Грунтоведение. Три раздела грунтоведения

1.

Грунтоведение

2.

Грунтоведение - раздел инженерной геологии, изучающей
горные породы и почвы, которые рассматриваются как грунты.
Выделяют три раздела грунтоведения: общее, региональное
и динамическое.
Изучение грунтов и их классифицирование выполняется общим
грунтоведением, основой которого является учение о природе и
закономерностях
формирования
вещественного
состава,
структурно-текстурных особенностей и физико-механических
свойств грунтов.
В общее грунтоведение входит теоретическая часть
технической мелиорации грунтов, которая позволяет изменять
свойства грунтов.
Региональное грунтоведение исследует закономерности
размещения и пространственной изменчивости состава и свойств
грунтов, формирование этих закономерностей и их природу.
2

3.

Динамическое грунтоведение изучает изменение вещественного состава, структурно-текстурных особенностей и физикомеханических свойств грунтов в физическом времени, как
составной части системы знаний об экзогенных геологических
процессов.
Объектом грунтоведения являются: грунт, его состав,
структура, свойства, закономерности их пространственновременной изменчивости.
Предметом грунтоведения – идеальная, нематериальная инженерно-геологическая система, принадлежащая к пространству
признаков. Данная система – квазистатическая.
В число методов грунтоведения входят:
- общенаучные,
- физическое моделирование,
- собственные специфические методы грунтоведения –
лабораторные и полевые.
3

4.

Грунтоведение оперирует следующими объектами:
Грунтоведение
(в целом)
Грунт – система признаков
динамическая или квазистатическая
Общее
грунтоведение
Грунт – квазистатическая система
признаков
Динамическое
грунтоведение
Грунт – динамическая система
признаков и литосферное тело
Региональное
грунтоведение
Литосферное тело представленное
грунтом, грунтовый массив
4

5.

Грунт - горные породы, почвы, техногенные образования,
представляющие собой многокомпонентную и многообразную
геологическую систему и являющиеся объектом инженернохозяйственной деятельности человека.
Минерал — однородное природное твёрдое тело, находящееся
или бывшее в кристаллическом состоянии. Минералы являются
составной частью горных пород (породообразующие минералы),
руд, метеоритов.
Горная порода — любая масса или агрегат одного или
нескольких минеральных видов или органического вещества,
являющихся продуктами природных процессов. Вещество может
быть твёрдым, консолидированным или мягким, рыхлым.
Под
составом
подразумевают
перечень
минералов,
составляющих породу.
Структура – это размер, форма и количественное соотношение
слагающих породу частиц.
Текстура – пространственное расположение элементов грунта,
определяющее его строение.
5

6.

Грунты могут служить:
1) материалом оснований зданий и сооружений;
2) средой для размещения в них сооружений;
3) материалом самого сооружения.
6

7.

В отличие от других наук геологического цикла, горные породы
в грунтоведении изучаются как многокомпонентные системы,
состоящие из
- минеральной или органо-минеральной части,
- воды
- газообразной составляющей (паров и газов),
- искусственные (техногенные) образования,
- живые организмы и продукты их жизнедеятельности,
- в криолитозоне добавляется лед.
Совокупность твердых частиц образует скелет грунта.
7

8.

Твердая фаза грунта.
Это основа, каркас, в котором находятся другие фазы.
К твердой фазе относят минеральные частицы, образующие
основу (скелет) грунта.
Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих
минералов, свойства которых могут существенно различаться.
При изучении твердой составляющей грунта основное внимание
уделяется тем минералам, которые составляют основную часть
грунта и определяют его свойства:
это первичные силикаты (кварц, полевые шпаты), простые
соли, глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит,
каолинит), органика.
Наиболее стабильной является твердая компонента грунта.
В грунтовых основаниях она присутствует всегда.
8

9.

Вода в грунтах.
Жидкая фаза представлена различными формами воды (жидкая, пар,
лёд) с растворимыми в ней веществами и заполняет полностью или
частично поры между минеральными частицами грунта.
А.Ф. Лебедев выделял следующие формы воды в грунтах:
1. Вода в форме пара;
2. Связанная вода, включающая прочносвязанную
(гигроскопическая) и рыхлосвязанную;
3. Капиллярная;
4. Свободная (гравитационная);
5. Вода в твердом состоянии (лед);
6. Кристаллизационная и химически связанная (конституционная)
вода.
В грунте присутствуют все типы воды (кроме твердой, если нет
мерзлоты).
Наиболее сильно влияет на свойства дисперсных грунтов связанная
вода, которая составляет 42% от всей воды содержащейся в земной
коре.
9

10.

Поры и пустоты в грунте, не заполненные водой, занимает
воздух, представляющий собой газообразную фазу грунта состоит из газов (азот, кислород, окись и двуокись углерода, метан
и др.) и паров воды.
Газы в порах грунтов могут находится в
свободном и
растворенном виде.
Лед- четвертая компонента, встречается в мерзлых грунтах.
Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называются структурными связями.
Виды связей в грунтах:
1. Жесткие кристаллизационные или цементационные
2. Нежесткие структурные связи или подвижные водноколлоидные
3. Отсутствие структурных связей (связь за счет – силы трения).
4. Криогенные структурные связи
10

11.

Грунты подразделяются на природные и техногенные, к последним
относятся грунты природного происхождения, закрепленные и
уплотненные различными методами, насыпные и намывные грунты,
а также твердые отходы производственной и хозяйственной
деятельности человека.
Все грунты разделяются по происхождению на магматические,
осадочные, метаморфические и техногенные.
11

12.

12

13.

13

14.

14

15.

15

16.

Классификация грунтов
Общая
классификация
грунтов
представляет
классификацию объектов в пространстве признаков.
собой
Эта классификация предусматривает разделение полного
множества грунтов на группы по характеру структурных связей.
Грунты подразделяются на классы:
-
скальные,
-
дисперсные,
-
мерзлые.
16

17.

Класс скальных грунтов
Грунты данного класса обладают жесткими структурными связями
(кристаллизационными и цементационными) – магматические (гранит,
диорит), метаморфические (гнейс, кварцит) и осадочные породы
(известняки, кремнистые песчаники).
Подразделяется на следующие группы – скальные и полускальные
(грунты одного вида, отличающиеся по значению прочности на
одноосное сжатие, Rс ≥5МПа – скальные грунты, Rс <5 МПа полускальные грунты).
Классифицируются по прочности, по коэффициенту размягчаемости и
по степени выветрелости.
Эти грунты залегают в виде сплошного массива или трещиноватого
слоя.
Они несжимаемы, водоустойчивы, практически водонепроницаемы.
Вода фильтруется только по трещинам.
17

18.

Класс
Тип (подтип)
Вид
Подвид *
ультраосновные
Магматические
(интрузивные)
Карбонатные
Железистые
Перидотиты, дуниты, пироксениты и др.
Габбро, нориты, анортозиты, диабазы,
долериты и др.
Диориты, сиениты и др.
Граниты, гранодиориты, кварцевые, сиениты,
порфиры и др.
Пикриты, коматииты и др.
Базальты, долериты, порфириты и др.
Андезиты, трахиты и др.
Риолиты, дациты и др.
Гнейсы, сланцы, кварциты, роговики, скарны,
грейзены, березиты, пропилиты, вторичные
кварциты, гидротермально-измененные грунты
и др.
Мраморы и др.
Железные руды, джеспилиты и др.
Органо-минеральные
Горючие сланцы, антрациты и др.
Силикатные
Песчаники, конгломераты, аргиллиты,
алевролиты, сцементированные глины и др.
Карбонатные
Кремнистые
Сульфатные
Галоидные
Органо-минеральные
Известняки, доломиты, мел, мергели и др.
Опоки, диатомиты и др.
Гипсы, ангидриты и др.
Галиты и др.
Бурые угли, битуминозные известняки и др.
Силикатные
Туфопесчаники, туфоалевролиты,
туфоаргиллиты, туффиты, вулканические туфы,
кластолавы, лавовые брекчии и др.
Силикатные
основные
средние
кислые
Скальные
Магматические
(эффузивные)
Силикатные
ультраосновные
основные
средние
кислые
Силикатные
Метаморфические
Осадочные
Вулканогенноосадочные
Хемогенно-силикатные
Элювиальные
Минеральные
Техногенные
Все виды техногенно изменённых природных и
антропогенно образованных скальных грунтов и
преобразованных дисперсных грунтов с
приобретенными цементационными связями
Разновид
ности
Выделяю
тв
соответствии с
приложен
иями Б.1,
В.1 и Г
Туфопесчаники, туфоалевролиты,
туфоаргиллиты, туффиты, вулканические туфы,
кластолавы, лавовые брекчии и др.
Скальные грунты трещинных зон коры
выветривания
Все подвиды техногенно изменённых
природных и антропогенно образованных
скальных грунтов и преобразованных
дисперсных грунтов с приобретенными
цементационными связями
18

19.

20.

21.

22.

22

23.

Класс дисперсных грунтов
Грунты данного класса обладают физическими, физико-химическими
или механическими структурными связями.
В этот класс входят только осадочные горные породы.
Дисперсные грунты делятся на крупнообломочные, песчаные и
глинистые.
Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс
несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физикохимическими структурными связями - в подкласс связных грунтов.
Связные грунты делятся на три типа - минеральные (глинистые
образования), органо-минеральные (илы, сапропели) и органические
(торфы ).
Несвязанные грунты представлены песками и крупнообломочными
породами (гравий, щебень).
По сравнению со скальными и полускальными грунтами дисперсные
грунты, особенно связные, отличаются значительно меньшей
прочностью и большей деформируемостью.
23

24.

24

25.

Подкласс
Тип
Осадочные
Подтип
Флювиальные, ледниковые, эоловые,
склоновые и др.
Несвязные
Вулканогенно- Вулканогенно-осадочные, осадочноосадочные
вулканогенные, пирокластические
Образованные в результате
выветривания: физического, физикоЭлювиальные
химического, химического,
биологического
Техногенно измененные в условиях
естественного залегания природные
грунты
Техногенные
Техногенно перемещенные природные
грунты
Дисперсные
Антропогенно образованные грунты
Органо-минеральные
Минеральные
Минеральные и органоминеральные
Все виды техногенно
измененных природных
несвязных грунтов
Все виды техногенно
измененных природных
несвязных грунтов
Различные виды
антропогенных грунтов
Минеральные
Заторфованные пески
Вулканогенно-обломочные грунты
Вулканические пески, пеплы
Крупнообломочные грунты и пески
обломочных и дисперсных зон коры
выветривания и почвы
Все подвиды техногенно измененных
природных несвязных грунтов
Все подвиды техногенно измененных
природных несвязных грунтов
Различные подвиды антропогенных
грунтов
Глинистые грунты
Органические
Торфа
Сапропели и др.
Образованные в результате
выветривания: физического, физикоЭлювиальные
химического, химического,
биологического
Минеральные и органоминеральные
Глинистые грунты дисперсных зон коры
выветривания и почвы
Техногенно измененные в условиях
естественного залегания природные
грунты
Все виды техногенно
измененных природных
связных грунтов
Все подвиды техногенно измененных
природных связных грунтов
Техногенно перемещенные природные
грунты
Все виды техногенно
измененных природных
связных грунтов
Все подвиды техногенно измененных
природных связных грунтов
Антропогенно образованные грунты
Различные виды
антропогенных грунтов
Различные подвиды антропогенных
грунтов
Техногенные
Разновидности
Крупнообломочные грунты
Пески
Илы
Сапропели
Заторфованные глинистые грунты и др.
Озерно-болотные, болотные,
аллювиально-болотные и др.
Связные
Минеральные
Подвид
Органо-минеральные
Осадочные
Флювиальные, ледниковые, эоловые,
склоновые и др.
Вид
Выделяют в соответствии с приложениями Б.2 и В.2
Класс
25

26.

Крупнообломочные – несцементированные породы из обломков
кристаллических или сцементированных осадочных, содержащие
более 50% обломков размером свыше 2 мм (щебень, галечник,
гравий).
Прочность грунтов в значительной степени зависит от того,
обломками каких пород они сложены. Наибольшую прочность
дают магматические породы, меньшую – осадочные.
Прочность крупнообломочных грунтов связана с их
плотностью. Укладка обломков может быть рыхлая и плотная.
Под нагрузками крупнообломочные грунты практически не
уплотняются и относятся к надежным основаниям для
сооружений. Обладают большой водопроницаемость.
В водонасыщенном состоянии слабо сопротивляются
воздействию сейсмических явлений.
26

27.

27

28.

Песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты, не
обладающие свойствами пластичности и содержащее менее
50% по весу частиц крупнее 2 мм.
При увлажнении пески приобретают небольшую
связность.
Пески обладают водопроницаемостью от средней до
высокой.
Рыхлые
пески
легко
переводятся
в
твердые
вибрационными усилиями, а под давлением уплотняются
незначительно.
Пески являются устойчивыми и надежными основаниями
для различных зданий и сооружений.
28

29.

29

30.

Глинистые – связные в сухом состоянии грунты, для которых
число пластичности больше единицы (супеси, суглинки, глины).
В большинстве случаев глинистые грунты представляют собой
сочетание трех фаз – твердой (минеральной), жидкой и
газообразной.
Глинистые грунты – это наиболее распространенные основания
различных зданий и сооружений.
Их особенностью является большая сжимаемость под
давлением, изменение свойств во времени.
Здания и сооружения на глинистых грунтах претерпевают
осадку.
Сжатие глинистых грунтов происходит за счет уменьшения их
общей пористости.
30

31.

31

32.

33.

Основой глинистых грунтов являются глинистые и пылеватые
частицы, которые являются продуктами распада и разложения
минералов.
Свойства глинистых грунтов зависят от степени влажности. Если
содержится только связанная вода, то грунт имеет свойство твердого
тела, при наличии рыхлосвязанной воды грунт остается пластичным.
При погружении в воду глинистые грунты одни распадаются
полностью, другие - частично, третьи - сохраняют свою целостность в
течение времени. В зависимости от этого грунты бывают неводостойкие,
слабо водостойкие и относительно водостойкие.
Преобладающим минералом в глинистых породах различного
возраста является гидрослюда.
На втором месте по распространенности находятся минералы
группы монтмориллонита.
Третий минерал по распространенности — каолинит.
33

34.

Характерной особенностью структуры монтмориллонита
является то, что кислородная поверхность одного слоя
контактирует с аналогичной кислородной поверхностью соседнего
слоя, вследствие чего связь между слоями слабая.
Группа каолинита. Из минералов этой группы наибольшее
распространение имеют каолинит. Каолинит содержит мало
щелочных и щелочноземельных металлов.
Группа гидрослюд. Гидрослюды относятся к минералам с
нерасширяющейся решеткой, имеющей размеры около 10-7 см.
По дисперсности гидрослюды несколько уступают минералам
монтмориллонитовой группы: содержание частиц размером от
0,25 мкм до 2 мкм составляет в них 30-40 %.
34

35.

35

36.

36

37.

Органический грунт – грунт, содержащий 50 % (по массе) и более
органического вещества - торф.
Органо-минеральный грунт – грунт, содержащий органическое
вещество от 3 % для песков и от 5 % для глинистых грунтов до 50 % (по
массе) – илы и сапропели.
Ил – нелитифицированный высокопористый органо-минеральный
или органический
консистенции.
осадок
акваторий,
как
правило,
текучей
Сапропель
пресноводный
ил,
образовавшийся
при
саморазложении органических остатков на дне застойных водоемов
(озер) и содержащий более 10% органических веществ.
37

38.

38

39.

Торф – органический грунт, образовавшийся в результате
естественного отмирания и неполного разложения болотных растений
в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и
содержащий 50% и более органических веществ.
39

40.

41.

К специфическим особенностям органоминеральных и
органических
грунтов,
которые
позволяют
считать
рассматриваемые грунты малопригодными для строительства,
относятся:
- малая прочность и большая сжимаемость при уплотнении;
- высокая пористость и влажность;
- высокая гидрофильность и низкая водоотдача;
- склонность к разжижению при динамических воздействиях;
- разложение растительных остатков в зоне аэрации;
- наличие природного токсичного газа (метана);
- повышенная агрессивность к бетонам и коррозионная активность
к металлическим конструкциям.

42.

Техногенный грунт – грунт, измененный, перемещенный или
образованный в результате инженерно-хозяйственной деятельности
человека.
Техногенные грунты используют главным образом как материал для
отсыпки насыпей, дамб, земляных плотин, среды для размещения в них
городских коммуникационных сетей.
Среди важнейших специфических особенностей техногенных грунтов,
выделяют:
- значительную неоднородность по составу и неравномерную
сжимаемость;
- возможность самоуплотнения от собственного веса;
- повышенное содержание органического вещества в свалках и бытовых
отходах и в связи с этим возможность образования токсичных газов;
- склонность к самовозгоранию пустой породы;
- распад, разложение и другие физико-химические преобразования (для
шлаков, зол и шламов).
42

43.

В настоящее время к техногенным грунтам относят:
1) природные грунты, измененные в условиях естественного залегания;
2) природные грунты, перемещенные с мест естественного залегания в
процессе строительной деятельности;
3) антропогенные образования.
Природные грунты, измененные в условиях естественного залегания этот тип техногенных грунтов создают целенаправленно в соответствии с
запросами строительства с помощью различных физических и физикохимических воздействий.
Природные грунты, перемещенные с мест естественного залегания перемещенные с помощью транспортных средств, взрыва (насыпные
грунты) или с помощью средств гидромеханизации (намывные грунты).
Насыпные грунты по технологии своего образования подразделяются
на планомерно и непланомерно отсыпанные.
Намывные грунты создают с помощью средств гидромеханизации при
строительстве в поймах крупных рек, на побережьях морских заливов.
Антропогенные образования подразделяются на промышленные и
бытовые отходы.
43

44.

45.

46.

Что такое лёсс?
Лёсс — осадочная горная порода, неслоистая, однородная известковистая,
суглинисто-супесчаная.
Лёсс залегает в виде покрова: от нескольких метров до 50—100 м — на
водоразделах, склонах и древних террасах долин.
Гранулометрический состав Лёссов:
В лёссе преобладают частицы 0,002—0,05 мм (пылеватые частицы);
глинистые частицы менее 0,002 мм присутствуют в количестве 5—30 %.
Пористость лёсса 40—55 %. Обычно он пронизан тонкими макропорами,
следами растительных остатков.
Распространение лёссов:
Лёсс распространён в Европе, Азии, Северной и Южной Америке,
преимущественно в степных и полупустынных районах умеренного
пояса.

47.

Лёсс в провинции Шаньси, Китай

48.

Лёссовые просадочные грунты

49.

Закрепление просадочных лёссовых грунтов

50.

Уплотнение лёссовых грунтов

51.

Уплотнение грунтов и устройство грунтовых подушек

52.

Класс природных мерзлых грунтов – грунты с криогенными
структурными связями.
Грунт мерзлый, в том числе вечномерзлый - грунт, имеющий
отрицательную температуру и содержащий в своем составе лед.
Грунт твердомерзлый - грунт прочно сцементированный льдом и
характеризуемый относительно хрупким разрушением и
практической несжимаемостью под действием нагрузок от зданий
и сооружений.
Грунт пластичномерзлый - грунт сцементированный льдом, но
обладающий
вязкими
свойствами
и
характеризуемый
сжимаемостью под действием нагрузок от зданий и сооружений.
Грунт
морозный - скальный грунт, имеющий отрицательную
температуру и не содержащий в своем составе лед.
Грунт сыпучемерзлый - крупнообломочный и песчаные грунты,
имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные
льдом, вследствие их малой влажности.

53.

Различают многолетнемерзлые и сезонномерзлые грунты.
Сезонномерзлый грунт находится в мерзлом состоянии лишь
периодически в течение холодного периода года. В мерзлом состоянии он
имеет отрицательную температуру, содержит лед и характеризуется
криогенными структурными связями. В теплое время грунт оттаивает. Это
явление называется сезонным промерзанием.
Глубина сезонного промерзания грунтов (df) зависит от климатических
особенностей района, состава пород, мощности снегового покрова и от
других факторов. Величина df колеблется от долей метра до 3—4 м.
Многолетнемерзлые грунты - грунты, которые в условиях природного
залегания находятся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более.
Зона развития многолетнемерзлых грунтов называется криолитозоной или
зоной многолетней мерзлоты.
Зона многолетней мерзлоты занимает 64 % всей площади России и 25%
суши земного шара.
Кроме России многолетнемерзлые грунты распространены на Аляске, в
Гренландии, в высокогорных районах Центральной Азии.

54.

55.

Генезис (происхождение) грунтов
1. Элювиальные грунты (е) образуются как продукт выветривания
коренных пород и остаются на месте своего образования ( на плато и
пологих склонах).
2. Деллювиалъные грунты (d) - образуются в результате смыва с
водораздела или верхней части склона более легких компонентов
(глинистые и пылеватые частицы, мелкий песок, мощность
увеличивается к нижней части склона).
3. Коллювиальные грунты (с)- рыхлые накопления осыпей и обвалов
(результат склоновых процессов.
4. Пролювиальные грунты (р)- образуются в результате смыва и
переноса поверхностных отложений временными дождевыми и
снеговыми потоками (селевые накопления).
5. Аллювиальные грунты (а) - продукт переноса наносов рекой.
55

56.

6. Грунты эолового происхождения (υ) - пески побережий озер и
морей, некоторые лессовые отложения.
7. Грунты ледникового происхождения
Морена (q) - характеризуется наличием тонко и стертого материала
(супесь, суглинок, глина) в с включением валунно-галечниковых
отложений.
Водно-ледниковые (флювиогляциальные)(f) - образовались в
результате таянья ледников, представлены песками и супесями и
суглинками.
Озерно-ледниковые (g, lg) — отложения ледниковых озер.
8. Грунты озерно-болотного происхождения (биогенные грунты) (lb)
— торф, сапропель, заторфованные грунты.
9. Грунты морского и лагунного происхождения (m) - формируются в
прибрежной полосе.
56

57.

Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые
обладают способностью изменять свои структурные свойства под
влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок,
протекающих с большой скоростью:
- мерзлые,
- лёссовые,
- набухающие,
- засоленные грунты,
- насыпные грунты,
- торфы,
- заторфованные грунты.
57