Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует как бы каркас, скелет грунта. Поровая вода и газ как сплошная среда располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Угловатая форма характерна для мельчайших кристаллов, которые не округляются при соударениях из-за их исключительно малой массы и значительной прочности. Среди крупных обломков выделяются угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий).

Для удобства классификации частицы, близкие по крупности, объединяются в определенные группы (гранулометрические фракции), которым присваиваются соответствующие наименования (табл. 1).

Таблица 1.

Классификация частиц грунта по размерам

Природные грунты состоят из совокупности частиц разного размера. Пожалуй, только морские отложения бывают хорошо отсортированы: на песчаном морском пляже встречаются либо крупнообломочные, либо песчаные частицы. Речные пески значительно менее отсортированы. Здесь можно встретить не только песчаные, но и глинистые частицы. Еще более неоднородны грунты ледникового происхождения.

В зависимости от соотношения в грунте частиц того или иного размера они разделяются на: крупнообломочные, песчаные (табл. 1) и глинистые грунты.

Глинистые грунты в зависимости от содержания в них глинистых частиц иногда подразделяют на супеси - 3...10%, суглинки - 10...30%, глины - более 30%. Однако даже в лаборатории определить содержание глинистой фракции сложно, поэтому практическая классификация глинистых грунтов основана на их пластичности.

Гранулометрический (зерновой) состав грунта является одной из важнейших его характеристик. Он выражается кривой гранулометрического состава - интегральной кривой распределения зерен грунта по размеру (рис. 9).

Рис. 9. Кривая гранулометрического

(зернового) состава песка: 1 - пылеватого; 2 - мелкого; 3 – крупного

На графике наглядно видна неоднородность грунта по структуре. Чем более неоднородным является грунт, тем более пологой будет кривая его состава. Для численного выражения неоднородности крупнообломочных и песчаных грунтов используется показатель С_и, называемый степенью неоднородности:

С_и=d₆₀/d₁₀, (1)

где d₆₀ и d_l0 — диаметры частиц, меньше которых в данном грунте содержится (по массе) соответственно 60 и 10% частиц.

Таблица 2.

Типы крупнообломочных песчаных грунтов

Чем ближе степень неоднородности к единице, тем более однородным по гранулометрическому составу является грунт. При С_и 3 грунт называют неоднородным.

Скальные грунты, как и нескальные, также состоят из зерен минералов и обломков горных пород. Однако частицы в скальном грунте прочно спаяны или сцементированы между собой и образуют единое (в механическом смысле) тело. Правда, это тело обычно так или иначе рассечено трещинами, т. е. имеет вторичные ослабления. Поэтому с точки зрения инженерной геологии при характеристике скальных грунтов обращают внимание не столько на их зернистость, сколько на трещиноватость.

Размеры и форма частиц вполне характеризуют структуру грунта. Взаимное расположение частиц в грунте, его текстура определяются условиями образования. Так, морские пески, уплотненные вибрационным воздействием штормовых волн, имеют значительно более высокую плотность, чем аллювиальные (речные) или эоловые пески, которые отличаются более рыхлым сложением.

Особое значение имеет текстура глинистых грунтов. Например, глинистые, плоские по форме частицы могут образовывать текстурные агрегаты, подобные «карточному домику» (рис. 10, а). Между частицами в этом случае имеются открытые ячейки размером от 2...3 до 10... 12 мкм. Глинистые грунты с ячеистым сложением - наиболее рыхлые, сильносжимаемые (илы и илистые грунты). Те же частицы могут оказаться соединенными в агрегаты, подобные пачкам листов бумаги. Если эти агрегаты стыкуются между собой по типу «торец - плоскость», то они образуют текстуру типа «книжный домик» (рис. 10 б). Если же они ориентируются параллельно и контактируют плоскими поверхностями, то образуется стопочная текстура, наиболее плотная и прочная текстура глинистого грунта (рис. 10, в).

Рис. 10. Модели микротекстуры глинистых частиц (по В. И. Осипову)

Текстура грунта зависит от условий его формирования и геологической истории, в ходе которой грунт претерпел различные преобразования. Интересный пример представляют собой древние (протерозойские и кембрийские) глины, распространенные на северо-западе Русской платформы. Они образовались в морских условиях. Их минеральный состав и зернистость весьма постоянны на больших площадях в Ленинградской, Новгородской, Вологодской областях. Под Санкт-Петербургом глины были перекрыты палеозойскими отложениями мощностью до 350 м, которые создали давление до 7 МПа. Позже эти отложения были смыты, глины разрушены, а затем вновь нагружены ледником, который создал давление предположительно до 9 МПа. После отступления ледника глины под тонким покровом четвертичных отложений находятся под нагрузкой 0,1...2 МПа. Рассматриваемые отложения под Санкт-Петербургом (кембрийские глины) за сотни миллионов лет приобрели очень высокую плотность и малую влажность

Те же отложения за то же время под Вологдой испытали значительно большие нагрузки от вышележащих пород. В мезозое давление на них составляло 40 МПа, в ледниковое время увеличилось до 50 МПа, а теперь вновь снизилось до 40 МПа. В результате глины здесь превратились в аргиллиты - плотную сланцеватую полускальную породу.

Формирование песчаных и особенно глинистых грунтов в ходе геологической истории сопровождается многократным изменением нагрузки (уплотнением, разуплотнением). Вследствие этого в настоящее время рядом при одной мощности залегания могут существовать рыхлые современные и плотные древние отложения. Таковы, например, на территории Санкт-Петербурга (залегающие вблизи поверхности) сходные по составу илистые четвертичные отложения и упомянутые выше кембрийские глины.

Таким образом, природные грунты могут быть переуплотненными, когда под влиянием существовавших ранее нагрузок они подвергались значительному уплотнению, а затем эти нагрузки были сняты; нормально уплотненными, когда нагрузка примерно соответствует плотности грунтов, и недоуплотненными, когда их пористость намного больше, чем действующая от вышележащих слоев грунта нагрузка.

Недоуплотненные грунты могут находиться в процессе постепенного уплотнения (консолидации), например молодые водные осадки, или в стабильном состоянии за счет высокой прочности структурных связей между частицами - лёссовые грунты.