Форма, размеры и взаимное расположение

Классификация, происхождения

Первое, что бросилось в глаза исследователям, это существование среди массы пород двух больших групп:

1. скальные грунты (с жесткими связями);

2. нескальные грунты (без жестких связей).

Главной особенностью скальных грунтов является присутствие в них жестких связей между частицами. Поэтому их назвали «породами с жесткими связями». Рыхлые же грунты либо вообще не обладают связями между частицами, либо эти связи слабые

Но этого оказалось, конечно, недостаточно.

рис.1.1

Поэтому следующей важной ступенью в развитии классификации явилось выделение генетических типов (рис.1.1) (по происхождению). Скальные грунты с жесткими связями были выделены магматические, метаморфические и осадочные породы.

Рыхлые грунты (без жестких связей) были также подразделены на осадочные разности и почвы. Осадочные породы могут образовываться в разных условиях, поэтому были выделены морские (образовавшиеся в море), речные (их называют также аллювиальными), эоловые (образованные действием ветра), моренные и водно-ледниковые (результат деятельности ледников и талых вод) и другие отложения.

Еще более улучшило разделение обломочных (рыхлых) грунтов выделение среди них двух групп по характеру связей между частицами: несвязных (пески, галечники, гравий) и связных (глинистые, лёссовые).

Казалось бы, получено достаточно дробное подразделение грунтов. Но это не совсем так. Например, в природе встречаются самые различные глинистые породы. Сказать только, что это глинистый грунт — еще далеко не достаточно.

Тогда на помощь призвали структурные особенности грунтов. Они были положены в основу одной из первых классификаций рыхлых осадочных грунтов. В ней грунты разделили по содержанию частиц разных размеров. Так появились пески (мелко-, средне- и крупнозернистые), супеси, суглинки (легкие, средние и тяжелые), глины. К этому вопросу мы еще вернемся.

А). Скальные грунты делятся на 4 группы по генетическому признаку:

1. Магматические (изверженные) горные породы. Они образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные, или глубинные, породы – граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузивные, или излившиеся, - базальты, порфиры и др.).

2. Метаморфические горные породы. Они образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы – сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

3.Осадочные горные породы. Образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени от степени упрочнения различают сцементированные (песчанки, доломиты, алевролиты и т.п.) и несцементированные (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лёссы, или, торфы, почвы и т.п.). Именно сцементированные осадочные горные породы относятся к скальным грунтам.

4.Искусственные (преобразованные в природном залегании). К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т.п.).

Б). Нескальные грунты разделяются свою очередь на две группы: осадочные (несцементированные) и искусственные.

Первая группа осадочные грунты включает следующие подгруппы:

1. крупнообломочные – несцементированные грунты, содержащие более 50% массы обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм;

2. песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% массы частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (грунт не раскатывается в шнур диаметром 3 мм, его число пластичности );

3. пылевато-глинистые – связные грунты, для которых число пластичности ;

4. биогенные – грунты с относительным содержанием органического вещества ;

5. почвы– природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием.

К нескальным искусственным грунтам относятся грунты, уплотненные в природном залегании путем механического воздействия (трамбование, укатка, вибрации, врыв и т.п.), а также насыпные и намывные грунты, а также промышленные отходы (шлаки, золы и т.п.).

1.5.2 Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной.

Рис. 1. Термодинамическая модель грунта:

1 – минеральные частицы (твердая фаза); 2 – структурные связи между минеральными частицами; 3 – поры, заполненные газом или паром; 4 – поры, заполненные водой и растворенным в воде газом; 5 – пузырьки, заполненные газом и паром.

Иногда в грунте выделяют биоту – живое вещество. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов.

Грунт является открытой термодинамической системой в отношении процессов массопереноса (воды или минеральных частиц).

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т.е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретиться твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют грунтовой массой. Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры.

-Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Часть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Большое влияние на свойства грунтов оказывают растворимые в воде минералы. К ним относятся, например, галит, гипс, кальциты.

Глинистые минералы нерастворимы в воде, но в силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности.

Органическое вещество в грунтах у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубоких горизонтах – в виде нефти, бурового и каменного угля. Гумус образуется при отмирании растений и организмов.

*Гумус – специфическое органическое вещество, в котором большую роль играют высокомолекулярные органические кислоты, находящиеся в коллоидном состоянии. Считается, что гумус увеличивает «глинистость» грунта. Его коллоидная активность выше, чем даже глинистых минералов.

-Жидкая составляющая грунтов. Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. В грунте различают кристаллизационную, или химически связанную, связанную и свободную воду. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составляющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта.

Вода, заполняющая поры грунта (поровая вода), может растворять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. По мере удаления от частиц грунта различают: прочно связанную, рыхло связанную и свободную воду. Прочно связанная вода имеет повышенную вязкость, не замерзает при температуре до – 100⁰С. Ее плотность достигает ρ=1,2…2,4 г/см³. Рыхло связанная вода, как и прочно связанная испытывает силу притяжения, но у рыхло связанной воды сила гораздо меньше. Свободная вода в грунте не испытывает силу притяжения. Она подчиняется законом гидравлики, т.е. передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах. Предельная высота капиллярного поднятия в некоторых типах грунтов может составлять (по А.М. Овчинникову): песок крупный – 3,5 см; песок средний – 35 см; песок мелкий – 120 см; супесь – 350 см; суглинок – 650 см.

-Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самыхверхнихслоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на не защемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Дата добавления: 2014-01-13