title-icon
Яндекс.Метрика
» » Основные генетические разновидности глинистых грунтов

Основные генетические разновидности глинистых грунтов

Глинистые отложения — супеси, суглинки и глины по условиям образования подразделяются на элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, ледниковые (моренные), водно-ледниковые, озерные, эоловые, лагунные, морские.
Элювиальными называются глинистые отложения, которые образовались на месте залегания материнских пород и не подверглись размыву атмосферными осадками. Они по своему минеральному составу (каолинитовый, монтмориллонитовый, гидрослюдный или смешанный) близки к материнским породам, особенно широко распространены монтмориллонитовые разности. Их прочность невысока, мощность колеблется (в зависимости от климата) от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, слоистость наблюдается редко. Основными местами локализации пород являются плоские водоразделы (плато), очень пологие склоны, подпойменные и надпойменные террасы, а также долины рек и речушек.
Делювиальные глинистые отложения преимущественно в виде суглинков и глин различной мощности, зависящей от крутизны склона, накапливаются на склонах, в их основаниях, а также в пониженных местах (в результате смыва атмосферными осадками элювиальных образований). Эти отложения очень неоднородны, не обнаруживают слоистости и сортировки, а если обнаруживают, то только неправильную, местную, имеют полиминеральный состав, обусловленный минеральным составом окружающих пород. Пористость иногда превышает 50%, прочность невысокая. В засушливых районах они несколько засолены, похожи на лёссы (см. ниже) и обладают просадочностью при замачивании. В результате строительной деятельности человека, а также водонасыщения дождевыми и другими водами в них образуются сплывы, оползни и другие виды движения грунта по склону.
Пролювиальные глинистые отложения формируются на предгорных равнинах и межгорных депрессиях в виде осадков частиц в неглубокие временные водоемы (озера), образованные при интенсивных выпаданиях дождей со значительными потоками воды. Однородные глинистые пролювиальные отложения по своему гранулометрическому составу представлены лёссовидными суглинками (см. ниже) с просадочными свойствами, содержат большое количество водорастворимых солей и обладают высокой пористостью. Неоднородные их разновидности содержат значительное количество грубообломочного материала, обладают беспорядочной и косослойной текстурой и несколько большей плотностью.
Аллювиальные — речные глинистые образования преимущественно слагают верхние горизонты пойменных участков долин мощностью до нескольких метров, отличаются большим разнообразием по составу, строению и свойствам в зависимости от рельефа местности и условий их накопления. В минеральном составе преобладают полиминеральные разности в виде каолинит-гидрослюдистых или монтмориллонит-гидрослюдистых ассоциаций глинистых минералов .
Пойменные глинистые аллювиальные образования практически залегают сплошным покровом мощностью до нескольких метров с заметной слоистостью, содержат линзы других образований, придающие им предельную неоднородность и анизотропные свойства. Их свойства в значительной степени обусловлены составом примесей, условиями их увлажнения и высыхания. В пойменных участках рельефа накапливаются пылеватые суглинки или глины, содержащие растительные остатки и торфяные прослои. Молодые пойменные глинистые отложения являются слабосвязанными, очень рыхлыми образованиями. В засушливых районах они обогащаются водорастворимыми солями и приобретают типичные свойства лёссовых грунтов.
Наиболее слабыми аллювиальными глинистыми образованиями являются старинные (старорусловые, превращенные в болота) озерно-болотные супесчаные, суглинистые и глинистые илы. Они сильно гумусированы, содержат линзы торфа, а также пылеватые плывунные пески. К числу аллювиальных глинистых образований относятся также дельтовые отложения, обладающие исключительно большой пористостью (до 84%), влажностью и небольшой плотностью (до 420 кг/м3), высокой сжимаемостью и невысокой прочностью.
В аллювиальные отложения часто поступает делювиальный материал из склонов долин, при этом образуется новый смешанный тип породы, который представлен супесями, суглинками и глинами с включениями грубообломочного материала в виде линз, гнезд и т. д., называемый аллювиально-делювиальным.
Ледниковые, или моренные глинистые образования (супеси, суглинки и глины с содержанием дресвы, гравия и валунов), имеют большую мощность и включают крупные глыбы из пород подстилающей ледник толщи. Эти включения могут быть из твердых пород и пластичных мягких глин. Последние сильно ухудшают механические свойства грунтов в целом. Глинистые морены, которые преимущественно образовались под подошвой ледников, отличаются высокой плотностью (р = 1800—2200 кг/м3), небольшой пористостью (менее 30%), высокой прочностью и малой деформируемостью. Они представлены полиминеральными образованиями. В них чаще всего встречаются гидрослюды, а также содержатся кварц, полевые шпаты и т. д. — продукты механического разрушения пород при движении ледника.
Водно-ледниковые отложения, известные под названием ленточных глии, образование которых происходило в озерах при периодическом отложении тонких слоев песка и глины в зависимости от скорости и количества поступления талых вод в различные времена года, имеют слоистую текстуру. Эти группы обладают высокой пористостью (до 60%), влажностью, анизотропны, а при естественной влажности и сложении имеют достаточно высокую прочность.
Озерные суглинки и глины имеют небольшое распространение. Их свойства зависят от размеров водоема, климата и других условий образования. При влажном климате в пресноводных бассейнах глинистые осадки обогащены органическими остатками. Они имеют слоистую текстуру, мощность до нескольких десятков метров, занимают ограниченную площадь, обладают высокой пористостью (ввиду высокой естественной влажности и содержания органики), большой сжимаемостью и небольшой прочностью. К озерным отложениям относятся также диатомитовые глины, которые в увлажненном состоянии имеют очень высокую пористость (до 80%) и невысокую прочность.
В засушливых районах в соленых озерах рассматриваемые отложения обогащены сернокислыми, галоидными и другими солями.
В зависимости от условий образования озерные глинистые отложения представлены песчанистыми, углистыми, битумизированными, известковистыми, железистыми, гипсоносными, соленосными и т. д. видами, а также могут иметь мергелистый характер.
Эоловыми называются отложения, образованные в результате деятельности ветра. Среди глинистых грунтов имеют эоловое происхождение лёссы, которые, по мнению академика В. А. Обручева, образованы в результате накопления пыли на сухом травяном покрове степи в условиях сухого климата и почвообразовательных процессов. Лёссовые грунты распространены как на равнинах, так и в горных районах, обладают достаточной однородностью. Их мощность изменяется от нескольких сантиметров до нескольких десятков и сотен метров.
Характерными признаками лёссовых образований являются: 1) макропористость; 2) высокая пылеватость (более 50%); 3) часто высокое содержание солей главным образом карбонатных и сульфатных; 4) легкая размокаемость; 5) склонность к просадкам при увлажнении; 6) условия залегания в виде мощных толщ и покровов.
Признаками и свойствами, типичными для лёссовых образований, как было отмечено выше, обладают также суглинки делювиального, пролювиального и аллювиального происхождения. Поскольку происхождение последних отличается от происхождения лёссов, они называются лёссовидными суглинками.
Лагунные глинистые образования являются отложениями мелководных водоемов (бассейнов) — лагун, частично отделенных от открытого моря перемычками. Лагуны имеют своеобразный, отличный от моря, режим в смысле ненормальности солености воды, зависящей от количества поступающей опресняющей речной воды. При большом количестве поступления последней осадкообразование в лагуне протекает в условиях опресненных бассейнов. Если же лагуны с повышенной соленостью, что характерно для условий жаркого и сухого климата, в них идет накопление химических осадков, которые чередуются с глинистыми и песчано-глинистыми. Накопление глинистых и песчано-глинистых осадков связано с сезонным снижением минерализации (концентрации солей) лагун за счет сезонного поступления большого количества пресной воды.
Лагунные отложения являются промежуточными между морскими и континентальными, рассмотренными выше. Как и другие глинистые осадки неглубоких прибрежных морских бассейнов (лиманов, заливов, бухт и т. д.), они залегают в виде прослоев и линз мощностью от 0,2—0,3 до 8—10 м. Причем дочетвертичные отложения имеют достаточную плотность, прочность, твердую или полутвердую консистенцию, а четвертичные и современные — небольшие плотность и прочность, пластичную и текучую консистенции.
Глинистые образования морского происхождения, которые являются результатом накопления глинистых отложений в условиях относительно спокойной морской воды и незначительного изменения ее состава и температуры (что особенно характерно для больших глубин), отличаются сравнительно большой мощностью (до 100 м и более) и имеют исключительно большое распространение. В далеком прошлом современная суша периодически перекрывалась морем, поэтому вся ее поверхность покрыта современными и древними глинистыми отложениями различной мощности.
Гранулометрический состав морских глинистых образований однородный, содержит совсем небольшое количество крупных песчаных и других частиц, текстура слоистая (ленточная), иногда волнистая. Высокое содержание солей в морской воде способствовало коагуляции (свертыванию) глинистых частиц и образованию водно-коллоидных связей, сложных структур и высокодисперсных недоуплотненных (см. ниже) осадков. Эти коллоидные связи со временем упрочнялись и придавали грунтам скрытопластичные свойства. Для этих глин характерно содержание водорастворимых солей, которые при обезвоживании (высыхании) создают жесткие кристаллизационные связи и существенно упрочняют их.
Физико-механические свойства морских глинистых отложений различны, они зависят от условий их образования (глубины моря) и всей истории формирования (давления, температуры и т. д.). Современные отложения представлены илами различного состава. Они сильно сжимаемы, слабы, находятся в текучем, текучепластичном и мягкопластичном состояниях. Древние образования обладают значительной плотностью и прочностью, обусловленными наличием жестких структурных связей, находятся в тугопластичном, полутвердом и твердом состояниях. Их прочность сильно снижается при увеличении влажности.
Глинистые грунты всех разновидностей формировались из глинистых образований на стадиях диагенеза и катагенеза длительного геологического процесса. В стадии диагенеза имеют место возникновение глинистых грунтов (пород) из осадков под длительным воздействием окружающей среды (физико-географических условий, давления и т. д.), а также протекание в них физикохимических процессов (синерезиса, структурообразования, цементации и т. д.) и других диагенетических изменений. В стадии катагенеза происходит изменение осадочных пород, возникших на стадии диагенеза под действием огромных давлений (до нескольких сот МПа), температур (до 300—350°С) и минерализованных поровых вод.
Сказанное выше легко проследить на примерах формирования как субаквальных (подводных), так и субаэрарных глинистых грунтов.
В начальной стадии формирования субаквальных глинистых грунтов частицы их свежих осадков (илов) в результате возникновения первичного сцепления и тиксотропно-коагуляционных структур образуют микро- и макроагрегаты, которые вносят определенные изменения в свойства и составы глинистых осадков. Илы (влажность 90% и более, поровая вода в основном в свободном состоянии, консистенция текучая и текучепластичная) под давлением вышележащих слоев и синерезиса (сближения частиц иод влиянием поверхностных сил и отжатия влаги) постепенно обезвоживаются, уплотняются, упрочняются за счет возрастания прочности первичных структурных связей и переходят в вязкопластическое состояние. В стадии катагенеза имеет место их сильное уплотнение вначале без, а после с разрушением структуры. При этом происходит изменение вещественного состава грунтов (обогащение водорастворимыми солями и т. д.), дегидратация (обезвоживание), уплотнение, цементация, значительное повышение прочности, структурной прочности, т. е. возникновение конденсационно-кристаллизационных жестких связей (сцепления упрочнения, по Н.Я. Денисову), с переходом их в полутвердые и твердые тела со свойствами полускальных грунтов.
Глинистые осадки эолового (субазрарного) происхождения, как уже было сказано выше, в результате почвообразовательных (диагенетических) процессов превращаются в лёссы. Биогенные процессы при почвообразовании в эоловых осадках становятся причиной возникновения макро- и микроагрегатов, которые способствуют уплотнению осадков под влиянием атмосферных вод, усадки, микроорганизмов, давления корней растений и т. д. В стадии катагенеза в грунтах эолового происхождения, отличительной особенностью которых является макропористость, с увеличением давления наблюдаются уменьшение макропор и превращение в обычные глинистые грунты.
В зависимости от условий образования (в море или на суше), величины, длительности и истории действия нагрузок (массы вышележащих пород, давления ледников и т. д.) глинистые грунты могут находиться в нормально уплотненном, переуплотненном или недоуплотненном состояниях.
Нормально уплотненными (обжатыми) глинами К. Терцаги и Р. Пек называют грунты, которые никогда не подвергались нагрузкам, большим действующих в настоящее время, и с влажностью, близкой к пределу их текучести wL. Н.Я. Денисов (1956 г.) дал более четкое толкование рассматриваемому состоянию глинистых грунтов, исходя из понятий первичного сцепления и сцепления упрочнения. По Н.Я. Денисову, нормальное уплотнение глинистых отложений происходит в условиях минимального трения между их частицами и полного отсутствия сцепления упрочнения — как уплотнение глинистой пасты при влажности, равной пределу текучести. В этом случае имеет место истинное соответствие пористости давлению. Следовательно, если естественная пористость е0 грунта иод действием данной нагрузки равна пористости пасты этого грунта, но нарушенного сложения с влажностью на пределе текучести при той же нагрузке, то он уплотнен нормально. Пористость таких грунтов изменяется только при нагружении и разгрузке, а устранение сцепления упрочнения (возникшего после уплотнения) не приводит к изменению их пористости.
К переуплотненным относятся третичные глины, обладающие большой структурной прочностью, твердой и полутвердой консистенции, которые после нормального уплотнения претерпели разгрузку в результате действия ряда геологических факторов и инженерной деятельности человека. Это значит, что если грунт когда-либо подвергался давлению, превосходящему то, которое действует в настоящее время, он находится в переуплотненном состоянии.
Причиной возникновения переуплотненного состояния глинистых грунтов может служить не только их разгрузка, но и образование агрегатов при коагуляции первичных частиц в морской за-солоненной воде, усадка при высыхании, заполнение части пор веществами, выпадающими из растворов, а также появление новообразований (вследствие выветривания) более гидрофильных, чем основные частицы скелета. Примером переуплотненного глинистого грунта являются кембрийские глины Ленинграда, которые в далеком прошлом находились под мощными слоями вышележащих отложений и ледника, создающими давление до 9 МПа, а в послеледниковый период оказались под давлениями от 0,1 до 2,0 МПа.
Н,Я. Денисов отмечал, что «переуплотненное состояние глинистых пород является неустойчивым, при котором стремление пород увеличивать свой объем подавляется влиянием сцепления между частицами и их агрегатами». Нарушение этого сцепления — сцепления упрочнения приводит к набуханию и увеличению пористости грунтов.
В процессе уплотнения глинистых осадков в воде или на суше могут проявляться факторы, препятствующие свободному перемещению частиц — их нормальному уплотнению и способствующие возникновению недоуцлотненных грунтов. Одни из важнейших факторов, препятствующих нормальному гравитационному уплотнению глинистых отложений, является проявление сцепления упрочнения в виде цементирующих частицы связей. Другой причиной этого состояния может служить недостаток времени, требующегося для установления соответствия плотности и влажности давлению.
Пористость недоуплотненных глинистых грунтов выше пористости нормально уплотненных паст. Устранение сцепления упрочнения приводит к превращению недоуплотненных глинистых грунтов в нормально уплотненное состояние и к установлению упомянутого выше соответствия Степень недоуплотненности глинистых грунтов при одних и тех же нагрузках различна и зависит от условий их формирования, в частности, от минерального и гранулометрического составов, влажности, содержания солей в норовой воде, характера и прочности структурных связей, а также величины нагрузки.
Примерами недоуплотненных глинистых грунтов могут служить высокочувствительные к разрушению природной структуры четвертичные морские плывунные глины Норвегии, Швеции и Канады, иольдевые и ленточные глины северо-западной части России, диатомитовые глины, а также лессы и лёссовидные суглинки Эти грунты в естественном состоянии обладают достаточно высокой прочностью, а при разрушении их структуры под действием нагрузок или дополнительного увлажнения превращаются в жидкую или разжиженную массу. Характерной особенностью таких грунтов является также практическая независимость их плотности от глубины залегания
Естественную уплотняемость глинистых грунтов принято оценивать показателем природной уплотненности Nc, равным отношению коэффициента пористости пасты при влажности на пределе текучести w = wL к коэффициенту пористости e0 грунта в естественном состоянии при данной нагрузке,

Для нормально уплотненных глинистых грунтов Nc=1, для недоуплотненных Nc < 1, а для переуплотненных: Nc > 1.
В 1965 г. И.M. Горькова предложила степень уплотненности глинистых грунтов характеризовать величиной плотности скелета рd и выделила следующие их разности: а) слабую уплотненность Pd = 300—1200 кг/м3, б) среднюю уплотненность рd = 1210—1650 кг/м3, в) высокую уплотненность pd = 1660—2200 кг/м3.
В целях оценки чувствительности глинистых грунтов к разрушению структуры используется показатель чувствительности

где ous — прочность грунта природного сложения при одноосном сжатии; ous' — прочность того же грунта при той же влажности и пористости, но в перемятом состоянии.
К. Терцаги и Р. Пек отмечают, что для большинства глин значение Ni находится в пределах от 2 до 4, для чувствительных глин — от 4 дo 8, а для сверхчувствительных глии Nt > 8. По данным Н.Я. Денисова (1963 г.), показатель чувствительности в отдельных случаях может дойти до 150.

title-icon Подобные новости