Механика грунтов. 4

1.Краткая  историческая  справка о развитии науки «механика  грунтов»

Механика грунтов как наука зародилась в середине XIX века, а сформировалась к началу XX, когда возникла необходимость прогнозирования процессов в массивах грунтов, взаимодействующих с сооружениями. В основу формирования механики грунтов легли исследования в области механики деформируемого тела, а также в области геологии и гидрогеологии. Большое влияние на развитие дисциплины оказали работы иностранных ученых Ш.Кулона, А. Дарси, Е. Винклера, Ж. Буссинеска, М. Леви, Д. Друкера, В. Прагера, Л. Прандтля, К. Терцагии российских ученых В. М. Карловича, Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, Н. Н. Маслова, В. А. Флорина, Е. М. Сергеева, Н. Я. Денисова и других.

В 1934 году был издан учебник Н. А. Цытовича, переиздававшийся семь раз вплоть до 1983 года и переведенный на многие языки мира.

В настоящее время механика грунтов  обладает развитой экспериментальной  базой и мощным механико-математическим аппаратом. Специализированные кафедры  работают в МГСУ, МГУ, СПбГАСУ, ПГУПС, МАДИ и других высших учебных заведениях.

2. Образование природных рыхлых грунтов

Грунтами строители называют верхние слои коры выветривания литосферы  и относят к ним скальные, полускальные и рыхлые горные породы. Магматические горные породы образовались в результате остывания магмы, а также в результате горнообразовательных процессов. Вследствие выветривания они постепенно превращались в рыхлые горные породы. Раздробленные частицы горных пород перемещались в пониженные части поверхности земли, где откладывались, образуя осадочные горные породы. Если в процессе горообразования они оказались близко к поверхности земли, то под воздействием химического выветривания образовывали крупноскелетные или мелкодисперсные грунты.

Выветривание горных пород - сложный  процесс, в котором выделяется несколько форм его проявления. 1-я форма - механическое дробление горных пород и минералов без существенного изменения их химических свойств - называется механическим или физическим выветриванием. 2-я форма - химическое изменение вещества, приводящее к превращению исходных минералов в новые - называется химическим выветриванием. 3-я форма - органическое (биологохимическое) выветривание: минералы и горные породы физически и главным образом химически изменяются под воздействием жизнедеятельности организмов и органического вещества, образующегося при их разложении.

Механическое (физическое) выветривание.

Породы распадаются на обломки  и превращаются в глыбы, дресву и  песок. При этом состав конечных продуктов  разрушения целиком зависит от структуры, текстуры и минерального состава  горных пород, подвергшихся разрушению.

Важнейшим фактором механического  выветривания является инсоляция, то есть нагревание поверхности горных пород солнечными лучами. Возникающее вследствие попеременного нагрева и остывания периодическое изменение объема породы вызывает ее растрескивание, нарушение связи между минералами, а также и внутри минералов. Образование и рост трещин, раскалывающих породу на куски, идет тем интенсивнее, чем больше суточная амплитуда колебаний температуры, достигающая особенно больших величин (> 40^oC) в субтропических пустынях и высокогорных областях. Образование трещин в горных породах в значительной мере зависит от их свойств - слоистости, сланцеватости, наличия спайности у минералов. Механическому разрушению способствует и так называемая первичная отдельность магматических пород, т.е. система взаимопересекающихся трещин, возникающих в породе задолго до начала ее выветривания вследствие уменьшения объема при остывании магматического тела или при воздействии тектонических сил. Первичная отдельность может быть выражена лишь невидимыми простым глазом трещинами, но при выветривании эти трещины легко расширяются и способствую разрушению породы, обусловливая характерные формы образующихся обломков в виде столбов, матрацев и т.д.

Породы с массивной текстурой, прогреваясь и остывая за день лишь на определенную небольшую глубину, начинают растрескиваться и отслаиваться по кривым поверхностям, параллельным неровным поверхностям выхода горных пород (чешуйчатая отдельность). Такой  процесс называется десквамацией или чешуением.

Породы со слоистой или сланцеватой  текстурой под влиянием инсоляции  распадаются по плоскостям на плитки, расслаиваются, разлистовываются. Слоистая толща осадочных пород, например, песчаников, имеющих различную степень цементации, выветривается неоднородно. Одни слои легко распадаются на мелкий щебень, дресву и песок, другие долго сохраняют свою монолитность. Плотные, трудно выветриваемые породы сохраняются в виде выступов, легко выветриваемые осыпаются и на их месте образуются впадины. В результате возникает очень характерная скульптура выхода пород, называемая формами выветривания. Такими формами выветривания являются различные выступы, карнизы, столбы, останцы причудливой формы и др.

Интенсивность и характер механического  выветривания зависят не только от температурного режима и других элементов  климата, но и от конкретного минерального сложения породы, от ее теплоемкости и  теплопроводности. Быстрее разрушаются  темноокрашенные породы и минералы, а также крупнокристаллические  полиминеральные породы с большим  различием коэффициентов расширения составляющих их минералов.

Механическое разрушение горных пород  особенно интенсивно в областях, где  суточная температура, отрицательная  или положительная, колеблется вокруг нуля (высокогорья, приполярные области). Особое значение получает периодически замерзающая вода, проникающая в  трещины.

Как известно, при замерзании вода расширяется на 1/11 своего объёма. Поэтому  образовавшийся лёд давит на стенки трещин с силой 890 кг/см², разрывая даже очень твёрдые породы. Эта форма разрушения горных пород называется морозным выветриванием.

Таким образом, физическое выветривание преобладает в условиях сухого континентального климата (пустыни) с резкими суточными  изменениями температуры, проявляясь в форме инсоляции и особенно широко развито в высокогорных и субполярных областях в виде морозного выветривания.

В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. Если выветривание происходит в горных областях, где имеются плоские  горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них  в виде глыб и дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи. Элювий (лат. "элюо" - вымывать) - это осадок, не подвергшийся переносу, то есть накапливающийся в результате разрушения породы на месте.

Типичные области физического  выветривания - каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Это области горизонтально лежащих пластов, образующих террасовидные поверхности с вертикальными уступами между ними. На краю уступов пласты расчленяются на останцы конусовидной формы. Понижения между останцами покрыты россыпями каменных глыб и щебнем. Более мелкий материал уносится ветром.

В процессе физического выветривания из массивных пород высвобождаются многие стойкие минералы, являющиеся полезными ископаемыми (Au, Pt, касситерит, шеелит, алмазы) и образуют россыпные месторождения.

Химическое выветривание.

Наиболее активные агенты: О₂, СО₂ и вода, а при органическом выветривании и органические кислоты. Особенно велика в этом отншении роль воды, несущей в себе растворы солей и газов. Химическое выветривание может быть выражено несколькими типами, главные из которых: растворение, окисление, восстановление, карбонатизация.

Растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности выхода горной породы или просачивающейся через её трещины и поры. При этом она избирательно выносит (выщелачивает) из породы только некоторые вещества. Сильнее всего растворяются хлориды (галит, сильвин), далее сульфаты (гипс), карбонаты (известняки, доломиты). В зависимости от величины частиц, на которые распалось вещество горной породы, различают 2 типа растворов: истинные (кристаллоидные) и коллоидные.

В первом типе раствора вещество распадается  до молекул и ионов. В таком  растворе молекулы или ионы растворённого  вещества обладают такой же подвижностью, что и молекулы растворителя - воды, что обеспечивает равномерное распределение  вещества во всей массе растворителя (диффузию). Особенностью данного типа растворов является то, что при  определённом насыщении растворённое вещество выпадает из них в осадок в твёрдом кристаллическом состоянии, т.е. превращается в минерал. Во втором типе раствора (греч. "колля" - клей) вещество распадается лишь до частиц, превышающих размеры молекул. Эти частицы представляют собой сочетание многих молекул или мелкие обломки кристаллических решёток минералов размером 0,001-0,2 мкм. Коллоиды могут быть жидкие, вязкие и студнеобразные. Коллоиды способны свёртываться (коагулировать) под влиянием электролитов - водных кристаллоидных растворов, распадающихся на ионы и способных поэтому проводить электрический ток. Свойствами электролитов обладают растворы NaCl, HCl, H₂SO₄, HNO₃, KOH, NaOH, медного и железного купороса, соды, поташа и др.

Под влиянием электролитов частицы  коллоида слипаются в хлопья и  комочки, которые начинают осаждаться, образуя гель - вещество, имеющее свойства твёрдого тела. Образование коллоидных растворов зависит от сложного сочетания физико-химических факторов и подчиняется иным закономерностям, нежели обычное растворение. Именно в форме коллоидных растворов выносится огромное количество продуктов химического выветривания, способствуя тем самым разложению минералов. Учитывая это можно сказать, что абсолютно нерастворимых веществ в природе вообще нет и что процесс растворения в той или иной форме участвует в выветривании любых минералов и горных пород.

При активном участии растворения  идёт гидролиз - разложение минералов с выносом части образующихся продуктов и сопровождающийся гидратацией.

Пример разложения полевых шпатов:

Полевые шпаты                 промежуточные минералы                                   каолинит

K, Na[AlSi₃O₈]                  (гидрослюды, гидрохлориты)                        Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈

Ca[Al₂Si₂O₈]

(катионы K, Na, Ca при взаимодействии с СО₂ превращаются в карбонаты и уносятся или остаются на месте; каркасная структура переходит в слоевую; кремнезём частично выносится в растворе, частично переходит в коллоид и выпадает в виде геля SiO₂ - опала, частично остаётся в каолините)

При выветривании в тропических  условиях иногда нарушается связь между Al и Si и образуются минералы бокситов Al₂O₃^.nH₂O и опал.

Глины, образующиеся при выветривании породы, одевают её слоем, предохраняющим от дальнейшего выветривания и представляющим собой кору выветривания. Кора выветривания -совокупность остаточных продуктов выветривания - различных элювиальных образований, развитых на материнских породах.

Характер кор выветривания и их мощность связаны с климатическими условиями, количеством осадков, поступление органического вещества. Важное значение имеет рельеф и интенсивность восходящих тектонических движений, а также состав горной породы, подвергшейся выветриванию. Наиболее благоприятными условиями для формирования кор выветривания являются выровненный рельеф и сочетание высокой температуры, большой влажности и большого количества органических веществ. В условиях жаркого климата возникает латеритная кора выветривания. Глубже расположен каолинитовый горизонт, ещё ниже - гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовый горизонт. В таёжно-подзолистой зоне умеренного климата мощность коры выветривания значительно меньше и отсутствует латеритный горизонт. В области сухих степей мощность коры ещё меньше и отсутствуют латеритный и каолинитовый горизонты. 

Окисление и гидратация. Окислению подвержены в первую очередь минералы, содержащие Fe, S, V, Mn, Ni, Co и др. Факторами окисления являются кислород воздуха и вода. В присутствии влаги закиси металлов, входящие в состав минералов, легко переходят в окиси, сульфиды - в сульфаты. Во влажном климате образуются богатые водой гидраты окислов железа.

FeS₂ + nO₂ + mH₂O FeSO₄ Fe₂(SO₄)₃ Fe₂O₃^. nH₂O

пирит                                                                  лимонит

Гидратация - поглощение минералами воды.

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄ ^. 2H₂O

ангидрит                                  гипс

Fe₂O₃ + nH₂O Fe₂O₃ ^. nH₂O

гематит                       лимонит

В жарком климате в результате интенсивного прогревания солнечными лучами и  испарения влаги вода легко отнимается от окислов Fe. При окислении железа, содержащегося в горной породе, здесь образуются бедные водой или лишённые воды минералы группы гематита (Fe₂O₃), имеющие красную окраску. Поэтому почвы коры выветривания тропической области характеризуются красной окраской и способны быстро твердеть при высыхании. Такие образования называются латеритами (лат. "латер" - кирпич). В латеритах присутствуют глинозём Al₂O₃ и гидроокислы железа. 

Карбонатизация представляет собой процесс присоединения углекислоты к продуктам изменения горных пород, приводящий к образованию карбонатов Ca, Fe, Mg и др. Подавляющее большинство карбонатов довольно хорошо растовримы в воде и поэтому выносятся ею из формирующейся коры выветривания в подстилающие породы, где часто из них отлагается, образуя стяжения (конкреции). Много карбонатов выносится в грунтовые воды, обусловливая их жёсткость, т.е. неспособность смывать жиры и давать пену в соединении с жиром. 

Восстановление является процессом, обратным окислению и заключается в потере веществом части или всего содержащегося в нём химически связанного кислорода. В условиях поверхности суши свободный кислород, содержащийся в атмосфере и водных растворах, обычно приводит к окислению продуктов выветривания и восстановление при этом не может проявляться. Оно участвует в выветривании там, где нет свободного кислорода. В условиях болот все поры пород и покрывающей их рыхлой коры выветривания заполнены водой, в которую за счёт отмирания болотнй растительности поступает много органических веществ. Все они являются сильными восстановителями, так как легко соединяются с кислородом при своём разложении. При этом не только используется весь растворённый в воде кислород, но и отнимается часть его, химически связанная в минералах породы. В результате этого окись железа Fe₂O₃ переходит в закись FeO, гидраты которой имеют зеленоватый цвет. Возникает серо-зелёная или сизая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники и называемая в почвоведении глеем. Процесс его образования называется оглеением. Наряду с этим при выветривании в восстановительной среде может происходить и образование ряда минералов, бедных или лишённых О₂ и обычно отсутствующих в коре выветривания (пирит и др.).

В результате химического выветривания образуются такие ценные полезные ископаемые, как каолин, бокситы, некоторые железные руды.

Органическое выветривание.

Разрушение горных пород организмами  осуществляется физическим или химическим путём. Простейшие растения - лишайники - способны селиться на любой горной породе и извлекать из неё питательные  вещества с помощью выделяемых им органических кислот; это подтверждается опытами посадки лишайников на гладкое  стекло. Через некоторое время  на стекле появлялось помутнение, свидетельствующее  о частичном его растворении. Простейшие растения подготавливают почву  для жизни на поверхности горных пород более высокоорганизованных растений.

Древесная растительность иногда появляется и на поверхнсти горных пород, не имеющей рыхлого почвенного покрова. Корни растений используют при этом трещины в породе, постепенно их расширяя. Они способны разорвать даже очень плотную породу, так как тургор, или давление, развиваемое в клетках ткани корней, достигает 60-100 атм. Значительную роль в разрушении земной коры в её верхней части играют земляные черви, муравьи и термиты, проделывающие многочисленные подземные ходы, способствуя проникновению вглубь почвы воздуха, содержащего влагу и СО₂ - мощные факторы химического выветривания.

2.1. Роль физического, химического и других видов выветривания

Способствуя дроблению и  химико-минералогическому преобразованию горных пород, выветривание облегчает  воздействие на породу всех других агентов денудации — ветра, движущихся вод, льда и снега.Обломки пород и измельченные или растворимые минералы легче оторвать от массива и унести в виде взвесей (мути, пыли) или в растворе. Оставшиеся на месте продукты называются корой выветривания, ав верхней наиболее преобразованной зоне — элювием. Ослабляя, разрушая или преобразуя структурные связи, выветривание" делает горные породы менее прочными, ухудшая строительные свойства последних.

При проектировании зданий и  сооружений на элювии или коре выветривания как" на основании сильно ослабленные  породы вырезают или упрочняют, уплотняя, цементируя их и т. д. Крутизну откосов  выемок назначают, принимая в расчет прочность пород элювия и коры выветривания, возможность изменения  ее после вскрытия массива выработкой и, следовательно, обнажения новых  поверхностей. Элювий неоднородного строения и состава, в котором по простиранию и глубине разреза часто чередуются участки глинистого (суглинистого) и дресвяно-песчаного материала, не рекомендуется укладывать в тело земляных сооружений во избежание создания очагов скопления влаги в песке и дресве среди не пропускающего воду глинистого материала.

2.2. Структура и текстура грунта

При свободном падении  частиц, имеющих размеры песчаного  зерна (более0,05 мм), образуется простая зернистая структура, в которой преобладают силы тяжести по сравнению с коллоидными (осмотическими) силами, в результате чего наблюдается наибольшее число контактов твердых частиц. Формирование структуры природных грунтов с твердыми. Размер контактных площадок зависит от формы минеральных частиц, а возникающие в контактах электромолекулярные силы зависят от состояния поверхности частиц и минералогического их состава. Так как силы взаимодействия между минеральными частицами намного меньше по сравнению с их весом, то частица падает свободно, скатываясь в углубления, и образует рыхлую зернистую структуру. Если грунт подвергнуть встряхиванию, то произойдет перемещение частиц, грунт уплотнится (в единице объема грунта минеральных частиц станет больше) и примет плотную зернистую структуру.

При свободном падении  частиц в воде в точках соприкасания они будут соединены адсорбированными пленками воды. Если силы сцепления в точках соприкасания падающей частицы с ранее осевшими настолько значительны, что превзойдут силу веса частицы (при очень малых частицах), то оседающие частицы остаются там, где они вначале коснулись осадка, в результате чего структура становится сотообразной, или губчатой. Если размер минеральных частиц менее 1 мк (0,001 мм), то они уже будут обладать свойствами коллоидных частиц и при погружении в воду долгое время будут находиться во взвешенном состоянии. Если в суспензию прибавить несколько капель электролита то силы отталкивания между частицами уменьшаются и частицы получают возможность сближаться. При столкновении частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой. Подобным путем образуются сложные хлопьевидные структуры.

Основные типы структуры  грунтов.

а — зернистая; б — сотообразная (губчатая); в — хлопьевидная

При полном диспергировании  глинистого осадка, когда минеральные  частицы не слипаются в агрегаты, в зависимости от насыщения теми или иными ионами образуются следующие  два вида весьма рыхлой структуры  глинистых осадков: флоккулентная карточная и палочно-соломенная.

Приведенные данные, показывающие влияние на структуру осадков  насыщения теми или иными ионами, могут быть весьма полезны при  оценке поведения глинистых грунтов  при сдвиге.

Структура природных  грунтов, особенно глинистых, весьма сложна. Наряду с разнообразием частиц, участвующих в строении грунта, имеет существенное значение и наличие в воде электролитов, коллоидов, органических склеивающих веществ и др.

Под текстурой  грунтов следует понимать совокупность признаков, характеризующих неоднородность сложения грунтовой толщи в пласте, т. е. неоднородность в расположении структурных и механических элементов в отдельных пластах грунта. 

Основные типы текстуры грунтов

а — слоистая (ленточная); б — порфировая; в — ячеистая; г — слитная

Текстура грунтов обязана  своим происхождением как условиям образования грунтовых отложений, например периодичности осаждения  частиц в текучей и спокойной  воде, так и последующим изменениям в величине и направлении внешнего давления. Различают следующие основные виды текстуры грунтовых толщ: слоистая, порфировая, ячеистая и слитная.

Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов, среди которых  можно различать ленточное сложение (например, в тонкослойных озерно-ледниковых отложениях с перемежающимися тонкими  глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое  в некоторых видах мелководных  морских отложений, и сланцеватое  в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом  прошлом значительным давлениям  с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все  ее разновидности делают грунты анизотропными, т. е. физические свойства таких грунтов (например, водопроницаемость, сопротивление  сдвигу, упругость и пр.) будут  резко различны в различных направлениях.

В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный — глинистый) участвуют  в общем сопротивлении грунта действию внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу и упругость  грунтов, будут зависеть главным  образом от свойств мелкодисперсного материала, в который включены крупные  обломки горных пород.

Ячеистая текстура характерна для некоторых видов засоленных, а также для дисперсных мерзлых грунтов, промерзание которых происходило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направлениях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд отдельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компонентов, составляющих грунт, например прослойками солей, льда и т. п., образуя подобие ячеек.

Наконец, слитной текстурой обладают некоторые древние глины и илы, подвергавшиеся в геологическом прошлом значительным давлениям, а также некоторые разновидности лессов и лессовидных суглинков, недоуплотненных, но сцементированных солями.