учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
Мерзлые грунты Класс Под- класс Тип Подтипы Вид Подвиды Ме рз лы е Ска льн ые ме рз лы е Природные промерзшие Интрузивные, эффузивные, метаморфические, осадоч- ные, вулканогенно- осадочные элювиальные Все виды скальных грунтов Все подвиды скальных грунтов Техногенные промороженные и мерзлые Природные грунты, техно- генно измененные в услови- ях естественного залегания Все виды техногенно изменен- ных при- родных скальных грунтов Все подвиды техногенно измененных природных скальных грунтов Диспер сны е ме рз лы е Природные промерзшие Осадочные, вулканогенно- осадочные, элювиальные Все виды дисперсных грунтов Все подвиды дисперсных грунтов Техногенные промороженные и мерзлые Природные грунты, техно- генно измененные в услови- ях естественного залегания. Техногенно перемещенные природные мерзлые грунты. Антропогенные проморо- женные и мерзлые грунты. Все виды техногенно изменен- ных при- родных дисперсных грунтов Все подвиды техногенно измененных природных дисперсных грунтов Ле дя ны е Льды конститу- ционные: внут- ригрунтовые, погребенные, пещерно- жильные Сегрегационные, инъекци- онные, ледниковые, налед- ные, речные, озерные, мор- ские, донные, инфильтраци- онные, жильные, повторно- жильные, пещерные Льды, ледогрунты Льды разного состава Ледогрунты разного состава Техногенные ледяные искусственные Антропогенные намороженные льды Все виды наморожен- ных льдов Все подвиды искусственных льдов разного состава II. Класс дисперсные грунты. Группы: 1) связные; подгруппа: природ- ные образования, измененные в условиях естественного залегания физи- ческим или физико-химическим воздействием; все типы измененных природных дисперсных и скальных грунтов; все виды измененных при- родных дисперсных грунтов; 2) несвязные; подгруппы: а) природные пе- 31 ремещенные образования насыпные, намывные или образованные взры- вом; б) антропогенные образования насыпные и намывные; тип – отходы производственной и хозяйственной деятельности; виды: отходы бытовые, промышленные, строительные, шлаки, шламы, золошлаки и др. III. Класс мерзлые грунты. Группы: 1) скальные промороженные; подгруппа: природные образования, измененные в условиях естественно- го залегания тепловым воздействием; все типы и видыпромороженных природных скальных грунтов; 2) полускальные промороженные; 3) связ- ные промороженные; подгруппа: природные образования, измененные в условиях естественного залегания тепловым воздействием; все типы и виды промороженных природных дисперсных грунтов; 4) несвязные промороженные; подгруппы: а) природные перемещенные промерзшие образования насыпные и намывные; б) антропогенные промерзшие обра- зования насыпные, намывные и намороженные; все типы проморожен- ных антропогенных образований; виды: отходы бытовые, промышлен- ные, строительные, шлаки, шламы, золошлаки, искусственные льды и др. В строительной практике для улучшения качества геологических свойств грунтов используются методы технической мелиорации грунтов (прил. 1). 3.8. Характеристика грунтов разных генетических типов и классов 3.8.1. Магматические горные породы Магматические интрузивные и эффузивные горные породы относятся к скальным нерастворимым грунтам. Их инженерно-геологические свой- ства зависят от минерального состава, текстурно-структурных особенно- стей и других факторов и могут изменяться в широких пределах. Они имеют высокую плотность – от 2,4 до 3,4 г/см 3 , морозостойкие, невлаго- емкие, водопроницаемость по трещинам, коэффициент фильтрации 0– 10 м/сут., пористость незначительная в интрузивных горных породах (до 5%), в некоторых типах эффузивных горных пород достигает 70%, проч- ность высокая. В водонасыщенном состоянии скальные магматические грунты по величине временного сопротивления сжатия (R cж ) делятся на очень прочные (R cж >120 МПа), прочные (120 ≥ R cж < 50 МПа), средней прочности (50 ≥ R cж < 15 МПа) и малопрочные (15≥ R cж < 5 МПа) разно- видности. 32 Физико-механические свойства скальных магматических грунтов от- ражены в табл. 3.6.1. В естественном залегании в массивах характерна анизотропия свойств магматических горных пород. В откосах они устойчивы, являются надежными основаниями любых инженерных сооружений. Так, более 30% всех высоких плотин земного шара возведено на изверженных гор- ных породах. Разрабатываются магматические горные породы взрывным способом. Ухудшение инженерно-геологических свойств магматических горных пород связано прежде всего с их выветриванием, обводнением, трещино- ватостью и тектонической нарушенностью. При этом нарушается моно- литность горных пород, образуются ослабленные зоны. В районах высо- кой сейсмичности вдоль ослабленных зон могут происходить смещения участков земной коры. В местах развития таких зон затрудняются строи- тельство, горнопроходческие работы, эксплуатация гидротехнических и других крупных сооружений. Сухие горные породы являются более прочными, чем водонасыщенные. Для оценки выветрелости магматических горных пород используется коэффициент степени выветрелости K wr , представляющий отношение плотности выветрелой горной породы к плотности невыветрелой горной породы. Если K wr = 1 – горная порода невыветрелая; если 1 > K wr ≥ 0,9 – горная порода слабо выветрелая; если 0,9 > K wr >0,8 – горная порода вы- ветрелая; если K wr <0,8 – горная порода сильно выветрелая. 3.8.2. Метаморфические горные породы Метаморфические горные породы (сланцы, гнейсы, кварциты, рого- вики и др.) также относятся к скальным нерастворимым грунтам, их об- щая инженерно-геологическая характеристика близка к магматическим горным породам. Отличие заключается в резко выраженной анизотропии параметров прочности и повышенной водопроницаемости. Так, вдоль плоскостей сланцеватости и гнейсовидности прочность метаморфических горных пород резко уменьшается до 10 раз. Плотность метаморфических горных пород составляет 2,60–3,10 г/см 3 , их физико-механические свойства показаны в табл. 3.6.1. Особо высокой прочностью и устойчивостью отличаются кварциты и роговики: сопро- тивление сжатию кварцитов превышает 150–200 МПа, роговиков – 60– 100 до более 150 МПа. Кристаллические сланцы и гнейсы подвергаются более интенсивным процессам выветривания и неустойчивы в откосах 33 при наклонном залегании, в особенности, если направление падения эле- ментов сланцеватости и гнейсовидности совпадает с уклоном откосов. 3.8.3. Осадочные сцементированные горные породы Осадочные сцементированные горные породы относятся к скальным и полускальным грунтам. Их инженерно-геологические свойства зависят от генетического типа, состава, текстурно-структурных признаков и других факторов. Крупнообломочные горные породы – конгломераты и гравелиты, со- стоящие из обломков силикатных пород на кремнистом цементе, – обла- дают высокой прочностью (временное сопротивление сжатию достигает до 100 МПа). Они дают устойчивые откосы. Прочность их уменьшается при наличии в составе нестойкого известково-глинистого и других типов цемента. Мелкообломочные горные породы – песчаники аркозового типа на стойком цементе – имеют высокую прочность (сопротивление сжатию – от 150–200 до 300 МПа). Физико-механические свойства разных типов песча- ников изменяются в широких пределах (колебания прочности от 5–10 до 40–200 МПа, упругие константы (см. табл. 3.6.1 и 3.6.2)). Слабопрочные песчаники (полускальные грунты) легко выветриваются и разрушаются до песков. Плотность песчаников колеблется от 2,20 до 2,80 г/см 3 Тонкообломочные горные породы.Большинство тонкообломочных горных пород – алевролиты и аргиллиты (за исключением высокопроч- ных алевролитов силикатно-кремнистого состава) – относятся к полус- кальным грунтам. Их характеризуют следующие особенности: плотность составляет 2,30–2,60 г/см 3 , пористость – 14–22%, временное сопротивле- ние сжатию колеблется от 2 до 240 МПа, влагоёмкие, способны к размо- канию, легко выветриваются, упругие константы (см. табл. 3.6.2). Устой- чивость в откосах зависит от степени трещиноватости и выветрелости, могут давать осыпи. Характерна анизотропия свойств в естественном залегании. Обладают реологическими свойствами. Разрабатываются ударным инструментом и взрывным способом. 3.8.4. Химические и биохимические (органогенные) горные породы Карбонатные горные породы. Плотность карбонатных горных пород, среди которых выделяются известняки, мел, доломиты и другие типы, 34 варьирует от 1,6 до 2,8 г/см 3 . В зависимости от инженерно-геологических свойств они делятся на плотные и неплотные. Плотные карбонатные по- роды относятся к скальным грунтам, неплотные – к полускальным грун- там. Характеризуются слабой растворимостью, в воде не размокают. Во- допроницаемость различна. Временное сопротивление сжатию колеблет- ся от менее 10 МПа до 250 МПа, упругие константы (см. табл. 3.6.1). В естественном залегании в массивах часть из них дают глыбовую от- дельность, могут быть устойчивы в откосах. Районы развития карбонат- ных отложений часто закарстованы, что затрудняет их хозяйственное освоение. Карбонатно-глинистые горные породы (мергели и др.) имеют плот- ность 2,20–2,40 г/см 3 , прочность типичных мергелей – от 5 до 30 МПа и редко более 100 МПа. С повышением влажности и пористости их проч- ность резко снижается. В откосах неустойчивы. Образуют осыпи. Сульфатные галоидные горные породы (ангидрит, гипс, галит и др.) имеют плотность 2,10–3,1 г/см 3 , характеризуются слабой прочностью, растворимы в воде (активны процессы карстообразования), временное сопротивление сжатию составляет до 15–20 МПа и может достигать (у ангидритов) до 140 МПа. Ангидрит в присутствии воды переходит в гипс (процесс обратимый), при этом увеличивается объем минеральной массы, что приводит к деформациям в окружающих горных породах. Возможно и отрицательное воздействие на инженерные сооружения. Отработанные месторождения каменных солей могут использоваться в качестве подземных хранилищ для нефти, горюче-смазочных материа- лов, захоронения промстоков и т.п. 3.8.5. Осадочные несцементированные горные породы Осадочные несцементированные горные породы относятся к классу природных дисперсных грунтов, в котором выделяются: 1) несвязные грунты – осадочные и вулканогенно-осадочные образования крупнооб- ломочного и мелкообломочного состава; 2) связные грунты – глинистые, лессовые, илы, сапропели, заторфованные грунты и торф. Они характери- зуются гранулометрическим составом, который отражает процентное содержание в рыхлой горной породе фракций определенного размера, и углом естественного откоса – углом наклона поверхности свободно насыпанного несвязного грунта к горизонтальной плоскости. Крупнообломочные рыхлые горные породы – валуны, галька, гра- вий, щебень и другие имеют плотность 2,65–-3,30 г/см 3 . Их инженерно- геологические характеристики зависят от гранулометрического и мине- 35 рального состава, уплотненности и других факторов. Они имеют свой- ства сыпучих тел (при этом форму сохраняют под действием массы об- ломков и трения между ними), практически несжимаемые или слабосжи- маемые, пористость – 40%, упругие характеристики (см. табл. 3.6.2), угол внутреннего трения и сцепления зависит от выветрелости обломков и составляет около 40° (для сильно выветрелых обломков – 28–22°), угол естественного откоса превышает 40°, водопроницаемость высокая – ко- эффициент фильтрации может достигать 1 000 м/сут. Устойчивость как в основаниях, так и в откосах зависит от внутреннего трения и интенсивно- сти динамических воздействий. Разрабатываются механическим и руч- ным способами. Мелкообломочные рыхлые горные породы – пески и другие имеют плотность 2,55–2,70 г/см 3 , пористость изменяется от 25 до 55%, упругие характеристики (см. табл. 3.6.2), угол внутреннего трения зависит от по- ристости и составляет 30–43°, угол естественного откоса сухих песков – 30–40°, под водой 24–33°, водопроницаемость высокая – коэффициент фильтрации составляет от 40 до 100 м/сут и более, под влиянием статиче- ских нагрузок уплотняются очень слабо, дают осадку при динамических нагрузках и могут значительно уплотняться, под влиянием гидродинами- ческого давления переходят в плывунное состояние. Глинистые грунты. Свойства глинистых грунтов изменяются в ши- роких пределах и зависят от генетического типа, состава, возраста, плот- ности, влажности, консистенции, ненарушенности естественного сложе- ния и других факторов. Плотность колеблется от 1,30 до 2,30 г/см 3 , пори- стость – 25–30 до 60%, естественная влажность – от 5–10 до 100%, влаго- емкие, нерастворимые, слабоводопроницаемые – коэффициент фильтра- ции менее 1 м/сут, сжимаемые и сильносжимаемые, модуль общей де- формации варьирует от нескольких до 50–60 МПа, упругие характери- стики (см. табл. 3.6.2). Обладают такими свойствами, как набухаемость, усадка, просадка, липкость, размокаемость, тиксотропность. Тиксотроп- ность – это свойство грунта изменять состояние под влиянием механиче- ского воздействия (от разрушения до восстановления прочности). В гео- логических структурах они играют роль водоупорных горизонтов. Для глинистых грунтов характерна пластичность – способность де- формироваться без разрыва сплошности под воздействием внешних сил и сохранять полученную форму. Пределы пластичности определяют зна- чения влажности в весовых процентах, при которых глинистый грунт переходит их одного состояния консистенции в другое. Выделяются: 1) нижний предел пластичности ( P W ) – весовая влажность, выше ко- торой грунт переходит из полутвердой консистенции в пластичную; 36 2) верхний предел пластичности ( L W ) –весовая влажность, выше ко- торой грунт переходит из пластичной консистенции в текучую. Разность между верхним и нижнем пределами пластичности называ- ется числом пластичности ( P I ). Оно характеризует диапазон влажности пластичного состояния глинистого грунта: p L P I W W (33) Важное значение среди свойств глинистых грунтов имеет консистен- ция – его состояние, характеризующее способность сохранять свою фор- му без или при наличии внешнего механического воздействия. Выделя- ются консистенции: текучая, текучепластичная, легкопластичная, туго- пластичная, пластичная, твердая и сыпучая. Количественно консистенция оценивается показателем консистенции ( ) L I , который определяется по формуле L I = e p p W W I , (34) где e W – естественная влажность грунта в процентах. При L I < 0 грунт имеет твердую консистенцию, при 0 < L I ≤ 1 конси- стенция грунта пластичная, при L I > 1 консистенция грунта текучая. Наибольшей прочностью обладают сухие глинистые грунты, при увлажнении они становятся мягкими пластичными и при высокой влаж- ности переходят в текучее и плывунное состояние. Устойчивость в отко- сах глинистых грунтов зависит от влажности и высоты откоса. Дают оползни. Разрабатываются ручным и механическим способами. 3.8.6. Мерзлые грунты К мерзлым грунтам относятся любые горные породы, находящиеся в условиях отрицательных или нулевых температур, обладающие криоген- ной текстурой и содержащие лед. В северном полушарии земного шара мерзлые грунты образуют зоны многолетней мерзлоты (криолитозоны). Их южная граница является постепенной. В Российской Федерации они занимают площадь около 75% от общей площади государства. Макси- мальная глубина их достигает более 800 м. В разрезе мерзлых грунтов выделяется деятельный слой – верхняя приповерхностная часть земной коры, которая замерзает зимой и оттаи- 37 вает летом. Его мощность достигает 5 м и зависит от широты местности, среднегодовой температуры, геоморфологических особенностей терри- тории, растительности, мощности снежного покрова и других факторов. Мерзлые грунты характеризуются суммарной льдистостью, которая отражает общее содержание льда в грунтах в процентах или долях еди- ницы. Выделяются (Трофимов и др., 2005): 1. Весовая льдистость – это отношение массы всего льда ( i m ) к массе сухой породы ( s m ): i p s m i m (35) 2. Относительная льдистость – это отношение весовой льдистости ( p i ) к суммарной влажности ( tot w ): 0 p tot i i w (36) 3. Объемная льдистость – это отношение объема всего льда ( ) л V к объему мерзлой породы ( ) V : л V V i V (37) Криогенная текстура мерзлых грунтов – это строение его минерально- го скелета с участием льда. Под криогенной структурой понимается стро- ение текстурообразующего льда в мерзлом грунте. В общей классификации грунтов в классе природных мерзлых грун- тов выделяются группы скальных промерзших (перешедших в мерзлое состояние), дисперсных промерзших и ледяных (представлены льдом) грунтов. Каждая группа включает определенные подгруппы и типы (см. табл. 3.7.1). Скальные мерзлые грунты, в которых количество льда имеет подчи- ненное значение (до 30%), получили название ледоминеральные. К ледо- минеральным мерзлым грунтам относятся малольдистые и льдистые пес- чано-глинистые и крупнообломочные грунты, в которых суммарное со- держание льда составляет менее 40%. К минерально-ледяным мерзлым грунтам относятся сильно-льдистые и очень сильнольдистые грунты, в которых содержание льда составляет более 40%. Выделяются морозные 38 грунты – имеющие отрицательную среднегодовую температуру, но не содержащие лед. Свойства мерзлых скальных ледоминеральных грунтов различного генезиса, возникших при эпигенетическом промерзании, зависят от льди- стости, криогенного строения, минерального состава, температуры, сте- пени выветрелости, трещиноватости, пористости, закарстованности и других факторов. Для них характерны криогенные текстуры – трещин- ная, трещинно-жильная, пластово-трещинная, пластово-трещинно- поровая и пластово-трещинно-карстовая. По сравнению с исходными (немерзлыми) они имеют более высокую прочность, но после протаива- ния их прочностные и деформационные свойства резко снижаются, уве- личивается сжимаемость грунтов. Криогенные текстуры мерзлых дисперсных грунтов зависят от харак- тера их промерзания. Так, в эпикриогенных массивах криотекстура грун- тов слоистая и сетчатая; в грунтах (пески, суглинки), промерзших в усло- виях аэрации, – массивная, редкослоистая тонкошлировая; в эпигенети- чески промерзших русловых или флювиогляциальных песчаных грун- тах – массивная с коровым или базальным льдом-цементом; в галечно- гравелистых грунтах – корковая, реже базальная; в синкриогенных грун- тах (при наличии нижнего мерзлого водоупора) – параллельно-слоистая и сетчатая; в синкриогенных солифлюкционных и делювиальных грунтах – элементарная линзовидная, сложная волнисто-поясковая и вогнуто- параллельно-слоистая, в диогенетически промерзших грунтах – вогнуто- слоистая, ромбовидная сетчатая, косоугольная конусолинзовидная и ко- сослоистая (Трофимов и др., 2005). Плотность мерзлых песков составляет 1,5–2,0 г/см 3 , мерзлых глини- стых грунтов – 1,22–2,08 г/см 3 ; плотность скелета мерзлых песков – 1,4– 1,7 г/см 3 , мерзлых глинистых грунтов – 0,58–1,63 г/см 3 ; пористость мерз- лых песков – 35–45%, мерзлых глинистых грунтов – 40–60% и более. Физико-механические свойства ледоминеральных и минерально- ледяных грунтов зависят от их состава, пористости и температуры. Мо- дуль упругости этих мерзлых грунтов составляет 300–30 000 МПа. Мо- дуль общей деформации мерзлых песчано-глинистых грунтов 8– 214 МПа. Засоленность мерзлых грунтов влияет на увеличение их сжи- маемости и снижение прочности. При оттаивании мерзлых дисперсных грунтов резко снижается их прочность, увеличиваются сжимаемость и водопроницаемость. Проса- дочность мерзлых песчано-глинистых грунтов определяется по формуле 39 , th th h h (38) где th h – осадка при оттаивании слоя грунта мощностью th h В зависи- мости от осадки мерзлые грунты делятся на четыре категории: I – мерз- лые непросадочные ( < 0,01); II – мерзлые среднепросадочные (0,01 ≤ < 0,1); III – мерзлые просадочные (0,1 ≤ < 0,2); IV – мерзлые силь- нопросадочные ( ≥ 0,2). Органоминерально-ледяные типы (см. табл. 7.3.1.) – это сильнольди- стые песчано-глинистые заторфованные грунты, содержащие 10-60% растительных остатков; органоледяные типы – это преимущественно сильнольдистые торфяные грунты. Криотекстуры этих мерзлых грунтов базальная и массивно-поровая, встречаются криотекстуры – массивная, редкошлировая сетчатая и сетчато-слоистая. Формирование этих мерз- лых грунтов часто сопровождается образованием площадей и бугров пу- чения высотой 2–3 м, редко – 7–8 м и более. Свойства мерзлых грунтов этих типов зависят, главным образом, от температуры. Так, модуль общей деформации мерзлых заторфованных грунтов составляет 16–41 МПа, мерзлого торфа – 30–300 МПа и более при температуре выше –40°С, модуль упругости мерзлого заторфованно- го песка (110–150) · 10 2 МПа, мерзлого торфа – около (50–100) · 10 2 МПа. Мерзлые ледяные грунты представлены мономинеральным льдом или льдом с примесью терригенного материала. Криоструктура льда преиму- щественно кристаллически-зернистая, встречается слоистая. Плотность чистого льда при температуре 0°С и давлении 1 атм. равна 0,9168 г/см 3 , при понижении температуры на 10°С плотность льда увеличивается на 0,0015 г/см 3 . Плотность морских льдов составляет 0,920–0,953 г/см 3 и увеличивается с ростом солености. Пористость льда в ледниках равна 2,5%, морского льда – 3,0%. Модуль упругости льда (статические испы- тания) составляет 10 –3 –10 –4 МПа, динамический модуль упругости – (8– 10) · 10 –3 МПа, модуль упругости морских льдов (3–9) · 10 3 МПа; временное сопротивление одноосному сжатию пресных льдов при температуре от 0 до –35°С составляет 1,0–5,9 МПа, морских льдов при температуре около 0°С – 0,4–0,7 МПа и при температуре –30°С – 4,5–4,8 МПа |