73

распадеуранасобразованиемстабильныхизотоповсвинцаигелия: U235 →Pb207; U238→Pb206. Этосвязаносотносительноширокимраспространениемуранапосравнениюсдругимирадиоактивнымиэлементамиипродолжительным по времени его распадом.

Врасчетахиспользуетсяпонятиеполураспадарадиоактивноговещества, тоестьраспадаполовинывсехбывшихвначальныймоментатомов. Так, дляуранапериодполураспадасоставляетоколо7 х108 лет. При тщательноманализегорнойпородыможноустановить, скольковнейновообразованного свинца и сколько неразложившегося еще урана, и вычислить ее возраст. Неточности данного метода связаны с возможной утечкой первичного урана при выветривании породы, а также – с возможной примесью нерадиогенного свинца в породе.

ЧАСТЬ V. ГРУНТОВЕДЕНИЕ

Винженернойгеологиигорныепородыхарактеризуютсяпоихстроительнымсвойствам, тоестьпонесущейспособности(вкачествеоснований зданий и сооружений), по их пригодности в качестве строительных материаловит.д. Поэтому, инженерно-геологическаяхарактеристикасу- щественно отличается от характеристики чисто геологической. В самом деле, в инженерно-геологическом смысле нет никакой разницы, например, междугранитомидиоритомилипесчаникомикварцитом. Вздоровом, невыветреломсостоянии, всеэтипородымогутслужитьнадежным основаниемподлюбыесооружения. Сдругойстороны, изоднойгруппы пород(вгеологическомсмысле) винженернойгеологиииногдавыделяют несколькогрупппоспецифическимсвойствам– растворимости, размягчаемости в воде, пористости и другим свойствам.

Глава 1. Инженерно-геологическая классификация грунтов

В инженерной геологии все горные породы называют грунтами, поэтому в дальнейшем изложении термины «порода» и «грунт» следует воспринимать одинаково. Вместе с тем, иногда необходимо различать грунты (или породы) по характеру их внутренних связей. В этом случае нескальные, дисперсныегрунтыспрочностьювнутреннихсвязеймежду частицами во много раз меньшей прочности самих частиц называют грунтами, аскальныегрунты, укоторыхпрочностьсвязейсопоставимас прочностью частиц – породами.

74

Грунтывклассификацииразделяютсяповидамсвязеймеждучастицами (см. табл. 5.1):

1.Жесткие, прочные связи, не изменяющиеся при увлажнении (магматические, метаморфические, некоторые осадочные породы);

2.Жесткие, прочные связи, ослабляющиеся при увлажнении;

3.Подвижные водно-коллоидные связи, резко изменяющие свою прочность при увлажнении или осушении;

4.Отсутствие связей.

Таблица 5.1.

75

76

Глава 2. Физические и физико-механические свойства горных пород и грунтов

§1. Физические свойства. Показатели, характеризующие состав и состояние горных пород и грунтов

Длягорныхпородопределяютпетрографическийсостав, чтобы определить, к какой группе по классификации отнести данную породу. Для несвязных (зернистых) и связных (глинистых) грунтов определяют

петрографический и минералогический состав. Химический состав определяют для несвязных (зернистых) и связных (глинистых) грунтов.

Гранулометрический состав (d) определяется для нескальных (глинистых и обломочно-зернистых) грунтов.

Гранулометрическийсостав– процентноесодержаниевгрунте(по весу) фракций (частиц) того или иного размера (см. табл. 5.2).

Дляобломочныегрунтовгранулометрическийсоставопределяется путем поочередного просеивания на ситах с различными отверстиями с взвешиванием каждой фракции.

Дляглинистыхгрунтов, характеризующихсяразмерамичастицменее 0,1мм - путем измерения скорости осаждения частиц в воде.

Таблица 5.2

Гранулометрический состав по ГОСТ-25100

Размер фракций, мм	Наименование грунта
> 200	Валуны, глыбы
10-200	Галька, щебень
2-10	Гравий, дресва
	Песок: крупный >0,5
0,05-2	средний >0,25
	мелкий >0,1
	пылеватый (частиц >0,1мм менее 75%)
0,05-0,005	Пыль
<0,005	Глина

Показателемплотностигорнойпороды(e иn) являетсяеепорис-

тость. Любаяпорода неявляется абсолютно плотным телом: вмагматических породах, при их остывании, образуются трещины (отдельности или контракционные); при седиментации осадочных пород появляются пустоты от пузырьков газа; в нескальных грунтах отмечается неплотное

77

прилегание частиц друг к другу. Процессы выветривания также влияют на образование и развитие пустот.

V=Vn+Vск,

где V – изначальный объем грунта;

Vск – объем частиц или минерального скелета; Vn – объем пустот.

Объемминеральногоскелетагрунта(Vск) определяетсяпослевысушивания грунтадо полного испаренияимеющейсявнемводы. Объем пустот (Vn) – определяется как разница V-Vск.

Пористость грунта выражается в долях единицы и обозначается буквой n.

n = Vn	=		Vn	х100.
V		Vn +Vck

Длянескальныхгрунтовтакжевычисляюткоэффициентпористости, который обозначается буквой е и выражается в процентах:

е =	Vn	=		Vn	.
	Vck		V −Vn

Величины е и n взаимосвязаны:

	n =			e	; е =			1	.
		1		+e		1		−n

Горные породы, в зависимости от состава и сложения, обладают свойствамиводопроницаемости, водопоглощения, водоотдачиирастворения.

Влажностьюпороды(грунта) W называютотношениемассыводывпорахпородыкмассеминеральногоскелетапороды(выраженноев долях единицы):

W = Pw = P − Pck .

Pck Pck

Наибольшаявозможнаявлажность, когдавсепорызаполненыво-

дой, называется полной влагоемкостью породы Wn.

Вестественномзалеганиипорода, взависимостиотусловий, обладает влажностью от 0 до Wn .

78

Критериемзаполненияпорвпородеслужиткоэффициент водо-

насыщения или степень влажности G.

G= WnW .

Постепенивлажностиразличаютсяобломочные(несвязные) грунты: G ≤ 0, 5 - сухие и маловлажные грунты;

0,5 < G < 0,8 - влажные и очень влажные грунты; 0,8 < G ≤ 1- водонасыщенные грунты.

Плотность (удельная масса) горной породы, это отношение вещества породы к объему вытесненной ей воды:

ρуд = VckPck .

Объемная масса (ρоб) – отношение массы образца породы ненарушенного строения к ее объему:

ρоб = VP ,

если высушить породу (удалить из нее воду) и при этом объем не изме-

нится, то получим объемную массу скелета (ρск):

ρск = PckV .

Различиемеждувсемиэтимипоказателямиобусловленоналичием в породе пор, в той или иной степени заполненных водой.

Эти показатели, а также пористость, коэффициент пористости и влажность взаимосвязаны между собой:

ρуд = 1ρ−ckn = ρск . (1+ е),

ρоб = ρск . (1+ W),

W = P − Pck = ρоб − ρck .

Pck ρck

79

Пример: V образца = 100 см3; Р (масса) = 180г; Рск (масса после высушивания) = 144г; ρ уд(плотность) = 2,7г/см3.

	W =	180−144		=0, 25; ρ об =		180		=1, 8 г/см3; ρ ск =			144		=1,	44 г/см3;
		144
						100					100
		е =		2,7	=0,875 .100 = 87,5%; n =				1 −	1,44 =0,466.
		1,44								2,7

Глинистые грунты обладают свойством пластичности, то есть способностьюизменятьформубезразрывовитрещинподвоздействием внешнихсил. Послеудалениявоздействияполученнаяформасохраняется.

Грунтыбываютпластичнымитолькоприопределеннойвлажности. Есливлажностьглинистогогрунтаповышать, товопределенныймомент он потеряет свойство пластичности и перейдет в текучее состояние (состояниевязкойжидкости). Величинавлажностиприэтомназываетсягра-

ницей текучести (или влажностью на границе текучести) WL.

Приобратномпроцессеуменьшениявлажностигрунтпереходитв состояние твердого тела и тоже теряет пластичность (становится хрупким). Влажностьгрунта, прикоторойонтеряетпластичность, называется

влажностью на границе раскатывания WP.

Разность между этими двумя границами влажности называется

числом пластичности грунта JP:

JP = WL. - WP.

Длянепластичных(песчаных) грунтовснезначительнойпримесью глинистых частиц JP < 1; такие грунты называют песками.

Для грунтов с преобладанием песчаных частиц и содержанием глинистых частиц от 3 до 10% 1 < JP < 7; это – супеси.

При содержании глинистых частиц от 10 до 30% 7 < JP < 17 (суглинки).

При содержании глинистых частиц свыше 30% JP > 17 (глины). Взависимостиотвлажности, глинистыегрунтымогутбытьвтрех состояниях: твердом, пластичном и текучем. Для целей строительства пластичноесостояниеразделяютещена4 градации: полутвердую, туго-

пластичную, мягкопластичную и текучепластичную.

ДляихвыделениявведенопонятиепоказателяконсистенцииJL:

80

JL =	(W −Wp )	или	W − Wp	.
	Jp	Wl − Wp

Дляглинистыхгрунтовразличнойконсистенциивеличинапоказателя консистенции колеблется в следующих пределах:

-твердые JL ≤ 1;

-полутвердые 0 < JL ≤ 0,25;

-тугопластичные 0,25 < JL ≤ 0,5;

-мягкопластичные 0,5 < JL ≤ 0,75;

-текучепластичные 0,75 < JL ≤ 1;

-текучие JL > 1.

Плотностьсложенияобломочных(зернистых) грунтовопреде-

ляется и подразделяется по величине коэффициента пористости е. Грунты разделяются на три группы (см. рис. 5.1):

-рыхлые е >0,7;

-средней плотности 0,55< е <0,7;

-плотные е <0,55.

Рис. 5.1. Схема расположения шаровых частиц: а– самое рыхлое; б – промежуточное; в – самое плотное.

Вэтомиследующихразделахрассматриваютсяпоказатели, которые определяются для скальных грунтов (горных пород). Временным сопротивлениемодноосному сжатиюR называетсяпрочностьобразца скальногогрунта(цилиндрическойиликубическойформы) прираздавливании.

Повеличиневременногосопротивленияодноосномусжатиюпороды разделяются на следующие группы:

-очень прочные R >120 МПа;

-прочные 50 < R ≤ 120 МПа;

-средней прочности 15 < R ≤ 50 МПа;

-малопрочные 5 ≤ R ≤ 15 МПа;

-полускальные R < 5 МПа.

81

Приводонасыщении (заполнениипоритрещинводой) различныепороды в разной степени снижают свое сопротивление одноосному сжатию. Коэффициент размягчаемости КР равен отношению сопротивления сжатия в водонасыщенном и воздушно-сухом состоянии:

КР = Rводонас. .

Rсух.

По величине КР породы разделяются на:

-размягчаемые КР < 0,75;

-неразмягчаемые КР ≥ 0,75.

Под степенью выветрелости (коэффициентом выветрелости КВ) понимаютотношениеобъемноймассыобразцавыветрелогогрунтак объемной массе невыветрелого образца того же грунта:

КВ = Роб.выв . Роб.мон

- для невыветрелых (монолитных) пород КВ =1; - для слабовыветрелых (трещиноватых) пород 0,9 ≤ КВ < 1;

-длявыветрелых(ввидескопленияотдельных кусков, переходящих в трещиноватую скалу) пород 0,8 ≤ КВ < 0,9;

-длясильновыветрелыхпородилирухляков(находящихсяввиде

отдельных кусков во всем массиве) КВ < 0,8.

Постепенирастворимостивводе, сцементированныеосадочные породы подразделяются на следующие группы:

-нерастворимые породы (растворимость менее 0,01г/л);

-труднорастворимые (0,01 – 1г/л);

-среднерастворимые (1 –10г/л);

-легкорастворимые (более 10г/л).

§2. Физико-механические свойства

Кэтойгруппеотносятсяхарактеристикигрунтов, наоснованиикоторых делаются расчеты прочностных и несущих свойств непосредственнодлястроительства. Этихарактеристикиопределяютсянаосновании физических свойств грунтов.

Сжимаемостьгрунтаопределяетсяспособностьюпоруменьшаться в своем объеме под нагрузкой вследствие более плотной укладки в грунтеслагающихегочастиц. Инымисловами, сжимаемостьгрунта– это деформация без разрушения. При этом пористость n и коэффициент пористостиe уменьшаются. Очевидно, чтосжимаемостьсвойственнатолько

82

нескальнымдисперснымпородам(грунтам). Скальныепороды, дажеобладающиевысокойпористостью(пемза), вследствиеналичияунихжестких внутренних связей, практически несжимаемы.

Деформируемость горной породы (или грунта) под нагрузкой определяетсяеепрочностью. Вместестемвконечномитогепрочностьоп-

ределяетсяихсопротивляемостьюпородилигрунтовсдвигу, котораяв общем виде может быть представлена зависимостью:

S = p tgϕ +c ,

где p - действующее напряжение (нагрузка); ϕ -угол внутреннего трения;

c - жесткое структурное сцепление.

Природа внутреннего трения в грунтах. Все грунты и породы состоят из частиц определенного размера и шероховатости. При соприкосновении и прижатии одной частицы к другой, между частицами возникаютсилытрения, проявляющиесяпривзаимномихсмещении. Силы тренияхарактеризуютсякоэффициентомтренияf, которыйможетбыть выражен через угол внутреннего трения φ.

Природаструктурногосцепления. Структурноесцеплениепри-

даетпороде(грунту) определеннуюжесткость, твердость. Этотвидсцепления обусловлен наличием в породе некоторых жестких связей, действующих между слагающими ее частицами. Структурное сцепление особенно характерно для скальных пород, где оно практически определяет прочностьпороды. Вглинистыхгрунтахструктурноесцеплениевыражено значительно менее ясно. В сыпучих грунтах структурное сцепление практическиотсутствует, толькоуплотныхразностейвозникаетнекотороевзаимноезацеплениезерен, чтоможетрассматриваться, какпроявление структурного сцепления.

Показатель, который характеризует водопроницаемость породы (грунта) изависитотеепористостиилитрещиноватости, называетсякоэффициентом фильтрации Кф . Величина коэффициента фильтрации

зависит не только от пористости или трещиноватости, но и от напора фильтрующейся через породу воды. В общем случае, наибольшие коэффициентыфильтрацииукрупнообломочныхсыпучихгрунтов(галечников, гравийников) исильнотрещиноватыхпород, наименьшие– углинистых грунтов и монолитных пород.

Дополнительные деформации грунтов, находящихся под нагрузкой, проявляющиесяподвоздействиемдополнительныхфакторов, назы-

ваютсяпросадкой(илипросадочностьюнекоторыхгрунтов). Кпроса-

дочным грунтам относятся лессы и лессовидные суглинки, обнаружи-