Химические и органогенные породы

Инженерно-геологическому изу­чению карбонатных пород уделя­ется особое внимание в связи с их способностью карстоваться. Деталь­ное изучение закарстованных мас­сивов проводится в связи с гидро­техническим, дорожным, промышленно-городским строительством, с разработкой месторождений полез­ных ископаемых и строительством подземных сооружений. Наиболее широко распространенными пред­ставителями карбонатных пород яв­ляются известняки и доломиты.

Известняки. Наиболее проч­ные - мелкозернистые известняки (их временное сопротивление сжа­тию достигает 100 МПа). Прочность крупнозернистых известняков ко­леблется в очень широких пределах (от 70 до 25 МПа). Наименее проч­ные известняки - ракушечники (со­противление сжатию – 2 - 3 МПа, а во многих случаях - меньше 1 МПа). Для известняков характерна трещиноватость.

Доломиты, наряду с известня­ками, являются широко распростра­ненными породами карбонатного комплекса. Состав доломитов ока­зывает существенное влияние на их прочность. Чистые разновидности этих пород характеризуются вели­чиной о_сж = 100 МПа, известковистые доломиты имеют прочность о_сж = 80 МПа, а глинистые - о_сж = 60 МПа. Большое влияние на проч­ность доломитов оказывает микротрещиноватость.

Сульфатные породы - это гипс (CaS0₄ • 2 Н₂0), который часто встречается с ангидритом (CaS0₄). Ангидрит в соприкосновении с во­дой легко гидратирует и переходит в гипс, причем это сопровождается значительным увеличением объема, с чем часто связаны механические деформации в соседних породах и кровле.

Галоидные породы (галит (NaCI)) имеют ограниченную воз­можность их использования в инже­нерно-строительных целях.

Осадочные сцементированные слаболитифицированные породы

В природе широко распростра­нены осадочные сцементированные слаболитифицированные породы крем­нистого и карбонатного состава (ди­атомиты, мел, мергель и др.), которые характеризуются наличием сла­бых кристаллизационных связей. Эти связи не прочны, и при их разрушении водонасыщенные породы способны перейти в пластическое состояние.

 

Несвязные породы

Группа обломочных несцемен­тированных пород делится на две подгруппы:

Крупнообломочные ипесчаные. Крупнообломочные породы состоят в основном из угловатых или окатанных обломков горных пород размером более 2 мм, имеющих преимущественно полимерный со­став. Они могут быть подразделены по крупности и форме обломков на каменистые и валунные, щебенча­тые и галечные, дресвяные (хряще­ватые) и гравийные грунты. Поры в крупнообломочных грунтах могут быть свободными или заполненны­ми пылеватым или глинистым мате­риалом. Наличие или отсутствие такого заполнителя пор резко сказы­вается на инженерно-геологических особенностях всех типов крупнооб­ломочных пород. В случае отсутст­вия мелкозернистого материала они обладают высокой водопроницаемо­стью, причем движение воды носит часто турбулентный характер. Крупнообломочные грунты с запол­нителем могут иметь небольшую водопроницаемость, величина кото­рой определяется составом заполни­теля. Присутствие заполнителя так­же снижает угол внутреннего тре­ния. Поэтому при дальнейшем подразделении крупнообломочных пород необходимо в первую очередь выделить валунные (каменистые), галечные (щебнистые) и гравийные (дресвяные) с заполнителем и грун­ты без заполнителя.

Форма обломков крупнообло­мочных пород, размер и характер заполнителя определяются их гене­зисом. Их инженерно-геологические особенности различны. Например, пролювиальные крупнообломочные породы (и отложения конусов выно­са и особенно селевые образования) характеризуются очень слабой от-сортированностью и слабой окатан-ностью обломков. В них наряду с крупным валунником, галечником и гравием содержится песчаный, пылеватый и глинистый материал, за­полняющий промежутки между крупными обломками. Общая по­ристость рассматриваемых крупно­обломочных пород может быть очень низкой (15 - 20 %). Уплотне­нию и увеличению прочности мате­риала, кроме разнородности меха­нического состава, способствует глубокое и длительное просыхание с образованием прочных цементаци­онных связей между обломками.

Образование морских крупнооб­ломочных пород связано с разруше­нием берегов в процессе абразии. Постоянное воздействие прибоя обусловливает хорошую отсортированность морских галечников. Как правило, они имеют небольшое ко­личество заполнителя и высокую водопроницаемость. Практически несжимаемые, они вместе с тем могут обладать пониженным сопро­тивлением сдвигу, вследствие того, что округлые гальки имеют глад­кую, отшлифованную поверхность. Другие генетические типы крупно­обломочных пород имеют свои инженерно-геологические особен­ности.

Песчаные породы. Инженерно-геологические особенности песков во многом определяются их генези­сом. Сравним некоторые из генети­ческих типов песков.

Среди наиболее распространен­ных аллювиальных песков встре­чаются различные по гранулометри­ческому составу разновидности, от­личающиеся структурно-текстур­ными особенностями и инженерно геологическими свойствами. Во многом это определяется их фациальной принадлежностью.

Общей характерной чертой ру­словых песков является закономер­ное изменение их дисперсности. По продольному профилю реки вниз по течению уменьшаются размеры зе­рен песка и одновременно с этим повышается его однородность. Не­высокая дисперсность русловых песков, их достаточно хорошая отсортированность и окатанность, пре­обладающее среднее и рыхлое сло­жение обусловливают значительную водопроницаемость, величина кото­рой в горизонтальном направлении обычно выше, чем в вертикальном.

Пойменные и старинные пески представлены главным образом мел­ко- и тонкозернистыми и пылеваты-ми песками, горизонтально, косо-или линзовидно-слоистыми, содер­жащими примесь глинистого и ор­ганического материала. Эти пески имеют меньшую величину водопро­ницаемости по сравнению с русло­выми, сжимаемость их значительно выше.

Флювиогляциальные пески представлены различными по дис­персности разновидностями (преоб­ладают крупно-, средне- и мелко­зернистые), содержащими, как пра­вило, то или иное количество гру­бообломочного материала. Среди флювиогляциальных широко разви­ты зандровые пески, которые пред­ставлены всеми разновидностями, причем среди них преобладают мел­кие пески и пески средней крупно­сти. Зандровые пески могут слагать площади в сотни тысяч кв. км. Их пористость достаточно высокая: у гравелистых песков – 40 - 41 %, у мелких – 40-.46 %, у пылеватых – 42 - 51 %. Величина коэффициента фильтрации флювиогляциальных песков не превышает 10 м/сут., у мелких - 2,5, у пылеватых -1 м/сут. Угол естественного откоса флювиогляциальных песков в воз­душно-сухом состоянии изменяется от 30° до 40°, под водой он снижает­ся до 24° - 33°.

Морские, эоловые пески и плывуны. Пески различных генети­ческих типов под влиянием гидро­динамического давления могут пе­реходить в плывунное состояние. Кроме того, А. Ф. Лебедевым были выделены «истинные плывуны» как особый тип грунтов, для которого характерны плывунные свойства. Истинные плывуны довольно разно­образны по минеральному и грану­лометрическому составу, но для них характерно содержание органиче­ского вещества, которое по отноше­нию к глинистой фракции составля­ет 5 - 35 %. Несущая способность истинных плывунов, определенная в полевых условиях, исключающих движение и выпирание, достигает 0,8 МПа. Водоудерживающая спо­собность истинных плывунов дохо­дит до 240 %. Их водопроницае­мость мала: К = п • 10^-4 - 10^-5. Большая водоудерживающая спо­собность и малая водопроницае­мость истинных плывунов делают невозможным осушение их обыч­ным способом водопонижения. Ис­тинные плывуны обладают наи­большей величиной деформации по сравнению с другими породами. Особенно опасны они при их значи­тельной естественной влажности.

 

Связные породы

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

Лессовые породы распростра­нены очень широко. По условиям залегания лессовые породы - повсе­местно покровные. Мощность их толщи колеблется от нескольких см до десятков и даже сотен м. В пре­делах равнинных областей мощ­ность лессовых толщ возрастает от первой надпойменной террасы к междуречным (водораздельным) пространствам. Для предгорных и горных районов, наоборот, харак­терно увеличение мощности лессо­вых пород по мере приближения к долинам рек: здесь наиболее мощ­ные их толщи приурочены к дипрес-сиям. Лессовые породы обычно подразделяются на лессы и лессо­видные грунты. В основу этого под­разделения могут быть положены различные признаки. При инженер­но-геологической характеристике важнейшей их особенностью явля­ется просадочность. По этому свой­ству и следует подразделить лессо­вые породы: лессы являются просадочными, лессовидные - непроса-дочными или малопросадочными.

Лессы являются наиболее одно­родными по гранулометрическому составу. Во всех районах они харак­теризуются высоким содержанием крупнопылеватых частиц (0,05 - 0,01 мм), ничтожным количеством частиц крупнее 0,25 мм и небольшим содержанием глинистых фрак­ций (не более 16 %, обычно – 1 - 2 %).

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

Просадочность лессов - не толь­ко их важнейшее свойство, имею­щее большое практическое значе­ние, но и ключ к познанию их гене­зиса. Лессы обладают просадочностью (е > 0,01). Величина просадочности с глубиной в общем уменьша­ется, но под горизонтами погребен­ных почв значительно возрастает, их суммарная пористость колеблется от 30 до 64 %. Наиболее часто встре­чающиеся значения пористости - 44 - 50 %. Коэффициент просадоч-ности (относительно) лессов дости­гает 0,06 - 1,12 при о_сж = 0,3 МПа

Характерным признаком всех лессовых пород является их малая водопрочность. Водопроницаемость изменяется в широких пределах: коэффициент фильтрации колеблет­ся от 0,001 до 8,5 м/сут. Величина угла внутреннего трения лессовых грунтов варьируется в зависимости от разных факторов от 5° до 31°, а величина сцепления - от 0 до 0,042 МПа. Одной из характерных особенностей является значительное снижение их сопротивления сдвигу в момент замачивания. Угол внутрен­него трения уменьшается на 4° - 8°, а величина сцепления также быстро падает. Лессовые породы характери­зуются невысокой пластичностью.

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

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

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

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

Типичным представителем гли­нистых водно-ледниковых отложе­ний являются хорошо известные в инженерно-геологической практике ленточные глины, широко разви­тые на севере Республики Беларусь. Ленточным глинам свойственна вы­сокая пористость (до 60 - 65 %) и высокая естественная влажность. Чаще она выше влажности верхнего предела пластичности, т. е. в естест­венных условиях глины находятся в скрытотекучем состоянии. Ленточ­ные глины обладают четко выра­женной анизотропией в отношении целого ряда свойств благодаря осо­бенностям своего микростроения. В частности, их водопроницаемость, являющаяся вообще величиной очень небольшой, значительно выше вдоль напластования, чем перпенди­кулярно к нему. У песчаных и пылеватых прослоев (в основном опреде­ляющих водопроницаемость вдоль напластования) коэффициент фильт­рации равен 10^-8 см/с, а у гли­нистых он снижается. Ленточные глины в естественном состоянии могут без значительных деформаций выдерживать нагрузки до 0,3 - 0,4 МПа, даже если их есте­ственная влажность превышает верхний предел пластичности. Осад­ка толщи водонасыщенных ленточ­ных глин под сооружением уси­ливается при переслаивании глини­стых и песчаных пород. Последние в этом случае играют роль естественных дрен, отводящих выжимаемую из глинистых прослоев воду.

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

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

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

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

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

Почвы и торфы

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

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

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

Содержание органической части почв - гумуса - колеблется от до­лей % до 20 - 22 % по весу. Особенно большое содержание гумуса характерно для черноземных и черноземновидных почв. При инженер­но-геологической оценке следуетучитывать вертикальное строение. Различные горизонты почв разли­чаются по генезису, составу, физико-механическим и физико-химическим особенностям и свойствам
Торф - своеобразная, геологически относительно молодая, не прошедшая стадий диагенеза, фитогенная горная порода. Образуется в результате отмирания и разложения болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недоста­точного доступа кислорода. Выделяются два типа по генезису: озерно-болотный и аллювиально-болотный.Подразделение биогенных пород в инженерно-геологических целях целесообразно производить по степени их разложения и зольности (содержание в торфе минеральных 1- веществ достигает 18 % у торфов озерно-болотного происхождения и 40 % - у торфов аллювиально- болотного генезиса). Выделяются: слаборазложившиеся торфы (степень разложения R = 5 - 20 %), среднеразложившиеся (R – 30 - 40 %), сильноразложившиеся (R > 40 %) торфы. Они в связи с этим различаются по своим свойствам.

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

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

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

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