Строение Земли и земной коры

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время объемы промышленного и гражданского строительства увеличиваются, а также усложняются объекты строительства, повышается высотность зданий, расширяется подземное строительство. Часто строительство приходится вести в пределах уже существующей застройки, проводить реконструкцию старых зданий, которая требует дополнительного исследования основания сооружения, и на ранее неиспользуемых землях ввиду сложных инженерно-геологических условий. В связи с этим возрастает необходимость точного и экономически обоснованного проектирования, невозможного без грамотного применения инженерно-геологических исследований природных условий территорий будущего строительства.

При подготовке бакалавров по основным образовательным программам, составленным в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 08.03.01 «Строительство» дисциплина «Геология» изучается в рамках модуля «Инженерное обеспечение строительства».

В соответствии с учебными планами подготовки бакалавров по образовательным траекториям «Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций», «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», «Городское строительство и хозяйство», «Проектирование зданий», «Проектирование и эксплуатация систем теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования», «Проектирование, изготовление и монтаж конструкций зданий и сооружений», «Теплоснабжение и вентиляция», «Технология и организация промышленного и гражданского строительства», «Проектирование и возведение объектов промышленного и гражданского строительства», «Экспертиза и управление недвижимостью», «Экспертиза инвестиционно-строительного проекта и управление недвижимостью», «Водоснабжение и водоотведение», «Гидропневмосистемы в строительстве и промышленности», «Стоимостной инжиниринг в строительстве» рабочая программа дисциплины «Геология» предусматривает 18 часов лекций, 18 часов лабораторных работ, две контрольные работы и расчетно-графическую работу.

В результате изучения дисциплины «Геология» студенты должны:

– знать основные требования нормативной документации в строительстве в области проектирования и градостроительства; способы и методы инженерно-геологических изысканий; законы геологии, гидрогеологии; генезис и классификацию пород и грунтов;

– уметь анализировать воздействие окружающей среды на материал в конструкции; применять нормативную документацию для разработки технических заданий на проектирование и инженерные изыскания; решать простейшие задачи инженерной геологии; читать геологическую графику;

– демонстрировать навыки диагностики породообразующих минералов и горных пород, построения геологической графики.

Самостоятельная работа студентов по данной дисциплине складывается из следующих составляющих:

– изучение отдельных тем разделов программы дисциплины;

– подготовка к лекционным занятиям (мини-тест по каждому разделу дисциплины);

– подготовка к выполнению лабораторных работ;

– подготовка к контрольным работам (решение простых задач по инженерной геологии, работа с коллекциями минералов и горных пород на кафедре);

– выполнение расчетно-графической работы;

– подготовка к сдаче зачета.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «ГЕОЛОГИЯ»

Дисциплина «Геология» является комплексным курсом, объединяющим основные сведения из области общей геологии, гидрогеологии, грунтоведения, геодинамики, методики инженерно-геологических изысканий и другими геологическими дисциплинами, которые в той или иной мере связаны с вопросами строительства:

– общая геология – наука, изучающая состав, строение Земли;

– историческая геология, – наука, изучающая историю и закономерности развития земной коры;

– минералогия и петрография – науки о минералах и горных породах;

– геоморфология – наука, изучающая развитие рельефа поверхности земной коры, его происхождение и связи с геологическим строением;

– геодинамика – наука, изучающая процессы, протекающие в недрах Земли и на ее поверхности;

– грунтоведение – наука, изучающая физические и физико-механические свойства грунтов;

– механика грунтов – наука, изучающая деформации и напряжения, возникающие в горных породах под действием внешних и внутренних сил;

– гидрогеология – наука о подземных водах их составе, свойствах, происхождении;

– геокриология – наука, предметом изучения которой является зона многолетней мерзлоты в земной коре и все процессы и явления этой зоны, осложняющие строительное производство;

Горные породы (грунты) служат строительными материалами, средой для строительства и основанием зданий и сооружений. От взаимодействия сооружений с окружающей геологической средой зависит их долговечность и надежность.

Основы общей геологии

Горные породы

Горные породы – это природная совокупность минералов постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Наука, занимающаяся изучением горных пород, называется петрографией.

Горные породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными (кварцит, известняк, каменная соль), состоящие из нескольких минералов – полиминеральными (гранит, глина).

Строение горной породы характеризуется структурой и текстурой.

Структура характеризует внутреннее строение породы, связанное со степенью ее кристалличности, абсолютным и относительным размером зерен или обломков, их формой.

Текстура характеризует особенность внешнего сложения горной породы, обусловленную размещением минеральных зерен в пространстве, их ориентировкой и окраской.

По условиям образования (генезису) горные породы условно делятся на три типа:

– магматическиегорные породы, возникающие путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри Земли и на ее поверхности;

– осадочныегорные породы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности и отмирания живых организмов или выпадения осадков из пересыщенных растворов, или, образовавшиеся в поверхностной части земной коры, в результате выветривания любых ранее существовавших пород;

– метаморфическиегорные породы, образовавшиеся путем коренного преобразования любых ранее существовавших пород под влиянием высоких температур и давления, а также гидротермальных растворов.

Магматические горные породы возникают путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри земной коры или на ее поверхности и подразделяются на три класса:

– класс плутонических (интрузивных), т. е. полнокристаллических пород, происхождение которых связано с длительной кристаллизацией магматического расплава в земной коре;

– класс вулканических (эффузивных), т. е. порфировых или афировых пород с микрокристаллической или стекловатой основной массой, являющихся продуктами кристаллизации магмы, вышедшей на земную поверхность по вулканическим каналам и застывшей в течение короткого промежутка времени;

– класс гипабиссальных (жильных) пород, которые формируются на небольших глубинах и занимают по условиям залегания и структурам промежуточное положение между глубинными (плутоническими) и излившимися (вулканическими) породами и проявляются в виде малых интрузий (даек, силлов, штоков).

Формы залегания магматических тел

Батолит – крупный интрузивный массив, гигантская линза глубиной до 15 км и площадью от 100 до десятков тысяч км.

Шток – несогласная интрузия, в вертикальном разрезе имеющая форму колонны. В плане форма неправильная. От батолитов отличаются меньшими размерами.

Лополит – согласная, межпластовая интрузия блюдцеобразной формы.

Лакколит – согласная межпластовая интрузия, имеющая в разрезе грибообразную или куполообразную форму кровли и плоскую подошву.

Силлы – пластообразные тела, внедряющиеся между слоями вмещающих пород.

Дайка – несогласная интрузия небольших размеров (имеет секущие контакты с вмещающими породами).

Купол – сводообразные формы вулканических пород.

Лавовый покров – образуется в результате растекания магмы по поверхности Земли.

Потоки – вытянутые формы, возникающие при излиянии магмы из вулканов.

Химический состав магматических пород принято представлять в виде процентного содержания главных петрогенных оксидов: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, MnO, MgO, TiO₂, СаО, Na₂O, K₂O и H₂O. В классификации магматических пород по химическому составу используют процентное содержание кремнезема (SiO₂) и (или) суммы щелочей (Na₂O + K₂O).

Плутонические и вулканические магматические породы могут возникнуть из магмы одного и того же химического состава, поэтому почти каждая плутоническая магматическая порода имеет излившийся аналог, тождественный ей по химическому составу, но минеральный состав пород при этом может быть разным. Эти различия связаны с условиями формирования пород.

Все магматические горные породы разделяются по содержанию кремнезема (SiО₂) на группы: кислые (более 65 %), средние (52–65 %), основные (45–52 %), ультраосновные (меньше 45 %).

Осадочные горные породы

Осадочные породы представляют собой скопления минерального или органического вещества, которые образуются в результате экзогенных процессов в пределах земной поверхности – на дне водоёмов или на поверхности суши. Составляя всего 5 % объема земной коры, осадочные породы покрывают около 75 % поверхности Земли, и чаще всего являются основаниями фундаментов сооружений.

Образование осадочных пород (литогенез) представляет собой совокупность ряда последовательных стадий:

– выветривание (физическое разрушение, дробление пород и последующее химическое разложение до состояния глин), которое приводит к разрушению верхней части всей континентальной коры;

– переноспреимущественно речными потоками, а также ветром, ледниками, временными водотоками. Продукты выветривания при этом продолжают измельчаться, истираться, сортироваться;

– отложение или седиментация рыхлых осадков в водных бассейнах с проявлением процессов дифференциации;

– диагенезвключает в себя процессы уплотнения осадка, его дегидратацию (удаление воды) и цементацию вследствие постепенного погружения на большие глубины, увеличения лито- и гидростатической нагрузки, а также повышения температур за счет геотермического градиента. В результате диагенеза песок превращается в песчаник, глина в аргиллит, гравий и галька в конгломерат.

Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные (терригенные), химического происхождения (хемогенные) и органогенные – продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Многие породы имеют смешанное происхождение, примером могут служить мергели, известковистые песчаники и др.

К осадочным горным породам также относят: пирокластическиепороды (продукты извержения вулканов – пепел и песок), осевшие на поверхности земли, и со временем преобразовавшиеся в туфы и туфобрекчии.

Классификация обломочных (терригенных) пород основана на различии по крупности зерен, по степени окатанности и сцементированности.

Хемогенные породы образуются при химическом разрушении и растворении минералов материнских пород и последующим выпадением новых минералов в осадок из пересыщенных растворов.

Органогенные образования представляют собой продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Сюда относятся известняки – продукты отмирания организмов, извлекающих из среды обитания СаСО₃, опоки, имеющие состав SiO₂   nH₂O и угли, представляющие собой различные углеродистые соединения. При классификации органогенных и хемогенных пород определяющим является их химический состав.

Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков. Слоистая текстура обусловлена чередованием слоев нескольких разностей осадочных пород и может быть вызвана резким изменением размеров обломочных частиц и вещественного состава пород, либо ориентировкой осадочного материала.

Слои осадочных пород представляют собой тела относительно небольшой толщины, но занимающие большие площади. В слоистой толще каждый слой отделен от другого границей – поверхностью напластования. Поверхность, ограничивающая слой снизу, называется подошвой, сверху – кровлей.Кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой называют его истинной мощностью. Истинная мощность слоев осадочных пород колеблется в широких пределах – от долей сантиметра до десятков метров.

Геохронология

Историю и общие закономерности развития и образования земной коры изучает историческая геология. Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и определения положения среди других пород.

Различают относительный и абсолютный возраст горных пород.

Методы определения относительного возраста:

– стратиграфический,

– палеонтологический,

– петрографический.

Стратиграфический метод основан на том, что если породы не испытали сложных деформаций, то вышележащий слой всегда моложе нижележащего. «При ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя» – этот принцип последовательности накопления осадков слой за слоем был сформулирован в 1669 г. Н. Стено (Н. Стенсен). При контакте интрузии с осадочными горными породами − интрузия моложе тех пород, которые она пересекает. Жилы, секущие магматическое тело моложе его.

Палеонтологический метод позволяет определить возраст осадочных пород независимо от характера залегания слоев, основан на изучении осадочных толщ, содержащих окаменелые остатки животных и растений. Животный и растительный мир развиваются последовательно и необратимо. Каждой геологической эпохе соответствует свой комплекс животных и растений. В пластах одного возраста присутствуют одинаковые формы.

Петрографический метод основан на определении скорости накопления осадков в дельтах рек и на дне океанов. В дельтах рек слой мощностью 1 мм образуется за 3–10 лет. На дне океана – 0,1–0,01 мм в год.

Итогом изучения относительного возраста горных пород явилась международная стратиграфическая (геохронологическая) шкала. Она была принята на второй сессии Международного геологического конгресса в 1881 г. Названия стратиграфических подразделений соответствуют географическим названиям тех местностей, где они были впервые выделены (кембрийская, девонская, юрская, пермская), от названий древних племен (силурийская, ордовикская), от преобладающего состава пород (каменноугольная, меловая) или отражают характер строения отложений (триасовая).

В приложении 1 в сокращенном виде без ярусов (веков), приводится международная (общая) стратиграфическая (геохронологическая) шкала. Исключение составляет стратиграфическая шкала докембрия. Общепринятой международной схемы расчленения докембрийских отложений пока не создано, поэтому в России пользуются своей стратиграфической шкалой докембрия, утвержденной в 1991 г. Международная шкала включает основные стратиграфические и соответствующие им геохронологические подразделения соподчиненных рангов.

Эонотема – это отложения, образовавшиеся в течение зона (греч. – длительный промежуток времени) – самой крупной геохронологической единицы. Выделяют три эонотемы – архейскую (от греч. «археос» – древний), протерозойскую (от греч. «протерос» – первый) и фанерозойскую (от греч. «фанерос» – явный). Отрезок геологического времени (более 3,5 млрд. лет) и комплексы пород, соответствующие архею и протерозою, часто объединяют под общим названием докембрий, или криптозой (от греч. «криптос» – скрытый, тайный). Термины «криптозой» – время скрытой жизни – были введены для разделения докембрия, в котором отсутствуют скелетные организмы, и «фанерозой» – время явной жизни, где они появляются в большом количестве.

Эратема или группа систем составляет часть эонотемы и объединяет отложения, образовавшиеся в течение эры. В фанерозое выделяют три эратемы: палеозойскую (от греч. «палеос» – древний), мезозойскую (от греч. «мезос» – средний) и кайнозойскую (от греч. «кайнос» – новый). Протерозой в международной шкале разделен на нижний, средний и верхний. Для архея общепринятого разделения пока нет.

Система составляет часть эратемы и объединяет отложения, образовавшиеся в течение периода. В настоящее время выделяют 12 систем: кембрийскую, ордовикскую, силурийскую, девонскую, каменноугольную, пермскую, триасовую, юрскую, меловую, палеогеновую, неогеновую и четвертичную (антропогеновую). Практически все они имеют планетарное распространение.

Отдел составляет часть системы и характеризует отложения, образовавшиеся в течение одной эпохи. Обычно система включает 2–3 отдела, которые в зависимости от их положения в разрезе системы называются нижний и верхний, или нижний, средний и верхний. Некоторые отделы имеют собственные названия. Так, в палеогеновой системе выделяются палеоцен, эоцен и олигоцен, в неогеновой – миоцен и плиоцен. Эпохи как временные подразделения, соответствующие нижнему и верхнему или нижнему, среднему и верхнему отделам, необходимо называть ранняя и поздняя или ранняя, средняя и поздняя с прибавлением назва­ния периода.

Для обозначения возраста пород на геологической графике существует общепризнанная цветовая шкала, где каждой системе присвоен определенный цвет (прил. 1). Например, отложения триасовой системы на геологических картах красят в фиолетовый цвет, юрской – в синий и т. д. Более дробные стратиграфические подразделения каждой системы (например, отделы) закрашивают оттенками основного цвета системы, при этом более древние подразделения – темными, а более молодые – светлыми тонами соответствующего цвета. Дополнительными условными обозначениями возраста служат индексы – буквенные и цифровые обозначения возрастной принадлежности тех или иных горных пород. Они представляют собой начальные латинские буквы названия эратемы или системы. Для обозначения отдела к буквенному индексу внизу справа прибавляется арабская цифра. Так, индекс триасовой системы – Т, индекс ее нижнего отдела – Т₁, среднего – Т₂, верхнего – Т₃.

Абсолютный возраст горной породы – продолжительность существования породы (в годах). В основе изотопно-геохронологических методов определения абсолютного возраста горных пород лежит закон радиоактивного распада. Сущность метода – при образовании кристаллических решеток минералов, содержащих радиоактивные элементы, образуется закрытая система, в которой в течение геологического времени накапливаются дочерние продукты радиоактивного распада материнских радиоактивных изотопов (U, K, Rb).

Период полураспада ²³⁸U=4,5 млрд. лет, ¹⁴С=5568 лет.

Уран-торий-свинцовый метод – превращение изотопа ²³⁵U в стабильные изотопы свинца Рb. Зная, какое количество Pb образуется из 1 г U в течение года, определяется их содержание в минерале (точность определения – сотни миллионов лет).

К–Аr–изотоп ⁴⁰K превращается в ходе распада в изотоп ⁴⁰Ar (точность – до 1 млн. лет ). Поскольку калий является весьма распространенным элементом, К-Ar метод получил широкое применение для датирования почти всех типов горных пород. Особенно большая роль этому методу (в отличие от других) отводится при датировании осадочных пород позднего докембрия по калийсодержащему минералу – глаукониту.

Радиоуглеродный метод применяется для датирования молодых объектов, содержащих углерод, возрастом не более 70 тыс. лет. Изотоп углерода ¹⁴C непрерывно образуется в атмосфере из ¹⁴N под действием космической радиации. Свободные атомы ¹⁴C входят в молекулы ¹⁴CО₂ и усваивается живыми организмами. Умершие организмы не получают СО₂ и концентрация ¹⁴C убывает в костном органическом веществе по определенному закону.

Вопросы для самопроверки.

1. Относительные геохронологические методы и их сущность.

2. На чем основан палеонтологический метод?

3. На каком физическом явлении основаны методы определения абсолютного возраста пород? Назовите основные методы.

4. Как на геологических картах и разрезах обозначается возраст горных пород?

Глобальная геотектоника

В настоящее время в верхней оболочке Земли выделяют восемь крупных, десятки средних и множество мелких плит, которые перемещаются друг относительно друга, границы плит – зоны повышенной сейсмичности.

Существуют следующие типы тектонических структур:

– платформа (Русская, Сибирская) – кристаллический фундамент перекрытый чехлом горизонтально залегающих осадочных пород – устойчивая малоподвижная структура.Для платформ характерныколебательныедвижения– медленные поднятия (Скандинавия) и опускания (Голландия) отдельных участков земной коры без нарушения первоначального залегания слоев, изменение береговой линии и базиса эрозии (до 6 см/год). Замеряется изменение высот геодезическими приборами высокой точности;

– щит – кристаллический фундамент, вышедший на поверхность (Балтийский, Скандинавский);

– геосинклиналь – подвижный участок земной коры между платформами.

Согласным называется такое залегание, где каждый вышележащий слой повторяет залегание слоев, лежащих ниже, и образует с ним разрез, в котором относительный возраст пород плавно изменяется снизу вверх в соответствии с подразделениями геохронологической шкалы. Все отклонения от такого залегания называют несогласиями.

Стратиграфическим несогласием называют залегание пород, при котором из стратиграфического разреза выпадают слои пород того или иного возрастного интервала, свидетельствующие об отсутствии в этот период осадконакопления.

Параллельное стратиграфическое несогласие проявляется в случае перерыва в осадконакоплении пород. При параллельном несогласии слои разновозрастных пород контактируют по неровной поверхности.

Угловым несогласием называются непараллельные между собой ниже- и вышележащие слои. Слои, отложившиеся до перерыва в осадконакоплении, находятся в нарушенном залегании, а залегание пород, сформировавшихся после перерыва, является ненарушенным (горизонтальным).

В результате движений и деформаций земной коры первичное горизонтальное залегание слоев горных пород часто бывает нарушено. Вторичные формы залегания пород, образующиеся под действием тектонических сил, также называют тектоническими нарушениями. Наиболее распространенными являются три типа таких нарушений: наклонное залегание слоев, складчатое залегание слоев и залегание слоев, нарушенное тектоническими разрывами.

В геологии наклонное залегание слоев горных пород называют моноклинальным,а структурные формы, образованные такими слоями, – моноклиналями. Ступенчатый изгиб слоев называется флексурой.

Складчатые (пликативные) нарушения – смятие горизонтальных пластов в складки без разрыва сплошности пород.

Антиклиналь – складка, обращенная вершиной (выпуклостью) вверх.

Синклиналь – складка, обращенная вершиной (выпуклостью) вниз.

Существуют следующие элементы складок:

– крылья – наклоненные в разные стороны поверхности слоев, образующих складку.

– замок складки – область резкого перегиба слоев, соединяющая крылья.

– угол складки – это угол, образованный плоскостями крыльев, мысленно продолженными до их пересечения.

– шарнир складки – линия, проходящая через точки максимального перегиба какого-либо одного слоя в замке складки.

– ось поверхности складки – поверхность, проходящая через шарниры складки, проведенные по разным составляющим ее слоям.

– ось складки – это проекция шарнира на горизонтальную плоскость.

– ядро складки – внутренняя часть складки, выделяющаяся условно относительно какого-либо слоя.

Ядра синклиналей сложены самыми молодыми породами, а по направлению к крыльям возраст слагающих складку слоев становится более древним. В антиклиналях соотношение возрастов пород в ядрах и на крыльях прямо противоположное.

Разрывные (дизъюнктивные)нарушения представляют собой поверхности, или зоны, по которым произошли значительные смещения горных пород. Различают следующие структурные элементы разрывных нарушений:

– сместитель – поверхность, или зона, по которой произошло относительное перемещение блоков горных пород;

– крылья разрыва – относительно перемещенные блоки пород, располагающиеся по обе стороны от сместителя;

– амплитуда смещения – расстояние, на которое смещены крылья одно относительно другого.

– сброс и взброс – разрывные нарушения, характеризующиеся вертикальным перемещением крыльев. Если сместитель располагается вертикально, тогда к разрыву можно применять оба эти названия, но гораздо чаще сместитель бывает наклонным.

При вертикальном перемещении пород по разрыву одно из крыльев оказывается приподнятым, а второе – опущенным. В случае, когда сместитель отклоняется от вертикали, крыло, лежащее над ним, называется висячим, а под ним – лежачим, вне зависимости от положения блоков, поднятые они или опущенные.

Сброс – разрывная деформация, возникающая в результате опускание одного блока толщи относительно другой в результате сил растяженияс линией наклона разрыва (сместителя) в сторону опущенных пород.

Взброс – разрывная деформация, возникающая в результате поднятия одной части толщи относительно другой в результате сжимающих сил с линией крутого наклона разрыва (сместителя) в сторону поднятых пород.

Надвигами называют взбросы при пологом положении сместителя (угол менее 60°).

Сдвиг – тектоническое нарушение со смещением блоков пород в горизонтальном направлении по вертикальному, или круто наклоненному, сместителю.

Более сложные разрывные структуры возникают в случае, когда сместители субпараллельных сбросов или взбросов оказываются наклоненными в разные стороны.

Грабенами называются структуры, когда центральный блок опущен между двумя боковыми блоками. Горсты – структуры, в которых центральный блок приподнят между двумя боковыми блоками.

Наличие деформаций усложняет проектирование и строительство:

– нарушается однородность грунтов основания сооружения;

– образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов;

– по трещинам разрывов происходят смещения, циркулируют подземные воды.

Вопросы для самопроверки.

1. Как называется относительно устойчивая, жесткая, малоподвижная струк-тура земной коры?

2. Различия в характере тектонических движений и магматизме в различных структурах земной коры (платформах и геосинклиналях).

3. К каким типам тектонических движений относятся сброс, взброс, горст, грабен?

4. К каким типам тектонических движений относятся моноклиналь, флексура, синклиналь и антиклиналь?

5. Чем опасно наличие дислокаций в геологическом строении строительных площадок?

Основы грунтоведения

Грунтоведение – наука о грунтах, исследующая состав, состояние, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-строительной деятельностью человека. Грунтами называют любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды.

Грунты могут служить:

– материалом оснований сооружений,

– материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин),

– средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 классификация грунтов распространяется на все грунты и устанавливает их классификацию, применяемую при производстве инженерных изысканий, проектировании и строительстве зданий и сооружений. Грунты подразделяются на классы: скальные, дисперсные и мерзлые.

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

– класс (подкласс) – по природе структурных связей;

– тип (подтип) – по генезису;

– вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или литологическому составу;

– разновидность – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов.

Скальные грунты обладают жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными).

Дисперсные грунты характеризуются физическими, физико-химическими или механическими структурными связями. Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями в подкласс связных грунтов.

Мерзлые грунты, наряду с другими структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными и одновременно с кристализационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями – в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяют в подкласс ледяных грунтов.

Физические свойства грунтов

Плотность ρ – масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогического состава. Для дисперсных грунтов – ρ =1,3–2,0 г /см³, для скальных – ρ =2,5–3,3 г /см³.

Плотность частиц грунта ρ _s – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρ _s =2,2–3,2 г /см³.

Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при температуре 105–107 ºС в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы.

Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц.

Значения плотности применяются для характеристики физических свойств грунта как основания или строительного материала, а также для расчетов при динамических нагрузках.

Водно-физические свойства грунтов

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Полная влагоемкость (W _П.В, д. е.)– максимальное содержание воды, содержащееся в породе,.

Коэффициент водонасыщения грунта, степень влажности, (S_r, д. е.) – степень заполнения объема пор водой

Критерии физического состояния глинистых грунтов – число пластичности (J_p;), показатель текучести (J_L,).

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси.

Пластичность – свойство грунтов изменять под действием внешних сил (давление) свою форму и размеры без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после снятия нагрузки.

Влажности, при которых грунт обладает пластичными свойствами, называют верхним и нижним пределом пластичности:

– верхний предел пластичности (W_L) – граница текучести соответствует влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

– нижний предел пластичности (W_p) – граница раскатывания соответствует влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём).

Число пластичности – разность между влажностью на границей текучести и влажностью на границей раскатывания. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины (прил. 2).

Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа и зависит:

– от гранулометрического состава,

– минералогического состава,

– структуры и текстуры пород.

Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяется только при разрушении грунта. Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа. Для скальных грунтов прочность характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие R _с (МПа).

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки), характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e _sw, –  отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Набухание грунтов зависит:

– от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

– от химического состава воды, взаимодействующей с породой (бентонитовая глина увеличивается в объеме на 80 %, каолиновая на 25 %).

Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании и характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e _sw, –  отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05–0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость более 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин возникают в результате электролиза, начинающегося при воздействии блуждающих электрических токов (трамваи, троллейбусы в городах), в результате чего происходит разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов.

Ил – водонасыщенный современный или древний нелитифицированный морской или пресноводный органо-минеральный осадок, содержащий более 3 % (по массе) органического вещества текучей консистенции, коэффициент пористости е ≥ 0,9 и содержание частиц менее 0,01 мм более 30%. Илы не выдерживают даже минимальные нагрузки, в результате которых выдавливаются, а при динамическом воздействии разжижаются.

При устройстве оснований сооружений ил заменяют на другой грунт, используют свайные основания, опирающиеся на прочные грунты, выполняют наброску камня или намывают слой песка.

Заторфованные грунты – песчаные или глинистые грунты, содержащие в своем составе торф (от 3 % для песка и от 5% для глинистого грунта до 50% п