Происхождение горных пород
Происхождение, состав и физические свойства грунтов
По своему происхождению (генезису) горные породы делятся на:
· магматические (образовались при остывании магмы и горообразовательных процессах);
· осадочные (образовались в результате физического и химического выветривания горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды и воздуха);
· метаморфические (образовались в результате изменений магматических и осадочных пород под влиянием высоких температур и больших давлений).
В общем случае грунт состоит из трех компонентов (трехфазная система):
· твердые минеральные частицы;
· вода в различных видах и состояниях;
· газообразные включения.
|
Состав грунта:
| |||
Грунт, состоящий из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, является двухкомпонентной (двухфазной системой).
Мерзлые грунты содержат лед и являются четырехкомпонентными (четырехфазными) системами.
|
|
Состав грунтов оказывает существенное влияние на его механические свойства.
Твердые минеральные частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам твердых минеральных зерен.
Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов, которые в совокупности образуют пространственную структуру грунта, способную сопротивляться изменениям объема и формы.
Такие минералы, как кварц, полевой шпат, гидрофобны и не меняют свойств в водной среде. Среди осадочных пород такими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующиеся при их цементации песчаники и конгломераты.
К растворимым в воде минералам относятся гипс, кальцит, галит и некоторые другие. Такие породы, как мрамор, известняк, гипс сложены водорастворимыми минералами.
В состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения. Органические вещества в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса. Наличие небольшого количества таких веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5 % в пылевато-глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.
Вода в грунтах.
Ее виды и свойства могут быть весьма разнообразными в зависимости от ее содержания и величины электромолекулярных сил взаимодействия с минеральными частицами. Твердые частицы грунта имеют на поверхности кристаллических минералов отрицательный заряд статического электричества. Молекулы воды, являющиеся диполями (атом кислорода заряжен положительно, два атома водорода – отрицательно), попадая в поле заряда минеральной частицы, притягиваются к ее поверхности. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоями молекул воды.
|
|
Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной. Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул образуют пленки прочно связанной адсорбированной воды. Свойства этой воды существенно отличаются от свойств свободной воды, а плотность достигает 1,2-1,4 г/см3, она имеет повышенную вязкость и не замерзает при температуре до –100о С.
Следующие слои молекул связаны с минеральной частицей значительно меньшими силами, образуют слой рыхлосвязанной воды. Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью твердых частиц, образуют свободную (гравитационную) воду и капиллярную. Свободная вода подчиняется законам гидравлики, передает гидростатическое давление и может перемещаться под действием разности напоров. За счет сил поверхностного натяжения вода в капиллярах поднимается над уровнем подземных вод на высоту от 3,5 см в песках до 6,5 м в суглинках.
Структура грунта определяется размерами, формой частиц грунта, их количественным соотношением в единице объема.
В условиях естественного залегания грунты состоят из совокупностей частиц разного размера и формы.
Твердые частицы грунта принято классифицировать по размерам, мм:
· валунные > 200 мм;
· галечные (щебенистые) 200 – 20 мм;
· гравелистые (дресвяные) 20 – 2 мм;
· песчаные 2 – 0,5 мм;
· пылеватые 0,05 –0,005 мм;
· глинистые < 0,005 мм.
Песчаные частицы подразделяются на крупные, средней крупности, мелкие и тонкие, а пылеватые – на крупные и мелкие.
Крупные частицы грунта разделяют просеиванием через сита, а частицы менее 0,1 мм определяют по скорости падения частиц в воде.
Глинистые минералы в большинстве случаев гидрофильны, что обусловлено их поверхностной активностью по отношению к воде. Глинистые минералы имеют пластинчатую (каолинит, монтмориллонит) или игольчатую (аттапульгит) форму с размерами кристаллов 1-2 мкм. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см3 или 1 г). Например, частицы глинистого минерала каолинита имеют удельную поверхность 10 м2/г, а монтмориллонита – 800 м2/г. Содержание глинистых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунтов.
Таблица 1.1
Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов
по гранулометрическому составу
Наименование грунта | Размер частиц, мм | Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта |
Крупнообломочный: валунный (глыбовый) галечный (щебенистый) гравийный (дресвяный) Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый | > 200 > 10 > 2 > 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1 | > 50 > 50 > 50 > 25 > 50 > 50 75 < 75 |
В зависимости от процентного соотношения (по массе) в единице объема того или иного размера частиц грунты подразделяются на типы (табл. 1.1).
Пылевато-глинистые грунты принято классифицировать в зависимости от количества глинистых частиц в процентах (по массе) (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Классификация пылевато-глинистых грунтов
Наименование грунта | Содержание глинистых частиц по массе, % | Число пластичности |
Глина Суглинок Супесь | > 30 30-10 10-3 | > 17 17 7 |
Текстура грунта определяет пространственное расположение частиц и их агрегатов, зависящих от условий образования грунта. Различают слоистую, слитную и ячеистую текстуры.