СОСТАВ ГРУНТОВ

Химический и минералогический состав грунтов.Химический со­став грунтов является одной из важнейших характеристик, опре­деляющих их свойства и состояние. При обычных исследованиях в составе инженерно-геологических изысканий для строительства обычно ограничиваются оценкой общего химического состава по результатам химического анализа по соляно-кислой и водной вы­тяжкам, иногда определяют валовый химический состав. 140

Но гораздо более важной характеристикой грунтов является их минералогический, или минеральный, состав, определяющий в конечном счете как саму породу, так и ее состояние и инженер­но-геологические свойства. Выше мы уже отмечали, что наиболее распространенными в горных породах являются примерно 100 минералов. Содержание некоторых из них в породе составляет несколько десятков процентов. Эти минералы называют главными породообразующими. Другие обычно содержатся в породе в весьма незначительных количествах (доли процента), и их называют второстепенными, или акцессорными, минералами. Наконец, встречаются так называемые случайные минералы, или примеси, не являющиеся характерными для данной породы.

К числу наиболее распространенных минералов магматиче­ских горных пород (гранитов, диоритов, сиенитов, диабазов, по-рфиров, габбро, дунитов и т. д.) относятся полевые шпаты, доля которых может достигать 60 % общего минералогического состава породы; содержание кварца и пироксенов не превышает, как правило, 10—12 %; слюд — 5 %; оливина — 3 %. Остальные мине­ралы встречаются значительно реже.

Осадочные горные породы (песчаники, аргиллиты, алевроли­ты, глины, лессы, пески, известняки, мергели и др.) обычно со­держат в наибольшем количестве кварц, полевые шпаты, слюды; в качестве второстепенных встречаются минералы групп амфибо­лов и пироксенов, а такие минералы, как рутил, циркон, встре­чаются весьма редко.

Но особо следует отметить, что в осадочных горных породах очень широко распространены глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды, бейделит, иллит и др.), образующи­еся в процессе выветривания магматических и метаморфических горных пород. Некоторые осадочные породы (гипс, известняк и др.) в весьма значительных количествах содержат галоидные, кар­бонатные, сульфатные минералы. Отдельные из них могут слагать мощные толщи (например, известняки, мергели), а иногда встре­чаются в виде залежей, вкраплений (каменная соль, мирабилит).

Минералогический состав метаморфических горных пород (гнейсов, кварцитов, сланцев, мраморов) во многом отвечает со­ставу исходных материнских пород. Наряду с этими минералами встречаются типично метаморфические минералы — граниты, хлориты, эпидот.

Почти все минералы горных пород имеют, за редким исклю­чением, кристаллическое строение.

В связи с тем что глинистые минералы активны в формиро­вании свойств многих горных пород, необходимо их рассмотреть более подробно.

Глинистые минералы относятся к группе слоистых и сло­исто-ленточных силикатов и отличаются от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью к сорбции и поэтому к обмену. Высокая дисперс­ность глинистых минералов является их естественным физиче­ским состоянием.

Глинистые минералы имеют размер не более 1—10 мк. Они являются наиболее активной составной частью дисперсных гор­ных пород, в значительной степени обусловливающей их инже­нерно-геологические свойства. Поэтому даже небольшое содер­жание глинистых минералов в горной породе существенным образом влияет на многие важнейшие ее свойства, такие, как гидрофильность, прочность, водопроницаемость, пластичность, набухание и др.

Высокая активность глинистых минералов не может быть объяснена исключительно их большой удельной поверхностью. Многие физико-химические явления, происходящие на поверх­ности глинистых минералов, определяются особенностями их внутреннего строения.

Именно слоистость минералов позволяет активизировать ион-но-обменные реакции, в результате которых обменные катионы входят в межплоскостное пространство решетки кристалла мине­рала и частично располагаются на внешних гранях кристалла ми­нерала.

Связь между слоями у глинистых минералов может быть раз­личной в зависимости от строения слоя и величины его заряда. У ряда минералов эта связь имеет ионный характер и обеспечи­вается прочным взаимодействием разноименно заряженных слоев или крупными катионами, располагающимися в межслоевом пространстве одноименно заряженных слоев. У других минералов связь между слоями менее прочная и обусловлена остаточными (молекулярными) или водородными силами.

По распространению глинистые минералы подразделяются следующим образом: I) гидрослюды (58—95 %); 2) монтморилло­нит; 3) каолинит.

Следует сказать, что из-за высокой дисперсности глинистых минералов изучение физических свойств отдельных монокристал­лов практически невозможно. Большинство из имеющихся дан­ных было получено для мономинеральных глин или отдельных мономинеральных агрегатов, выделенных из глин.

Плотность частиц глинистых минералов варьируется в широких пределах: 1,77—2,60 г/см³ — для монтмориллонита, 2,13—2,66 г/см³ — для гидрослюд.

Такой известный признак минералов, как твердость, для мон­тмориллонита 1—1,5; каолинита 2—2,5; глауконита примерно 2 и т.д.

В воде глинистые минералы практически нерастворимы, од­нако под действием различных кислот и некоторых щелочей многие из них разлагаются.

Важным компонентом состава горных пород является органи­ческое вещество, или «биота» (хотя этот термин для геологии не является точным и актуальным, так как он по сути имеет больше геоэкологический или даже экологический смысл), которая на­капливается в земной коре в результате жизнедеятельности и от­мирания растительных и животных организмов. Наибольшее рас­пространение имеют растительные органические остатки, которые могут встречаться как в виде неразложившихся отмер­ших растений, так и в виде полностью разложившегося вещест­ва — гумуса.

Органическое вещество имеет почти повсеместное распро­странение в земной коре, особенно в ее верхней части, где оно накапливается в почвах, торфах, глинах (особенно старичных фа­ций) и реже в песках. В виде различных углей может слагать значительные по мощности залежи.

Для органического вещества, и особенно для его наиболее разложившейся части — гумуса, характерна высокая гидрофиль-ность и связанные с этим свойства, такие, как высокая влагоем-кость, высокая пластичность, низкая водопроницаемость, силь­ная сжимаемость и т. д. Присутствие в породах гумуса даже в незначительных количествах может коренным образом изменить их свойства, например, только 3 % гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойст­ва, водоустойчивость.

Второй характерной особенностью органического вещества является его высокая активность в окислительно-восстановитель­ных и других физико-химических процессах, имеющих место в горных породах. Обладая кислотными свойствами, гумусовые ве­щества являются активными агентами выветривания, разлагая силикаты и другие минералы с образованием различных колло­идных гуминовых соединений.

Состав и строение органического вещества являются сложны­ми. При разложении исходных растительных остатков, состоящих из углеводов, белков, дубильных веществ, смол и жиров, в почвах и породах могут возникать различные продукты распада, вплоть до образования углекислоты в воде. Одновременно, в результате син­тетических процессов идет гумификация растительных остат-

ков — образуется гумус — вещество, которое не содержится в ис­ходных органических остатках и в продуктах их разложения.

Данные о физических и механических свойствах гумуса и дру­гих органических образований крайне ограниченны из-за сложно­сти выделения органического вещества из горных пород и почв.

Можно предполагать, что плотность органического вещества не превышает 1,25—1,80 г/см². При взаимодействии с различны­ми растворителями гумус растворяется.

Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов.Количе­ственные соотношения и размер слагающих грунты элементов имеют огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов.

Большинство горных пород состоит из отдельных кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. Имеет­ся, правда, небольшое число горных пород с аморфным строени­ем (например, бурый железняк). Все эти элементы горных пород или связаны друг с другом прочными кристаллизационными свя­зями (магматические, метаморфические, часть осадочных пород), или же связи в породах отсутствуют (обломочные осадочные, вулканогенные рыхлые породы). Размеры элементов, слагающих горные породы, варьируют в значительных пределах — от тысяч­ных долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Естественно, такой диапазон размеров не может не сказаться на формировании свойств грунтов. Например, зернистость маг­матических горных пород во многом определяет их прочность и устойчивость к выветриванию (мелкокристаллические граниты более прочны и менее выветриваются, чем среднезернистые и тем более крупнокристаллические того же минералогического со­става). Это установлено и для метаморфических и многих оса­дочных пород.

Установлено, например, что мелкозернистые граниты из района г. Благовещенска имеют предел прочности на сжатие 70—80 МПа, а крупно- и среднезернистые их разности — лишь 34—36 МПа, при­чем после 25 циклов «замораживания — оттаивания» прочность соответственно снижается до 53—55 МПа у мелкозернистых и до 23—27 МПа у крупно- и среднезернистых гранитов.

Это является основанием для утверждения о целесообразно­сти подразделения горных пород по крупности слагающих эле­ментов и необходимости изучения их размеров. Что, кстати, по­зволяет для магматических и метаморфических пород оценивать не только структурные особенности, но и в определенной мере судить об их генезисе. Однако в магматических и метаморфиче­ских породах оценка соотношения размеров слагающих элемен-144

тов возможна лишь качественно в специально подготовленных образцах — шлифах.

Количественные соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах являются одними из основных классификационных показателей.

Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или, чаще всего, нескольких фракций. Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами.

Под гранулометрическим составом понимается количествен­ное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т. е. гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Его определение ведется специальными методами: ситовым, отмучи-ванием и др. Содержание фракции при этом выражается в про­центах по отношению к массе высушенного образца.

Гранулометрический состав изображается в виде графика, ко­торый, кроме того, позволяет составить мнение об однородности изучаемой горной породы по крупности частиц. При грануломет­рическом анализе в составе пород учитывается содержание в них первичных частиц, т. е. содержание отдельных обломков кристал­лов и горных пород.

Но в тонкодисперсных породах, наряду с первичными части­цами, имеются так называемые вторичные, образующиеся при соединении («слипании») нескольких первичных частиц и фор­мирующие микроагрегаты частиц.

Количество и размер первичных частиц в грунте определяют его первичную, или предельную, дисперсность. Вторичная, или при­родная, дисперсность, характеризуемая микроагрегатным составом, учитывает при анализе как первичные, так и вторичные частицы.

Для инженерно-геологической характеристики горных пород необходимо знать как гранулометрический, так и микроагрегат­ный состав. В связи с тем что гранулометрический состав харак­теризует предельную дисперсность, он является весьма удобным классификационным показателем. Микроагрегатный состав, отра­жающий степень агрегированное™ породы в данных условиях, используется для характеристики структурных связей в породе.

Микроагрегатный состав породы не является постоянным во времени, так как в породе непрерывно происходят образование и разрушение вторичных частиц, в связи с чем в отдельных фрак­циях изменяется содержание частиц. Гранулометрический состав породы на данном отрезке времени является величиной постоян­ной и изменяется только под влиянием длительных процессов,

протекающих в породе; к числу таких процессов относится, на­пример, выветривание.

Определение того или иного петрографического вида или типа породы, т. е. классификация породы, и является конечным этапом изучения гранулометрического состава дисперсного грунта.

Различными специалистами разработаны гранулометрические классификации, которые можно подразделить на:

• общие, стремящиеся охватить большую часть петрографиче­
ских типов дисперсных грунтов;

• частные, разработанные для какого-либо одного типа пород.

Применение той или иной классификации определяется целя­ми исследований, а также вопросами инженерно-геологических изысканий, проектирования и строительства сооружений.

Взаимосвязь минералогического состава грунта с размерами сла­гающих его элементов. Восадочных породах на первичную дис­персность активно влияет минералогический состав этих пород, хотя размер слагающих элементов в связи с их минералогиче­ским составом может быть оценен и в других генетических клас­сах пород, в метаморфических в частности. Так, в крупном песке кварц преобладает над полевыми шпатами, в песке средней крупности полевые шпаты преобладают над кварцем, а в мелко­зернистом снова кварц занимает главенствующее положение.

Указанный факт вполне объясним, если при рассмотрении механизма переноса песчаного материала водным потоком учи­тывать такую важную характеристику минералов, как твердость.

Прочность кварца на истирание исходя из твердости выше, чем у полевых шпатов, поэтому дробление и обработка кварце­вых частиц при переносе протекают менее энергично и они на­капливаются в крупном песке в большом количестве, а частицы полевых шпатов — в среднезернистом. На частицы мелкого песка активное воздействие оказывают агенты химического выветрива­ния, а в водном потоке — также процессы выщелачивания и рас­творения. Под их воздействием полевые шпаты в мелком песке интенсивнее разрушаются, чем кварц, который и становится пре­обладающим в мелком песке минералом.

Аналогичная зависимость между минералогическим составом и дисперсностью пород прослеживается у глинистых и лессовых пород. Чем выше в породе содержание глинистых минералов, тем выше ее дисперсность. Таким образом, породы определенно­го минералогического состава имеют вполне определенные струк­турно-текстурные особенности.

Газы в грунтах.Грунты, как известно, обладают пористостью; наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры од-

ним из этих компонентов, грунты будут представлять собой двух-или трехкомпонентную систему. Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.

Объем пор определяет предельные значения количества воды и газов в грунтах: чем больше поры заполнены водой, тем мень­ше в них газов, и наоборот. Преобладающий компонент (вода или газ) в очень большой мере определяет свойства фунтов.

Интенсивность газообмена между грунтом и атмосферой зави­сит от их состава и строения и вызывается диффузным переме­шиванием газов, колебаниями температуры и давления, атмо­сферного воздуха, атмосферными осадками и ветром.

Между атмосферным воздухом и газовой составляющей грун­тов различия наиболее велики в количественном содержании ди­оксида углерода, кислорода и азота. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (около 0,03 %), то содержание ее в почвах и горных породах возрастает до десятых долей и даже целых процентов, а в почвенном возду­хе может достигать почти 10 %. Кислород и азот в толще грунтов содержатся в разных количествах.

Газы в порах грунтов могут находиться в различном состоя­нии: свободном, адсорбированном и защемленном; кроме того, в во­де, заполняющей поры, газы могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней.

Адсорбированные и защемленные газы оказывают определен­ное влияние на свойства грунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности фунтовых частиц, удерживаемое молеку­лярными силами, зависит от минералогического состава фунтов, наличия в них гумуса и других органических веществ и соедине­ний, от степени дисперсности, неоднородности, морфологиче­ских параметров частиц фунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих фунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5—10 % становится равным нулю.

При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в фунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении фунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри фунта. Это так называемые «защемленные газы» или «за­щемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры. Защемленные газы занимают значительные участки в толще фунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах фунта, что является обыч­ным для пылеватых и глинистых фунтов.

Максимальное количество защемленных газов, в отличие от адсорбированных, формируется в грунтах при какой-то оптима­льной для данного грунта влажности. Например, в глинистых грунтах защемленные газы могут занимать до 20—25 % объема пор грунтов.

Адсорбированные и защемленные газы с большим трудом удаляются из грунтов внешним давлением. Выявлено, что четвер­тичная покровная глина и юрская морская глина при естествен­ной влажности сохраняли в себе газы даже после уплотнения их нагрузкой 200 МПа.

Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грун­тов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение во­допроницаемости грунтов.

Вода в грунтах. Классификация видов воды в грунтах. В зави­симости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; свя­занная — прочносвязанная (гигроскопическая), рыхл ос вязанная; свободная — капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная (рис. 50).

Парообразная вода. Наряду с другими компонентами в состав грунтовой атмосферы входит водяной пар. Обычно количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того что может сво­бодно передвигаться в грунте при незначительной его влажности (что отличает его от всех других видов воды в грунтах), а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых ча­стиц образуются другие виды воды.

Парообразная вода в грунте находится в постоянном динами­ческом равновесии с другими видами воды, например, с гигро­скопической и с водяным паром в атмосфере. Парообразная вода способна при определенных условиях конденсироваться.

Возможность образования из парообразной воды других видов связана со способностью и интенсивностью адсорбции парооб­разной воды минеральными частицами.

Интенсивность адсорбции определяется различными фактора­ми, в частности, она зависит от относительной упругости водя­ного пара. С ростом упругости количество адсорбируемой влаги возрастает. Около 50 % конденсационной воды адсорбируется по­верхностью грунтовых частиц, а оставшаяся часть конденсируется в микропорах грунта, где она переходит в связанную воду.

Особенностью адсорбции водяного пара на поверхности грун­товых частиц является то, что помимо отдельных молекул форми-148

н о°Лн н

о 4л

н

 

 

н