Классификация глинистого грунта

Введение

Глинистые грунты образуют важную инженерно-геологическую  группу грунтов. Составными частями, определяющими  основные свойства глинистых пород, являются глинистые и пылеватые  частицы, которые являются продуктами механического распада, химического  разложения минералов в зоне выветривания и синтеза продуктов выветривания. Содержание глинистых минералов  с их огромной удельной поверхностью обусловливает особый тип связи  между частицами. Эта связь осуществляется через пленки воды, которые обволакивают минеральные частицы и удерживаются молекулярными силами, достигающими тысяч кГ/см2. Молекулы воды при этом образуют пленку прочно связанной воды. Сверх этой пленки, в пределах действия молекулярных сил, располагается рыхло-связанная вода и далее начинается область свободной воды, заполняющей поры глинистого грунта.

Связи между минеральными частицами, осуществляющиеся через пленки воды, обусловливают связность и пластичность глинистых грунтов. В основе их механической прочности лежат различного рода силы связей между минеральными частицами, что обеспечивает первичное сцепление. Эти связи возникают на начальных  этапах превращения глинистого осадка в породу и возрастают по мере увеличения ее плотности. На более поздних стадиях  появляются цементационные связи и  соответствующее им сцепление упрочнения, которое возрастает по мере отложения  цементирующего вещества в порах  породы.

Дальнейшее усиление цементирующих  связей постепенно переводит глинистую  породу из ряда высокодисперсных систем в породы типа глинистых сланцев, аргиллитов и т. д.

Свойства глинистых грунтов, как  дисперсных тел, находятся в большой  зависимости от влажности. Если содержится только прочно связанная вода, то грунт  имеет свойства твердого тела. При  наличии рыхлосвязанной воды грунт  становится пластичным. Свободная вода, заключенная в порах грунта, обеспечивает его текучее состояние. Общее количество воды, содержащееся в грунте естественного залегания, составляет естественную влажность грунта №". Она выражается отношением веса воды к весу сухого грунта (в %).

Для глинистых грунтов важнейшее  значение имеет минеральный состав. Пылеватые и более крупные  частицы, представленные кварцем, полевыми шпатами и другими инертными  к воде минералами, играют второстепенную роль. Решающее значение в определении  водно-физических свойств имеют  глинистые минералы, особенно монтмориллонитового  ряда, которые активно взаимодействуют  с водой, как своей поверхностью, так и внутренней частью кристаллических  решеток.

На свойства глинистых минералов  в свою очередь большое влияние  оказывают обменные катионы, находящиеся  на их поверхности. Например, присутствие  катиона натрия увеличивает гидрофильность, набухание и липкость глинистых  грунтов. Катион кальция оказывает  обратное действие.

Структуры глинистых грунтов сложные, разнообразные. Каждая глинистая порода не представляет собой сплошную, монолитную массу. Минеральные частицы (скелет породы) занимают лишь часть объема породы. Другую ее часть составляют поры, заполненные воздухом, либо воздухом с водой или только водой. В  большинстве случаев глинистые  грунты (глины, суглинки, супеси) представляют собой сочетание трех фаз —  твердой (минеральной), жидкой и газообразной. Количественное сочетание этих фаз  непостоянно и существенно сказывается  на свойствах глинистых пород.

Структура глинистого грунта в значительной мере определяет его свойства. Глинистый  грунт с нарушенной, перемятой  структурой имеет пониженные прочностные  показатели, большее набухание.

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. Этот процесс продолжается длительное время (месяцы, годы). Сжатие глинистых грунтов  происходит за счет уменьшения их общей пористости. Из пор отжимается вначале воздух, далее вода и грунт постепенно уплотняются. Для глинистых грунтов характерна частичная обратимость этого процесса — после снятия давления происходит некоторое увеличение объема грунта.

Глинистый грунт – это  грунт, который более чем на половину состоит из очень мелких частиц размером менее 0,01 мм, которые имеют форму  чешуек или пластин. Расстояния между  этими частицами называется порами, они, как правило, заполняются водой, которая хорошо удерживается в глине, потому что сами частички глины воду не пропускают. Глинистые грунты имеют  высокую пористость, т.е. высокое  соотношение объема пор к объему грунта. Это соотношение колеблется от 0,5 до 1,1 и является характеристикой  степени уплотнения грунта. Глинистый  грунт очень хорошо поглощает  и удерживает ее в себе и никогда  не отдает ее всю, даже при высыхании, поэтому является пучинистым грунтом. Влага, содержащаяся в грунте, при замерзании превращается в лед и расширяется, тем самым, увеличивая объем всего грунта. Все грунты, содержащие глину, подвержены этому негативному явлению, и чем больше содержание глины, тем сильнее проявляется это свойство.

Поры глинистого грунта настолько  малы, что капиллярные силы притяжение между частицами воды и глины  оказываются достаточными, чтобы  связывать их. Капиллярные силы притяжения в совокупности с пластичностью  частиц глины обеспечивают пластичность глинистого грунта. И чем больше содержание глины, тем пластичнее будет  грунт. В зависимости от содержания частиц глины их классифицируют на супеси, суглинки и глину.

Классификация глинистого грунта

Супесь – это глинистый грунт, который содержит не более 10 % глинистых частиц, оставшуюся часть занимает песок. Супесь наименее пластичная из всех глинистых грунтов, при ее растирании между пальцами чувствуются песчинки, она плохо скатывается в шнур. Скатанный из супеси шар рассыпается, если на него немного надавить. Из-за высокого содержания песка супесь имеет сравнительно низкую пористость – от 0,5 до 0,7. Соответственно она может содержать меньше влаги и, следовательно, быть меньше подвержена пучению. При пористости 0,5 (т.е. при хорошем уплотнении) в сухом состоянии несущая способность супеси составляет 3 кг/см2, при пористости 0,7 – 2,5 кг/см3.

Суглинок – это глинистый грунт, который содержит от 10 до 30 процентов глины. Этот грунт достаточно пластичен, при растирании его между пальцами не чувствуются отдельные песчинки. Скатанный из суглинка шар раздавливается в лепешку, по краям которой образуются трещины. Пористость суглинка выше, чем супеси и колеблется от 0,5 до 1. Суглинок может содержать больше воды и больше, чем супесь, подвержен пучению. Сухой суглинок с пористостью 0,5 имеет несущую способность 3 кг/см2, при пористости 0,7 – 2,5 кг/см2.

Глина – это грунт, в котором содержание глинистых частиц больше 30%. Глина очень пластичная, хорошо скатывается в шнур. Скатанный из глины шар сдавливается в лепешку без образования трещин по краям. Пористость глины может достигать 1,1, она сильнее всех остальных грунтов подвержена морозному пучению, потому что может содержать очень большое количество влаги. При пористости 0,5 глина имеет несущую способность 6 кг/см2, при 0,8 – 3 кг/см2.

Все глинистые грунты под  действием нагрузки от фундамента подвержены осадке, причем занимает она очень  много времени – несколько  сезонов. Осадка будет тем больше и дольше, чем больше пористость грунта. Чтобы уменьшить пористость глинистого грунта и тем самым  улучшить его характеристики, грунт  можно уплотнять. Естественное уплотнение глинистого грунта происходит под давлением  вышележащих слоев: чем глубже находится  слой, тем сильнее он уплотнен, тем  меньше его пористость и тем больше его несущая способность.

Минимальная пористость глинистого грунта 0,3 будет у максимально  уплотненного слоя, который залегает ниже глубины промерзания. Дело в  том, что при промерзании грунта возникает пучение: частицы грунта двигаются и между ними возникают  новые поры. В слое грунта, который  находится ниже глубины промерзания, таких движений нет, он максимально  уплотнен и его можно считать несжимаемым. Глубина промерзания грунта зависит от климатических условий, в России она колеблется от 80 до 240 см. Чем ближе к поверхности земли, тем меньше будет уплотнен глинистый грунт.

Чтобы примерно оценить несущую  способность глинистого грунта на определенной глубине можно принять максимальную пористость 1,1 на поверхности земли, а минимальную 0,3 на глубине промерзания  и предположить, что она изменяется в зависимости от глубины равномерно. Вместе с ней будет меняться и  несущая способность: от 2 кг/см2 на поверхности, до 6 кг/см2 ниже глубины промерзания.

Еще одна важная характеристика глинистого грунта – это его влажность: чем больше влаги содержится в  нем, тем хуже его несущая способность. Насыщенный влагой глинистый грунт  становится слишком пластичным, а  насыщаться влагой он может в том  случае, когда близко находятся грунтовые  воды. Если уровень грунтовых вод  высокий и менее чем в метре  от глубины заложения фундамента, то приведенные выше значения несущей  способности глины, суглинка и супеси нужно делить на 1,5.

Все глинистые грунты будут  служить хорошим основанием для  фундамента дома, если грунтовые воды залегают на значительной глубине, а  сам грунт будет однороден  по составу.

Глины являются одним из наиболее распространенных типов горных пород, слагающих до 11% всего объема земной коры. С ними часто приходится иметь дело при возведении фундаментов  зданий и строительстве различных  инженерных сооружений. Они повсеместно  используются как сырье для производства керамики, кирпича, цемента, а также в качестве наполнителя при изготовлении резины, бумаги, буровых растворов и т.д. Глины обладают высокой адсорбционной способностью, и их успешно применяют для очистки масел, красок, вина, отбеливания тканей, а также как естественные экологические барьеры для борьбы с распространением техногенных загрязнений.

Несмотря на столь широкое  использование глин и длительный опыт строительства на них, все еще  существует много вопросов, связанных  с особенностями поведения глинистых  пород. Об этом наглядно свидетельствуют  многочисленные деформации различных  инженерных сооружений, происходящие в результате уплотнения, набухания, усадки, разжижения и размокания глинистых  пород в их основаниях. По данным Геологической службы США, прямые и  косвенные убытки, причиняемые этими  негативными явлениями в различных  государствах мира, достигают сотен  миллиардов долларов и соизмеримы с  потерями от крупных катастрофических явлений (землетрясений и наводнений).

Факторы. влияющие на свойства глинистых грунтов

1.Минеральный состав

Глины образованы чрезвычайно  мелкими по размеру микрокристаллами глинистых минералов, которые во многом определяют свойства этих пород. Глинистые минералы относятся к  группе слоистых и слоисто-ленточных  силикатов. Высокая дисперсность глинистых  минералов является их естественным физическим состоянием. Обычно размер микрокристаллов этих минералов  в глинах не превышает нескольких микрон. Частицы глинистых минералов  имеют преимущественно пластинчатую форму, однако встречаются также  частицы в виде полосок, трубочек, иголочек [4].

Высокая физико-химическая активность глинистых минералов  обусловлена не только малым размером, но и особенностями их кристаллического строения. В основе кристаллической  структуры глинистых минералов  лежит контакт тетраэдрических и октаэдрических элементов. Первый элемент образован кремнекислородными тетраэдрами, состоящими из атома кремния и четырех окружающих его атомов кислорода. Отдельные тетраэдры, соединяясь друг с другом, создают непрерывную двухмерную тетраэдрическую сетку.

Другим структурным элементом  глинистых минералов является октаэдр, образованный шестью атомами кислорода  или гидроксильными группами. В центре октаэдра может располагаться атом алюминия, железа или магния. Отдельные  октаэдры, соединяясь, образуют двухмерную октаэдрическую сетку. Благодаря близости размеров тетраэдрические и октаэдрические сетки легко совмещаются друг с другом с образованием единого гетерогенного слоя. Связь между гетерогенными слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и его заряда. У некоторых глинистых минералов она достаточно прочна и обеспечивается взаимодействием атомов кислорода и гидроксильных групп (водородная связь) или катионами, располагающимися в межслоевом пространстве (ионно-электростатическая связь). У других минералов связь между слоями менее прочная и обусловлена молекулярными силами.

В первом случае глинистые  минералы имеют более жесткую  кристаллическую структуру, то есть такую, когда молекулы воды и обменные катионы не могут проникать в  межслоевое пространство кристалла. У  минералов с жесткой кристаллической  структурой (каолинит, гидрослюда, хлорит, палыгорскит) внутрикристаллическое набухание (расширение межслоевого расстояния при взаимодействии с молекулами воды) отсутствует. Во втором случае глинистые минералы (монтмориллонит, нонтронит) имеют раздвижную кристаллическую структуру. При гидратации таких минералов молекулы воды и обменные катионы могут проникать в межслоевое пространство и существенно увеличивать межслоевое расстояние, обусловливая этим большое внутрикристаллическое набухание.

Помимо описанных глинистых  минералов в природе также  широко распространены так называемые смешанослойные минералы, образующиеся в результате упорядоченного или неупорядоченного чередования набухающих и ненабухающих структурных слоев (монтмориллонит-гидрослюда, монтмориллонит-хлорит). По своим свойствам смешанослойные глинистые минералы занимают промежуточное положение между минералами с жесткой и раздвижной кристаллическими структурами.

Глинистые минералы обладают ярко выраженными ионно-обменными  свойствами, что совместно с малым  размером частиц и высокой удельной поверхностью (суммарной площадью поверхности  частиц в единице массы породы) определяет их повышенную адсорбционную  способность. Это замечательное  свойство позволяет использовать глины  как природные высокоэффективные  сорбенты для защиты почв, грунтов  и подземных вод от техногенных  загрязнений.

Чрезвычайно важным моментом при взаимодействии частиц глинистых  минералов с водой является формирование вокруг их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) [1, 2]. Внутренняя часть ДЭС  образована отрицательно заряженной поверхностью глинистой частицы, а внешняя  состоит из адсорбционного и диффузного слоев гидратированных катионов. Структура ДЭС во многом зависит  от pH и концентрации солей раствора, в котором он формируется. Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциируется по щелочному типу:

В щелочной среде скол диссоциирует по кислому типу:

Al(OH)3 = Al(OH)2O- + H+

В результате этого процесса боковой скол глинистой частицы  в кислой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной - отрицательно. Изменение заряда на торцевых участках глинистых частиц приводит к формированию в щелочных условиях одноименно заряженных, а в кислых и нейтральных знакопеременных ДЭС.

Толщина диффузного слоя зависит  от состава и концентрации солей  в водном растворе, окружающем частицы  глинистых минералов. Она максимальна  при отсутствии солей и резко  сокращается по мере увеличения их концентрации. Подобное поведение ДЭС  в различных физико-химических условиях является одним из главных факторов, регулирующих процессы структурообразования в глинистых осадках, и оно  оказывает сильное влияние на формирование свойств глинистых пород в ходе их геологического развития.

2.Структура глинистых пород

Другим важным фактором, определяющим свойства глинистых пород, является их структура. Под структурой понимают размер, форму, характер поверхности  и количественное соотношение структурных  элементов, их ориентацию в пространстве и тип структурных связей [3].

Изучение структуры горных пород проводится на макро- и микроуровнях. На первом выявляют все особенности строения породы визуально, а на втором - с помощью оптических и растровых электронных микроскопов (РЭМ). По отношению к тонкодисперсным глинистым породам изучение их микроструктуры приобретает особое значение.

Микроструктура глинистых  пород - чуткий индикатор условий  формирования породы, а различное  сочетание ее признаков находится  в тесной взаимосвязи со свойствами. В работах [3, 4] были подробно рассмотрены  типы микроструктур глинистых пород  и особенности их формирования в  ходе истории геологического развития. Однако для объяснения многих свойств глинистых пород, и в первую очередь прочностных и деформационных свойств глин, помимо морфологических особенностей частиц и пор, слагающих породу, чрезвычайно большую роль играет характер структурных связей, то есть сил, действующих между минеральными частицами.

В зависимости от состава  и структуры глинистой породы между частицами могут существовать такие виды взаимодействий, как гравитационные, магнитные, молекулярные, электростатические, ионно-электростатические, силы поверхностного натяжения и силы, обусловленные  химическими связями. Эти силы действуют  не по всей межфазной границе частиц, а только в местах их непосредственных контактов. Характер индивидуальных контактов, а также их количество являются важными  показателями структуры породы, от которых зависят ее прочностные  и деформационные свойства.

В глинах между минеральными частицами возможно формирование трех типов контактов: коагуляционных, переходных и фазовых. Коагуляционные контакты преобладают у молодых глинистых осадков и слабоуплотненных глин. Их характерной особенностью является наличие между частицами тонкой равновесной пленки жидкости (связанной воды), толщина которой зависит от физико-химических факторов, достигая нескольких десятков нанометров (рис. 1, а). Притяжение частиц в коагуляционном контакте обусловлено дальнодействующими молекулярными, магнитными и электростатическими взаимодействиями. Важными особенностями коагуляционных контактов являются малая прочность (10-11-10- 9 Н) и обратимый характер разрушения. После разрушения они могут быстро восстанавливаться. С этим связано явление тиксотропии молодых глинистых осадков, заключающееся в потере прочности при динамических воздействиях и ее восстановлении после снятия таких воздействий.

Переходные контакты распространены в водонасыщенных плотных глинистых породах, а также в не полностью водонасыщенных глинах, находящихся в сухом и слабовлажном состояниях. Они характеризуются небольшой (точечной) площадью соприкосновения и образованием между частицами относительно прочной связи (10- 8-10- 7 Н) за счет действия ионно-электростатических и химических (валентных) сил). Отличительной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воздействию воды, то есть способность переходить в коагуляционные контакты при увлажнении породы и восстанавливаться при высыхании.

Фазовые контакты развиты  у сильно уплотненных сцементированных глин, аргиллитов, глинистых сланцев. Они характеризуются наличием непосредственного  соприкосновения между минеральными частицами на значительной контактной площади или развитием на контакте новой фазы (кремнезема, гипса, карбонатов), цементирующей минеральные частицы  и микроагрегаты. Первый тип фазовых  контактов часто называют кристаллизационным, а второй - цементационным. Фазовые  контакты образованы ионно-электростатическими  и химическими силами, что обусловливает  их высокую прочность. Глинистые  породы с фазовыми контактами слабо  теряют свою прочность и не пластифицируются при увлажнении.

В ходе геологического развития глинистых пород наблюдаются  закономерная смена типов контактов  и изменение их прочности. Так, при  гравитационном уплотнении молодые  глинистые осадки превращаются в  пластичные глины. При этом происходит преобразование коагуляционных контактов в переходные. Дальнейшее уплотнение глин на больших глубинах при высоких давлениях и температурах приводит к трансформации переходных контактов в фазовые и формированию таких прочных глинистых пород, как аргиллиты и глинистые сланцы.

Как правило, глинистые породы, характеризующиеся присутствием того или иного типа контактов, обладают определенными свойствами. Таким  образом, зная прочность этих контактов, можно оценить величину и тип  структурных связей и дать прогноз  прочностного поведения глинистой  породы в различных условиях.

Несомненно, расчет прочности  контактов между глинистыми частицами - чрезвычайно сложная задача. Ее решение затрудняется очень малым  размером глинистых частиц и необходимостью иметь прецизионное оборудование для  изучения слабых взаимодействий.

Глинистые грунты относятся  к группе связных. Они являются продуктом  механического распада и химического  разложения горных пород. Глинистые  грунты представляют собой агрегаты мельчайших глинистых частиц чешуйчатого строения (слюда, хлорит и др.) размером менее 0,005 мм и песчаных — зернистых частиц разных размеров.

Чешуйчатая и мелкозернистая (пылеватая) фракции глинистых грунтов  имеют большую удельную поверхность  соприкасания и тонкие капилляры. Такое строение грунтового скелета и наличие пленок воды, обволакивающей частицы, придают глинистым грунтам связность и способность деформироваться под влиянием нагрузки во влажном состоянии без появления трещин на поверхности. Связность глинистых грунтов увеличивается с уменьшением влажности. Глинистые грунты благодаря своей структуре обладают малым коэффициентом фильтрации и слабой водопроницаемостью. Водопроницаемость глинистых грунтов увеличивается с увеличением размеров и количества зернистых частиц.

По процентному содержанию глинистых частиц различают глины, суглинки и супеси, а по размерам песчаных частиц — глинистые, глинисто-пылеватые  грунты. Классификация глинистых  грунтов по зерновому составу, принятая в дорожном деле, приведена в табл. 1. 

По консистенции глинистые  грунты подразделяются на твердые, пластичные и текучие. При этом по мере насыщения водой твердые глинистые грунты размягчаются и переходят сначала в пластичное, затем в текучее состояние. Процентное содержание воды при переходе из одного состояния консистенции в другое является пределом (границей) пластичности.

Таблица 1

Классификация глинистых  грунтов по зерновому состав: 

Каждый вид глинистого грунта имеет два предела пластичности. Нижний предел Wp соответствует минимальной влажности, при которой грунт из твердого состояния переходит в пластичное, и называется границей раскатывания. Верхний предел Wt соответствует максимальному проценту влажности, при котором глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее. 

Глинистые грунты в зависимости  от числа пластичности подразделяются на следующие виды:

Разность влажностей между  верхним и нижним пределами пластичности называется числом пластичности.

Так, например, если природная  влажность грунта равна 28 %, влажность нижнего предела пластичности W_Р=21 %, верхнего W_Т=48 % и число пластичности W_П=48 – 21=27 %, то это указывает на то, что, во-первых, грунт принадлежит к виду глинистых, так как число пластичности W_П=27 > 17, и, во-вторых, глина находится в пластичном состоянии, так как природная влажность ее — между верхним и нижним пределами пластичности (48 > 27 > 21).

Число пластичности глинистых  грунтов является условной характеристикой, определяющей их строительные свойства — плотность, влажность и сопротивление сжатию. С уменьшением влажности плотность возрастает, а сжимаемость уменьшается. С увеличением влажности плотность уменьшается, а сжимаемость увеличивается.

Из изложенного видно, что физические свойства песчаных грунтов  отличаются от физических свойств глинистых  грунтов. Следовательно, эти грунты отличаются друг от друга и строительными качествами.

1. Влажность песчаных грунтов колеблется от 0 % (сухой песок) до 30–45 % (насыщенный водой песок), то есть процент влажности песчаных грунтов (при полном насыщении) равен проценту пустотности и его объем не изменяется с увеличением влажности. В глинистых же грунтах влажность колеблется от 3 % (сухая глина) до 80–90 % (разжиженная глина), причем по мере насыщения их водой объем глинистых грунтов значительно увеличивается за счет изменения объема пустот между частицами — утолщения капиллярной воды.
2. Плотность песчаных грунтов (гравелистых, крупно- и среднезернистых, за исключением мелкозернистых и пылеватых) не зависит от влажности песка; песчаный грунт может быть насыщенным водой и одновременно плотным. Плотность же глинистых грунтов является функцией давления и влажности, так как сухая глина всегда плотная, а влажная или насыщенная водой всегда пластична или соответственно текучая.
3. В песчаных грунтах силы взаимодействия между частицами весьма малы (влажный песок) или отсутствуют (сухой песок или насыщенный водой песок), и потому песчаные грунты сыпучи. Глинистые же. грунты благодаря водо-коллоидным пленкам, обволакивающим частицы, обладают силами взаимодействия — связностью.
4. Уплотнение и осадка песчаных грунтов происходит одновременно с приложением силы, а глинистых грунтов — постепенно, в течений длительного времени после приложения нагрузки.
5. Песчаные грунты водопроницаемы, глинистые — водонепроницаемы или слабоводопроницаемы (суглинки) в зависимости от процентного содержания в них зернистых частиц и их диаметров.

Свойства глинистых  грунтов

Зная факторы, определяющие свойства глинистых пород, и методы оценки минерального состава и микроструктуры, попытаемся объяснить природу некоторых  важных и весьма специфических свойств глин, имеющих большое значение в жизни людей.

1.Набухаемость

Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами [1]. Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы и возникновением давления набухания.