3.2.3. Осадові зцементовані грунти

Уламкові зцементовані ґрунти. Група уламкових порід з жорсткими зв'язками кристалізації обширна і включає утворення різного гранулометричного складу, від конгломератів до аргілітів. Інженерно-геологічні властивості їх залежать перш за все від складу цементуючих речовин, кількості цементу і його типу.

Найбільш поширеними цементами є кварцовий, залізистий, карбонатний і глинястий. Набагато рідше зустрі­чаються породу зцементовані гіпсом і галоїдними солями. Найбільш міцні серед них - кварцовий і залізистий цементи. Звичайно їх міцність і стійкість не менше міцності цементованих зерен, а у ряді випадків перевищує останню. Карбонатний цемент також має високу міцність, але розчиняється у воді. При оцінці фізико-механічних властивостей зцементованих порід важливо враховувати високу розчинність сульфатного і галоїдного цементу. Глинястий цемент тільки у породах, зазнавших сильний катагенез, глиняста речовина може перекристалізуватися і міцність

порід підвищується.

Жорсткі структурні зв'язки формуються в осадових продуктах у процесі катагенезу, в результаті дії на дисперсний осад підвищеного тиску, температури, підземних вод і порових розчинів. В процесі катагенезу відбувається ущільнення порід, віджимання з них води, змінюються фізико-хімічні умови, випадає в осад карбонатні, кременисті і інші речовини, змінюється мінеральний склад. Катагенез - складний геологічний процес дослідженню якого надається велике значення. З інженерно-геологічної точки зору важливо відзначити, що в результаті катагенезу збільшується густина осадових порід, зменшується їх пористість, змінюється характер во­допроникності, збільшуються значення показників фізико-меха­нічних властивостей. Зрештою осадові гірські породи набувають нову якість - стають скельними ґрунтами.

Ведуча роль у формуванні фізико-механічних властивостей осадових гірських порід у процесі катагенезу належить гравітаційному ущільненню і супроводжуючим його процесам, в першу чергу дегідратації. У результаті дегідратації з порових вод виділяється цементуюча речовина (кремнезем, карбонат кальцію і ін.). Поро­да стає міцніше. Важливу роль грають текто­нічні процеси у ході яких породи можуть випробовувати високий однобічний тиск і набувають нові властивості.

Перетворення осадових порід при катагенезі відбувається у декілька стадій. Для кожної з них характерні свої зміни структури, складу і властивостей порід. На ранній стадії катагенезу відбуваються істотні зміни у мінеральному складі і структурі породи. Монтморилоніт у цементі змінюється глинястими мінералами, кремнезем заміщається кварцом; з'являються облямівки регенерацій навкруги зерен кварцу і польового шпату, виявляється орієнтування глинястих частинок.

Хімічні і біохімічні (органогені) ґрунти утворюються у водних басейнах шляхом виділення з води розчиненої речовини хімічним, біохімічним або змішаним шляхом. Як правило вони мають жорсткі структурні зв'язки кристалізації і за фізико-механічних властивостей входять до класу скельних ґрунтів, проте властивості їх змінюються, залежно від ступеня літификації, у широкому діапазоні. Присутність іонних структурних зв'язків знижує водоміцність порід, з переважанням їх розчинність зростає. По цьому найважливішому інженерно-геологічному показнику ґрунти розділяються на чотири типи: 1) кременисті практично не розчинні у воді; 2) карбонатні, розчинність яких у воді складає десятки і сотні міліграмів на літр і підвищується у присутності агресивної вуглекислоти; 3) сульфатні, розчинність яких сягає грамів на літр і підвищується у присутності хлористого натрію; 4) галоїдні, з розчинністю сотні грамів на літр. Крім хімічного складу, розчинність цих порід залежить від структури і текстури породи її проникності; швидкості і характеру руху води, її температури і хімічного складу і інших чинників.

Кременисті ґрунти поширені серед відкладень крейдяного і палеогенового віку. Кременисті породи утворювалися в шельфових зонах морських басейнів, в умовах, коли на конти­нентальних рівнинах завдяки теплому гумідному клімату, активно протікали процеси хімічного звітрювання, і в моря виносилася величезна кількість кремнекислоти. Основна частина її поступала до морських басейнів у вигляді істинних розчинів і сприяла бурно­му розквіту діатомей, скелетні залишки яких з'явилися основним породоутворюючим матеріалом для формування кременистих порід. Деяка частина кремнезему потрапляла у водоймища седиментації у вигляді гелю, старіння якого повідомляло породам деяку структурну міцність вже в початкові стадії діагенезу.

Найміцнішими кременистими породами є опоки. Це легкі тонкопористі породи, вміст опалу в яких досягає 85 - 90%. Переважають частинки розміром менше 0,1 мм (до 70 - 80%). По петрографічних ознаках серед опок розрізняють глинясті і піскуваті, слабоокремнілі і сильноокремнілі різниці. Загальні інженерно-геологічні особливості опок - їх висока пористість, велика вологоємність, порівняно висока міцність у сухому стані і значне її зменшення при водонасиченні, слаба морозостійкість. Головним чинником визначаючим міцність опок, є ступінь їх окремніння. Міцність слабоокремнілих опок в чотири рази нижче за міцність кремнеподібних при збереженні у останніх високої пористості. Для опок характерна висока водостійкість.

Трепел є високопористою (до 65%) дисперсною породою, що складається з аморфного кремнезему (75 - 80%), кластичного матеріалу і глинястої речовини. Для трепелів характерні структури глобулярного типу, глобули контактують один з одним за рахунок глинястих частинок, менше значення має цементація гелем кремнекислоти. На відміну від опок трепел має дуже низьку міцність (менше 2 МПа), повітряно-сухі зразки його легко розмокають у воді.

Ще менш міцною породою є діатоміт. Вміст SiO2 в діатомітах високий - 70 - 80%, відрекомендований він обламаннями діатомей, цементуючим матеріалом є глиняста речовина. Строго кажучи діатоміти не можна розглядати як скельні ґрунти. Вони вологоємні, набрякають у воді, легко розмокають, неморозо­стійкі. Разом з мергелями, мелоподібними породами, слабкими аргілітами і глинястими пісковиками вони утворюють перехідну групу між ґрунтами із структурними зв'язками кристалізації і ґрунтами без жорстких зв'язків.

Карбонатні ґрунти широко поширені у земній корі. Вони утворюються в різних фізико-географічних умовах і геолого-структурних зонах, зустрічаються практично на всіх стратиграфічних рівнях. Найбільш поширені серед карбонатних порід вапняки і доломіт, значно рідше зустрічається крейда, хоча місцями вона утворює великі поклади. Крім чистих різниць відомо багато змішаних типів.

Найпоширеніший петрографічний тип карбонатних ґрунтів - вапняки. Вони утворюють різні форми залягання, мають різний генезис: біохімічний, хімічний, уламковий.

Міцність і деформаційні властивості вапняків коливаються в дуже широкому інтервалі: у слаболітифікованих крупнопорис­тих міцність на стиснення часто менше 10 МПа, у кристалічних різниць вона перевищує 250 МПа. Голов­ний чинник, що визначає міцність вапняків, - пористість. При рівній пористості вирішальне значення придбаває розмір зерна. Найбільшу міцність мають дрібнозернисті кристалічні різниці (>100 МПа), середньозернисті мають міцність близько 70 - 80 МПа, а у грубозернистих мармурів і брекчиєвидних вапняків вона рідко перевищує 25 - 40 МПа.

Особливе місце у ряді органогенних вапняків займає біла писальну крейда, що складається в основному із залишків одноклітинних вапнякових водорослин і форамініфер. Крейда майже повністю складається з СаСОз (до 98%) і містить незначну домішку гли­нястих мінералів, кварцу, магнезіального карбонату.

В сухому стані крейда представляє щільну породу зі значною міцністю; у водонасиченому стані має м'яку консистенцію і розтирається руками до окремих частинок. Крейда характеризується дуже високою пористістю: від 30 - 32 до 50 - 55%. Залежно від пористості механічна міцність також коливається у широких межах. У повітряно-сухих зразків з порис­тістю більше 45% вона не перевищує 3 - 4 МПа а при пористості 30% може досягати 15 - 20 МПа. Міцність порід на одновісне стиснення у водонасичених зразків у два - три рази нижче, ніж у повітряно-сухих. Завдяки слабій зцементованості і великій вологоємності крейда має малу морозостійкість.

Доломіт є поширеною породою карбонатного комплексу. Звичайно це дрібно- і середньокристалічні породи, рідше зустрічаються грубозернисті і брекчиєвидні. Часто вони містять велику кількість кальциту, у деяких випадках з домішкою глинястого матеріалу.

Інженерно-геологічні властивості доломіту залежать від походження, речовинного складу і структури. Найміцнішими є перекристалізовані тонко - і дрібнозернисті різниці з пористістю до 3 - 4%. Міцність на стиснення їх у сухому стані складає 140 - 180 МПа, а у найбільш щільних різновидів досягає 200 - 220 МПа. Меншу міцність мають брекчиєвідні породи (40 - 60 МПа) при досить високій пористості (до 10% і більш). До найслабкіших порід відноситься вторинний доломіт органогенного і уламкового генезису, мають часто пористість до 40%, а міцність при стисненні 15 - 30 МПа. При водонасиченні міцність доломіту знижується приблизно в 1,5 - 2 рази.

Водопроникність карбонатних порід різна і залежить від пористості і структури породи. Високопористі, слаболітифіковані різниці проникні по порах, крис­талічні різновиди практично водонепроникні і фільтрують по тріщинах. Порова водопроникність крейди і крейдоподібних порід також дуже мала, фільтрація води в основному відбувається по тріщинах. Різний характер водопроникності позначається на протіканні карстового процесу. При поровії фільтрації карбонатні породи закарстовані відносно рівномірно, хоча неоднако­ва розчинність порід різного складу і структури обумовлюють виборчий характер розчинення.

Серед порід змішаного теригенно-карбонатного складу найбіль­ш розповсюджені мергелі. Звичайно вони залягають шарами різної потужності у товщі осадових відкладень, але можуть і утворювати крупні самостійні геологічні тіла - пласти, пачки і ін.

Фізико-механічні властивості мергелів змінюють­ся в дуже широких межах. Типові платформні мергелі залежно від пористості, яка може змінюватися від 10 до 40%, мають міцність від 5 до 30 МПа. Особливий різновид складають мергелі, карбонатна речовина у яких представле­на кристалічним вапняком. Міцність таких порід досягає 80 - 90, а іноді і перевищує 100 МПа.

Сульфатні і галоїдні ґрунти. Суль­фатні (гіпс, ангідрит) і галоїдні (галіт, сильвініт, карналіт) породи утворюють самостійні крупні тіла, переважно у районах передових прогинань. В більшості інших випадків вони присутні у вигляді лінз і прошарків.

Гіпс - м'які породи, різноманітної зернистості, від приховано до великокристалічних, звичайно залягають пластами незначної потужності, перешаровуючись з ангідритами, глинами або утворюючи лінзовидні тіла. Тому, на відміну від карбонатів, карстові процеси в гіпсі протікають з швидкістю, сумірною з часом існування інженерної споруди (дамби, залізниці). Ангідрити звичайно є масивними щільними, дрібно - і середньокристалічними утвореннями.

Соляні тіла мають монолітну будову і практично позбавлені тріщин, що пояснюється їх високою здібністю до пластичних деформацій. Моноліт­ні соляні тіла практично водонепроникні, проте в зоні звітрення завдяки втраті міцних зв'язків між кристалами, а також появі тріщин на контактах солі з іншими породами, водопроникність їх може бути значною. Головною інженерно-геологічною особливістю кам'яної солі є її висока розчинність, унаслідок чого в районах розвитку солей широко розвинутий карст. У закарстованих соленосних породах коефіцієнт фільтрації може перевищувати 500 м/доб.