Грунты – это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные динамические системы с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека /14/.

При изучении горных пород в инженерно-строительных целях на первый план выступает их сопротивление действующим механическим усилиям (нагрузкам от сооружений). Сопротивление внешней нагрузке в значительной мере зависит от характера и прочности связей между частицами. Выделяют следующе виды таких связей: 1) жесткие прочные не изменяющиеся при увлажнении породы; 2) жесткие прочные, ослабляющиеся при увлажнении; 3) подвижные водно-коллоидные, резко изменяющие свою прочность под влиянием увлажнения или осушения породы; 4) отсутствие связей; в этом случае взаимному перемещению частиц породы препятствуют только силы трения между ними.

В соответствии с этим все грунты делят на два основных класса: скальные и нескальные. К скальным относят горные породы с жесткими связями между частицами. В свою очередь эти связи могут быть кристаллизационными, возникающими в процессе формирования породы, и цементационные, образованные цементирующими растворами в процессе литогенеза. Вследствие этого к скальным грунтам относят магматические, метаморфические и сцементированные осадочные горные породы. У некоторых скальных грунтов по большей части осадочного происхождения кристаллизационные связи легко ослабляются при увлажнении и частично заменяются подвижными водно-коллоидными связями. Эту группу грунтов называют полускальными.

Нескальные горные породы, у которых между частицами существуют только подвижные водно-коллоидные связи, называют связными, а нескальные, не имеющие связей между частицами – несвязными или раздельно-зернистыми.

Инженерно-геологические свойства скальных и нескальных пород различны. Для объективного суждения о грунтах недостаточно сведений об их происхождении, минералогическом составе, структуре и текстуре. Поэтому разработана система физических и механических характеристик. Некоторые из этих характеристик применимы ко всем категориям грунтов, например объемная масса, плотность вещества (удельная масса), скважность, пористость и др. Большая часть характеристик относится только к одной какой-либо группе грунтов. Используя такие характеристики предложено ряд общих инженерно-геологических классификаций грунтов (Ф.П. Саваренский, В.Д. Ломтадзе, Е.М. Сергеев, Н.Н. Маслов, П.Н. Панюков), а также специальные классификации, в которых с большей детальностью учитываются технологические факторы производства различных видов инженерно-геологических работ (М.М. Протодьяконов, Г.Л. Фесенко, В.В. Ржевский).

Для характеристики скальных грунтов часто применяются такие понятия как коэффициент размягчаемости и степени выветрелости. Под коэффициентом размягчаемости понимается отношение временных сопротивлений одноосному сжатию образцов скального грунта в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии. Степенью выветрелости называется отношение объемной массы образца выветрелого грунта к объемной массе невыветрелого образца того же грунта.

Более детальная характеристика существующих классификаций грунтов приводится в соответствующих справочных пособиях /15 и др./.

Типы скальных грунтов

Грунты с жесткими связями, как явствует из самого их названия, обладают прочными связями между зернами составляющих их минералов. Это твердые, компактные скальные и полускальные породы. Под действием внешних нагрузок от сооружений они ведут себя как твердые упругие тела, практически несжимаемые. При нарушении связи не восстанавливаются. В невыветрелом состоянии эти грунты способны выдерживать нагрузки от любых сооружений.

Класс скальных грунтов, как уже отмечалось, объединяет магматические, метаморфические и осадочные сцементированные горные породы.

Магматические породы. Эти породы являются продуктом остывания и кристаллизации магматических масс. Минералогический состав их, структуру, текстуру и прочность определяют условия застывания магмы и ее химический состав.

По условиям застывания магматические породы подразделяются на глубинные – интрузивные, застывшие на больших глубинах от поверхности земли и излившиеся – эффузивные, застывшие на ее поверхности (см. разд. 2.2.1). Эти классы грунтов обычно заметно различаются по инженерно-геологическим свойствам. Глубинные породы характеризуются главным образом равномернозернистой, крупно и среднезернистой структурой, монолитностью, весьма малой пористостью. При отсутствии тектонической трещиноватости в невыветрелом состоянии они практически водонепроницаемы, обладают весьма высокой прочностью на раздавливание. Наибольшей прочностью обладают породы с мелкокристаллической равномернозернистой структурой, наименьшей – неравномернозернистой порфировидной структурой. При выветривании они теряют свою первоначальную прочность. Уменьшение прочности под влиянием выветривания зависит прежде всего от структурных особенностей. Наибольшему разрушению подвержены неравномернозернистые породы. Наиболее прочные породы с мелко- и скрытокристаллической структурой, полностью раскристаллизованные, без крупных вкраплений и стекла.

Глубинные породы характеризуются высокой однородностью свойств и могут служить надежным основанием для любых инженерных сооружений, поэтому при строительстве наземных гражданских и промышленных сооружений инженерно- геологическая сторона этих пород особых затруднений не вызывает. При строительстве туннелей, шахт и других подземных сооружений, а также при гидроэнергетическом строительстве основные исследования бывают направлены на изучение степени выветрелости, трещиноватости и выявление зон тектонических нарушений в массивах этих пород.

Излившиеся породы отличаются большим разнообразием свойств. Эта группа магматических пород объединяет два основных типа грунтов: палеотипные (измененные), в высшей степени плотные, вязкие породы (диабазы, порфириты и др.), и кайнотипные (свежие, сохранившиеся), сильно пористые, «ноздреватые» и хрупкие породы (трахиты, пемза, андезиты и др.) /16/.

В структурном отношении излившиеся породы весьма разнообразны. Среди них встречаются всевозможные переходы от нераскристаллизованных аморфных вулканических стекол к микрозернистым кристаллическим и скрытокристаллическим разностям.

В текстурном отношении большинство эффузивов характеризуется различными и резко выраженными формами отдельности. Наиболее типичны для эффузивов столбчатая, пластинчатая и шаровая текстуры.

Эффузивные породы, как и интрузивные, в невыветрелом состоянии являются надежным основанием для различных сооружений и могут выдерживать большие нагрузки. При оценке их инженерно-геологических свойств основное значение имеет трещиноватость и отдельность, обусловливающие высокую водопроводимость, а также тектонические нарушения таких пород. Залегание молодых эффузивов в виде покровов среди осадочных, более слабых грунтов, значительно снижает их устойчивость в массиве, особенно при наклонном залегании.

Метаморфические породы также характеризуются значительным разнообразием инженерно-геологических свойств.

Метаморфизм магматических пород часто вызывает появление в них полосчатых и слоистых текстур, сланцеватости, повышает трещиноватость, увеличивает водопроницаемость и уменьшает устойчивость против морозного выветривания. Метаморфизм осадочных пород, прежде всего глинистых, приводит к обезвоживанию, уплотнению отложений, уменьшению пористости, увеличению их прочности, превращению их при высокой степени метаморфизации в скальные породы.

В большинстве своем метаморфические породы отличаются большой прочностью и однородностью инженерно-геологических свойств. Однако среди них встречаются разности, растворимые в воде (мрамор).

Слабометаморфизованные породы характеризуются сохранением формы залегания материнских пород и их структурно-текстурных особенностей. К этому типу пород относятся филлиты (глинисто-слюдистые и серицитовые сланцы) и разнообразные глинистые сланцы: глинистые, песчаные и др.

Прочность слабометаморфизованных пород в увлажненном состоянии значительно меньше, чем в сухом. Они относятся к размягчаемым породам, отличаются резкой неоднородностью физико-механических свойств в разных направлениях. Так, предел прочности на сжатие параллельно сланцеватости может быть в 5-10 раз меньше предела прочности в направлении, нормальном сланцеватости. Та же самая закономерность наблюдается и в отношении сопротивления сдвигающим усилиям и фильтрационных свойств.

Осадочные породы объединяют разнообразные грунты. Две подгруппы осадочных грунтов весьма близки по своим свойствам к магматическим и метаморфическим горным породам. Это обломочные, химические и органогенные породы с жесткими связями между зернами (сцементированные). К группе сцементированных грунтов следует отнести также глинистые отвердевшие породы. От магматических и метаморфических пород они отличаются относительно меньшей прочностью и характером взаимодействия с водой. Некоторые из них под влиянием воды размягчаются, набухают или растворяются. В то же время осадочные грунты в целом отличаются повышенной устойчивостью против выветривания.

Подгруппа обломочных сцементированных пород представлена брекчиями, конгломератами, песчаниками различной зернистости и с цементом различного состава (кремнистым, железистым, карбонатным, гипсовым, глинистым и др.).

Прочность обломочных сцементированных пород определяется прочностью слагающих ее обломков (зерен), составом цемента и характером цементации. Породы с глинистым и гипсовым цементом размягчаются под действием воды, а некоторые разности при наличии в цементе легкорастворимых солей частично растворяются и теряют связи между зернами (обломками), превращаются в несцементированные породы.

Подгруппа химических и биохимических пород. К этой подгруппе относятся породы, которые образовались в морях и замкнутых бассейнах в результате выпадения из воды растворенных в ней веществ, а также жизнедеятельности различных организмов. Физико-механические свойства химических и биохимических пород очень пестрые и зависят от минералогического состава, плотности и зернистости. Очень важным показателем инженерно-геологических свойств этих пород является растворимость, что относится в основном к карбонатным (известняк, доломит, мел), сульфатным и галоидным (гипс, ангидрит, галит, сильвин) грунтам.

Весьма большое инженерно-геологическое значение имеет характер содержания солей в породах: рассеянное или в виде скоплений (прослои, небольшие линзы среди глин и других пород). В этом случае устойчивость сооружений, возводимых на соленосных породах, зависит от возможности растворения солей. Растворение приводит к образованию в породах карстовых пещер, полостей, пор и других пустот, увеличивает водопроницаемость этих пород и снижает их прочность.

Подгруппа глинистых и пылеватых отвердевших грунтов. Грунты этой подгруппы обладают специфическими особенностями, благодаря которым они являются как бы переходными между классом пород с жесткими связями и классом пород без жестких связей. Глинистые и пылеватые отвердевшие породы часто обладают свойствами, характерными для обоих указанных классов. Например, обладая жесткими связями, они резко теряют свою прочность в воде, размягчаются, а некоторые их типы размокают в воде, что совершенно нехарактерно для скальных пород. В сухом состоянии они обладают относительно неплохой прочностью, практически несжимаемы, отличаются небольшой эффективной пористостью. К этой группе пород относят аргиллиты, алевролиты, мергелистые глины, кремнистые сланцы и др. В связи с такими свойствами эти грунты относятся к классу полускальных.

Нескальные грунты

К нескальным грунтам относится значительная часть дисперсных пород, отличающихся большим разнообразием состава и свойств. Они подразделяются на три группы: осадочные породы, почвы и искусственные грунты. Каждая из этих групп характеризуется своими особенностями и физико-механическими свойствами, определяемыми происхождением, минералогическим, гранулометрическим составом и другими факторами.