Состав и строение грунтов

Минеральный состав грунтов: четыре группы минералов и их свойства

В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые можно объединить в четыре группы: твердые минеральные частицы, жидкость, газ, макро- и микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Все они играют определенную, иногда немалую роль в поведении грунтов под нагрузками.

Наиболее важная часть грунта — твердая, так как она составляет каркас, воспринимающий нагрузки и определяющий деформационные и прочностные свойства. Вода, газ и живые организмы находятся в пустотах и порах грунта, если такие имеются. Увеличение количества воды, газа и организмов приводит, как правило, к ухудшению нужных человеку свойств грунта и нежелательно (кроме тех случаев, когда вода, нефть или газ становятся извлекаемыми из грунта полезными ископаемыми).

В зависимости от вида грунта твердая его часть представлена различными минералами, органическим, органоминеральным веществом и льдом, причем минералы всегда присутствуют в любом грунте, а остальные компоненты — эпизодически.

Минералы — это устойчивые химические неорганические соединения, образовавшиеся в земной коре в результате физико-химических процессов, часто при высоких температуре и давлении. Все множество минералов В. А. Приклонский разделил на четыре группы: 

1. первичные силикатные минералы; 
2. вторичные не растворимые в воде глинистые минералы; 
3. вторичные водорастворимые минералы или простые соли; 
4. органическое вещество и органоминеральные комплексы.

Отдельно выделяется твердая вода — лед.

Наиболее широко распространены минералы первой группы. Простые силикаты входят в состав большинства пород, образуя всего около 500 разновидностей. Силикаты слагают более 75% земной коры и более 95% изверженных горных пород. Наиболее распространенные минералы этой группы — кварц, полевой шпат, роговая обманка, слюды и др. — образуются в результате физического выветривания или разрушения скальных пород.

Ко второй группе относятся глинистые минералы — продукты химического выветривания первичных. Это не растворимые в воде тонкодисперсные системы, придающие грунтам особые свойства. Минералы второй группы подразделяют на три подгруппы — каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.

Все глинистые минералы обладают пластичностью, высокой удельной поверхностью, способностью удерживать на поверхности частиц большое количество воды в виде пленок, пластинчатой, чешуйчатой или игольчатой формой кристаллов.

Глинистые минералы определяют свойства большинства осадочных несцементированных грунтов. При наличии этих минералов резко повышается сжимаемость, снижаются прочность, водопроницаемость и водоотдача и др. Даже небольшая примесь глинистых частиц придает песку пластичность: грунт с числом пластичности 0,01–0,07 (1–7%) по ГОСТ 25100-2020 относится уже к супеси, хотя основную его массу составляют песчаные и пылеватые частицы (п. Б.2.8, табл. Б.13). Глинистые породы составляют не менее 60% общего объема осадочных пород, поэтому их изучению необходимо уделять наибольшее внимание.

В состав третьей группы минералов входят вторичные водорастворимые минералы или простые соли — хлориды, сульфаты, карбонаты. Среди них наиболее распространены в грунтах галит, гипс и кальцит. В виде отдельных слоев они встречаются редко, но цементируют нескальные грунты.

Четвертая группа включает органические и органоминеральные соединения, характерные для грунтов, образовавшихся в озерах, болотах, поймах рек, старицах, лиманах и т. п. Это прежде всего гумус, торф, сапропель и растительные остатки.

Лед как твердый минеральный компонент характерен для грунтов районов с суровым климатом, прежде всего многолетнемерзлых.

Гранулометрический состав грунтов: фракции и методы анализа

Наряду с минеральным составом, большое влияние на свойства нескального грунта оказывает степень его раздробленности, т. е. размер слагающих частиц. Знание преобладающего диаметра частиц и их количества позволяет отнести грунт к тому или иному типу, предвидеть его чувствительность к воде, проницаемость, прочность и другие свойства. Ответ на вопрос о степени раздробленности (дисперсности) грунта дает анализ гранулометрического состава, конечный результат которого — содержание в грунте указанных в задании фракций.

В ГОСТ 12536-79 «Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава», на котором основан этот учебный материал, рекомендовались следующие интервалы диаметров частиц, мм (стандарт заменен ГОСТ 12536-2014, действующие интервалы и методы уточняют по нему):

более 10; 10–5; 5–2; 2–1; 1–0,5; 0,50–0,25; 0,25–0,10; 0,10–0,05; 0,05–0,01; 0,010–0,005; менее 0,005

Содержание каждой фракции, т. е. группы частиц с диаметром в указанном интервале, выражается в процентах от общей массы пробы. В учебной классификации, основанной на прежних стандартах, некоторые фракции имеют самостоятельные названия:

• более 200 мм — валуны (неокатанные — глыбы); 
• 200–10 — галька (щебень); 
• 10–2 — гравий (дресва); 
• 2–0,05 — песчаные частицы; 
• 0,05–0,005 — пылеватые частицы; 
• менее 0,005 мм — глинистые частицы.

В лабораторных условиях обычно определяют содержание гравийных и менее крупных частиц. Более крупные фракционируются и взвешиваются в полевых условиях, так как представительный образец грунта слишком тяжел для перевозки в лабораторию.

Рис. 1. Кривые гранулометрического состава песчано-пылевато-глинистых грунтов:
1, 2 — тяжелая и легкая глина по классификации В. В. Охотина; 3 — суглинок; 4 — супесь; 5–7 — песок (5 — неоднородный, 6 — однородный, 7 — гравелистый)

По ГОСТ 12536-79 анализ песчаного грунта проводили ситовым методом, причем фракции менее 0,25 мм выделяли с промывкой водой; более мелкие фракции этим методом не выделяли.

Глинистые грунты по этой методике анализировали ареометрическим методом, включающим ситовой метод для разделения частиц крупнее 0,1 мм. Более тонкие фракции выделяли по изменению плотности суспензии за определенное время. Плотность замеряли поплавковым прибором — ареометром, имеющим диапазон измерения 1000–1030 кг/м³ с ценой деления 1 кг/м³ и длину шкалы 15 см. Диаметр частиц рассчитывали по формуле Стокса или определяли по номограмме с учетом тарировки ареометра.

Данные ареометрического анализа наносят на график, построенный в полулогарифмическом масштабе (рис. 1). Точки графика соединяют плавной кривой. Содержание фракций заданных интервалов считывают с графика и заносят в таблицу итоговых результатов. Интегральная кривая позволяет определить коэффициент неоднородности по формуле

где d60 и d10 — диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится по массе соответственно 60 и 10%.

Гранулометрический состав и водопонижение

Для водопонижения гранулометрический состав важен практически: от доли мелких частиц зависят водопроницаемость грунта, выбор метода и обсыпка фильтров. По ГОСТ 25100-2020 мелкий песок отличают от пылеватого по содержанию частиц крупнее 0,10 мм: у мелкого их не менее 75%, у пылеватого — меньше (п. Б.2.2, табл. Б.7).

В грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2 м/сут применяют вакуумное водопонижение (СП 45.13330.2017, п. 5.4), и песчаная обсыпка иглофильтров в них обязательна из-за опасности выноса мелких частиц (СП 250.1325800.2016, п. 7.4.3). Сам коэффициент фильтрации для проекта определяют опытными откачками.

Вода, газы, структура и текстура грунтового массива

Вторая по значению часть грунта — вода, или, точнее, жидкая фаза — присутствует в подавляющем большинстве случаев и, как правило, делает грунт менее прочным и более сжимаемым. Даже скальные и полускальные грунты снижают прочность при насыщении водой: коэффициент размягчения, равный отношению временного сопротивления сжатию в водонасыщенном и сухом состояниях, у них всегда меньше единицы. Наибольшее значение имеет вода в пылевато-глинистых грунтах, прочность которых в полутвердом и текучепластичном состояниях различается в десятки раз.

Газы на первый взгляд не имеют никакого значения для формирования эксплуатационных свойств грунтов. Но это не так. Например, важнейшая составляющая газов — водяной пар является источником образования пленочной воды. Пар способен быстро проникать в мелкие поры и трещины даже при незначительной влажности грунта. Движение его направлено от участков с большими температурой и насыщенностью к участкам с меньшими. Кроме того, пары передвигаются (эффект Томсона) даже при равных температурах и насыщенности от выпуклых поверхностей к вогнутым или плоским за счет их кривизны.

Присутствие газов в грунте приводит к уменьшению коэффициента фильтрации. Защемленный воздух создает устойчивые пробки, например, в земляных насыпях железнодорожного полотна. При повышении уровня грунтовых вод создается давление газов, которые могут прорваться через откос и серьезно нарушить его устойчивость.

Структура — это обобщенная характеристика внутреннего строения небольшой части массива грунта, отражающая его однородность. При этом учитываются размеры и форма частиц скелета, а также связи между ними. Текстура — это обобщенная характеристика внутреннего строения всего массива грунта, отражающая его неоднородность. При этом учитываются взаимное расположение и соотношение участков массива разного минерального состава и структуры.

Под массивом грунта понимается часть земной коры, находящаяся под воздействием сооружения. Таким образом, понятие «массив грунтов» смыкается с понятием «грунт». Грунт — это горная порода внутри массива грунта. Виды структур и текстур выделяются для различных классов, групп и подгрупп грунтов по признакам, входящим в понятия «структура» и «текстура».

При изучении структуры рассматриваются размеры, форма частиц грунта и характер связей между ними. Для изверженных эффузивных (излившихся на поверхность) пород характерны скрытокристаллические и стекловатые структуры, а также структуры прорастания. Полнокристаллические структуры типичны для метаморфических пород. Осадочные сцементированные породы имеют структуру, определяемую формой и размерами обломков: крупнообломочные имеют псефитовые структуры, песчаные — псаммитовые, пылеватые — алевритовые, глинистые — пелитовые. Связь между частицами осадочных пород зависит от вида цементации.

Текстура массива грунта представляет собой по сути характеристику его неоднородности. Для изверженных пород характерна однородная и неоднородная текстуры. Метаморфические породы чаще всего имеют массивные и сланцевые (слоистые) текстуры. Среди осадочных выделяют породы с массивными и слоистыми текстурами (косослоистыми, линзовидными и др.). Изверженные, метаморфические и осадочные сцементированные породы дополнительно оцениваются трещиноватостью, которая также представляет собой текстурный признак. Для осадочных несцементированных таким признаком является пористость — доля пустот в общем объеме грунта.

Источники

• ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация» — п. Б.2.2, табл. Б.7; п. Б.2.8, табл. Б.13
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — п. 5.4
• СП 250.1325800.2016 «Здания и сооружения. Защита от подземных вод» — п. 7.4.3
• ГОСТ 12536-2014 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава» — заменил ГОСТ 12536-79
• ГОСТ 12536-79 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава» — заменен ГОСТ 12536-2014; по нему приведены интервалы фракций и методика анализа

При разработке схемы водопонижения я в первую очередь смотрю на гранулометрический состав и слоистость разреза по отчету об изысканиях. От доли мелких частиц зависит, хватит ли гравитационных иглофильтров или нужен вакуум и какой должна быть обсыпка. Линзы и прослои слабопроницаемых грунтов я учитываю при схематизации разреза и выборе глубины фильтров: фильтровое звено нельзя ставить в малопроницаемую прослойку. Длину иглофильтров — 4, 5 или 7 м — мы подбираем под фактическую геологию участка.