Особенности состава и структуры грунтовых массивов
Вместе с тем имеются массивы пород, где указанное общее свойство иерархично-блочной структуры практически не проявляется. Это характерно, в частности, для грунтовых массивов.
Грунтами называют верхние слои коры выветривания литосферы, которые в большинстве случаев сложены крупнообломочными, песчаными и пылевато-глинистыми породами, образовавшимися в результате физического и химического выветривания, а также органогенными породами, возникшими в результате отложения органических веществ (например, торф). К подобным массивам относятся и техногенные грунты, образовавшиеся в результате отсыпки или намыва различных материалов.
Большинство грунтов состоят из трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха или иного газа. В мерзлых грунтах четвёртым компонентом является лед.
Механические свойства грунтов, в первую очередь, определяются твердыми частицами, их минеральным составом, размерами и характером связи между ними. По размерам и минеральному составу твердых частиц грунты классифицируются следующим образом:
галечные............................... > 20 мм
гравелисгые.......................... 20¸2 мм
песчаные............................... 2¸0,05 мм
пылеватые............................. 0,05¸0,005 мм
глинистые.............................. <0,005 мм
Чаще всего встречаются грунты, состоящие из смеси песчаных, пылеватых и глинистых частиц, причем последние оказывают наибольшее влияние на механические свойства грунтов. Поэтому грунты классифицируют в зависимости от количества глинистых частиц:
Классификация грунтовых массивов
Таблица 2.3
| Наименование грунта | Содержание глинистых частиц % |
| Глина | >30 |
| Суглинок | 30¸10 |
| Супесь | 10¸3 |
| Песок | <3 |
Механические свойства грунтов также существенно зависят от относительного содержания воды. Воду в грунтах принято классифицировать на свободную и связанную. Свободной водой является гравитационная, которая перемещается в грунте под действием силы тяжести, и капиллярная. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной.
Газ в грунтах находится в виде пузырьков в растворенном (в поровой воде) или свободном виде.
Степень влажности грунтов оценивается коэффициентом водонасыщенности sr
sr = w0 / wзап , (2.3)
где w0 - природная влажность грунта, wзап - влажность при полном заполнении пор водой (полная влагоемкость).
Различают грунты:
маловлажные при 0 < sr < 0.5;
влажные при 0.5 < sr < 0.8;
насыщенные водой при 0,8 < sr < 1.
Насыщенные водой грунты не содержат воздуха, сообщающегося с атмосферой.
Водонасыщенные грунты могут разжижаться при вскрытии их горными выработками и переходить в плывунное состояние, т. е. могут двигаться аналогично тяжелой вязкой жидкости. Такие грунты называются плывунами.
Плывунное состояние грунтов возможно только при особых условиях. Чаще всего плывунные свойства проявляют пылеватые пески и супеси, содержащие глинистые и коллоидные частицы, которые слабо отдают воду. Такие грунты приходят в движение при наличии гидродинамического давления в подземных водах, возникающего вследствие развития гидравлического градиента, который обычно появляется в месте выхода подземных вод в горную выработку. Гидродинамическое давление может возникнуть также при динамических вибрационных воздействиях на грунт, в результате чего грунт разжижается и, превращаясь в тяжелую вязкую жидкость, течет в направлении гидравлического градиента. Для предотвращения движения плывунов их осушают, горные выработки ограждают противофильтрационными завесами, производят закрепление плывунов силикатизацией, смолизацией и другими способами.
Если часть поровой воды в грунтах находится в замерзшем состоянии, то такие грунты называются мерзлыми, при этом к вечномерзлым относятся грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет.
Вечномерзлые грунты встречаются более чем на половине территории России, преимущественно в азиатской части. В южных районах азиатской части России распространено островное залегание вечномерзлых грунтов с толщиной слоя от 20 до 50 м. Севернее наблюдается кружевное залегание, а еще севернее — сплошное залегание вечномерзлых грунтов мощностью более 100 м.
Поверхностный слой вечномерзлого грунта ежегодно оттаивает и промерзает, и его называют деятельным слоем. В пределах этого слоя наблюдаются: значительные колебания температуры; морозное пучение грунтов (увеличение объема грунтов при промерзании); миграция влаги к фронту промерзания; перемещение влаги под действием гидравлического градиента; сползание грунта по склонам.
Основными структурными связями в грунтах являются водно-коллоидные, обусловленные электромолекулярными силами взаимодействия между пленками связанной воды и твердыми частицами, и кристаллизационные, образуемые цементирующим составом между минеральными частицами грунта. Водно-коллоидные связи являются обратимыми, так как при увлажнении они ослабляются, а при подсушивании грунта возрастают. Кристаллизационные связи обладают высокой прочностью, необратимые, так как при нарушении не восстанавливаются.
Грунтовые массивы, особенно представленные песчаными и глинистыми породами, являются более однородными по сравнению с породными массивами, основной вид их структурной неоднородности, слоистость, при этом межслоевые контакты реже являются поверхностями ослабления.
Грунтовые массивы по отношению к общему объёму породных массивов, являющихся объектами горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений, составляют незначительную часть и поэтому указанные их особенности не снижают общности представлений о блочности массива как о наиболее характерной черте строения верхней части земной коры.