Лекция №9. Основные компоненты подземной среды. Ч.4 Горные породы, грунты. Инженерно-геологические классификации 1. Влияние минерального состава на свойства грунтов Твердую компоненту грунтов слагают зерна минералов и их агрегаты, а также включения органических остатков, льда, строительного мусора и пр. Твердые частицы формируют структурный каркас («минеральный скелет») грунта и определяют особенности его внутреннего строения. Пространство между твердыми частицами, если оно есть, называется поровым и может быть заполнено жидкой, газообразной и биотической компонентами, про которые шла речь в предыдущих лекциях. Большое значение имеет природа и сила связей между частицами грунта, которые стремятся удержать его в устойчивом состоянии при деформировании и разрушении. При инженерно-геологическом изучении грунтов особенно важно знать содержание в них породообразующих минералов, которые находятся в преобладающих количествах и оказывают влияние на свойства. В геологии традиционно применяется классификация минералов по их химическому составу и особенностям строения кристаллической решетки. Прочность самих твердых компонент определяется прочностью и характером связей внутри них. Минералы с одинаковым химическим составом могут иметь разную прочность вследствие различий в их кристаллической структуре и характере химических связей внутри самого кристалла, поэтому более обоснованно проводить подразделение твердой компоненты по преобладающему типу связей внутри компоненты – чем прочнее преобладающие в твердой компоненте связи, тем она прочнее. По характеру связей и определенным пространственным распределениям электронов в твердых компонентах грунтов выделяется пять типов связи: ковалентный, ионный, металлический, водородный и молекулярный. 1. Ковалентные связи: образуются атомами (или группами атомов), на валентных орбиталях которых имеются не спаренные электроны, обобществление которых ведет к формированию общей для связывающихся атомов электронной пары (по одному электрону от каждого атома); атомы с различной электроотрицательностью (валентностью) образуют полярные ковалентные связи, в которых электронное облако связи смещено в сторону более электроотрицательного атома; свойственны силикатным минералам; очень прочны и характеризуются направленностью; многие кристаллические соединения с такими связями тугоплавкие и обладают высокой твердостью (алмаз) и прочностью; могут существовать не только в твердых кристаллах, но и в жидкостях (в молекулах воды), а также в органических соединениях (в молекулах органических соединений, например С-С, С-Н, С-N и др., где знак «-» означает ковалентную связь). 2. Ионные связи: образуются кулоновскими силами притяжения противоположно заряженных ионов: катионов и анионов; вследствие своей электростатической природы не обладают направленностью и насыщаемостью. Ненасыщенность ионной связи проявляется в склонности соединений с такой связью к образованию кристаллических решеток, в узлах кото1 рых каждый ион окружен максимально возможным числом ионов противоположного заряда; характерны для многих солей (галоидов, сульфатов, карбонатов); наиболее характерное свойство соединений с таким типом связи – растворимость, т. е. их способность к диссоциации ионов в растворах в полярных растворителях. Обусловлено это тем, что энергия сольватации ионов молекулами растворителя выше энергии ионной связи в кристалле; растворимость простых солей, как правило, снижается с уменьшением ионных радиусов и повышением валентности ионов (породы карбонатного состава всегда имеют растворимость меньше, чем сульфатные, а эти, в свою очередь, меньше, чем галоидные). 3. Металлические связи: образуются в соединениях между элементами, обладающими свободными валентными орбиталями и низкой энергией ионизации; характерны для всех соединений, относящихся к металлам – веществам, с высокой электро- и теплопроводностью, обусловленными значительной подвижностью электронов в кристаллической решетке. Металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки и погруженных в «море» свободных подвижных электронов, что отличает ненаправленную металлическую связь от направленной ковалентной. Энергия связей между электронами и ядрами в кристаллах металлов относительно мала, она минимальна у щелочных металлов и возрастает с увеличением заряда ядра, достигая наибольших значений у переходных металлов. 4. Водородные связи: представляют собой особый тип так называемой трехцентровой связи: X-H•••V (знак «-» означает ковалентную связь, а знак «•••» - водородную), в которой центральный атом водорода Н, соединенный ковалентной связью с электроотрицательным атомом X (например, атомами О, С, N, S и др.), образует дополнительную связь с атомом V (например, атомами N, О, S и др.), имеющим направленную вдоль линии этой связи не поделенную электронную пару; различают меж- и внутримолекулярные водородные связи; характерны для водородсодержащих твердых компонентов грунта – льда, кристаллогидратов, некоторых глинистых минералов и др. 5. Молекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса): обусловлены взаимной поляризацией молекул и поэтому могут возникать как между полярными, так и между различными нейтральными молекулами; весьма слабые связи; могут существовать в твердых молекулярных кристаллах (например, отвердевших инертных газах, газогидратах и др.), а также в органических твердых компонентах и глинистых минералах; твердые тела с молекулярными связями имеют низкую точку плавления и заметно сублимируют. 2 2. Упрощенная классификация минералов в инженерной геологии Основываясь на выделении преобладающего типа связи, в инженерной геологии, где принципиально важно влияние состава грунтов на их свойства, нашла применение упрощенная классификация минералов, согласно которой все минералы подразделяются на следующие группы: 1. Инертные минералы с преобладанием ковалентных связей – первичные силикаты: не взаимодействуют с водой и растворенными в ней ионами и практически не изменяют свои свойства при изменении температурных условий; наиболее распространенная группа, которая слагает более 75% земной коры (вместе с кварцем около 87%) и более 95% изверженных горных пород; общее количество минеральных видов силикатов около 800; силикаты и алюмосиликаты являются породообразующими минералами и из них сложена основная масса горных пород: полевые шпаты, кварц, слюды, роговые обманки, пироксены, оливин и др.; самыми распространёнными являются минералы группы полевых шпатов и кварц, на долю которого приходится около 12% от всех минералов. 2. Растворимые минералы с преобладанием ионных связей – ионные минералы и соли (минералы групп хлоридов, сульфатов и карбонатов): наиболее растворимыми являются галит и сильвин; средней растворимостью обладают гипс и ангидрит; относительно небольшой растворимостью – кальцит и доломит; склонны к карсту; в грунтах, в которых растворимые минералы являются цементирующим веществом, при взаимодействии с водой происходит разрушение структурных связей между частицами, и могут возникать значительные по величине и скорости развития осадки, называемые просадками (например, у лессов). 3. Глинистые минералы с преобладанием ковалентных и наличием молекулярных и водородных связей (но присутствуют и ковалентные, и ионные) – гидратированные слоистые и слоисто-ленточные силикаты: самые распространенные породообразующие минералы верхней части земной коры, как на суше, так и в океанах, где их содержание по разным оценкам составляет до 40...50% от общего состава пород; образуются преимущественно в процессе химического выветривания или гидролиза горных пород, а также гидротермальным путем; разнообразие обусловливает широкий спектр изменения их свойств, поэтому в грунтоведении уделяется большое внимание их изучению; отличаются от прочих слоистых силикатов высокой дисперсностью (размер частиц менее 1-2 мкм) и гидрофильностью, что обусловливает их специфические физико-химические свойства – сорбцию и ионный обмен; благодаря наличию тонкодисперсных частиц с большой суммарной площадью поверхности и со значительной физико-химической активностью наиболее характерными признаками глинистых грунтов являются пластичность и связность. разница между несвязными сыпучими грунтами и глинистыми состоит в том, что прочность первых определяется внутренним трением, зависящим от нормального давления, а в глинистых грунтах, кроме того, сцеплением, вызванным межча3 стичными молекулярными силами притяжения, поэтому глинистые грунты называют связными грунтами; связные грунты обладают сопротивлением растяжению, определяемым, главным образом, их минеральным составом и влажностью. По составу и особенностям строения глинистые минералы подразделяют на три группы: с жесткой кристаллической решеткой – внутренне набухание отсутствует (каолинит, гидрослюда, хлорит, палыгорскит и др.); с раздвижной кристаллической решеткой – набухают с увеличением межслоевого пространства (монтмориллонит, нонтронит, вермикулит и др.); смешаннослойные минералы, микрокристаллы которых могут включать как не набухающие, так и набухающие слои. Среди глинистых пород, начиная от девонского и кончая некоторыми породами кайнозойского возраста, преобладающим глинистым минералом чаще всего является гидрослюда (58% всех исследованных образцов), затем монтмориллонит (30%) и каолинит (8%). Следовательно, при инженерно-геологическом изучении глинистых грунтов наибольшее внимание необходимо уделять этим трем глинистым минералам. Интересно, что три наиболее распространенных глинистых минерала (гидрослюда, монтмориллонит, каолинит) в то же время являются типичными представителями трех разных групп глинистых минералов, существенно различающихся по особенностям их кристаллохимического строения. 1. Каолинит: состоит из двухслойных пакетов, довольно прочно соединенных водородными связями; наименее активный глинистый минерал; водородные связи между гидроксильными группами октаэдрической сетки одного пакета и кислородами тетраэдрической сетки соседнего пакета обеспечивают настолько прочное взаимодействие, что вхождение молекул воды, катионов или каких-либо других компонентов в межпакетные пространства становится невозможным; расстояние межслойного пространства при увлажнении почти не изменяется, поэтому минералы этой группы характеризуются слабым набуханием и водопроницаемостью. 2. Монтмориллонит: относится к группе смектитов, имеющих трехэтажное строение; в межслоевом пространстве находятся обменные катионы, состав и количество которых может изменяться, за счет чего кристаллическая решетка монтмориллонита наиболее подвижна; способность к внутрикристаллическому набуханию и чрезвычайно высокая дисперсность обусловливают высокую физико-химическую активность смектитов, которая закономерно уменьшается по мере увеличения в их структуре доли неразбухающих межслоев; за счет наличия внутренней поверхности и высокой степени дисперсности монтмориллонитовые минералы характеризуются огромной удельной поверхностью, измеряемой величинами 600...800 м2/г, и высокой емкостью катионного обмена, варьирующей в пределах 800...1500 ммоль экв/кг. 3. Гидрослюды: также имеют трехэтажное строение; слои связаны менее прочно (через ионы К+) и находятся на большем расстоянии друг от друга, в результате чего данный минерал обладает средней активностью; 4 по физико-химическим свойствам гидратированные слюды более активны, чем каолиниты, но менее активны, чем смектиты; обладают большей величиной емкости катионного обмена, большей дисперсностью, гидрофильностью и удельной поверхностью, чем каолиниты. Отдельные кристаллы глинистых минералов в микроскоп практически не видны. Обычно они образуют различные микроагрегаты, включающие комплекс нескольких глинистых минералов – природных ассоциаций. При определенных условиях они проявляют пластичность и липкость. При большом количестве активных глинистых минералов они склонны к набуханию и усадке. Как правило, такие грунты в водонасыщенном состоянии имеют сравнительно низкую прочность, а их деформации под нагрузкой, наоборот, весьма значительны и стабилизируются они крайне медленно. Кроме того, они обычно водоупорны (не фильтруют воду), так как почти вся вода в них находится в связанном состоянии. 4. Металлические соединения с преобладанием металлических связей – самородные металлы (медь, серебро и др.), некоторые металлические руды, являющиеся полезными ископаемыми, сульфиды, а также различные металлические соединения искусственного происхождения, особенно отходы металлов, содержащиеся в техногенных грунтах (свалочных, предельных и отвальных шлаках и др.): в горных породах обычно образуют сплошные, кристаллически-зернистые массы или встречаются в виде кристаллов, вкрапленностей; большая часть имеет высокую плотность (до 8,5 г/см3). 5. Органическое вещество и органоминеральные комплексы – компоненты с преобладанием молекулярных и наличием ковалентных связей: в грунтах в твердом состоянии представляет собой остатки растительного (или животного) происхождения, которые со временем претерпевают различные стадии разложения, физико-химического преобразования и минерализации; грунты, содержащие органическое вещество, называются органическими и органоминеральными и имеют широкое распространение в морских и континентальных отложениях; к органоминеральным грунтам следует относить ил, сапропель, заторфованный грунт, к органическим грунтам – торф и сапропель; такие грунты относятся к дисперсным грунтам и не выделяются в отдельный класс, хотя вполне этого заслуживают, так как обладают специфическими свойствами, резко отличающими их от других грунтов (см. прошлую лекцию). 6. Лед и газогидраты – компоненты с преобладанием водородных, молекулярных и наличием ковалентных связей: лёд является неустойчивой фазой: при повышении температуры окружающей среды грунт оттаивает, происходит изменение его свойств, а у некоторых грунтов резко изменяются физическое состояние, прочность, деформируемость, водонепроницаемость, развиваются провальные и просадочные (термокарстовые), оползневые и другие явления; при оттаивании мерзлых грунтов сооружения, построенные на них, испытывают значительные неравномерные и резкие осадки (просадки), поэтому часто происходят большие их деформации и даже разрушения; переход воды в лед при промерзании грунтов существенно изменяет их физическое состояние, деформируемость, прочность, водопроницаемость, а также электрические, тепловые и другие свойства; 5 промерзание грунтов сопровождается развитием особых мерзлотных процессов и явлений, таких как изменение строения пород (структуры и текстуры), перераспределение влаги в них, морозное пучение, образование морозобойных трещин, наледные явления и др. Все перечисленное показывает, что условия строительства сооружений на таких породах и обеспечение их устойчивости представляет сложную проблему. структура льда имеет вид тонких прочных, но гибких пластинок. Промежутки между «пластинками», удерживаемыми водородными связями, являются плоскостями ослабления, по которым происходит скольжение, что обусловливает повышенную текучесть льда. Он способен течь подобно вязкой жидкости под любой нагрузкой, что определяет явно выраженные реологические свойства мерзлого грунта, поскольку лед является его основным компонентом. Лед в мерзлых грунтах может находиться в виде: o льда-цемента – мелкие кристаллы различного размера, вкрапленные в грунтовый скелет и цементирующие минеральные частицы; o льда включений – различные линзы, прожилки и прослойки (шлиры) толщиной от долей миллиметров до десятков сантиметров (если толщина ледовой прослойки не превышает 50 см, то лед рассматривают как компонент мерзлого полиминерального грунта, а не как самостоятельную породу); o массивных залежей подземных льдов – если толщина прослойки льда в горной породе составляет более 50 см, то такую прослойку рассматривают как самостоятельную горную ледоминеральную породу, называемую подземным льдом или ледяным грунтом. Вечномерзлые грунты широко распространены в Северном полушарии и занимают около 25% территории суши, из которых на долю территории бывшего Советского Союза приходилось более половины, а в современной Российской Федерации превышает 65% ее территории, в том числе занимает 85% территории Сибири, 95% Республики Саха (Якутии) и т. д. На долю Аляски (США) приходится 1,2...1,5 млн км2 (86...98 % территории этого штата), на долю Канады - в пределах 3,89...5,70 млн км2 (от 39 до 57 % территории), на долю Гренландии – в пределах 1,6...1,68 млн км2 (от 73 до 77%). В северных и северо-восточных районах имеют сплошное распространение (зона сплошного распространения многолетней мерзлоты) и мощность их измеряется там сотнями метров, а среднегодовая температура достигает минус 7, 10 и даже 12°С. К южной границе распространения вечномерзлых грунтов их мощность уменьшается до десятков метров, здесь чаще встречаются талики, а температура пород изменяется от минус 0,2 до минус 2°С. Вблизи этой границы вечномерзлые породы встречаются главным образом на отдельных участках (зона островной многолетней мерзлоты), мощность их не превышает первых десятков метров, а температура изменяется от 0 до минус 0,3°С. В вертикальном разрезе многолетнемерзлые породы также могут либо иметь непрерывное распространение, либо разделяться таликами, т. е. быть слоистыми. 6 3. Инженерно-геологические классификации горных пород При рассмотрении горных пород (грунтов) в качестве основания или вмещающей среды ученые пришли к выводу о том, что необходимо создание инженерно-геологических классификаций, которые бы помогли в разделении многообразия горных пород по их строительным качествам. Выделяют общие и частные классификации. Общая классификация призвана рассматривать полное глобальное многообразие (полное множество) грунтов и систематизировать их в определенную, логически непротиворечивую иерархическую систему. Совершенство этой классификации является мерилом теоретической зрелости грунтоведения как науки, а также инструментом для дальнейшего развития теории и основой построения частных классификаций, используемых в практической деятельности инженера-геолога. Создание общих классификаций стало возможным, когда оформились представления о зависимости инженерно-геологических свойств от особенностей их состава, строения и накопились фактические данные, подтверждающие эти положения. При построении общей классификации родовое понятие «грунт» подразделяется на ряд таксономических единиц. При этом осуществляется действие, подобное логической операции «деление понятия». При ее осуществлении необходимо соблюдать правила, важнейшими из которых являются: 1) сумма выделенных в классификации таксономических единиц должна быть равна объему классифицируемого родового понятия; 2) классификационные признаки должны выбираться так, чтобы каждый грунт попадал бы только в один из выделяемых таксонов классификации; 3) в пределах одной таксономической единицы все таксоны более высокого уровня должны обособляться по признакам одного порядка – должно использоваться одно основание деления; 4) классификационный признак может изменяться от одного уровня классифицирования к другому. В итоге общей классификации полное множество грунтов подразделяется в пространстве признаков на подмножества, которые на каждом уровне расчленения являются однородными по принятому признаку классификации. Разработка общей классификации грунтов, первая из которых была опубликована Ф.П. Саваренским в 1937 г., представляется сложной задачей как в силу очень большого генетического и морфологического многообразия природных и антропогенных образований, которые могут служить грунтом (любые горные породы, почвы, осадки и антропогенные геологические образования), так и наличием у них множества важных характеристик состава, строения, состояния и свойств. В этой ситуации выбрать классификационные признаки, ранжировать их и обосновать этот выбор – сложная задача, в решении которой исследователь руководствуется не только научными знаниями о грунтах, но и принадлежностью к той или иной научной школе, традициям, своими взглядами на пути решения этой задачи и интуицией. Акцент обычно делается на изучении состава, состояния и свойств пород, а также на их изменчивости по площади и глубине. Эти параметры определяют несущую способность пород и их ответную реакцию на техногенное воздействие. Наиболее известные общие классификации грунтов, нередко называемые «инженерногеологическими классификациями горных пород и грунтов» (табл. 1), можно разделить на четыре группы: 1) классификации, предложенные Ф.П. Саваренским (1937, 1939), 7 В.А. Приклонским (1943), Н.Н. Масловым (1944, 1961); 2) классификации Е.М. Сергеева (1952, 1971, 1983 и др.), Е.М. Сергеева с соавторами (1956), а также классификации, закрепленные в ГОСТах 25100-82 и 25100-95; 3) классификации В.Д. Ломтадзе (1970, 1984); 4) общая классификация грунтов Г.К. Бондарика (1981). Табл. 1 – Классификации горных пород в инженерно-геологических целях 1. Классификация Ф.П. Саваренского (1937), названная им «Инженерногеологическая классификация горных пород и грунтов» (см. табл. 2.). Построена в виде «древа», на первом, втором и третьем уровнях которого обособлены группы (5), классы (17) и подклассы (38) пород, выделенные по петрографическому признаку. В качестве групп выделены пять категорий: o I. Твердые компактные «скальные» породы – водонепроницаемые сами по себе, но проницаемые по трещинам с турбулентным характером потока по крупным трещинам, невлагоемкие, практически не сжимаемые, прочные, крепкие. o II. Относительно твердые и компактные породы, «полускальные», – имеют пониженные показатели в инженерно-геологическом отношении по сравнению с предыдущей группой. o III. Мягкие связные породы – слабопроницаемые или практически водоупорные, влагоемкие, сжимаемые; изменяют объем в связи с изменением влажности; прочность и крепость зависят от степени увлажнения. o IV. Рыхлые несвязные породы – хорошо проницаемы, невлагоемкие, слабосжимаемые. o V. Мягкие и рыхлые породы особого свойства или состояния – отличаются какими-либо особыми свойствами или особенностями, снижающими их физико-технические свойства, например, соленосные грунты, торфянистые, плывучие и т.п. 8 Таблица 2 – Фрагмент (группы А и С) классификации Ф.П. Саваренского 9 Для каждой группы дается общая характеристика физических и строительных свойств: o характер деформации (сжимаемость); o прочность (временное сопротивление на сжатие для твердых пород); o сопротивление при проходке (крепость по Протодьяконову); o отношение к воде (влагоемкость, водопроницаемость и характер грунтового потока); o скорость упругой сейсмической волны; o электрическое сопротивление; o оценка пород в качестве оснований (допустимые нагрузки); o характер откоса. Последняя группа является сборной: в нее вошли горные породы особого состава (почвы, торф, соленосные породы) или особого состояния (пересыщенные водой, мерзлотные) или искусственно разрушенные и созданные грунты». Достоинства – охватывает все породы и почвы и учитывает очень большое число признаков, важных в инженерно-геологическом отношении. Недостатки – слабый учет генезиса и петрографического состава пород, а также некоторая неотчетливость признаков, принятых в качестве классификационных при выделении отдельных подразделений. 2. Классификация В.А. Приклонского: В качестве основных классификационных признаков принят характер внутренних связей между частицами в породах, обусловливающий характер их деформаций под воздействием внешних усилий. В соответствии с этим выделены три основные группы: 1. Породы с жесткими, преимущественно кристаллизационными связями между зернами, ведущие себя под действием внешних нагрузок как твердые упругие тела, скальные и полускальные грунты. К ним относятся не очень выветрелые изверженные и метаморфические породы, а из осадочных пород — сцементированные и отвердевшие разности. 2. Породы со сложными по своей природе связями между зернами, преимущественно коллоидного характера, сообщающими породе в известной обстановке и при определенных условиях свойства твердого, пластичного или жидкого тела. К ним относятся тонкодисперсные глинистые породы на разных стадиях диагенеза, а также образования растительного и органоминерального происхождения. 3. Породы с отсутствием связи между зернами, ведущие себя как рыхлые сыпучие тела. Дальнейшее подразделение проводится по признакам состава, физического состояния и отношения к воде — растворимости, набухаемости, плывунности, просадочности, водопроницаемости и др. Группы делятся на подгруппы (10), классы (18) и типы (44)». Классификации свойственны, по оценке самого автора, те же недостатки, что и классификации Ф.П. Саваренского. 10 3. Классификация Н.Н. Маслова (1954) (табл. 3). В качестве основного классификационного признака, как и в классификации В.А. Приклонского, принята природа внутренних связей, обусловливающих те или иные свойства горных пород. В соответствии с этим выделены четыре основных класса пород. 1. Породы с превалирующей ролью жестких структурных связей — скальные (жесткие) породы; к ним относятся магматические, метаморфические и осадочные — сцементированные и отвердевшие. 2. Глинистые породы с внутренними связями водно-коллоидного происхождения; к ним отнесены аргиллиты, алевролиты, мергелистые и опоковидные глины, различные глины, суглинки и супеси. 3. Породы без внутренних связей – рыхлые обломочные и песчаные породы. 4. Породы, отличающиеся по своим связям особыми свойствами, – особые породы. Каждый класс, кроме последнего, делится на две категории (группы) – водостойкие и водонестойкие породы. Во второй части классификации выполнено деление пород по свойствам, характеризующим грунт. Это деление учитывает характер взаимодействия грунта с сооружением при нагрузке, неравномерной осадке, сдвиге, фильтрации и т. д. Присущи общие недостатки, отмеченные и для рассмотренных выше классификаций. Кроме того, принципиально не обосновано выделение четвертого класса особых пород, куда отнесены мел, лёсс, породы вечной мерзлоты, илы, соленосные грунты, почвы и искусственно созданные грунты. Табл. 3 – Геотехническая классификация горных пород Н.Н. Маслова 11 4. Классификация Е.М. Сергеева (1952) «Генетическая классификация грунтов». Породы и почвы подразделены на семь основных типов, выделенных по смешанному принципу: 1. Прочные кристаллические грунты – изверженные и метаморфические породы; 2. Рыхлые грунты – обломочные, песчаные и супесчаные породы; 3. Пластичные грунты, подразделенные на лёссовые и глинистые; 4. Почвы, включающие разнообразные их виды; 5. Химически осажденные и органогенные грунты – кремнистые, карбонатные, сульфатные и галоидные; 6. Сцементированные грунты – обломочные, песчаные и тонкозернистые; 7. Искусственные грунты. Типы далее делятся на классы (18), группы (48) и виды (94). Признаки для этого деления у разных типов грунтов приняты различные, наиболее важные: генезис, размер зерен, сланцеватость, просадочные свойства, минеральный состав и др. Кроме того, виды рекомендуется делить на разновидности на основе физического состояния и механических свойств породы или почвы. Достоинства – в большей степени, чем в рассмотренных выше классификациях, отражены геолого-петрографические и генетические признаки. Недостатки – меньший учет важных с инженерно-геологической точки зрения свойств, в частности сжимаемости (деформируемости) пород, сопротивления их механическим усилиям (сжатию, сдвигу) и т.д. При учете этих признаков число подразделений, и так очень большое, еще более возрастает, и классификация окажется слишком громоздкой для практического использования. 5. Классификация Е.М. Сергеева, В.А. Приклонского, П.Н. Панюкова и Л.Д. Белого (1956). Построена с учетом генезиса и морфологических признаков пород в виде «древа». Разновидность (категория пород) объединяет однородные породы по трещиноватости, по степени выветрелости, уплотненности, по показателю консистенции и др. свойствам; Достоинство: отражение генезиса пород и процессов последующего литогенеза, петрографического состава и структурно-текстурных особенностей горных пород. Недостатки: слабо охарактеризованы свойства, отражающие взаимодействия фаз грунта (жидкой и твердой) и определяющие несущую способность основания сооружения. Развита и усовершенствована Е.М. Сергеевым в классификациях (которые не включали мерзлые грунты), опубликованных в третьем (1971) и пятом (1983) изданиях учебника «Грунтоведение». На этих же позициях основана общая классификация грунтов в ГОСТе 25100-82. 6. Классификация В.Д. Ломтадзе, помещенная в двух изданиях учебника «Инженерная геология. Инженерная петрология» (1970, 1984). Составлена в виде двухкоординатной таблицы, в которой по горизонтальной оси рассматриваются генетические типы, а по вертикальной — по существу классы грунтов (скальные, рыхлые и др.) и их свойства (табл. 4). Собственно классификационные таксоны грунтов – это клетки разного размера, в которых помещены названия конкретных грунтов. Классификация включает продолжение, выполненное уже в виде «древа», в котором приводится характеристика физических, водных и механических свойств для целых групп (табл. 5). 12 Таблица 4 13 Таблица 5 14 7. Классификация Г.К. Бондарика в книге «Теоретические основы инженерной (физической) геологии» (1981): Предпочтение на первых уровнях отдано генетическому (по стадиям литогенеза), а затем вещественному факторам (петрографическому составу, трещиноватости, выветрелости, структурно-текстурным особенностям и характеру структурных связей), свойственным твердой компоненте грунта в данный момент времени (в отсутствие взаимодействия компонент грунта в природной или техногенно измененной обстановке). Множества горных пород ранжированы на подмножества: o первое подмножество грунтов отвечает механической схеме сплошного твердого тела (скальные и полускальные грунты); o второе подмножество – схеме пористого тела (грубообломочные, песчаные, глинистые и биогенные грунты). Дальнейшее деление выполнено по преобладающему типу структурных связей минерального уровня (кристаллизационные, цементационные и т.д.); Выполнена увязка вещественного состава, структуры и текстуры с происхождением и последующими процессами литогенеза, отражены стадии прогрессивной и регрессивной фаз развития геологической среды. 4. Общая классификация Ф.П. Саваренского (1937), дополненная В.Д. Ломтадзе (1970) Как уже было сказано, в этой классификации (см. табл. 4) различные генетические и петрографические типы пород могут быть объединены в определенные группы по физикомеханическим свойствам. Последние позволяют каждой выделенной группе давать определенную характеристику строительных качеств, т.е. характеристику их прочности, деформируемости, устойчивости и водопроницаемости. Согласно этой классификации, все горные породы подразделяются на пять групп: I – породы твердые скальные; II – породы относительно твердые полускальные; III – породы рыхлые несвязные; IV – породы мягкие связные; V – породы особого состава состояния и свойств. В этом инженерно-геологическом подразделении на группы наблюдается изменение их строительных качеств от первой к пятой, исчезновение одних признаков и свойств и появление новых. 1. Твердые скальные породы: Наиболее прочные, практически несжимаемые и устойчивые разности магматических и метаморфических пород, а также небольшая часть прочно сцементированных осадочных пород – нетрещиноватые известняки и доломиты, песчаники и конгломераты на крепком цементе и т.п. Высокая прочность обусловлена наличием жестких структурных связей между частицами, а также отсутствием крупных пор и макротрещин, ослабляющих структуру породы. Почти весь объем представлен твердой минеральной фазой, нерастворимой в воде, что определяет значительную водоустойчивость. Их общая пустотность (пористость) не превышает долей процента, из-за чего скальные породы характеризуются малой водообильностью и низкой водопроницаемостью. 15 Встречаются преимущественно на больших глубинах, вне зоны интенсивного выветривания, в относительно спокойных и стабильных в тектоническом отношении условиях. В строительном отношении наиболее совершенны: o надежное основание для всех типов сооружений, в том числе самых ответственных (атомные электростанции, гидроэлектростанции, уникальные высотные здания и др.); o горные выработки и тоннели в скальных породах весьма устойчивы, однако их проходка затруднена из-за высокой крепости пород; o являются прочным и долговечным строительным материалом, пригодным для изготовления фундаментов, несущих стен и колонн зданий. 2. Полускальные породы: Наименее прочные разновидности магматических, метаморфических и сцементированных осадочных пород, в том числе литифицированные глинистые отложения – аргиллиты и глинистые сланцы. В эту группу также входят песчаники, конгломераты и аргиллиты со слабым глинистым цементом, глинистые мергели, мел и кремнистые породы. Прочность зависит от степени выветривания и трещиноватости и, как правило, в несколько раз меньше, чем их прочность в образце. Поэтому показатели механических свойств полускальных пород определяют в полевых условиях, а при отсутствии возможности организации полевых исследований параметры, полученные по результатам лабораторных испытаний, корректируют с помощью коэффициента структурного ослабления. Общая пустотность зависит от степени трещиноватости и может достигать 10-15% и более. Сильнотрещиноватые разности обладают высокой водоемкостью и водопроницаемостью и часто образуют водоносные горизонты и комплексы. Встречаются гораздо чаще, чем скальные породы. Как правило, залегают непосредственно на поверхности или близко к ней и в той или иной степени подвержены процессам выветривания. В зонах тектонических разломов повышенная трещиноватость характерна для полускальных пород даже на больших глубинах. В строительном отношении занимают промежуточное положение между скальными породами и дисперсными грунтами: o в большинстве случаев пригодны для строительства различных сооружений, в том числе и ответственных, но нередко с соблюдением определенных ограничений и применением сложных инженерных мероприятий для обеспечения их устойчивости (цементация, битуминизация и пр.); o проходка горных выработок в трещиноватых полускальных грунтах часто сопровождается вывалами пород. Их повышенная водопроницаемость создает дополнительные трудности и требует устройства гидроизоляции или организации водоотвода; o широко используются как строительный материал, благодаря тому, что сохраняют высокую прочность в отдельном блоке (плитке) и легче разрабатываются. 16 3. Рыхлые несвязные породы: Крупнообломочные несцементированные породы из обломков кристаллических или сцементированных осадочных пород (щебень, гравий, галечник и др.), содержащие более 50% (по весу) обломков размером свыше 2 мм (щебень, галечник, гравий); прочность в значительной степени зависит от того, обломками каких пород они сложены. Наибольшую прочность дают магматические породы, меньшую – осадочные; прочность связана с плотностью – укладка обломков может быть рыхлая и плотная; под нагрузками практически не уплотняются и относятся к надежным основаниям для сооружений; обладают большой водопроницаемостью; в водонасыщенном состоянии слабо сопротивляются воздействию сейсмических явлений. Песчаные сыпучие в сухом состоянии грунты, не обладающие свойствами пластичности и содержащие менее 50% по весу частиц крупнее 2 мм. В состав входят различные по крупности пески, лишенные структурных связей, находящиеся в сыпучем или текучем состоянии; при увлажнении приобретают небольшую связность; обладают водопроницаемостью от средней до высокой; давление передается непосредственно от частицы к частице через точки их соприкосновения; рыхлые разности легко переводятся в плотные вибрационными усилиями, а под давлением уплотняются незначительно; интенсивность уплотнения песков почти не зависит от влажности; являются устойчивыми и надежными основаниями для различных зданий и сооружений. Часто встречаются среди четвертичных отложений различного генезиса и реже – среди более древних (коренных) пород осадочного чехла. Залегают, как правило, близко к поверхности и являются продуктом выветривания скальных пород. Не имеют прочных связей между частицами, их отличает значительное разнообразие показателей физико-механических свойств, которые зависят, главным образом, от плотности сложения. Чаще имеют среднюю или относительно невысокую плотность; повышенную пористость; значительную водопроницаемость и водообильность. Сжимаемость зависит от степени уплотнения, при этом преобладают остаточные деформации. Прочность на сдвиг определяется силами внутреннего трения при подчиненном значении сцепления. Строительство сопряжено с некоторыми ограничениями: o Нередко требуется искусственное улучшение свойств, в том числе осушение, трамбовка, укатка, виброуплотнение, битуминизация и др. o Проходка горных выработок и тоннелей в таких грунтах невозможна без крепления стенок. o Песок, гравий, щебень и другие обломочные отложения широко используются в качестве строительного материала в силу своей доступности и легкости в разработке. 17 4. Мягкие связные грунты: объединяют глинистые породы малой, средней и реже высокой степени литификации – это глины, суглинки и супеси; являются самыми распространенными среди всех осадочных пород; в составе присутствуют глинистые частицы в количестве не менее 3%, что придает им особые свойства, не характерные для других классов и разновидностей грунтов, а именно – пластичность (во влажном состоянии), гидрофильность, способность набухать при увлажнении, липкость и др. Эти свойства проявляются сильнее с увеличением содержания активных глинистых минералов; обычно имеют большой объем внутренних пор, однако их размер настолько мал, что фильтрация свободной воды сквозь эти поры не происходит, из-за чего глинистые породы являются типичными водоупорами (при отсутствии в них трещин); прочность и деформационная способность изменяется в широких пределах и во многом зависит от наличия и типа структурных связей, степени увлажнения и уплотнения грунта; сжатие глинистых грунтов происходит за счет уменьшения их общей пористости. Из пор отжимается вначале воздух, далее вода и грунт постепенно уплотняется; часто используются в качестве основания или среды размещения сооружений: o пластичные разности характеризуются значительной сжимаемостью (деформируемостью), в связи с чем при строительстве на них наблюдаются продолжительные во времени осадки сооружений; o горные выработки в глинистых грунтах проходят с помощью щитовых комплексов с креплением стенок выработок прочными железобетонными или чугунными конструкциями. 5. Породы особого состава состояния и свойств: включают илы, торфы и заторфованные породы, соли и засоленные породы, многолетнемерзлые породы, резко изменяющие свою прочность, деформируемость и устойчивость при оттаивании, искусственно отсыпанные (техногенные) породы и почвы; породы этой группы различны по составу, происхождению и свойствам. Однако общим для них со строительной точки зрения является то, что каждый генетический тип и петрографический вид пород этой группы характеризуется специфическими свойствами, требует применения специальных методов исследования и индивидуальной оценки; в основном слабые, условия строительства на них строительными нормами и правилами в большинстве случаев не регламентируются, однако с ними часто приходится встречаться и вести на них строительство. 18 5. Классификация грунтов по ГОСТ 25100-11 Представляет собой несколько уточненную классификацию ГОСТа 25100-95 и учитывает предшествующий опыт создания общих классификаций грунтов, в частности разработок Е.М. Сергеева и ГОСТ 25100-82. Включает следующие таксономические единицы (табл. 5): o класс – по общему характеру структурных связей; o подкласс (ранее группы) – по характеру структурных связей с учетом их прочности; o тип – по происхождению – генетическое подразделение первого порядка; o подтип – по условиям образования – генетическое подразделение второго порядка; o вид – по петрографическому и гранулометрическому составам, степени неоднородности и числу пластичности; o подвид – по структуре, текстуре, составу цемента, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, по способу преобразования грунтов и степени уплотнения от собственного веса; o разновидность – по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию. Согласно этой классификации, выделяется три класса грунтов – скальные, дисперсные и мерзлые. 1. Класс скальных грунтов: характерны жесткие (кристаллизационные или цементационные) структурные связи химической природы; объединяет горные породы различного генезиса (магматические, метаморфические и осадочные), представляющие собой кристаллические образования; в зависимости от прочности на сжатие породы подразделяются на собственно скальные и полускальные разновидности; породы имеют высокую прочность и малую деформируемость, которая слабо уменьшается при взаимодействии с водой; у сульфатных, карбонатных и галоидных пород структурные связи ионные, и эти породы, прочные в сухом состоянии, растворяются при взаимодействии с водными растворами. Аналогичное подразделение выполнено и для класса грунтов без жестких структурных связей (класс нескальных, дисперсных грунтов). 2. Класс дисперсных грунтов: характерны нежесткие механические и водно-коллоидные структурные связи, обеспечиваемые молекулярными, ионно-электростатическими, капиллярными и магнитными взаимодействиями; состоят из отдельных обломков (частиц) различной крупности, слабо связанных друг с другом; образование связано с выветриванием скальных грунтов и последующим переотложением продуктов выветривания водными, ветровыми и другими способами; слагают более 80% всей осадочной оболочки земной коры; объединяют все рыхлые осадочные обломочные породы и подразделяются на два подкласса – связные и несвязные; отличаются значительно меньшей прочностью и большей деформируемостью, чем скальные и полускальные; характерна резкая изменчивость физического состояния и свойств, многообразие текстурно-структурных особенностей, высокая пористость, слабые структурные 19 связи и весьма различная водопроницаемость от высокой для несвязных грунтов (песков и галечников) до очень низкой (связные грунты); условия строительства различных сооружений на таких грунтах часто сопряжены с большими трудностями. Наибольшие осложнения при строительстве обычно связаны с так называемыми специфическими грунтами, т.е. с грунтами особого состава, состояния и свойств (лессовыми просадочными, набухающими, элювиальными и др.). 3. Класс мерзлых грунтов: характерна отрицательная температура и наличие льда; криогенные структурные связи, по своей природе кристаллизационные, прочность которых зависит от температуры и существенно ниже по сравнению со скальными грунтами; грунты, в которых лед отсутствует, но которые имеют отрицательную температуру (так называемые «морозные грунты») в этот класс не включаются; оттаивающие же грунты, в которых ещё сохранился лед, и промерзающие грунты, содержащие его, включаются в класс мерзлых. Выделение разновидностей грунтов целесообразно проводить в пределах частных классификаций, различных для разных классов грунтов: для класса скальных и полускальных грунтов – по величине прочности на одноосное сжатие и разрыв (растяжение); для дисперсных грунтов – по гранулометрическому составу и пористости; для мерзлых грунтов – по льдистости и т.д. Выделение разновидностей грунтов по этим классификациям не исключает применения и других, более специализированных классификаций по тому или иному показателю. Табл. 5 – Классификация горных пород и грунтов по ГОСТ 25100-2011 20 21 Контрольные вопросы 1. Какие породообразующие минералы слагают габбро, аркозовые песчаники на карбонатном цементе и нижнекембрийские глины? Какие структурные связи в них преобладают, и как это сказывается на свойствах пород? 2. Сгруппируйте предложенные минералы в соответствии с упрощенной инженерногеологической классификацией. Ответ оформите в виде таблицы. Минералы: иллит, сидерит, пирит, мусковит, глауконит, сапропель, вермикулит, ортоклаз, олигоклаз, барит, мирабилит, сода, галенит, торф. 3. Составьте сводную таблицу, в которой с разных сторон сравните между собой основные инженерно-геологические классификации. Акцентируйте внимание на классификации ГОСТ 25100-2011 и классификации Саваренского-Ломтадзе. 22
