Грунтоведение

Основные понятия грунтоведения.

Грунтоведение, как следует из названия, — наука о грунтах. Для того чтобы было ясно его содержание, для начала следует расшифровать термин - что мы будем называть словом «грунт».
В зависимости от того, что мы будем понимать под этим термином, будет меняться не только перечень вопросов, рассматриваемый Грунтоведением, но и профиль его, как научной дисциплины. Поэтому, правильное, точное определение термина «грунт» имеет как научное, так и практическое значение. На этом вопросе следует остановиться в первую очередь, тем более что в настоящее время, он, к сожалению, оказался несколько запутанным.
Термин «грунт» вошел в терминологию русских строителей давно; во всяком случае, он употреблялся уже во времена Петра Первого. В январе 1703 года Пётр I подписал указ о «перекопной работе» – начале строительства Вышневолоцкого канала, построенного иностранными мастерами в В.Волочке для соединения Балтийского моря и Волги, который оказался мелководным и труднопроходимым для речного транспорта. В 1711 году по поводу трудности проводки судов по этому каналу Петру Первому докладывали:

«Трудность сего хода несказанная. Вода во многих местах была не выше как на один и на полтора фута; грунт наполнен был во многих местах каменьями, торчащими из-под воды; во многих местах надлежало прорывать песок, вынимать каменья, для поднятия воды делать плотину...»

(В. В. Данилевский, 1948 г.).

В XIX в. среди русских строителей установилось определенное понятие термина «грунт». Под этим термином понимались те горные породы, которые служили в качестве основания для какого-либо сооружения. В работе Владислава Михайловича Карловича «Основания и фундаменты» (1869) дается такое определение грунта:

text1

Такая точка зрения, когда «грунтом» называют породы, являющиеся основанием сооружений, сохранилась у некоторых исследователей и до настоящего времени. Она отражает узковедомственные интересы тех специалистов, которые изучают горные породы только как основание сооружений. В соответствии с ней Грунтоведение должно было быть наукой, изучающей природные основания.
Но ведь есть специалисты, которые при строительстве изучают горные породы не как основания, а как материал для сооружений. Тогда с их точки зрения под «грунтами» следовало бы понимать породы, служащие материалом для сооружений, а само грунтоведение рассматривать как науку о природных материалах. Действительно, такую точку зрения можно найти в некоторых работах.
Ясно, что попытки связать термин «грунт» с каким-либо определенным видом использования горных пород при строительстве являются несостоятельными. Термин «грунт» действительно связан со строительством, но понимать его надо более широко.
А. П. Павлов занимался широким кругом геологических вопросов и, в частности, изучением оползней в связи с железнодорожным строительством. Только в этом случае, когда шло изучение горных пород для строительства, он употреблял термин «грунт», понимая под ним верхнюю часть земной коры, когда рассматривал ее как объект, интересующий строителей. Примерно такое же понятие термина «грунт» мы находим и в работах Ф. П. Саваренского (1937). В его представлении грунты — это горные породы, находящиеся в сфере воздействия инженерных сооружений или являющиеся объектом инженерных мероприятий.
Близким к этому понятию явились определения, данные М. М. Филатовым (1940), В. А. Приклонским (1955), И. В. Поповым (1959) и др.
Горные породы служат основаниями, материалами (очень часто не требующими никакой технологической переработки) и средой (вместилищем) для различных сооружений. Исходя из этого, под грунтами до последнего времени мы понимали горные породы и почвы, которые могут являться объектом строительной деятельности человека.
Под грунтами следует понимать любые горные породы и почвы, изучающиеся как возможный объект инженерной деятельности человека. В этой формулировке следует особо подчеркнуть слово «любые»: любые горные породы и почвы могут быть грунтами. Акцент на этом необходимо сделать потому, что в ряде работ (Охотин, 1940; Терцаги и Пек, 1942; Тейлор, 1960; Цытович, 1968, и др.) термин «грунт» неправильно отождествлялся только с рыхлыми породами, у которых прочность связей между минеральными частицами во много раз меньше прочности материала самих частиц.
Такое определение могло возникнуть лишь в результате того, что ученые, его придерживающиеся, занимались изучением только рыхлых пород. На самом деле граниты могут быть объектом инженерного воздействия человека точно так же, как глины или пески. К тому же часто бывает трудно провести границу между понятием «рыхлая» и «скальная» порода. Аргиллиты, вскрытые котлованом и описанные как скальный грунт, через некоторое время в результате выветривания могут превратиться в рыхлые породы.
Исследование горных пород как «грунтов» отличается от изучения их как «полезных ископаемых» в первую очередь тем, что обязательно изучается не только твердая компонента - минеральная часть пород, но и содержание в них жидкой компоненты, то есть воды, а так же газообразной компоненты (воздуха), так как они всегда содержатся в тех или иных количествах в любой горной породе. Чтобы эта мысль стала ясной, достаточно вспомнить, что глина в твердом состоянии обладает большой прочностью, но так же она может течь под действием силы тяжести, если находится в водонасыщенном состоянии. Многокомпонентность пород должна найти отражение в определении термина «грунт».
Таким образом, на поставленный вопрос «что такое грунт» в настоящее время можно дать такой ответ:

грунты — это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека.

Из этого определения термина «грунт» можно себе представить в общей форме те задачи, которые призвано решать научное направление инженерной геологии Грунтоведение. Но, естественно, любое название науки не может отразить всех основных положений, проблем и дискуссионных вопросов, которые в ней содержатся.
Грунтоведение не может изучать только свойства грунтов и не изучать их состав и структурно-текстурные особенности, потому что основным положением грунтоведения является положение о зависимости свойств грунтов от их состава, структуры и текстуры. Совокупность состава, структуры и текстуры грунтов является выразителем их качества — внутренней существенной определенности того или иного грунта, которая отличает его от других грунтов. Свойства грунтов обусловлены как внутренними связями, существующими в самом грунте, так и внешними, возникающими между грунтом и другими телами.

Свойства грунтов

Свойство грунта характеризует его особенность, его качество с одной какой-либо стороны, и поэтому свойство всегда более элементарно по сравнению с качеством грунта. Изучение свойств грунтов подводит к пониманию их качества и, наоборот, изучение качества грунтов позволяет глубже понять их свойства. Таким образом, качество грунтов составляет внутреннюю основу их свойств. Свойства же грунтов обнаруживают их качество во всех взаимоотношениях грунтов с другими телами в тех процессах, которые протекают в грунтах. Из этого следует, что нельзя изучать только свойства грунтов, не познав их качества. Только инженерами-геологами породы изучаются как многокомпонентные системы, которые изменяются во времени, поэтому приходится восполнять пробелы в уже изученных геологами других специальностей свойства горных пород. Поэтому при оценке пород в инженерно-геологическом отношении помимо свойств грунтов, в разной степени, но всегда изучаются их состав, структура и текстура.
Для того, чтобы предвидеть изменение свойств грунтов во времени под влиянием различных воздействий, необходимо знать, как они сформировались в процессе генезиса и всей последующей «жизни» горной породы.
Горные породы, сформировавшиеся иногда при одних и тех же условиях и имеющие один и тот же геологический возраст, находясь в современной коре выветривания (выше уровня грунтовых вод) и подвергаясь воздействию процессов почвообразования и выветривания, в различных климатических зонах могут стать неодинаковыми по своим петрографическим особенностям и, следовательно, свойствам. Наоборот, различные горные породы, залегая в поверхностной толще современной коры выветривания определенной климатической зоны и подвергаясь воздействию процессов почвообразования и выветривания, приобретают общие характерные черты, например, одинаковую засоленность.
Современные физико-географические условия сильно влияют на особенности грунтов поверхностной толщи. Состав, структура, текстура, а отсюда и свойства горных пород формируются в процессе их генезиса и изменяются под влиянием постгенетических процессов: диагенеза, эпигенеза и гипергенеза.
Методологической основой Грунтоведения является генетический подход при изучении грунтов, благодаря этому оно относится к наукам геологического цикла. Генетическое направление в Грунтоведении должно выражаться, в первую очередь, в изучении процессов формирования прочности пород, так как это свойство, понимаемое в широком смысле слова как сопротивление горных пород воздействию различных внешних факторов, является важнейшим как при строительстве, так и при других видах инженерного воздействия на земную кору. Успешно решить проблему формирования прочности горных пород возможно только при сочетании трех направлений при их изучении: геолого-петрографического, физико-химического и с позиций механики. При этом, для того чтобы проникнуть в микромир горных пород, необходимо применять такие методы исследования, как рентгенография, электронная, микроскопия, ядерно-магнитный резонанс и другие.
Наряду с микромиром пород, Грунтоведение все в большей и большей степени занимается изучением свойств пород в массивах и оценкой самих массивов пород. Эта проблема приобретает особую актуальность, когда приходится иметь дело со скальными грунтами. Дело в том, что если определять прочность скальных грунтов на образцах путем одноосного сжатия, то эта величина может достигать более тысячи килограмм на квадратный сантиметр. Сам же массив, откуда взяты эти образцы, вследствие тектонической раздробленности, наличия трещиноватости и выветрелости пород может быть настолько непрочным, что строительство на нем зданий и сооружений оказывается невозможным.
Таким образом, в грунтоведении при характеристике пород должен рассматриваться чрезвычайно широкий круг вопросов — от характеристики образца до характеристики массива. Сейчас мы еще плохо умеем изучать прочность массивов. Эта проблема находится в начальной стадии разработки и только поэтому при характеристике пород, как грунтов, основное внимание уделяется изучению их по образцам.
На образцах изучают свойства грунтов, которые условно могу быть подразделены на физические, физико-механические и физико-химические, а также зависимость этих свойств от состава, структуры текстуры. Поясним это некоторыми примерами.
Одним из основных показателей при инженерно-геологической оценке песчаных пород является величина водопроницаемости. Пески, у которых преобладают частицы крупнее 0,1 мм, имеют водопроницаемость, которая характеризуется коэффициентами фильтрации более 1 м в сутки. Пески, у которых преобладают частицы меньше 0,1 мм, имею коэффициент фильтрации меньше 1 м в сутки.
Пески могут быть хорошо отсортированными и плохо отсортированными. Встречаются пески, у которых около 100% зерен имеют примерно один и тот же размер. Имеются и такие пески, которые состоят и различных частиц, крупность которых равномерно изменяется в довольно широких пределах. Хорошо отсортированные пески, будучи мелкозернистыми, могут иметь значительную водопроницаемость, а пески неотсортированные — маленькую водопроницаемость, несмотря на то, что частицы могут быть сравнительно крупных размеров. Следовательно, размер и степень отсортированности песчаных зерен, т. е. состав песка, определяют его водопроницаемость — одно из важнейших инженерно-геологических свойств.
Некоторые глинистые породы имеют белую или светло-серую окраску и по внешнему виду очень похожи друг на друга. Но при этом они могут иметь различный минералогический состав. Например, глины белого цвета могут быть монтмориллонитовыми и каолинитовыми. Эти два минерала благодаря различному строению своих кристаллических решеток неодинаково относятся к воде, что, в частности, выражается в резко различной способности к набуханию. Монтмориллонитовые глины набухают очень сильно, каолинитовые — слабо.
В данном случае минералогический состав глинистых пород определяет другое инженерно-геологическое свойство — набухание.
По своему составу глины и суглинки чаще всего являются практически водонепроницаемыми породами, но в ряде случаев они обладают значительной водопроницаемостью, величина которой обусловливается особенностями их структуры, и в частности присутствием макропор.
Наличие макропор, идущих в вертикальном направлении, способствует увеличению водопроницаемости в этом же направлении. Заполнение макропор кальцитом или гипсом снижает величину водопроницаемости. Как видно, структурные особенности породы влияют на ее водопроницаемость. То же можно сказать и о текстуре породы.
Ленточные глины состоят из тонких, обычно неодинаково окрашенных прослоек различного состава. Слоистость, как известно, является одним из показателей текстуры. От слоистости породы зависит ряд инженерно-геологических свойств, и в том числе водопроницаемость.
Величина ее всегда будет больше при фильтрации воды вдоль слоев и: меньше — при фильтрации воды перпендикулярно слоистости.
Рассмотренные примеры относятся к осадочным породам. Но общее положение о зависимости инженерно-геологических свойств горных: пород и почв от их состава, структуры и текстуры справедливо и для магматических пород. Например, известно, что устойчивость базальтов против разрушающего действия агентов выветривания больше, чем устойчивость гранитов.
У мелкозернистых гранитов механическая прочность больше, чем у крупнозернистых.
Гнейсы являются породой механически анизотропной, т. е. их механическая прочность неодинакова в различных направлениях: она больше в направлении, перпендикулярном сланцеватости, и меньше в направлении, параллельном ей. Количество примеров, показывающих зависимость инженерно-геологических свойств от состава, структуры и текстуры любых горных пород и почв, можно было бы привести множество.
Располагая данными о составе, строении (структурно-текстурных особенностях) грунтов и их свойствах, можно дать достаточно подробную характеристику отдельным петрографическим классам, группам, типам и видам горных пород при использовании их в инженерных целях.