты классифицируют в зависимости от происхождения и условий образования, характера структурных связей между частицами, состава и строительных свойств грунтов.

Грунты подразделяют на два основных класса: скальные и нескальные.

Скальные грунты — это грунты с жесткими структурными связями, к которым относятся магматические (граниты, диориты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, сланцы и др.), осадочные сцементированные (песчаники, конгломераты и др.) и искусственные.

Скальные грунты подразделяются на разновидности в зависимости от предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, по степени размягчения в воде, растворимости и др.

Нескальные грунты — это грунты без жестких структурных связей. К нескальным грунтам относят рыхлые горные породы, включающие несвязные (сыпучие) и связные породы, прочность которых во много раз меньше прочности связей минералов, слагающих    эти    породы.    Характерной особенностью этих грунтов является их раздробленность, дисперсность, что кореннымчобразом отличает их от скальных весьма прочных пород.

В состав грунтов входят твердые минеральные частицы, вода в различных видах и состояниях и газообразные включения. В состав некоторых грунтов входят органические соединения.

Твердые минеральные частицы грунта представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам зерен. Размеры зерен колеблются от десятков сантиметров для валунов до   мельчайших   коллоидных   частиц.

Нескальные грунты по размерам минеральных частиц подразделяют на следующие виды:

крупнообломочные (валунные, галечниковые, гравийные и щебенистые) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по массе;

песчаные (гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые);

пылевато-глинистые (супеси, суглинки и глины).

По плотности сложения песчаные грунты подразделяют на виды в зависимости от значения коэффициента пористости.

Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделять грунты, проявляющие специфические неблагоприятные свойства при замачивании,— про-садочные и набухающие. К просадочным относятся грунты, которые под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании водой дают осадку, называемую просадкой.

Просадочные грунты характеризуются относительной просадочностью ese, начальным просадочным давлением pse и начальной просадочной влажностью wse. Просадочными свойствами обладают лессовые и другие макропористые грунты.

Лессовые грунты — это макропористые грунты, содержащие карбонаты кальция и проявляющие просадочные свойства при замачивании водой под нагрузкой.

К набухающим относятся грунты, которые при замачивании водой или химическими растворами увеличиваются  в  объеме,  и  при  этом  относительное   набухание    без    нагрузки составляет esme0,04.

К особым видам грунтов также следует отнести биогенные грунты, плывуны, растительные и мерзлые грунты.

Грунты, содержащие значительное количество органических веществ, называются биогенными. К ним относятся заторфованные грунты, торфы и    сапронелы    (пресноводные    илы).

Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, образовавшийся в результате протекания микробиологических процессов, имеющий влажность, превышающую влажность на границе текучести, и коэффициент пористости более 0,9.

Плывуны — это грунты, которые при вскрытии приходят в движение подобно вязкотекучему телу, встречаются среди водонасыщенных мелкозернистых пылеватых песков. Различают плывуны истинные и псевдоплывуны. Истинные плывуны характеризуются присутствием пылевато-глинистых и коллоидных частиц, большой пористостью (> 40%), низкими водоотдачей и коэффициентом фильтрации, особенностью к тиксотропным превращениям, оплыванием при влажности 6—9% и переходом в текучее состояние при 15—17%.

Псевдоплывуны — пески, не содержащие тонких глинистых частиц, полностью водонасыщенные, легко отдающие воду, водопроницаемые, перехб- дящие в плывунное состояние при определенном гидравлическом градиенте.

Почвы или растительные грунты —

это природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием. К нескальным искусственным грунтам относятся грунты, уплотненные различными методами (трамбованием, укаткой, виброуплотнением, взрывами, осушением и др.), насыпные и намывные.

Классификация геологических процессов и явлений

Важный раздел инженерной геологии — изучение раз­личных геодинамических явлений и процессов, влияющих в той или иной степени на устойчивость зданий и разных инженерных сооружений, процессов, именуемых инже­нерно-геологическими.

Н. Я. Денисов все инженерно-геологические процессы делит на две группы:

1. процессы, протекающие с изменением объема по­ род (уплотнение под давлением, при высыхании и т. д., увеличение объема пород вследствие уменьшения давле­ ния, увеличения влажности и т. д.);

2. процессы, связанные с течением пород (выдавли­ вание пород из-под сооружений, оползни и т. д.).

Большую роль в возникновении инженерно-геологиче­ских процессов играет взаимодействие подземных вод с грунтами, в результате которого возникают значи­тельная часть оползней, суффозия, просадки, карст и др.

опытно-исследовательским работам, стационарному изучениюфизико-геологических процессов и различным расчетам, дающим цифровые показатели изучаемым процессам, которые затем кладутся в основу проектирования различных защитных

(сооружений.

Совокупность процессов, являющихся результатом взаимо­действия сооружений и природной геологической обстановки, называются инженерно-геологическими процессами.

С этими процессами связаны инженерно-геологические явления (просадки фундаментов, обрушения горных вырабо­ток, переработка берегов водохранилищ и другие явления),

Явления, связанные с деятельностью поверхностных вод

Поверхностные воды (морей, озер, рек, временных пото­ков) производят на поверхности суши огромную разрушитель­ную работу, обусловливая размыв и обрушение пород на склонах, смыв продуктов выветривания с поверхности суши, переработку и транспортировку продуктов выветривания. Все эти процессы необходимо изучать, так как подмыв и обруше­ние берегов могут привести к разрушению расположенных на берегу сооружений, зданий, дорог, дамб, причальных сте­нок и т. п.

В соответствии с природной обстановкой, факторами и формами проявления деятельность поверхностных вод подраз­деляется на морскую и озерную абразию, речную эрозию, сели (сили) и эрозию почв. Для инженерно-геологических целей эрозия почв не изучается, так как никакого влияния на соору­жения она не оказывает.

Морская и озерная абразия. Основными факто­рами, воздействующими на берега морей и озер, являются ди­намическое воздействие волн, морские течения, растворяющее действие воды, плавающие льдины, увлажнение пород и др. Сила воздействия волн на берега может достигать 0,3 МПа; в Поти морскими волнами были сдвинуты бетонные блоки мола массой до 20 т, а в Новороссийске — до 40 т. Морской прибой в сильные бури в состоянии перемещать глыбы массой КЮ т п более. Во время бури на Северном море в Шотландки была передвинута на 4 м дамба массой 800 т. Интенсивность разру­шения берега морскими волнами зависит от многих факторов: конфигурации и крутизны берегов, их геологического строе­ния, характера волн (их высоты и длины) и скорости движе­ния, наличия (или отсутствия) пляжа, характера эпейрогенеза, наличия искусственных сооружений и т. п.

О характере скорости разрушения берегов под действием морских волн в сочетании с другими факторами свидетельст­вуют следующие данные. В районе Одессы ежегодно размы- вается в среднем 0,93 м берега, в районе Ламанша—-полоса берега 2 м шириной, в пределах графства Суссекс (Англия) средняя ежегодная скорость разрушения берега за последние ПО лет составила 4—5 м.

В настоящее время разработаны достаточно эффективные меры, полностью или частично предотвращающие морскую и озерную абразию. *В основном эти мероприятия сводятся к защите берегов от действия морских волн, стабилизации зем­ляных масс аккумуляцией наносов — пляжеобразованию.

Р е ч н а я э р о з и я. Геологическая деятельность рек про­является в разрушении горных пород водным потоком, что приводит к углублению и расширению русла (эрозии), в пере­носе продуктов разрушения (транспортирующая деятельность рек) и отложении продуктов разрушения (аккумулирующая деятельность рек). Изучение закономерностей формирования речных долин и влияния различных процессов, проявляющихся в долинах рек, на инженерную деятельность человека, в част­ности на условия возведения и устойчивость различных соору­жений, имеет существенное практическое значение.

Из физико-геологических процессов по долинам рек чаще встречаются подмыв берегов и оползни. Подмывающая дея­тельность рек наиболее интенсивно проявляется в период па­водков и приводит к обрушению берегов и разрушению нахо­дящихся поблизости сооружений (рис. 35). Наиболее легко и интенсивно подмываются и разрушаются высокие берега, сложенные рыхлыми породами: супесями, суглинками и т. п. Для защиты отдельных участков долины реки от подмыва и разрушения применяются различные инженерные мероприятия, регулирующие размывающую деятельность рек. В принципе они аналогичны защитным гидротехническим продольным соо-ружениям, возводимым по берегам морей. Широко применяют­ся также водозащитные дамбы и струеотклоняющие сооружения.

Оврагообразование — процесс размыва и перенос продуктов размыва временными водотоками, в результате чего на поверхности земли образуются углубления различной фор-мы. Овраги оказывают вредное влияние на различные сооружения и особенно на сельскохозяйственные угодья, значи-тельно усиливая эрозию почв. Основными факторами, обус лавливающимими оврагообразование, являются крутизна и форма склепов, состав пород, слагающих склон, климатические усло вия, деятельность человека — распашка склонов, устройство канав, уничтожение растительности на склонах и вблизиних и т.п.

Мерами: борьбы с оврагообразованием являются различные мероприятия агротехнического, лесомелиоративного и гидро технического характера, осуществление которых должно прово-диться комплексно и дифференцированно по зонам.

Рис. 35. Обрушение откоса в результате подмыва берега рекой

Сели (с и л и)—бурные временные грязекаменные, грязе-щебенистые- или грязевые потоки, возникающие в горных рай-онах во время ливня или при интенсивном таянии снега. Усло-виями, способствующими образованию селей, являются: горный рельеф, обусловливающий большую скорость движения потока; континентальный засушливый климат; наличие в селевом бас-сейне горных пород, легко поддающихся выветриванию; силь-ные ливни или интенсивное таяние снега. Как правило, сели по отдельным долинам проходят не ежегодно, а через 2—4 года, а катастрофические — один раз в 10—15 лет. Грязекаменный поток, несущийся с большой скоростью, не-редко достигающей 10—15 м/с, по пути своего движения про-изводит большие разрушения: сносятся здания, мосты, разру-шается и заваливается земляное полотно дорог, заносятся от-верстия искусственных сооружений, приводятся в негодность пашни, сады, гибнут животные и нередко люди. Во время крупного селя в июле 1921 г. в г. Алма-Ате улицы были запру-жены огромной массой обломочного материала, масса которого, по приблизительным подсчетам, составила около 11 млн. т. В СССР сели проявляются преимущественно па Кавказе и в Средней Азии, реже и в меньших масштабах — на Урале, в Карпатах, Крыму, Прибалтике и других местах. В зависимости от природных особенностей мест, где прояв­ляются сели, профилактические мероприятия бывают самыми разнообразными. Главнейшими из них являются: лесонасаж-дение и травосеяние на площади селесбориого бассейна, устрой-ство регуляционных сооружений на пути движения селя — дамб, траверс, полузапруд, селеуловителей и т. п. Для защиты железных и автомобильных дорог часто устраиваются так на-зываемые селеспуски — каменные или железобетонные лотки нужной пропускной способности, устраиваемые над дорогой иногда более целесообразным оказывается устройство тоннелля или однопролетного моста нужной протяженности.