ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАССОВ ГРУНТОВ

Р и с. 53. Капиллярная кайма (Я_кам) в грунте:

влагоемкость, пластичность, сжатие под нагрузками и т. д.

я

/ — водоупор (глина); 2 — грунтовая вода; 3 — суглинок; 4 — зона аэрации; 5 — здания

Глинистые грунты, особенно в условиях влажного состояния, под нагрузками способны сжиматься, т. е. уплотняться. Сжатие происходит за счет уменьшения пористости. Вначале из пор вытесняется воздух, а потом свободная вода. Грунт при этом ведет себя как пластичное тело. Дальнейшее увеличение нагрузки принимает на себя минеральный скелет грунта. Если структура грунта не была разрушена, то после снятия нагрузки объем грунта может несколько увеличиться.

Это связано с расклинивающим действием пленочной воды, которая восстанавливает толщину своих пленок и раздвигает частицы грунта.

Влажность Ж глинистых грунтов. Вода в глинистых грунтах находится в порах, заполняя их полностью или частично. Вода всегда оказывает очень большое влияние на свойства грунтов, в частности, на поведение их под нагрузками. В природных условиях глинистые грунты практически всегда содержат воду, количество же и виды воды бывают различными.

Природная влажность IV — это общее количество воды, содержащееся в объеме грунта, т. е. весовое количество воды к весу сухого грунта. Если поры грунта полностью заполнены водой, то его относят к водонасыщенным ?_5а,. Величина Ж может изменяться за счет испарения, давления на грунт, притока воды из окружающей среды.

Поглотительная способность глинистых грунтов связана с активной поверхностью глинистых частиц, которая энергично взаимодействует с окружающей частицы средой. Наивысшей активностью отличаются глинистые частицы, которые несут на своей поверхности электрические заряды. Минералы, например, алюмосиликатного или силикатного состава имеют отрицательные заряды, а карбонаты — положительные.

Активность поверхности частиц проявляется следующим образом. При прохождении через грунты жидкостей и газов поверхность частиц притягивает к себе содержащиеся в них вещества или, наоборот, отдает в эти жидкости и газы какие-либо вещества со своей поверхности. Это и есть поглотительная способность грунтов.

В природных условиях все поверхности глинистых частиц обязательно несут на себе какие-либо вещества. Это могут быть: катионы и анионы; пленки воды; частицы или пленки оксидов железа и алюминия или органических веществ типа гумуса, соединений из битума и т. д. Все эти вещества называют «обменными», так как они могут «уходить» и «приходить» из грунтов. Обменные вещества активно влияют на свойства глинистых грунтов, но характер воздействия различен и зависит от вида поглощенных веществ. Наиболее активную роль играют молекулы воды, органические соединения и катионы химических элементов, таких, как К, Ыа, Са, М§. Специальными способами эти обменные катионы можно вводить и выводить из грунтов, заменять один катион на другой, например К на N3 или Са на М§, и тем самым целенаправленно управлять свойствами грунтов.

Каждый глинистый грунт может поглотить только определенное количество катионов. Максимальное количество поглощенных катионов зависит от емкости объема данного грунта и выра-

жается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г сухого глинистого грунта. Емкость объема зависит: 1) от дисперсности частиц, т. е. чем мельче частицы и их больше в единице объема грунта, тем больше будет суммарная поверхность частиц и общая поверхностная энергия; 2) от того, какие минералы присутствуют, например наибольшей поглотительной способностью обладают монтмориллонит.

Поглотительная способность во многих случаях оказывает решающее значение при выборе методов и осуществления работ по искусственному улучшению свойств глинистых грунтов.

Коррозионные свойства глинистых грунтов. Коррозия — это разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах. Коррозия возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов на поро-вый водно-солевой раствор. В этом процессе вода пор становится электролитом. Коррозионные разрушения наиболее типичны городским территориям, где развито трамвайное движение. При проектировании объектов против коррозии следует предусматривать меры защиты.

Специфические свойства глинистых грунтов. Вода и ее количество придает грунтам ряд особых свойств, которые принято называть специфическими, или «характерными». Это — пластичность, липкость, набухание и усадка. Все эти свойства типичны глинистым грунтам и имеют большое значение при их строительной оценке.

Пластичность — способность глинистых грунтов под действием внешнего давления изменять свою форму без разрыва сплошности, т. е. без образования трещин, и сохранять полученную форму. Пластичные свойства обусловливаются наличием пленочной воды и проявляются только между двумя определенными значениями влажности. Представляется нелишним еще раз остановиться на этих значениях. Меньшее значение называют нижним пределом пластичности, или границей раскатывания У_Р, а большее — верхним пределом пластичности, или границей текучести И^. При влажности ниже И^р грунт находится в твердом состоянии, а когда влажность выше И'/, — грунт растекается. Разницу между значениями Ж_р и называют числом пластичности /_р (рис. 54).

Консистенция тесно связана с пластичностью, отражает физическое состояние грунтов и показывает степень подвижности частиц в зависимости от различного количества в грунтах воды. Консистенцию Ji определяют по формуле

Л = (^- ^р)(^-и/_р).

Рис. 54. Состояние глинистых грунтов в зависимости от вида и количества воды:

/—молекула воды; 2—пленочная вода; 3 — свободная вода; 4 — частицы грунта

По значениям У/ с помощью таблиц устанавливают, в каком состоянии находится грунт, например, суглинки и глины могут иметь консистенцию твердую, полутвердую, тугопластичную, мягкопластичную, текучепластичную, текучую. Супеси бывают в твердом состоянии, пластичном и текучем (табл. 25).

Таблица 25

Значения «//_

Липкость (г/см²) — способность глинистых грунтов прилипать к поверхности предметов (колесам и тракам дорожных машин, к лопате и т. д.). Липкостью обладают грунты, которые находятся в пластичном состоянии и обусловливаются наличием пленочной воды, а в почвах также гидрофильного гумуса. Пески и супеси липкостью не обладают. Липкость определяют лабораторным путем. При строительных работах в период дождей она осложняет разработку котлованов и процесс уплотнения грунтов.

Набухание — способность глинистых грунтов увеличивать свой объем в результате увлажнения. Этот процесс свойствен прежде всего глинам и тяжелым суглинкам. Набухающие грунты обычно залегают слоями и чаще всего встречаются на поверхности земли сухих районов. Мощность слоев набухающих глин обозначается Н₅„. Схема процесса набухания грунтов показана на рис. 55. Из того же рисунка видно, где под зданием проявляет себя процесс

а

и

5Д/

в

Рис. 55. Схема набухания грунта (а), давление набухания (Р^) на фундамент

(б), деформация здания от усадки грунта (в):

/—набухающие грунты; 2— зона усадки грунта; 3— здания

набухания грунта основания. За счет давления набухания грунтов здание деформируется.

Набухание грунтов происходит после соприкосновения с водой, если они были сухие или слабо влажные. Вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются до уровня Ж_ммв, частицы грунта раздвигаются и объем грунта возрастает. В увеличении объема грунта играет роль минерал монтмориллонит, который поглощает воду и «разбухает» во много раз. Способность грунтов к набуханию определяют в лаборатории, устанавливают величину относительного набухания = (И_нс — И)/И, где И — начальная высота образов и И_нс — высота после набухания. При Е_5У/ = 0,04 грунт считают набухающим; при значении 0,04—0,08 — слабонабухающим; 0,09—0,12 — средненабухающим и при более 0,12 —сильно набухающим. Одновременно определяется влажность набухания при которой проявляется максимальное значение набухания и давление набухания Р_5т которое создает грунт при увеличении своего объема. Давление Р₅„ может достигать 0,8 МПа. Такая сила набухания легко поднимает и деформирует здание и сооружение.

Наличие набухающих грунтов устанавливают в период инженерно-геологических изысканий. Если грунты являются набухающими, то при проектировании объектов необходимо предусматривать определенные мероприятия: 1) в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и 2) в грунтовом основании.

При строительстве на набухающих основаниях могут быть использованы следующие мероприятия:

• водозащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод. Вокруг зданий устраивают широкие асфальтовые отмостки, канавы и

лотки для отвода воды; надземные водонесущие коммуникации помещают в специальные каналы;

• • устранение свойств набухания в пределах всей или части толщи грунта путем предпостроечного замачивания. Для промачива-ния грунтов используют дренирующие скважины. Грунт провоцируется на набухание и в таком виде должен находиться весь период эксплуатации объекта. Следует отметить, что при этом в грунтах понижаются прочностные и деформативные характеристики. В связи с этим рекомендуется строить объекты с небольшими нагрузками;
• • устройство компенсирующих подушек под всем зданием или фундаментами из слоя уплотненного грунта (песка, суглинка, глины). Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину Р
• 1 5И>?
• • полная или частичная прорезка сборными фундаментами слоя набухающего грунта. При этом боковая часть фундаментов должна обсыпаться песком в целях устранения прилипания грунта к фундаментам;
• • полная или частичная замена слоя набухающего грунта ненабухающим грунтом. Этот способ экономически оправдан при набухающих грунтах с небольшой мощностью слоев;
• • увеличение давления от зданий на основание, чтобы оно было бОЛЬШе Р

Необходимо отметить, что наибольший эффект при строительстве объектов на набухающих грунтах можно получить при сочетании нескольких вышеперечисленных мероприятий и при увеличении жесткости и прочности самих зданий.

Усадка — это уменьшение объема глинистого грунта при высыхании. Собственно, это процесс, обратный набуханию. Высыхание грунтов может происходить за счет испарения воды или вследствие отсасывания из грунта воды корнями деревьев, которые посажены слишком близко к зданию, и их корни проникают под фундамент. При усадке грунт растрескивается, теряет монолитность, прочность. Поверхность земли опускается, и здания, стоящие на этом месте, начинают деформироваться (см. рис. 55).

Усадку изучают в лаборатории, где устанавливают величину относительной усадки, т. е. предел усадки Е_зИ = (/?„ — И_а)/И_п, где И_п — высота образца грунта с У_тлх, а — высота после высыхания; определяют влажность грунта на пределе усадки У_зИ мощность грунтов, которые подвержены усадке Н_зН. Наибольшая величина Е_зН бывает в глинах, меньше в суглинках. В супесях усадка не проявляется. Проявление усадки предупреждают теми же мероприятиями, что и набухание грунтов.

Инженерно-геологическая характеристика некоторых глинистых грунтов. Элювиальные глинистые грунты. Образуются в результате разложения различных пород и накопления на месте разрушения — в коре выветривания — глинистых продуктов указанного разложения (разрушения). По гранулометрическому составу среди этих отложений встречаются разновидности от высокодисперсных глин до неравномернозернистых супесей, содержащих различное количество грубообломочных включений.

Для толщ элювиальных глинистых грунтов в вертикальном разрезе характерен постепенный переход к материнским породам. Формы залегания весьма разнообразны и своеобразны: гнездовые, карманообразные, плащеобразные и др.

Протяженность указанных форм очень изменчива, иногда носит прерывистый характер. Мощность колеблется от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Толщи элювиальных глинистых грунтов обычно лишены слоистости, которая может наблюдаться только, как реликт слоистой текстуры материнской породы. Окраска глин весьма разнообразна: от белой, желтоватой, зеленоватой до красной и пестрой. Растительные остатки и органическое вещество практически не встречаются. Минералогический состав элювиальных глин различен, он определяется главным образом тем составом, которым обладали исходные материнские породы, а также характером и степенью развития процессов их выветривания. В результате в зависимости от длительности выветривания формируются различные, иногда значительной мощности глинистые толщи соответствующего состава — каолинитовые, галлуазит-каолинитовые, монтмориллонито-вые, гидрослюдистые или смешанного состава. Именно среди глин этого генетического типа достаточно часто встречаются обычно редкие мономинеральные разности. Элювиальные глины характеризуются различными инженерно-геологическими свойствами. Еще большим разнообразием отличаются такие петрографические разности элювиальных глинистых отложений, как суглинки и супеси В' силу чрезвычайной изменчивости, а также количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно ярко это проявляется в таком их свойстве, как пластичность. Покажем это на примере «чистых» элювиальных глин: наиболее пластичные их разности формируются при разложении осадочных глинистых и основных изверженных, чаще эффузивных, пород. При разложении кислых пород обычно образуются слабопластичные глины, главным образом, каолинитового состава. Пластичность других петрографических разностей элювиальных глинистых пород обусловлена также наличием и количеством песчаной, пылеватой и грубообломочной фракций. Прочность

элювиальных глинистых пород во много раз меньше, чем в исходных материнских породах.

Делювиальные глинистые грунты. Эти отложения развиты достаточно широко. К ним относятся разнообразные по петрографическому составу образования, покрывающие более или менее мощным покровом склоны различных положительных и откосы отрицательных форм рельефа. Это продукт выветривания вышележащих коренных пород, перемещенный дождевыми и талыми снеговыми водами вниз по склонам и откосам вершин, возвышенностей, берегам обрывов и балок к их подножьям. Делювиальные образования или вовсе не обнаруживают слоистости и сортировки материала, или только неправильную местную слоистость и неполную сортировку, что резко отличает их от других генетических разностей осадочных образований. Кроме того, для описываемых пород характерна быстрая, а часто и резкая изменчивость состава. Среди них чаще всего можно встретить суглинки и глины, хотя описаны и супеси, но в меньших объемах. Довольно часто делювиальные глинистые грунты содержат щебень и более крупные обломки пород, развитые на склоне, как правило, перемещенные гравитационными силами и расположенные всегда беспорядочно, хаотично. В породах имеются различные растительные остатки. Глинистый делювий почти всегда полими-неральный, с преобладанием минералов, характерных для окружающих пород. В районах с умеренно влажным климатом он лишен водно-растворимых солей. Коллоидная его часть характеризуется водоустойчивыми структурными связями, которые свойственны кальциевым агрегатам и коагелям взаимного осаждения. В засушливых областях глинистый делювий в той или иной степени засолен и характеризуется водоустойчивыми структурными связями кристаллизационного типа. Нередко присутствует гипс в виде мелких игольчатых кристаллов или присыпки (порошка).

Физико-механические свойства глинистого делювия также сильно изменяются в зависимости от его состава. Однако в общем инженерно-геологические его качества невысоки. Так, пористость нередко выше 50 %, во влажном состоянии она очень сильно снижается — относительная осадка при давлении 0,2 МПа может достигать 20 %. Делювиальные грунты быстро размокают в воде, особенно если их естественная влажность невысока. Сопротивление глинистого делювия колеблется в широком диапазоне и зависит от состояния породы. Некоторые глинистые разности показывают при давлении 0,2 МПа очень малые значения угла сдвига (2—3°). В других случаях он может достигать почти 45°. Сцепление лежит в пределах 0,005—0,025 МПа. Водопроницаемость, благодаря значительной «глинистости», весьма невелика.

Оценивая делювиальные глинистые грунты с инженерно-геологической точки зрения, следует иметь в виду их общую склонность к движению вниз по склонам, связанную с глинистым составом и отчасти неясно проявляющейся слоистой текстурой, а может быть и приобретенную тенденцию к движению еще на этапе формирования?! Искусственная подрезка делювиальной толщи при проходке котлована под здание, дорожной выемки и т. п., особенно в нижней части склона, как правило, вызывает во всей ее массе подвижки оползневого характера, при этом поверхность скольжения может образоваться как внутри делювиальной толщи, так и на контакте ее с подстилающей коренной породой. Примером служат крупные оползни в делювиальных толщах, описанные на Южном берегу Крыма.

Пролювиальные глинистые образования. Этот генетический тип континентальных отложений, впрочем как и элювий, впервые был выделен А.П. Павловым в 1903 г. при описании современных отложений тогдашнего Туркестана: «Здесь работают не одни дождевые струйки, но и по временам выбегающие из долин значительные потоки, порождаемые ливнями. Геологические отложения, накапливающиеся путем распространения по равнинам минерального материала, выносимого временно излившимися из горных долин и растекающимися по равнине потоками, заслуживают обособления в особый генетический тип, для обозначения которого было бы удобно пользоваться термином «пролювиальные отложения», или «пролювий». Пролювий располагается непосредственно за конусами выноса». Формирование пролювия происходит при оседании частиц в мелких озерцах, временно образующихся при заливании их водой горных рек. По своему гранулометрическому составу пролювий чаще всего представлен пылеватыми суглинками. В настоящее время понятие термина «пролювий» несколько расширилось, в него были включены отложения временных потоков в пределах долин и конусов выноса. Среди слагающих их толщ также встречаются глинистые образования, они обычно слагают маломощные (1—5 м) прослои и линзы в толще грубообломочных пород, которые прослеживаются на протяжении десятков и сотен метров. Для таких глинистых образований характерна плохая сортировка материала и наличие включений обломков пород различной величины. Обычно глинистые породы песчаные или сильнопылеватые, причем характерным является беспорядочное распределение по породе различных по размерам частиц. Глинистые отложения обычно и, естественно, полиминеральны, их минералогический состав зависит от состава размываемых пород и имеет резко выраженный унаследованный характер. С инженерно-геологической точки зрения обобщающих данных немного, хо-

тя опыт строительного использования пролювиальных отложений имеется. Глинистый пролювий в силу своего формирования придает еще большую неоднородность всей пролювиальной толще с точки зрения деформационных, прочностных и воднофильтрационных характеристик.

Аллювиальные глинистые образования. В аллювиальных отложениях глинистые породы развиты очень широко, особенно в долинах равнинных рек. Глинистый аллювий отличается большим разнообразием состава и свойств. Это разнообразие определяется различными условиями формирования тех или иных глинистых аллювиальных толщ.

Среди отложений русловой фации аллювия содержание глинистых грунтов естественным образом невелико, в силу условий формирования русловых отложений, хотя встречаются супеси и суглинки, нередко содержащие органические остатки. В связи с малым распространением русловые глинистые грунты инженерно-геологической оценки обобщающего характера не имеют.

Пойменная фация аллювия равнинных рек в отличие от русловой сложена преимущественно глинистыми образованиями. Это обусловлено тем, что паводковые воды, разливающиеся по пойме, несут, как правило, тонкопесчаный, пылевато-суглинистый и глинистый материал. Этот материал оседает на поверхности поймы после спада воды и покрывает ее прерывистым слоем, при этом наиболее мощные глинистые линзы, обычно обогащенные органическими остатками, образуются в понижениях рельефа. Оседанию взвешенного в воде материала и обогащению его растительными остатками и органическим веществом способствует обильно развивающаяся обычно богатая травянистая растительность и заросли кустарника. Среди отложений пойменной фации наиболее широко развиты горизонтально-, волнисто-, линзовидно-слоистые суглинки и глины, редко супеси. Суглинки и глины плохо дренируемых участков пойм обычно имеют серо-сизый цвет, вследствие их оглеения и обогащения органическими веществами; на дренированных, прирусловых участках цвет пород коричнево-бурый. Молодые пойменные глины, суглинки, супеси обычно очень рыхлые, влажные и слабосвязные. Высыхание их сопровождается структурными изменениями, выражающимися в появлении мельчайших трещинок, которые разбивают породу на отдельности неправильной формы. По стенкам этих трещинок часто отлагаются оксиды железа бурого цвета, которые дополнительно увеличивают неоднородность строения пойменных отложений. Очень часто в разрезах пойменного глинистого аллювия наблюдаются погребенные почвы и своеобразные темноцветные горизонты, обогащенные органическим веществом.

Наличие таких горизонтов в толще аллювия ухудшает его свойства, поскольку повышенное содержание органического материала в таких прослоях повышает гидрофильность, влажность, набухае-мость, сжимаемость и снижает сопротивление сдвигу аллювиальных глинистых толщ.

Глинистые грунты со своеобразными особенностями формируются в «брошенных» старых руслах — старицах, которые со временем медленно превращаются в замкнутые заболоченные понижения, постепенно заполняющиеся в паводковый период пылевато-глинистым материалом. Эти отложения богаты гниющими органическими остатками, что вызывает процессы торфообразо-вания и типичные при недостатке кислорода процессы минера-лообразования. В результате последних образуются такие минералы, как сидерит, вивианит и т. п. Большинство из них при воздействии кислорода легко разлагаются, обусловливая характерные для старичных отложений процессы диагенеза. Для этих отложений в отличие от других пойменных образований характерно также постоянное полное водонасыщение. После спада паводковых вод глинистые отложения поймы подвергаются длительному просыханию (до следующего затопления их водой), а старичные образования, как правило, остаются все время покрытыми водой. В этих условиях старичные глинистые отложения приобретают явные коллоидные свойства, обусловливающие их обычно пластичное или даже текучее состояние и весьма низкие прочностные и деформационные показатели.

По минералогическому составу глинистые аллювиальные грунты довольно разнообразны. Среди них преобладают полими-неральные разности, содержащие в своем составе по несколько глинистых минералов. Самыми распространенными являются ка-олинит-гидрослюдистая и монтмориллонит-гидрослюдистая ассоциации минералов.

Приведенное достаточно беглое описание различных фациальных типов глинистых аллювиальных грунтов показывает, что наихудшими по своим инженерно-геологическим характеристикам среди них оказываются старичные глинистые грунты, представленные обычно достаточно высокодисперсными разностями со значительным количеством органики. Они находятся в мягкопластичном состоянии. Среди них (особенно в молодых современных образованиях) очень широко распространены грунты текучей и скрытотекучей консистенции. Все они характеризуются высокой сжимаемостью и низкими показателями сопротивления сдвигу. Например, Н.Н. Маслов указывал, что коэффициент сдвига пластичных разностей старичных глинистых грунтов при нагрузке 0,2 МПа равен 0,15—0,25, модуль осадки 150—200 мм/м. Еще

более высокие показатели сжимаемости (и соответственно более низкие прочностные показатели) характерны для текучих разностей грунтов. Водонасыщенность старичных грунтов, несмотря на их значительную общую пористость, очень мала, вследствие чего процесс осадки сооружений, возведенных на них, протекает медленно, долго и зачастую неравномерно. Высокая сжимаемость и низкие сопротивления сдвигу старичных глинистых отложений не позволяют рекомендовать их в качестве основания для тяжелых и сложных инженерных сооружений. В случае же необходимости расположения их на участках развития старичных отложений должны быть применены специальные способы обеспечения устойчивости, а в отдельных случаях удаление и замена этих грунтов более надежными.

Глинистые и суглинистые грунты пойменной фации аллювия обладают более благоприятными инженерно-геологическими характеристиками. Для них отмечены большие значения сопротивления сдвигу, меньшая сжимаемость, причем отложения высоких пойменных террас еще более благоприятны для строительства. Водопроницаемость пойменных глинистых грунтов также невелика. Среди них в разрезах надпойменных террас достаточно широко развиты лессовидные суглинки, которые в разной степени обладают просадочными свойствами и невысокой водопрочностью.

С аккумулирующей деятельностью рек связаны и дельтовые отложения, подразделяющиеся по условиям своего образования на две большие группы. Одна из них связана своим происхождением с субаквальными дельтами (реки впадают в водные бассейны), другая — с субаэральными дельтами (реки растекаются по равнине или перестают течь по различным причинам). Отложения субаквальных дельт формируются под влиянием аккумулирующей деятельности реки при значительном влиянии морской, озерной или лагунной обстановки. По составу дельтовые отложения равнинных рек разнообразны, но в общем для них характерна большая глинистость. В отдельных случаях значительные скопления растительных остатков предрасполагают к образованию угленосных толщ. Молодые глинистые отложения дельты особенно при быстром их накоплении отличаются большой рыхлостью. Особенно указанная рыхлость свойственна дельтовым осадкам, формирующимся в воде с повышенной соленостью, поскольку проходящая в этих условиях коагуляция обусловливает рыхлую агрегатную структуру осадка с очень высокой пористостью. Например, средняя плотность скелета молодых глинистых отложений в дельте Волги составляет всего лишь 0,42 г/см², а средняя пористость — 84 %, при этом нужно учитывать, что объем их годового прироста равен 48 млн м³.

При наличии в воде кальция в глинистых грунтах дельты образуются водоустойчивые кальциевые агрегаты. В засушливых местах дельтовые отложения (особенно подводной части) имеют солончаковый характер, в них формируются нестойкие связи из выкристаллизовавшихся солей или нестойкие связи коллоидного типа вследствие «высаливания». При расслоении такие грунты приобретают солонцеватость. Высокая пористость большей части дельтовых отложений сказывается на том, что они обладают в общем значительной сжимаемостью, низкой прочностью и длительным временем консолидации.

Среди отложений субаэральных дельт собственно глинистые породы развиты весьма мало. Для них характерны лессовидные супеси и суглинки, обладающие в большинстве случаев типичными просадочными свойствами.

Глинистые грунты в отложениях ледникового комплекса. Отложения ледникового комплекса слагают мощные толщи моренных водно-ледниковых образований, среди которых широко развиты глинистые породы.

Моренные образования представлены супесями, суглинками и глинами, содержащими различное количество дресвы, гравия, гальки и валунов. Состав этих образований достаточно закономерно изменяется по мере удаления от области питания. Так, на северо-западе Европейской части России это в основном супеси (реже суглинки), переполненные крупновалунным материалом из кристаллических изверженных пород. Далее к югу развиты преимущественно суглинистые толщи, количество включений в которых гораздо меньше, чем к северу. Еще южнее (на севере Украины) морена становится еще более глинистой, количество валунов уменьшается и они уже представлены в основном обломками местных пород.

Нижние горизонты моренных толщ по своему составу в значительной степени связаны с составом подстилающих пород. Для толщ моренных образований характерны включения отторжен-цев — крупных глыб или массивов подстилающих ледник пород, которые по своим инженерно-геологическим особенностям существенно отличаются от моренных глинистых пород. Если подобные отторженцы состоят из твердых пород (известняков, песчаников), они не представляют опасности в инженерно-геологическом отношении и лишь вносят «осложнения в инженерно-геологическую обстановку». Отторженцы пластичных мягких глин (темные глины юры и др.) играют совершенно иную роль: их наличие может обусловливать большие и, главное, неравномерные осадки зданий на участках их развития. Для моренных образований также характерно наличие внутриморенных линз

водонасыщенных песков, которые увеличивают неоднородность строения моренных толщ и уменьшают их устойчивость в стенках откосов и котлованов.

Глинистые моренные грунты являются полиминеральными образованиями. В их глинистой фракции чаще всего преобладают гидрослюды. Наряду с ними содержится значительное количество кварца, полевых шпатов и других минералов, тонкодисперсные частицы которых образовались путем механического перетирания крупных обломков в процессе движения льда. Водорастворимые соли имеются в незначительном количестве или полностью отсутствуют, равно как и органическое вещество.

Отличительной чертой глинистых моренных образований является их высокая плотность: обычно от 1,80—1,90 до 2,20—2,30 г/см³. Пористость этих грунтов мала — обычно 25—35 % (но чаще 30 % или намного ниже). Столь высокая уплотненность рассматриваемых глинистых грунтов объясняется в первую очередь уплотняющим давлением ледника в период формирования моренных толщ. Высокому уплотнению способствовала в значительной мере большая разнородность гранулометрического состава моренных грунтов. Высокая плотность, естественно, во многом обусловила невысокую сжимаемость: в общем показатели физико-механических свойств характеризуют морену как плотный, слабосжимаемый грунт. Модули сжимаемости, полученные по данным компрессионных испытаний, в интервале нагрузок 0,1—0,3 МПа находятся в пределах от 6 до 10—15 и даже 20 МПа. Для нагрузок 0,3—0,4 МПа их значения обычно больше 10 МПа. Коэффициент пористости для моренных суглинков лежит в пределах 0,3—0,45, а моренных супесей — 0,4—0,5. Сопротивление сдвигу моренных грунтов обычно достаточно высокое: моренные суглинки имеют сцепление С = 0,08...0,19 МПа, угол внутреннего трения ф = 18...42°, моренные супеси соответственно С = 0,08...0,001 МПа и ф= 12...35°. Необходимо отметить, что моренные суглинки и глины, хотя и обладают значительной водо-прочностью, все же размокают в воде и размываются водой. Эта способность моренных грунтов иногда является причиной деформаций откосов и дна выемок и котлованов. В инженерно-геологической практике моренные глинистые грунты в большинстве случаев считаются надежными основаниями для самых ответственных и тяжелых сооружений, что обусловлено плотным их сложением, очень низкой пористостью и сжимаемостью.

Среди водноледниковых (флювиогпяциальных) глинистых отложений наиболее типичными являются широко известные в инженерно-геологической практике ленточные глины. Их образование происходило в приледниковых озерах, в которые вода поступала с

различной интенсивностью в течение года. При быстром течении воды и обильном поступлении ее в озера в летнее время откладывались слои с большим содержанием песка (песчанистые), а зимой при замедленном движении воды и незначительном ее поступлении в озера формировались глинистые слои. В результате произошло образование своеобразных песчано-глинистых толщ, характеризующихся четко выраженной ленточной слоистостью. Ленточным глинам свойственны высокая пористость (до 60—65 %) и высокая естественная влажность. Часто естественная влажность выше значений верхнего предела пластичности, а это значит, что в условиях естественного залегания описываемые глины находятся в скрытотекучем состоянии. Ленточное строение придает этим флю-виогляциальным отложениям четко выраженную анизотропию в отношении целого ряда свойств. В частности, их водопроницаемость, которая в целом в ленточных глинах невелика, вдоль напластования значительно выше, чем перпендикулярно ему. Так, в песчаных и пылеватых прослоях, которые главным образом и создают возможность фильтрации, вдоль напластования коэффициент фильтрации кф = Н0^-1...1Т0^_3 м/сут , а в глинистых прослоях он снижается примерно на два порядка, т. е. до МО^-5 м/сут. В связи с незначительной водопроницаемостью осушение водонасыщенной толщи ленточных глин является чрезвычайно трудной инженерной задачей и не всегда осуществимо. 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. Повторное чередование нагрузки и разгрузки в этих пределах придавало, по данным ряда специалистов, ленточным глинам упругие свойства. Отмечено также, что после нарушения естественного сложения породы путем ее перемятия, сопровождающегося переходом грунта из скрытотекучего состояния в текучее, наблюдается резкое снижение прочностных свойств, а также снижение деформационных показателей. Это указывает на наличие в ленточных глинах внутренних связей между частицами, сообщающих породе дополнительную прочность, несмотря на ее высокую естественную влажность. Этому способствует наличие среди обменных катионов в ленточных глинах таких трехвалентных элементов, как железо и алюминий. Сопротивление сдвигу ленточных глин зависит от места расположения поверхности сдвига: если поверхность сдвига расположена в песчанистых прослоях, то значение сопротивления сдвигу значительно выше, чем если эта поверхность проходит по глинистым прослоям. Кроме того, ввиду анизотропности породы это сопротивление изменяется от направления сдвигающего усилия по отношению к поверхности наслоения. Например, для водо-

насыщенных ленточных глин угол внутреннего трения, определенный в интервале давлений 0,1—0,2 МПа параллельно слоистости, равняется для глинистых слоев 11 — 13°, для пылеватых — 15—19°, для песчаных — около 24°. При сдвиге перпендикулярно слоистости этот угол в среднем равен 16°. Сцепление в глинистых слоях составляет 0,02—0,03 МПа, в пылеватых — 0,007—0,017 МПа. При нарушении естественной структуры сцепление как таковое не фиксируется.

Таким образом, ленточные глины характеризуются наличием четко выраженной ленточной слоистости, высокой пористостью, высокой естественной влажностью, достаточно высокой прочностью при естественном сложении, величина которой резко падает при его нарушении, четко выраженной анизотропией свойств.

Инженерно-геологические особенности озерных глинистых отложений. Озерные глины и суглинки имеют сравнительно неширокое распространение. Они, как правило, тонкослоистые, реже линзовидно-слоистые. Отличительной их особенностью является значительное содержание органических веществ, причем, как правило, растительные остатки в них плохо разложившиеся, что наиболее часто отмечается в высокодисперсных глинах. В озерных глинистых породах могут быть встречены любые глинистые минералы, галлуазит и гидрослюды играют преимущественную роль. Из аутигенных неглинистых минералов отмечаются лимонит и другие оксиды железа, пирит, марказит, карбонаты и иногда минералы, состоящие из оксидов алюминия.

По условиям своего формирования озерные отложения очень сильно зависят от общих характеристик водоема (озера), его питания, наличия впадающих рек, несущих различный терригенный материал, от гидрологических параметров озера и впадающих в него водотоков, характера, состава и условий залегания горных пород, в которых находится озеро. Тем не менее названные особенности состава и строения озерных глинистых отложений являются достаточно типичными. Высокая пористость и значительное содержание органики, а также высокая естественная влажность обусловливают невысокие инженерно-геологические характеристики озерных отложений, таких, как прочность и сжимаемость. Пожалуй, лишь низкая водопроницаемость придаст им некоторый положительный оттенок.

Эоловые глинистые отложения и их инженерно-геологическая характеристика. Собственно эоловые глинистые грунты развиты нешироко. Среди них очень интересными образованиями являются современные глинистые дюны, образующиеся в равнинной частично заболоченной местности близ лагун. Илистые лагунные осадки, высыхающие в сухое время года и «скручивающиеся» в

результате этого в глинистые «стружки», переносятся ветром на некоторое расстояние. В результате многократного повторения этого процесса формируются глиняные дюны высотой до нескольких метров. К сожалению, эти образования в инженерно-геологическом отношении очень плохо изучены, а в качестве оснований сооружений не используются.

Инженерно-геологическая оценка морских глинистых отложении. Глинистые грунты очень широко распространены среди морских отложений. Они образуются практически во всех областях моря, в пределах которых отсутствует привнос крупного материала и существуют благоприятные гидрохимические и гидродинамические условия. Наибольшее распространение они имеют среди отложений глубоких частей моря. По своему составу эти глины наиболее однородны среди других типов глинистых пород.

Существуют различные фациальные типы морских глинистых отложений. Прибрежные глинистые грунты формируются в бухтах, заливах, лагунах и между островами у побережий, т. е. там, где отсутствует прибой и непрерывное перемешивание («взмучивание») осадков, а поступление с суши грубообломочного материала очень невелико. Эти отложения залегают в виде прослоев и линз мощностью от 0,2—0,3 до 8—10 м среди толщ изменяющегося состава и очень часто замещаются по простиранию песками, песчаниками, алевролитами, карбонатными и другими породами. Эти глинистые породы характеризуются некоторой неотсортиро-ванностью материала — в них встречаются крупнопесчаные и нередко грубообломочные включения. Они очень часто обогащены органическим веществом, которое встречается как в виде тонко-диспергированного материала (битума, гуминовых соединений), так и в виде растительных остатков. В этих глинистых отложениях развиты углистые разности. Состав глинистых минералов этого фациального типа морских глинистых отложений весьма разнообразен: гидрослюды, монотермит, хлориты, монтмориллонит, реже каолинит. Состав преобладающих минералов зависит от типа выветривания на суше, а также характера механизма переноса материала в море с суши. Глины часто слюдисты, содержат кальцит, сидерит, пирит, иногда сильно ожелезнены.

Глубинные глинистые грунты образуются на глубинах более 40—50 м. Они имеют большое площадное распространение (десятки и сотни квадратных километров) и значительную мощность (до 100 м и более). Гранулометрический состав их достаточно однороден, грубо- и крупнопесчаные частицы в них, как правило, отсутствуют. Наиболее однородные глины формируются на участках, удаленных от берега при отсутствии течений, которые способны привносить обломочный материал. Глины обычно

слоистые; слоистость эта тонкая горизонтальная, ленточная, иногда волнистая. Часто слоистость внутри слоев отсутствует или трудноразличима. В толще глин встречаются следы малых по масштабу оползневых явлений, микротектоники и т. д.

Ведущую роль в составе тонких фракций глубинных глин играют гидрослюды, реже монтмориллонит, еще реже каолинит, присутствует хлорит, сидерит, фосфоритовые, марганцевые и кремнеземистые включения, пирит в виде конкреций и зерен, глауконит, скопления слюды, битумы. Растительного детрита нет, равно как и нет другой органики.

На глубинах более 3500 м формируется красная океаническая (пучинная) глина. По своим свойствам это типичная глина: твердая в сухом состоянии, она легко размокает и даже расплывается в воде. Красная океаническая глина является результатом накопления минерального материала, приносимого ветром, морскими течениями, выпадающего материала при вулканических извержениях. К этому материалу примешивается поступающий на Землю космический материал. Все эти поступления подвергаются в морской воде коренной химической переработке. Соленость морской воды обусловливает некоторые важные в инженерно-геологическом отношении специфические особенности образующихся в морских условиях глинистых осадков. В частности, сравнительно высокая концентрация солей в морской воде (до 35 г/л) вызывает коагуляцию глинистой и коллоидной составляющих осадков с образованием между частицами коллоидных связей. Эти связи, упрочняясь во времени, формируют характерное для морских глин скрытопластичное (затвердевшее) состояние. С процессами коагуляции связано также образование слоистых микроструктур, которые и придают морским глинам часто встречающуюся высокую пористость. Как известно, среди растворенных в морской воде солей преобладают соли натрия и магния. Эти соли активно взаимодействуют с привносимым с суши тонкодисперсным материалом, в поглощаемом комплексе которого преобладает кальций, вызывая катионный обмен, при котором кальций переходит в раствор, а эти соли переходят в поглощенное состояние. Именно в связи с этим в большинстве морских глин в обменном комплексе преобладает натрий, который активно препятствует агрегации их глинистой и коллоидной составляющих. Однако не все глины морского генезиса натриевые, довольно много встречено доломитизированных и мергелистых их разностей, в которых присутствует значительное количество кальция. Для морских глин, естественно, характерным является наличие водно-растворимых солей. При кристаллизации эти соли создают жесткие связи, что увеличивает прочность породы. Удаление указанных солей изменяет состояние породы, вслед-

ствие чего ухудшаются его свойства. Наличие свободного кремнезема и оксидов железа в морских глинах обыкновенно ведет к увеличению их связности, прочности и водоустойчивости. Противоположную роль играют сульфиды железа и органические вещества, которые, разрушаясь, ведут к ухудшению инженерно-геологических характеристик пород в силу своих специфических особенностей.

Плотность и состояние морских глинистых пород весьма разнообразны. Разжиженные и мягкопластичные неуплотненные разности глин встречаются только в молодых, главным образом, современных осадках. Большинство более древних глин в платформенных областях находится в скрытотекучем или ту го пластичном состоянии: по некоторым данным, их коэффициент уплотненности близок к единице или превышает ее. Повышенной уплотненностью часто обладают прибрежные глинистые образования, что во многих случаях определяется периодическим обсыханием прибрежных участков дна моря. Это приводит к высыханию отложенных на них осадков. При таком высыхании многие коллоиды необратимо свертываются, пористость осадков уменьшается, а засоленность увеличивается. Сильно уплотненные глинистые породы, находящиеся в полутвердом или твердом состоянии, встречаются прежде всего в геосинклинальных и силь-нодислоцированных областях, а также и в пределах платформ, но на значительной глубине. Многие морские глинистые отложения, несмотря на свою высокую уплотненность, подвержены на склонах оползневым явлениям, достигающим иногда колоссальных размеров. Это объясняет склонность морских глинистых пород к оползанию, что связано не с величиной их пористости или степенью уплотненности, а с их специфическими «глинистыми» свойствами, которые обусловливают при определенном содержании влаги в породе весьма низкие значения их сопротивления сдвигу.

Морские глинистые образования выветриваются достаточно энергично, образуя зону поверхностного выветривания, мощность которой (обычно не более 10 м) выше, чем у континентальных глинистых грунтов. Наибольшей склонностью к выветриванию обладают морские глины, которые образовались в резко выраженной восстановительной среде при значительном содержании сероводорода. В результате выветривания естественным образом прочность глин уменьшается, а сжимаемость увеличивается.

Инженерно-геологические особенности некоторых специфических глинистых отложении. Свойства и состояние глинистых грунтов связаны не только с их генезисом, но и с возрастом. Гравитационное уплотнение и высыхание грунтов и связанные с ним фи-

зико-химические процессы (выпадение солей, агрегация частиц и др.), часто имеющие необратимый характер, приводят к уменьшению пористости грунтов и увеличению прочности структурных связей в них. В результате этого древние глинистые грунты обладают, как правило, более благоприятными инженерно-геологическими характеристиками по сравнению с более молодыми и особенно современными образованиями.

Однако иногда достаточно прочные глинистые грунты встречаются и среди молодых четвертичных образований. Это связано, конечно, с их генезисом и специфическими условиями формирования.

Хвалынские шоколадные глины. Это верхнечетвертичные морские глины, распространенные в Поволжье, точнее в Прикаспии на глубине 1—20 м. По своим свойствам и физическому состоянию полутвердые разности этих глин близки к нижнемеловым породам аптского яруса Среднего Поволжья, залегающим на глубинах 40—80 м. Повышенная уплотненность и большая прочность хвалынских шоколадных глин в условиях отсутствия существенного гравитационного уплотнения указывают, что основное значение в диагенезе этих глин имели процессы высыхания морского осадка с сохранением первоначального содержания электролитов. Эти процессы обусловили формирование полутвердых глин с высоким значением коэффициента уплотненности и значительной прочностью при высокой их пористости, высокой концентрации солей в поровом растворе с выпадением их части в твердом виде. Вследствие быстрого упрочнения в процессе подсыхания в полутвердых разностях хвалынских глин образовались рыхлые структуры, исключающие их дальнейшее уплотнение при малых нагрузках (в пределах давлений до 1 МПа для них характерны только упругие деформации).

Со специфическими условиями формирования связаны также особенности рассмотренных выше четвертичных моренных глинистых грунтов, обладающих высокой плотностью и прочностью.

Спондиловые палеогеновые глины. Существенное влияние на состояние и свойства глинистых грунтов оказывают также современные условия их залегания. В частности, свойства глинистых грунтов, распространенных под современными речными долинами, оказываются несколько отличными от свойств тех же по возрасту и генезису глин, залегающих под современными междуречными плато. Различия в состоянии и свойствах глин одного и того же возраста и генезиса, характеризующихся различными современными условиями залегания, обусловлены в первую очередь, неодинаковым их напряженным состоянием, явившимся следствием различной истории формирования и развития отдель-

ных участков местности на протяжении четвертичного периода. Это достаточно четко проявляется и в случае так называемых спондиловых глин.

Рассматриваемые отложения являются фацией относительно глубокого (до 500 м) моря платформенного типа. Основным процессом в их литификации в условиях опускания морского дна явилось постепенное гравитационное уплотнение под действием веса накапливающихся выше осадков. В четвертичную эпоху к весу этих отложений добавлялось и давление ледника. В среднечетвертичную эпоху условия развития спондиловых глин на различных участках территории дифференцируются. В результате врезания речных долин в дочетвертичные отложения возникают естественные области разгрузки, которые затрагивают и спондиловые глины. Наиболее глубокие размывы, вызвавшие почти полную разгрузку палеогеновых глин от давления перекрывавших их пород, происходили в позднечетвертичное время. В приуроченных к речным долинам областях разгрузки спондиловые глины подвергались разуплотнению и выветриванию в климатических условиях, которые практически отвечали современным. Итогом этих весьма сложных процессов (но, конечно, не самых сложных, которые возможны при формировании геологических тел) явилось то, что в указанных районах спондиловые глины имеют повышенные влажность, пористость, трещиноватость и пониженную прочность. Указанные изменения физического состояния и прочностных параметров прослеживаются практически по всей мощности толщи спондиловых глин. Сформировавшиеся различия свойств палеогеновых глин, залегающих в пределах междуречных плато (на глубинах 50—75 м) и речных долин, обусловливают их различное поведение в горных выработках: горное давление в спондиловых глинах в области разгрузки проявляется более интенсивно и более длительное время по сравнению с глинами областей, где изменений во внешней нагрузке на них не было.

ПРИРОДНЫЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ

К органоминеральным грунтам относятся илы, сапропели и заторфованные земли.

Органоминеральные грунты представляют собой своеобразные осадочные образования, которые часто занимают большие, но локальные площади. Своим происхождением они обязаны водной среде и располагаются в речных долинах, на низких берегах морей, озер, водохранилищ, в пониженных частях рельефа, на территориях с высоким положением уровней грунтовых вод, на-

пример в тундре. Органоминеральные грунты наиболее типичны для территорий, где развиты болота.

Все органоминеральные грунты высокопористы и водонасыщены. В их составе: 1) песчано-пылевато-глинистые частицы; 2) органический минерал; 3) воды, которые присутствуют обязательно и в большом количестве. Во многих этих грунтах воды бывает больше, чем минеральной и органической частей (рис. 56). Органический минерал содержится в следующих количествах: илы — в основном гумус и в количестве не менее 10%; сапропели — до 30 % гумуса с примесью растительных остатков; заторфованные грунты — до 50 % растительных остатков с примесью гумуса.

Оценка органоминеральных грунтов производится по следующим характеристикам:

• • природная влажность IV;
• • плотность грунта и частиц;
• • содержание органических веществ;
• • полная влагоемкость )?_п;
• • коэффициент фильтрации к_ф;
• • модуль деформации Е.

Ил — водонасыщенный современный (или древний) осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато-глинистых масс с органическим перегноем (гумусом). Окраска черная, масса рыхлая, количество воды превышает содержание минеральной части (за исключением древнего ила). Ил следует считать начальной стадией формирования глинистой осадочной породы. Мощность слоев илов колеблется от сантиметров до нескольких метров. Модуль деформации Е колеблется от 0,1 до 2 МПа. Коэффициент пористости для илов супесчаного состава составляет 0,8—1,2; суглинистого 0,9—1,6 и глинистого 1,2—2. Илы практически не держат нагрузки, под нагрузкой легко выдавливаются, при динамическом воздействии переходят в разжиженное состояние. Не-

Рис. 56. Сравнительное соотношение количества воды (/), минеральной и органической частей (2) в органоминеральных грунтах

большую нагрузку выдерживают лишь древние илы, особенно если они перекрыты какой-либо толщей глинистых отложений.

Сапропели — это рыхлые водонасыщенные песчано-пылевато-глинистые отложения, содержащие органический материал. Мощность слоев сапропелей от 1 до 20 м. Более или менее уплотненный сапропель называют сапроколом.

Почвы. К органоминеральным грунтам следует отнести почвы, которые практически повсеместно (кроме пустынь и отчасти полупустынь) залегают непосредственно на дневной поверхности земли и генетически являются элювиальным образованием.

Различают почвы песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Все они, как и грунты, имеют особенности своей структуры и содержат органический материал в виде перегноя (гумуса) в количестве от 3 до 12 % и корни травяной, кустарниковой и древесной растительности. Мощность слоев почв колеблется от 0,3—0,5 до 1,5, редко до 3 м. Почвы необходимы сельскому хозяйству и поэтому их следует сохранять. Перед производством строительных работ слой почвы необходимо срезать, складировать и использовать по своему назначению в местах, где почвенный слой отсутствует. Уничтожать почву запрещено законом.

В толщах лессовых отложений присутствуют слои «погребенных» почв. Это древние почвы, имеющие небольшую мощность и по физико-механическими свойствами мало чем отличающиеся от вмещающих их грунтов.

Строительство зданий и сооружений на органоминеральных и органических грунтах представляет собой сложную задачу, поэтому осуществляется по специальным нормативам.

В каждом случае используются разные мероприятия по предотвращению возможных деформаций оснований и повышению их несущей способности: 1) для илов и сапропелей; 2) для торфов и заторфованных грунтов.

Илы и сапропели. При строительстве следует помнить, что слой ила на дне водоемов всегда обладает худшими свойствами, чем слой погребенного ила. При использовании илов в качестве оснований необходимо различать условия их залегания: ил залегает на дне водоема и подстилается глиной и песком или слой ила залегает между слоями глин и песков. Для улучшения свойств оснований, сложенных илами, возможно:

• • заменять ил на другой грунт;
• • прорезать слой ила сваями и опираться на прочные грунты;
• • на ил накладывать наброску камня, т. е. фактически заменять ил каменным массивом;
• • на ил намывать слой песка, который хорошо воспринимает нагрузки от объектов и в последствии обеспечивает свободный вы-

ход воды из ила, заключенный между пылевато-глинистыми грунтами, предварительно должен уплотняться за счет оттока воды через дренажные скважины; это одновременно сокращает сроки уплотнения грунтов.

Заторфованные грунты — это песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты, но с большим содержанием органических веществ (до 50 %) в виде остатков корней растений с примесью гумуса. При оценке свойств этих грунтов большое значение имеет степень разложения растительных остатков /?_р. По этому признаку их разделяют на четыре разновидности от 0 до 15 %; 16-30%; 31-50%; более 50%.

Наиболее типичным представителем органических грунтов является торф, сложенный из неполно разложившихся болотных растений. Окраска чаще всего темно-коричневая. В торфах всегда имеется примесь песка, пылеватых и глинистых частиц. Растения создают волокнистый каркас, что является его структурой. Большинство торфов сформировалось в древние времена и на сегодня между собой различаются по степени разложения растительных остатков и геологическому строению. На рис. 57 показаны различные случаи геологического строения торфяников. Слой торфа может плавать на воде, либо лежать на сапропеле или непосредственно на минеральном дне, т. е. на слое глины. В зависимости от этого мощность слоев торфа бывает различной — от нескольких сантиметров до десятков метров.

где

Рис. 57. Варианты геологического строения толщ из заторфованных грунтов: / — слои заторфованных грунтов; 2 — слои песчано-пылевато-глинистых грунтов

Все органоминеральные и органические грунты содержат воду, которая обладает агрессивными свойствами по отношению к строительным материалам. В связи с непрерывным гниением растительных остатков их свойства очень изменчивы во времени. Модуль деформации Е обычно меньше 5 МПа. Лучше всего нагрузки держат древние, более плотные торфы.

Торфы являются полезными ископаемыми (энергоносители, удобрение и сырье для химической промышленности) и поэтому рассматривать этот грунт только как основание объектов нецелесообразно. Строительство на заторфованных грунтах в зависимости от их свойств, мощности слоев осуществляется в двух направлениях: 1) без специальных мероприятий с применением только конструктивных строительных решений в зданиях и сооружениях; 2) с использованием специальных строительных работ.

Специальные строительные работы очень разнообразны и распадаются на ряд видов в зависимости от вариантов геологического строения заторфованных толщ. Для каждого варианта рекомендуются свои специальные работы, которые могут быть в виде:

• • прорезки (полной или частичной) слоя заторфованного грунта фундаментами, в том числе свайными;
• • частичной или полной срезки (выторфовка) заторфованного грунта с последующей засыпкой, планировкой площади песчаными (гравийным, щебеночным) материалами;
• • предварительного уплотнения заторфованных грунтов, в том числе с помощью дренажных скважин.

При выборе вида специальных строительных работ необходимо учитывать свойства и мощность слоев песчано-пылевато-гли-нистых грунтов, которые подстилают или перекрывают заторфо-ванные грунты.

Основные инженерно-геологические особенности торфов. Отличительной чертой торфов является их чрезвычайно высокая влажность в естественном залегании. В массиве она может достигать 500—1000 и даже 2000 % и более (по отношению к весу сухого вещества).

Плотность скелета торфов — величина более чем малая, в основном 0,07—0,2 г/см³, очень редко отмечены значения 0,5 г/см³. Соответственно пористость чрезвычайно высока. В условиях естественного залегания влажность торфов в соответствии с их огромной влагоемкбстью практически всегда выше влажности верхнего предела пластичности, т. е. торф практически находится в скрыто-текучей консистенции. В естественных условиях торф обладает весьма низкой способностью к набуханию, при высыхании же его наблюдается значительная усадка. Торф — порода водопроницаемая, оказывает достаточно сильное влияние на водопроницае-

мость, в первую очередь, степень разложения органических остатков, а также обладает такой особенностью, как анизотропия свойств, которая обусловлена слоистостью, образовавшейся в процессе формирования торфяных залежей.

Отличительной чертой торфов является их исключительно сильная сжимаемость под нагрузкой, значение которой в десятки и сотни раз выше, чем у обычных (минеральных) грунтов. При этом в торфах, как и в других грунтах, наблюдаются как остаточные, так и упругие деформации, причем остаточные имеют значительные величины. При снятии нагрузки происходит некоторое увеличение пористости уплотненного торфа, что обусловлено упругими свойствами структуры торфа и небольшим всасыванием воды. При нарушении первоначальной структуры торфа уплотня-емость его увеличивается на 10—30 %.

Результаты исследований прочностных характеристик торфов свидетельствуют о значительных величинах сцепления и угла внутреннего трения при сравнительно высоких значениях влажности (200—1000 %). При дальнейшем росте влажности сцепление и угол внутреннего трения постепенно снижаются и падают до нуля при влажности около 1500 %. Например, при влажности 300 % угол внутреннего трения равняется 24—30°, а сцепление 0,03—0,05 МПа, а при влажности 1500 % всего 0—5° и 0,004—0,01 МПа. В целом торфяные грунты достаточно неоднородны по своему генезису, составу, строению и состоянию, что естественно влечет за собой очень широкий диапазон изменения их инженерно-геологических характеристик. Торфы обладают огромной влажностью, значительной пористостью и, как следствие этого, очень сильной сжимаемостью. Неоднородность строения и состава торфяной залежи и сильная сжимаемость торфа могут привести к значительным неравномерным осадкам возводимых на них сооружений. Эти осадки обычно протекают в течение длительного периода времени. Кроме того, следует иметь в виду, что торфяным грунтам в отличие от минеральных свойствен еще один вид доуплотнения, происходящего под влиянием микробиологических процессов, протекающих в веществе торфа и сопровождающихся его минерализацией.

С инженерно-геологической точки зрения при оценке площадки строительства сооружения следует в значительной мере опасаться наличия линз и прослоев торфа в толщах минеральных грунтов, что может привести к повышенной неоднородности и сильной сжимаемости всего основания в силу указанных выше причин. Инженерно-геологические изыскания на торфяных грунтах требуют особой тщательности.

Засоленные грунты. К дисперсным засоленным относятся грунты, содержащие значительное количество водорастворимых

солей. В литологическом отношении это могут быть пески, супеси, суглинки, глины и в некоторых случаях даже крупнообломочные грунты. Засоленные грунты типичны для поверхности земли и свойственны районам с засушливым климатом. Появление солей в грунтах связано со многими причинами:

• • жаркий климат, при котором испарение преобладает над количеством выпадающих атмосферных осадков;
• • бессточный для воды рельеф местности;
• • подтопление территорий грунтовыми водами, вызванное неправильной эксплуатацией человеком оросительных систем;
• • попадание определенной части водорастворимых солей в грунты при их формировании.

Соли в грунтах присутствуют в различных формах:

• • в виде отдельных крупных кристаллов;
• • в виде мелких рассеянных кристаллов по всей массе грунта;
• • в форме больших скоплений (друз), разбросанных по всему массиву грунта.

В грунтах обычно присутствуют все эти формы солей, но в силу каких-либо причин одна из них занимает основное место.

Среди водорастворимых солей в грунтах находятся легко- и среднерастворимые соли. К легкорастворимым относятся: хлориды (типа минерала галита) и кислые соли угольной кислоты; к среднерастворимым — сульфаты (типа гипса). Карбонаты (типа кальцита) тоже растворяются в воде, но к числу водорастворимых их можно относить с известной условностью. Их растворение происходит длительное время и при наличии в воде агрессивной углекислоты.

Количество солей, оказывающих влияние на изменение свойств, в различных грунтах неодинаково и колеблется от 0,3 до 5 % и больше (к весу грунта). Вот некоторые примеры грунтов, которые считаются засоленными при следующем количестве солей: пески — 0,5 % и более; пылевато-глинистые грунты — 5 % и более; крупнообломочные грунты — 2 % и более.

К основным типам засоленных глинистых грунтов относятся солончаки, солонцы и такыры. Солончаки формируются в долинах рек, соленых озерах, лиманах и содержат серно-кислые соли натрия, хлориды кальция и магния. Солонцы располагаются на высоких участках рельефа местности и содержат карбонаты натрия (соду), сульфаты натрия и гипс. Такыры — большие равнинные площади, покрытые глинистыми грунтами твердой консистенции и разбитые сетью трещин усадки. Такыры содержат гипс, карбонаты и небольшое количество легкорастворимых солей. Количество солей и их состав в грунтах определяются химическими лабораторными анализами.

В природных условиях, например, при неправильном орошении сельскохозяйственных полей нередко происходит «засоление» почв и грунтов. В районах строительства на территориях, где эксплуатируются здания и сооружения с большим водообменом, обычно наблюдается обратный процесс — «рассоление».

Водорастворимые соли в определенной мере упрочняют грунты, так как являются их цементирующей составляющей, но грунтовые основания зданий и сооружений никогда не остаются сухими. В период эксплуатации основания объектов, как правило, обводняются, возникает постоянная фильтрация воды. Все это приводит к растворению солей, рассолению грунтов оснований, т. е. к выщелачиванию солей. В отличие от механической суффозии это чисто химический процесс. При растворении солей изменяются, в первую очередь, их физико-механические свойства оснований: прочностные и деформационные показатели, а также пластичность, пористость, гранулометрический состав. Вначале вымываются легкорастворимые соли, после этого, в результате уже длительной фильтрации воды, выносятся средне- и даже труднорастворимые соли. Растворение и вынос гипса из суглинков, супесей, песков и крупнообломочных грунтов может происходить в сроки, соизмеримые с периодом эксплуатации зданий и сооружений.

Строительство на засоленных грунтах имеет свои трудности и осуществляется по своим нормам и правилам. При возведении объектов используются различные приемы строительства:

• • прорезка фундаментами зданий слоя засоленного грунта;
• • водозащита оснований от проникновения в них атмосферных и технических вод;
• • прекращение фильтрации подземной воды устройством дренажей и непроницаемых завес;
• • отсыпка на засоленный грунт безсолевых грунтовых подушек из песка или суглинков;
• • предпостроечное рассоление и уплотнение грунтового основания;
• • искусственное закрепление засоленного массива грунта методами технической мелиорации (кроме крупнообломочных грунтов, обладающих высокой фильтрационной способностью).

Выбор того или иного приема зависит от геологического строения и гидрогеологических условий строительной площадки, типа и вида грунтов оснований, характера засоления, конструкций объекта и технических возможностей строительной организации.

ПРИРОДНЫЕ МЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ

Мерзлые грунты в технической литературе часто именуют «криогенными» (криос, гр. — холод, лед). Для грунтов этого класса характерны структуры с криогенными связями, т. е. структуры, скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов, т. е. в условиях отрицательных температур, бывает временным и постоянным (вечным).

Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима с отрицательными температурами, грунты у поверхности земли промерзают. Это так называемая «сезонная» мерзлота. Скальные грунты при этом получают отрицательную температуру, а дисперсные и техногенные замерзают за счет перехода в порах грунтов жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных грунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклинивающего действия образующегося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвязные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную прочность, несколько увеличивают объем и становятся водонепроницаемыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при механической разработке. При небольшой влажности, что может быть в песках, свойства грунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре практически мало меняются.

В весеннее время года лед в грунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Особенно сильно это сказывается на органоминеральных и органических грунтах, которые могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под зданий и фундаментов сооружений.

В строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учитывается, определяется глубина промерзания йкоторая зависит от климата и литологических особенностей грунтов. Величина с!_г колеблется от нескольких сантиметров до 2—3 м и определяется:

• • по карте соответствующего СНиПа, где показывается среднее значение по каждой местности;
• • по расчетным формулам;
• • по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности; искомое значение используют при проектировании зданий и сооружений.

Вечная мерзлота. Иногда грунты постоянно (тысячи лет) находятся в мерзлом состоянии. Их изучает наука «Геокриология». Территорию, которую они занимают, именуют криолитозоной. Происхождение вечной мерзлоты связывают с периодом оледенений северного полушария Земли, последнее из них было 10—15 тыс. лет назад.

Вечная мерзлота в России занимает ряд территорий на севере Европейской части России и особенно большие площади в Сибири, где в многолетнемерзлом состоянии находятся грунты скальные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых грунтов относят также чистые льды, входящие в грунтовые толщи в виде прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые грунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.

В России территорию вечномерзлых грунтов делят на три зоны: сплошную; с таликом; островную (рис. 58).

Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура грунтов минус 7—12 °С.

Зона с таликами располагается южнее. Отдельные участки зоны представляют собой талые грунты; мощность мерзлых толщ 20—60 м при температуре 0,2—2 °С.

Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири; мерзлые грунты встречаются в виде отдельных участков; мощность толщ 10—30 м; температура от 0 до —0,3 °С.

Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части: 1) деятельный слой; 2) собственно мерзлая толща.

Деятельный слой — это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период оттаивает и промерзает зимой, т. е. в определенной мере — это сезонная мерзлота. Мощность этого слоя зависит от климата и литологического состава грунтов и колеблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юге — наибольшая. В одном и том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2—1 м, в то же время как в песках и гравии, имеющих открытые поры, — 2—4 м.

Север Северный

Рис. 58. Зоны многомерзлых грунтов

в Сибири (схема):

/ — сплошная; // — с таликами; III — островная

Деятельные слои бывают двух видов: сливающиеся (типичные северным районам); несливающиеся (рис. 59). В первом случае деятельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой, на которой лежит. При несливающемся деятельном слое между ним и вечномерзлой толщей остается слой незамерзшего грунта. Это бывает связано либо с теплой зимой, либо с характером деятельного слоя.

Для решения строительных задач важно знать мощность деятельного слоя. Эту мощность можно определить:

• • при инженерно-геологических изысканиях;
• • по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным районом;
• • расчетным способом, при котором учитывается тепловое влияние будущего здания или сооружения.

В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунтовая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре (подземные воды вечной мерзлоты подробно рассматриваются в разделе «Гидрогеология»),

Строительство в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоя — мощности, физических и физико-механических характеристик грунтов, поведения надмерзлот-ной воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие негативные процессы, приводящие к деформации объектов.

Вечномерзлая толща по своему строению бывает двух видов: 1) непрерывная, т. е. в виде сплошного массива из мерзлого

М-

Ж

а

Рис. 59. Типы деятельных слоев:

а — несливающийся; б — сливающийся; С — сезонная мерзлота; Т — талый грунт; М — вечная мерзлота

грунта; 2) слоистая — в виде чередования мерзлых слоев со слоями (прослоями) талых грунтов или чистого льда. Наличие талых грунтов связано с циркуляцией межмерзлотных (межпластовых) напорных подземных вод. В долинах рек Лены, Енисея и других мерзлота отсутствует. Это объясняется притоком тепла от речных вод. В южной зоне мерзлота постепенно оттаивает за счет теплого климата и в настоящее время сохраняется только на отдельных участках («островная» мерзлота). В мерзлых толщах очень часто содержится чистый лед (слои, прослои, линзы). Наибольшие мощности льда (до 20 м) отмечены на севере Сибири. Такой лед называется «погребенным».

Состоянию вечной мерзлоты подвержены все виды грунтов. Грунты скального класса занимают незначительное место. Основную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески и т. д.).

По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют на три вида:

• • твердомерзлые, например сцементированный («смерзшийся») песок, который ведет себя как скальный грунт;
• • пластично-мерзлые, примером могут быть сцементированные льдом глинистые грунты, которые содержат также воду в жидком состоянии; эти грунты могут под нагрузкой сжиматься;
• • сыпучемерзлые — в виде песка, гравия и им подобным, в которых обломки и частицы льдом не сцементированы и грунты находятся в рыхлом состоянии.

Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обусловливает три текстуры мерзлых толщ:

• • массивная —лед в грунте распределен равномерно;
• • сложная — лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев (прослоев, линз);
• • сетчатая — слои и прослои льда пересекаются в разных направлениях.

При оценке свойств большое значение имеет общее количество льда в объеме грунта. Для этого введено понятие льдистость. Суммарная льдистость обозначается 1_Ш.

Для вечномерзлых территорий характерен ряд криогенных процессов — морозное пучение, бугры пучения, термокарст, солиф-люкция и наледи и др.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных поднятий дорожных одежд (на 0,2—0,5) в силу промерзания деятельного слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется яма. Морозное пучение, которое оценивается коэффициентом к_И, предупреждается рядом мероприятий, отраженных в проектной документации.

Бугры пучения образуются в результате подъема промороженного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых напорных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокарст представляет собой процесс вытаивания льда в мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли. В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

Солифлюкция — оплывание оттаивающих в летнее время грунтов, которые залегают на обогреваемых солнцем склонах рельефа (с уклоном 7—10°). Оплывание происходит по мерзлым грунтам. Солифлюкпионные потоки мощностью до 3—5 м способны переносить валуны (глыбы) массой до 5 т.

Наледи представляют собой образование льда за счет прорыва на поверхность земли надмерзлотных (грунтовых) вод или выхода речных вод на свой ледяной покров. Вода заливает подвалы, и здания разрушаются. На рис. 60 показана наледь на берегу реки.

Строительство и эксплуатация объектов на территории вечной мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется по специальным нормативам. При земляных работах строителям приходится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при строительстве стремятся не делать выемок.

Деформации зданий и сооружений связаны с оттаиванием вечномерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечномерзлых грунтов осуществляется по трем принципам:

• • без учета мерзлого состояния мерзлых грунтов, например при наличии скального основания;
• • при сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации объектов;
• • с предварительным (до строительства) оттаиванием мерзлых грунтов и последующим их укреплением или заменой на другие грунты, например глинистые грунты на щебеночные.

Выбор варианта или их комплексное применение зависит от геологии строительной площадки, состава и состояния мерзлых

Рис. 60. Наледь на берегу реки

Рис. 61. Возведение зданий на вечномерзлых грунтах:

а — на скальном основании; б — с сохранением мерзлоты; в — с заменой мерзлого грунта на слой гравия; / — деятельный слой; 2—вечная мерзлота; 2—гравий; 4—здания

грунтов, технических возможностей строительной организации (рис. 61).

Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов оснований, постоянных профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

В условиях развивающегося экологического кризиса серьезной проблемой становится нарастающая тенденция к деградации вечной мерзлоты, что влечет за собой деформации сооружений. Проблема является геоэкологической и может быть разрешена ее методами.

ТЕХНОГЕННЫЕ ГРУНТЫ

Выше, при описании горных пород, мы уже останавливались на искусственных, в том числе и техногенных, образованиях. Здесь же мы сосредоточимся на грунтоведческой характеристике техногенных грунтов.

На поверхности литосферы при проведении различных строительных и горных работ, в результате производственной деятельности человека образуется достаточно большое количество отложений, представляющих собой или отходы хозяйственной деятельности человека (отвалы шахт, заводов, городские свалки и т. д.), или отложения, специально созданные человеком в строительных и производственных целях (намывные грунты, грунты обратной засыпки, насыпи дорог и т. д.). Эти образования получили название техногенных грунтов, иногда именуемых антропогенными.

В настоящее время именно под техногенными грунтами понимают естественные грунты и почвы, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования. Под антропогенными образованиями следует понимать твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошли коренные изменения состава, структуры и текстуры природного минерального и органического сырья.

Наибольшая часть искусственных грунтов на Земле приурочена к промышленным и городским территориям. Особое беспокойство при этом у человечества вызывают бытовые и производственные отходы, которые занимают очень большие, непрерывно расширяющиеся площади и уже наносят серьезный вред жизненной среде человека.

Большое количество искусственных грунтов образуется также в результате военных действий, что тоже значительно изменяет облик земной поверхности, существенно нарушает природные массивы горных пород, создает искусственные грунтовые накопления как из природных минеральных масс, так и за счет разрушенных зданий и сооружений.

Техногенные грунты используются в качестве оснований зданий и сооружений, а также материала для строительства различных инженерных сооружений (земляных плотин, насыпей автомобильных и железных дорог и пр.). Глобальный объем техногенных отложений в различных сооружениях измеряется сотнями миллиардов кубических метров. Только при добыче, переработке и сжигании твердого топлива каждые 5 лет в отвалах размещается около 40 млрд м³ пустых (для открытых разработок — вскрышных) пород и 2 млрд м³ золошлаков.

Нелишним будет указать на установленный факт: из 100 кг извлекаемого человеком для своих нужд сырья в окружающую среду возвращается 99 кг, но уже в виде отходов!

Классификация техногенных грунтов. Инженерно-геологические свойства техногенных грунтов определяются составом материнское породы или отходов производственной и хозяйственной деятельности и характером воздействия на них человека. По петрографическому составу техногенные грунты могут быть самыми различными. В соответствии с общепринятой классификацией грунтов ГОСТ 25100—95 «Грунты. Классификация» техногенные грунты выделены в отдельный класс.

Классификация техногенных грунтов (табл. 26) включает шесть таксономических единиц, выделяемых по следующим группам признаков:

• класс — по общему характеру структурных связей;

Класс

Группа

Скаль- Ска-ные льные Полу-скаль-ные

Классификация техногенных грунтов по ГОСТ 25100—95

Подгруппа

Природные образования, измененные в условиях естественного залегания

Измененные физическим воздействием

Измененные физико-химическим воздействием

Тип

Вид

Разновидности

Силикатные

Карбонат

ные

Железистые

Кремни

стые

Сульфатные

Галоидные

Силикатные

Карбонат

ные

Железистые

Пироксениты, габбро, базальты, сиениты, андезиты, граниты, липариты, гнейсы, сланцы, кварциты, песчаники, аргиллиты

Мраморы, роговики, известняки, доломиты, мела, мергели

Выделяются по:

• 1) пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии;
• 2) плотности скелета грунта;
• 3) коэффициенту выветрелости;
• 4) степени размягчаемости;
• 5) степени растворимости;
• 6) степени водопроницаемости;
• 7) степени засоленности;
• 8) структуре и текстуре;
• 9) температуре

Железные руды

Опоки, трепела, диатомиты

Гипсы, ангидриты

Галиты, карналлиты

То же, что и для измененных физическим воздействием

257

Кремни-стые_

Сульфатные

Галоидные

Продолжение табл. 26

259

• • группа — по характеру структурных связей (с учетом их прочности);
• • подгруппа —по происхождению и условиям образования;
• • тип — по вещественному составу;
• • вид — по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств);
• • разновидность — по количественным показателям вещественного состава и структуры грунтов.

К недостаткам данной классификации относят отсутствие в классификации техногенных грунтов указаний на источники и способы формирования этих грунтов, на планомерность или не-планомерность отсыпания (намыва) грунтов, целенаправленно или случайно изменены грунты и др. В связи с этим специалистами ряда организаций предложен несколько другой подход к классификации техногенных грунтов (табл. 27). Однако и данная классификация не лишена недостатков и требует дальнейшего уточнения.

Инженерно-геологические особенности техногенных грунтов будут рассмотрены ниже на третьем уровне их подразделения (подгруппа) в соответствии с классификацией ГОСТ 25100—95.

Культурные слои. Эти образования имеют своеобразные состав, обусловленный чаще всего геологическими условиями местности и включениями, которые определяются характером хозяйственно-культурной деятельности человека. Они имеют обычно весьма неоднородный состав как по площади, так и по вертикали. Культурные слои в условиях роста масштаба градостроительства, урбанизации широко вовлекаются в строительную практику. В связи с неоднородностью и изменчивостью по площади состава и строения их изучение требует больших усилий и затрат. Поэтому строительство на многометровых культурных слоях является сложной задачей и требует при инженерно-геологических изысканиях разработки специальных материалов, способов и приборов, которые в итоге позволят надежно осуществлять строительство зданий и сооружений на территориях отвалов строительного мусора, бытовых и производственных отходов. На территориях старых кладбищ строительство запрещено; равно как и на скотомогильниках.

Природные перемещенные образования. К природным перемещенным образованиям относятся природные грунты, изъятые из мест их естественного залегания и подвергнутые частично производственной переработке в этом процессе. Природные перемещенные образования формируются, как правило, из дисперсных связных и несвязных грунтов. Скальные и полускальные грунты сначала подвергаются дроблению (например, взрывам) и перемещаются

261

Генетическая классификация техногенных грунтов по И.В. Дудлеру (с дополнениями авторов)

уже как дисперсные крупнообломочные грунты. То же относится и к классу мерзлых грунтов.

Природные перемещенные образования по способам укладки делят на насыпные и намывные.

Насыпные грунты по технологии своего образования подразделяют на планомерно и непланомерно отсыпанные. В свою очередь, их можно разделить на строительные и промышленные. К насыпным строительным грунтам следует отнести в первую очередь грунты насыпей автомобильных и железных дорог, плотин и дамб, насыпи под основания зданий и сооружений, грунты обратной засыпки при строительстве подземных линейных сооружений. К промышленным — выработанные породы горно-рудной промышленности, вскрышные породы, породы из горных выработок.

Насыпные грунты формируются из грунтов соседних выемок или за счет материала, доставленного из специально закладываемых котлованов, карьеров и разрезов к месту строительства. Структура грунтов в насыпях будет иной по сравнению со структурой их в естественном залегании; водный и воздушный режимы тоже будут отличаться от природного воздушного и водного режима почв и грунтов данного района.

К характерным инженерно-геологическим особенностям грунтов насыпей и отвалов относятся:

• • нарушенность структуры грунта в теле насыпи, обусловливающая снижение прочности (по сравнению с естественным залеганием);
• • фракционирование грунтов и самовыполаживание отвальных откосов;
• • существенное изменение прочности насыпных грунтов во времени (сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотнением или снижается при увлажнении грунтов насыпи);
• • возникновение в водонасыщенных глинистых грунтах насыпи порового давления, являющегося существенным фактором развития оползней различных типов.

В процессе подготовки грунтов к выемке и при выемочно-погрузочных, транспортных и отвальных работах происходит разрыхление грунтов. Коэффициент разрыхления песков (отношение плотности в условиях естественного залегания и в насыпи) составляет 1,1—1,25; у глин он может увеличиваться до 1,6.

В зависимости от литологического состава различают однородные и неоднородные насыпи. Неоднородность насыпи может быть вызвана естественным фракционированием грунтов в процессе их отсыпки. При этом мелкие и крупные фракции грунтов концентрируются соответственно в верхней и нижней частях насыпи. Такое сложение насыпи происходит и в случае отсыпки

разнородных по составу грунтов, например песков и глин. Песчаная масса при этом концентрируется в верхней части насыпи, а куски и комки глины скатываются вниз. То же происходит при наличии в песках включений крупнообломочного материала.

Прочностные характеристики насыпных грунтов необходимо определять с учетом условий формирования насыпных откосов, срок службы которых обычно невелик. Поэтому при расчетах устойчивости насыпи, основание или тело которых сложено глинистыми водонасыщенными грунтами, следует учитывать незавершенность уплотнения грунтовых масс, оцениваемую по результатам сдвиговых испытаний глинистых грунтов, выполненных для различных стадий уплотнения.

Влияние фактора времени на состояние грунтов насыпи сказывается в приобретении этими грунтами уплотнения и сцепления упрочнения. Величина «вторичного» сцепления существенно зависит от состава пород, времени существования насыпи и упрочняющей нагрузки. Время, необходимое для приобретения насыпными грунтами прочности и плотности, свойственных для них в естественном состоянии, приведено в табл. 28.

Таблица 28

Время приобретения грунтами естественной плотности (по данным исследований на газопроводах)

Намывные грунты. Данные грунты создаются средствами гидромеханизации с помощью системы трубопроводов. Выполняют организованные и неорганизованные намывы. При организованных намывах, которые производятся в инженерно-строительных целях, возникают грунты с заранее заданными свойствами. Так намываются высокоплотные толщи песка, предназначенные служить основанием зданий и сооружений, также средненапорных плотин и дамб, а иногда дорожных насыпей. При неорганизованном намыве решаются задачи перемещения грунта для освобождения рабочих площадей. Примером могут служить вскрышные работы на месторождениях полезных ископаемых и строительных материалов.

Возведение грунтовых сооружений и территорий способами гидромеханизации всегда включает:

• • гидравлическую разработку грунта (обычно землесосными снарядами, реже гидромониторами);
• • гидротранспорт грунта (по магистральным и распределительным трубопроводам);
• • намыв грунтов в земляные сооружения или намывные территории.

Современный уровень развития и технические средства гидромеханизации земляных работ позволяют возводить намывные сооружения практически из любых видов дисперсных грунтов от крупнообломочных до глинистых.

Природа инженерно-геологических свойств намывных грунтов определяется, главным образом, их составом и физико-химическим взаимодействием минеральных частиц с водой. Состав грунтов в гидроотвале зависит от состава и условий залегания породы в естественных условиях, технологических факторов и химического состава поровых вод. К числу основных технологических факторов относятся: способ гидровскрышных работ; способ выпуска гидросмеси на карту намыва; интенсивность намывных работ. Свойства намывных грунтов зависят от физико-географических факторов — рельефа ложа и климата, инженерно-геологических свойств грунтов основания намывного сооружения — состава, состояния и свойств подстилающих намывные сооружения грунтов.

Состав минеральных и органических компонентов намывных грунтов определяет характер развивающихся в них структурных связей и время приобретения намывными грунтами заданных физико-механических свойств. Следует отметить, что при намыве гидросмесь (вода—грунт) разделяется на фракции. Грубые частицы концентрируются около выпуска гидросмеси, т. е. там, где формируется приоткосная (пляжевая) зона, преимущественно тонкопесчаные пылеватые частицы слагают промежуточную зону и самые тонкие (глинистые и пылеватые) частицы формируют прудковую зону гидронамывного сооружения.

Специалисты выделяют три стадии формирования свойств намывных грунтов: уплотнение, упрочнение и стабилизированное состояние намывных грунтов.

После образования намывных грунтов — осадкообразования, связанного с выпадением минеральных частиц из потока гидросмеси, поступающей на карту намыва, грунт находится в состоянии, близком к полному водонасыщению, и имеет очень рыхлое сложение (степень водонасыщения 5_Г намывных песков в этом случае не опускается ниже значения 0,8) — начинается стадия уплотнения.

Эта стадия характеризуется интенсивным развитием процессов уплотнения намывных грунтов. Повышение плотности достигается за счет гравитационного уплотнения; фильтрационного обжатия грунта в процессе интенсивной водоотдачи; капиллярно-менискового обжатия грунта под влиянием капиллярного давления. В этот период происходит основная часть самоуплотнения намывных грунтов. Для большинства намывных песков длительность стадии уплотнения не превышает 1 года.

Стадия упрочнения характеризуется продолжением приобретения прочностных свойств намывных грунтов за счет формирования, главным образом, инфильтрационного обжатия песка, а также от действия статического давления верхних ярусов намыва и кольматации. Между частицами начинают возникать различные виды цементационных связей. В результате намывные грунты приобретают повышенную прочность и динамическую устойчивость. Длительность этой стадии составляет от 1,5 до 3 лет (изменение свойств намывных грунтов во времени приведены в табл. 29).

Таблица 29

Изменение во времени модуля общей деформации Е (МПа) и удельного сцепления намывных песков С (кПа)

На стадии стабилизационного состояния упрочнение намывных грунтов продолжает формироваться, главным образом, за счет образования водостойких цементационных связей (представленных, например, гелем кремневой кислоты). Процесс носит затухающий характер. В конце стадии намывные пески относятся

уже к категории значительно упрочненных и по прочностным данным приближаются к позднечетвертичным аллювиальным пескам. Длительность этой стадии для намывных грунтов может достигать 10 лет и более.

Антропогенные образования. Под ними понимают твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья. К ним относятся: бытовые отходы, концентрирующиеся на городских и поселковых свалках, и промышленные отходы, включающие строительные отходы, шлаки, шламы, золы, золошлаки и др.

Формирование антропогенных образований, с одной стороны, связано с геологическими и геоморфологическими условиями местности, а с другой — с историей города или поселка, с характерной промышленной, хозяйственной и культурной деятельностью человека. Антропогенные образования являются специфическими грунтами, изучение которых должно проходить при сочетании инженерно-геологических, историко-археологических, технологических и геоэкологических методов исследований. В пределах промышленных центров и городских свалок большинство антропогенных образований являются источниками экологического загрязнения природной среды и особенно верхней части литосферы и гидросферы.

Накопление (складирование) антропогенных образований происходит за счет отвала или намыва различного мусора в пределах городских территорий (образование «культурного слоя»), на специально отведенных площадях под городские свалки твердых бытовых отходов и строительного мусора, на полях фильтрации, в пределах хвостохранилищ крупных промышленных предприятий (металлургических комбинатов, ТЭС и ТЭЦ, горно-обогатительных комбинатов и др.). В связи с этим по способу накопления антропогенные образования подразделяют на насыпные, намывные и намороженные (в условиях сурового климата и на территориях распространения многолетнемерзлых пород).

Антропогенные образования имеют своеобразный состав, формирующийся в процессе их накопления. Для большинства городских свалок отмечается крайняя неоднородность состава как по вертикали, так и в горизонтальном направлении, большая изменчивость мощности этих отложений по простиранию (от нескольких сантиметров до 15—20 м). Для насыпных и намывных антропогенных образований в хвостохранилищах состав отложений может отличаться большой однородностью (шлаки, зола и др.).

Основные инженерно-геологические свойства антропогенных образований зависят от их минералогического и гранулометрического состава, глубины залегания (мощности), наличия или отсутствия органических веществ (органических остатков), водона-сыщенности, минерализации подземных вод, длительности существования, рельефа и характера естественных подстилающих грунтов. На грунтах бытовых свалок возводить здания и сооружения чрезвычайно трудно. В последние годы разрабатываются технологии рекультивации полигонов твердых бытовых отходов, исключающие неконтролируемые выбросы биогаза и токсичного фильтрата. Это позволит эффективно использовать отчужденные под свалки площади. Лучше обстоит дело с грунтами из промышленных отходов, особенно типа отвалов и намывных хво-стохранилищ ГОК. Общим для всех этих грунтов является недо-уплотненность, водонасыщенность, способность к большой сжимаемости.

Ориентировочно периоды времени, необходимые для естественного уплотнения различных видов антропогенных образований, представляются следующим образом: 1) отвалов шлаков, формовочной земли, отходов обогатительных фабрик, золы в зависимости от состава — 10—20 лет; 2) свалок отходов различных производств и бытовых отходов в зависимости от состава — 10—30 лет.

Грунты любых антропогенных образований, особенно крупномасштабных, вызывают разнообразные нагрузки на геологическую среду, во многих случаях существенно изменяют условия ее «жизни» и, взаимодействуя с другими геосферами, могут привести к нарушению равновесного состояния геологической среды, вызвать нежелательные для человека экологические изменения. Таким образом, при рассмотрении вопросов складирования и строительства сооружений из антропогенных образований на первый план должна выдвигаться комплексная задача прогнозирования инженерно-геологических и гидрогеологических условий территорий, отводимых для их складирования, изменения во времени свойств этих грунтов, активизации или возникновения неблагоприятных инженерно-геологических процессов, разработки оптимальных мероприятий по охране природной среды.

В силу разнообразия входящих в антропогенные образования материалов, содержащих в своем большинстве вредные вещества, а также индивидуальностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий районов складирования — схемы защиты окружающей природной среды могут быть весьма разнообразными. Необходимые объемы защитных мероприятий, диктуемые наличием антропогенных образований, и их стоимость во многом

зависят от правильного выбора места их складирования. Оптимально они должны размещаться:

• • на площадях с инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, требующими наименьших затрат на природоохранные мероприятия;
• • ниже мест водозаборов питьевой воды; рыбоводных хозяйств и мест нереста рыбы;
• • на землях, не пригодных для сельского хозяйства, промышленного и гражданского строительства.

Улучшенные грунты. Многие грунты в их природном залегании имеют физико-механические свойства, которые не отвечают необходимым требованиям строительства. Это могут быть как скальные (трещиноватые, выветрелые), так и нескальные (биогенные, просадочные и т. д.) грунты. Природные грунты, свойства которых ухудшились в процессе строительных работ (искусственно разрыхленные, увлажненные и т. д.), называют ухудшенными грунтами. Свойства грунтов, главным образом, прочностные и деформатив-ные характеристики, могут быть искусственно изменены в лучшую сторону с помощью технической мелиорации грунтов. В этом случае их называют улучшенными грунтами.

Улучшение свойств грунтов производят в условиях природного залегания или после соответствующей переработки и последующей их укладки, например, в основание объекта. Каждый улучшенный грунт имеет наперед заданные свойства и становится вполне пригодным для решения тех или иных строительных задач. Для промышленно-гражданского строительства улучшенные грунты чаще всего используются в качестве оснований зданий и сооружений. Наиболее широкое применение улучшенные грунты получили при возведении объектов на вечной мерзлоте, проса-дочных лессовых грунтах.