Условия залегания горных пород и их инженерно - геологические особенности

Связные породы

Группа связных грунтов  объединяет лессовые, глинистые почвы и биогенные породы. Для них характерна зависимость прочностных и других свойств от влажности. В зависимости от влажности преобладают структурные связи разного характера: ионно-электростатические, капиллярные, молекулярные.

Лессовые породы распространены очень широко. По условиям залегания лессовые породы - повсеместно покровные. Мощность их толщи колеблется от нескольких см до десятков и даже сотен м. Лессовые породы обычно подразделяются на лессы и лессовидные грунты. В основу этого подразделения могут быть положены различные признаки. При инженерно-геологической характеристике важнейшей их особенностью является просадочность. По этому свойству и следует подразделить лессовые породы: лессы являются просадочными, лессовидные - непросадочными или малопросадочными.

Лессы являются наиболее однородными по гранулометрическому составу. Во всех районах они характеризуются высоким содержанием крупнопылеватых частиц, ничтожным количеством частиц крупнее 0,25 мм и небольшим содержанием глинистых фракций.

Лессовидные породы характеризуются разным гранулометрическим составом. Среди них выделяются лессовидные пески, лессовидные супеси, лессовидные суглинки и даже лессовидные глины.

Просадочность лессов - не только их важнейшее свойство, имеющее большое практическое значение, но и ключ к познанию их генезиса. Лессы обладают просадочностью (е > 0,01). Величина просадоч ности с глубиной в общем уменьшается, но под горизонтами погребенных почв значительно возрастает, их суммарная пористость колеблется от 30 до 64 %. Наиболее часто встречающиеся значения пористости – 44-50 %.

Характерным признаком всех лессовых пород является их малая  водопрочность. Водопроницаемость изменяется в широких пределах: коэффициент фильтрации колеблется от 0,001 до 8,5 м/сут. Одной из характерных особенностей является значительное снижение их сопротивления сдвигу в момент замачивания. Угол внутреннего трения уменьшается на 4-8° а величина сцепления также быстро падает. Лессовые породы характеризуются невысокой пластичностью.

Глинистые- одна из наиболее распространенных пород. Состав, структурно-текстурные особенности и свойства, а также строение толщ определяются их генезисом. Огромное влияние на их свойства также оказывают возраст, степень литификации и условия залегания. Элювиальные глины характеризуются различными инженерно-геологическими свойствами, в частности различной пластичностью. Наиболее пластичные их разновидности формируются при выветривании основных изверженных и эффузивных пород. При выветривании кислых пород обычно образуются слабопластичные глины (каолинитовые).

Глинистые делювиальные породы имеют общую склонность движения по склонам. Искусственная подрезка делювиальной толщи (сооружение котлована под здание, дорожной выемки и т. д.), особенно в нижней части склона, нередко вызывает подвижки оползневого характера. Поверхность скольжения может проходить как внутри делювиальной толщи, так и по контакту ее с подстилающей коренной породой. В инженерно-геологической практике имеются примеры, когда движение глинистого делювия по поверхности глинистых пород происходит при очень малых углах наклона к поверхности контакта (несколько градусов). Борьба с движением в этих условиях осложняется свойствами этих пород, в частности их практической водонепроницаемостью и неэффективностью вследствие этого применения дренажных устройств.

Пролювий - это генетический тип континентальных отложений  временных потоков в пределах предгорных равнин. Пролювиальные глинистые породы, сформированные в предгорных равнинах, отличаются хорошей отсортированностью. Среди аллювиальных образований глинистые породы развиты очень широко, особенно в долинах равнинных рек. Они отличаются большим разнообразием как по составу, так и по свойствам. Такое разнообразие определяется различными условиями формирования тех или иных глинистых аллювиальных толщ. Наихудшими по своим инженерно-геологическим особенностям среди них оказываются глинистые породы, которые формируются в старицах и представлены обычно достаточно высокодисперсными разновидностями со значительным количеством органики. Они находятся преимущественно в мягкопластичном состоянии.

Ледниковые отложения  представлены супесями, суглинками и глинами, содержащими различное количество дресвы, гравия, гальки и валунов. Отличительной чертой глинистых моренных образований является их высокая плотность: объемная масса обычно колеблется от 1,8-1,9 до 2,2-2,3 г/см³. Пористость этих пород мала — обычно 25-35 % (наиболее часто - около 30 % или несколько ниже). В соответствии с высокой плотностью сжимаемость моренных отложений незначительна: показатели механических свойств характеризуют морену как плотный, слабосжимаемый грунт. Модули сжимаемости, полученные при компрессионных испытаниях в интервале нагрузок 0,1-0,3 МПа, находятся в пределах от 9 до 10-15 и даже до 20 МПа. Сопротивление сдвигу моренных грунтов также обычно достаточно высокое. Моренные глинистые грунты в большинстве случаев считаются надежными основаниями для самых тяжелых и ответственных сооружений, что обусловлено их плотным сложением, очень низкой пористостью и слабой сжимаемостью.

Типичным представителем глинистых водно-ледниковых отложений являются хорошо известные в инженерно-геологической практике ленточные глины, широко развитые на севере Республики Беларусь. Ленточным глинам свойственна высокая пористость (до 60-65 %) и высокая естественная влажность. Чаще она выше влажности верхнего предела пластичности, т. е. в естественных условиях глины находятся в скрытотекучем состоянии. Ленточные глины обладают четко выраженной анизотропией в отношении целого ряда свойств благодаря особенностям своего микростроения. В частности, их водопроницаемость, являющаяся вообще величиной очень небольшой, значительно выше вдоль напластования, чем перпендикулярно к нему. У песчаных и пылеватых прослоев коэффициент фильтрации равен

10^-4 - 10^-8 см/с, а у глинистых он снижается до 10^-8 см/с. Ленточные глины в естественном состоянии могут без значительных деформаций выдерживать нагрузки до 0,3-0,4 МПа, даже если их естественная влажность превышает верхний предел пластичности. Осадка толщи водонасыщенных ленточных глин под сооружением усиливается при переслаивании глинистых и песчаных пород. Последние в этом случае играют роль естественных дрен, отводящих выжимаемую из глинистых прослоев воду.

Сопротивление ленточных  глин различно в зависимости от места  расположения поверхности сдвига. Оно  больше для песчаных и меньше для глинистых прослоев. Кроме того, ввиду анизотропности породы это сопротивление изменяется в зависимости от направления сдвигающего усилия по отношению к поверхности наслоения.

Озерные суглинки и глины  пользуются сравнительно нешироким распространением. Высокая пористость глинистых озерных пород, значительное содержание в них органики и высокая естественная влажность обусловливают большую сжимаемость этих пород и низкие показатели сопротивления сдвигу.

Глинистые породы очень широко распространены среди морских отложений. Для морских глин характерно наличие водорастворимых солей. При высыхании эти соли кристаллизуются и создают жесткие связи между частицами породы, увеличивая ее прочность. Наличие кремнезема и окислов железа в морских глинах еще больше повышает их связность, прочность и водоустойчивость. Противоположную роль играют сульфиды железа и органические вещества, которые, разлагаясь, вызывают изменение состояния и ухудшение свойств глинистых пород.

Большинство более древних  глин на платформе находится в скрыто текучем или тугоплавком состоянии. Сильно уплотненные глинистые породы, находящиеся в полутвердом или твердом состоянии, встречаются чаще всего в геосинклинальных и сильно дислоцированных областях, а также в пределах платформы на значительной глубине.

Многие глинистые морские  отложения, несмотря на свою высокую уплотненность, подвержены на склонах развитию оползней, достигающих иногда огромных размеров

Почвы и торфы

Особенности почв отличны  от особенностей подстилающих их горных пород. Это своеобразие объясняется в первую очередь тем, что в почвах неорганическое минеральное вещество тесно сочетается с органическим. Это и определяет специфику свойств почв. Данные особенности приходится учитывать при использовании почв в качестве грунтов при строительстве аэродромов, железных дорог и других инженерных сооружений. В основу инженерно-геологического подразделения почв целесообразно положить значение рН. Почвы, имеющие рН > 7, резко отличаются по составу органического вещества, строению и свойствам от почв, у которых рН < 7 (рН > 7 - сероземы, каштановые и бурые, черноземы, засоленные и др.; рН < 7 - лесостепные, подзолистые и дерново-подзолистые, тундровые, болотные и др.).

Почвы щелочной реакции —  группа монтмориллонита. Почвы кислой реакции — группа каолинита. В  обоих случаях обычно содержатся различные модификации вторичного кварца и окислов железа.

Важное значение имеют простые соли, которые в почвах находятся в твердом состоянии. Их общее количество колеблется от долей процента (например, в подзолистых почвах) до десятков процентов (в нижних горизонтах черноземов, каштановых почв, в солончаках). Наличие этих солей оказывает влияние на ряд инженерно-геологических особенностей почв (например, их агрессивность по отношению к строительным материалам).

Содержание органической части почв — гумуса — колеблется от долей % до 20-22 % по весу. Особенно большое содержание гумуса характерно для черноземных и черноземновидных почв. При инженерно-геологической оценке следует учитывать вертикальное строение. Различные горизонты почв различаются по генезису, составу, физико-механическим и физико-химическим особенностям и свойствам.

Торф - своеобразная, геологически относительно молодая, не прошедшая стадий диагенеза, фитогенная горная порода. Образуется в результате отмирания и разложения болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода. Выделяются два типа по генезису: озерно-болотный и аллювиально-болотный.

Подразделение биогенных пород в инженерно-геологических  целях целесообразно производить  по степени их разложения и зольности (содержание в торфе минеральных веществ достигает 18 % у торфов озерно-болотного происхождения и 40 % - у торфов аллювиально-болотного генезиса). Выделяются слаборазложившиеся торфы (степень разложения R = 5-20 %), среднеразложившиеся (R – 30-40 %), сильноразложившиеся (R > > 40 %) торфы. Они в связи с этим различаются по своим свойствам.

При малой общей влажности  торфа (50 %) вся вода находится в  связном состоянии. Содержание гравитационной воды в торфе невелико даже при высокой его влажности и составляет 4-9 %. Количество воды зависит от состава и степени разложения торфа, его зольности, степени осушения залежи и давления, под которым она находится. Влажность торфа особенно зависит от степени его разложения. Чем выше степень гумификации торфа, тем он плотнее, тем меньше в нем растительных остатков и способность впитывать воду. При высыхании торфов наблюдается значительная усадка, величина которой определяется начальной влажностью, степенью разложения и зольностью. У высокозольных торфов она достигает 14-44 %. Торф является водонепроницаемым, но величина его К_ф (от п • 10² до п • 10^-6 см/с) мала относительно его большой пористости. Анализ сжимаемости указывает на достаточно тесную ее связь с генезисом торфов, их степенью разложения, плотностью и влажностью.

Аллювиально-болотные торфы, обычно средне- и высокозольные, обладают более высокой объемной массой и характеризуются наиболее низкой сжимаемостью, причем ее величина уменьшается с увеличением ее зольности и снижением влажности торфов.

Для нормальнозольных торфов озерно-болотного генетического типа наиболее важной характеристикой, определяющей их компрессионные свойства, является степень разложения. При равных условиях наибольшей сжимаемостью обладают слаборазложившиеся торфы, наименьшей - сильноразложившиеся.

Наибольшей прочностью обладают низинные торфы аллювиально- болотного генезиса, имеющие высокую зольность. Для нормальнозольных торфов наблюдается достаточно закономерный рост величины сдвигающего усилия с увеличением степени разложения торфов. Торф может обладать достаточно высоким сопротивлением сдвигу даже при значительной влажности.

Искусственные породы как  грунты оснований

Можно выделить искусственные  грунты с прочными кристаллизационными связями, со слабыми кристаллизационными и структурными ионно-электростатическими связями; искусственные грунты с ионно- электростатическими, капиллярными и структурными молекулярными связями.

Искусственные скальные грунты. Для придания прочности скальным породам в трещины нагнетают цемент или силикат. Если нет необходимости стремиться к значительному повышению прочности, но надо придать им монолитность для уменьшения водопроницаемости массивов, то трещины тампонируют глинистыми или глинисто-силикатными растворами и битумами.

При закреплении трещиноватых и кавернозных грунтов для  придания им прочности и монолитности в трещины нагнетаются растворы, которые, отвердевая, образуют либо химические ковалентные связи кристаллизационного характера внутри вещества и со стенками трещин (например, цемент), либо ионно-электростатические связи (глины). Можно сделать так, что горная дисперсная порода окаменеет и превратится в скальный грунт.

Надежным методом искусственного «окаменения» крупнообломочных, песчаных, лессовых и глинистых пород является внесение в них портландцемента.

Искусственные дисперсные грунты можно подразделить на сильно измененные и значительно измененные грунты.

Сильно измененные дисперсные искусственные грунты наряду с ионно-электростатическими и структурными молекулярными связями имеют слабые структурные кристаллизационные связи, которые образуются в результате горячей и холодной битумизации лессовых глинистых пород, а также при воздействии на них электростатического тока и сравнительно невысоких температур.

Прогретые грунты - это породы, испытавшие воздействие температуры порядка 300-400°.

Значительно измененные дисперсные искусственные грунты - это различные типы искусственных грунтов, имеющих ионно-электро- статические, капиллярные и молекулярные, но не структурные кристаллические связи.