Грунты. 
Геология

Грунтоведение — один из основных разделов инженерной геологии, который изучает состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и изменения в процессе инженерно-строительной деятельности человека.

Под грунтами понимают любые горные породы, почвы и техногенные образования, которые залегают в верхней части земной коры, представляют собой многокомпонентную динамичную систему, рассматриваемую как часть геологической среды и изучаемую в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Иными словами, грунты — это горные породы, почвы и техногенные образования, вовлеченные в строительство (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Роль грунта в строительстве:

1 — среда; 2 — материал; 3 — основание (эпюра распределения нагрузки).

Состав и строение грунтов

Грунт, как и почва, состоит из четырех фаз: твердой, представляющей минеральную часть грунта и твердое органическое вещество; жидкой, состоящей из воды, заполняющей промежутки между твердыми минеральными частицами; газовой, представленной газами в пустотах грунта, и биотической, включающей живые организмы.

Соотношение этих компонентов имеет большое значение, так как во многом определяет состав, состояние и свойства грунтов. Под влиянием природных и техногенных факторов его состав, строение и свойства могут существенно изменяться во времени. Это важнейшее положение необходимо учитывать как при строительстве, так и при эксплуатации объектов.

Характеристика твердой фазы грунтов определяется минеральным, химическим и гранулометрическим составом.

Минеральный состав грунтов состоит из первичных, породообразующих минералов (кварц, слюды, полевые шпаты и др.), формирующих скелет грунта, и вторичных, образовавшихся в процессе различных физико-химических процессов, выполняющих роль цементирующего вещества (глинистые минералы, оксиды, соли и др.). Они оказывают огромное влияние на инженерно-геологические свойства глинистых грунтов. Особенно это относится к глинистым минералам, которые отличаются высокой дисперсностью и гидрофильностью. Для инженерно-геологических целей важной является также устойчивость минералов к процессам выветривания.

Химический состав грунтов необходим для определения содержания в них различных оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и др. Химический состав имеет особое значение при изучении засоленных грунтов, так как соли оказывают значительное влияние на их состав.

Гранулометрический состав грунтов показывает содержание в грунте твердых частиц того или иного размера. Этот состав определяют только для крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов. Данные о гранулометрическом составе используют для оценки пригодности грунтов в качестве материала для отсыпки насыпей, земляных плотин, выбора оптимальных отверстий для фильтровых колонн и др. Определение гранулометрического состава производят путем разделения грунта на фракции: крупнообломочная (более 2 мм), песчаная (2—0,05 мм), пылеватая (0,05—0,005 мм) и глинистая (менее 0,005 мм).

Жидкая фаза (вода и водные растворы) наиболее изменчивая и динамичная компонента грунта. Вода в грунтах встречается в следующих видах: парообразная, связанная, капиллярная, гравитационная, твердая, химически связанная. Парообразная форма содержится в грунте в небольших количествах (не более 0,001% от массы грунта), передвигается в грунте от участков с большей влажностью к участкам с меньшей влажностью. Связанная вода не подчиняется действию сил тяжести и удерживается на поверхности минералов силами молекулярных связей, значительно превышающими силу тяжести. Связанная вода определяет такие важные свойства грунтов, как пластичность, набухание и др.

Капиллярная вода удерживается в мелких порах силами поверхностного натяжения (менисковыми силами) и в зависимости от связи с уровнем грунтовых вод подразделяется на капиллярно-подпертую и капиллярно-подвешенную (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Капиллярная вода в грунтовых условиях:

а — капиллярно-подвешенная; б — капиллярно-поднятая;

1 — атмосферные осадки; 2 — поверхность земли; 3 — водоносный горизонт; 4 — водоупорные слои; 5 — капиллярная вода; УГВ — уровень грунтовой воды; h_k — капиллярная зона, или высота поднятия капиллярной воды Капиллярная вода снижает прочностные характеристики грунтов, вызывает засоление грунтов в засушливых районах, способствует образованию морозных пучин на дорогах и др. При разработке мероприятий по борьбе с капиллярным влагонакоплением необходимо знать о максимальной высоте и скорости поднятия капиллярной воды, которые во многом определяются гранулометрическим составом.

Гравитационная вода — это подземная вода, передвигающаяся в грунтах под действием сил тяжести. При встрече водоупора дальнейшее движение происходит под влиянием грунтового потока. Эта форма воды широко используется для питьевого водоснабжения и в то же время существенно осложняет условия строительства и эксплуатацию различных сооружений, активизирует другие опасные геологические процессы.

Твердая вода (лед) содержится в грунтах в виде кристалликов, жил, прослоек. Лед скрепляет минеральные частицы грунта и повышает его прочность. При оттаивании свойства мерзлых грунтов резко изменяются и грунты теряют свою прочность.

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллических решеток различных минералов и не оказывает существенного влияния на свойства грунтов.

Газовая фаза в наибольшей степени представлена в верхней части зоны аэрации (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема залегания вод зоны аэрации и грунтовых вод (а) и вертикального распределения влажности грунта по разрезу А—Б после обильного увлажнения (б) зоны:

• 1 — аэрации; 2 — насыщения; 3 — почвенные подвешенные воды; 4 — инфильтрующие воды зоны; 5 — капиллярные; б — грунтовые воды;
• 7 — верховодка; 8 — поверхность капиллярной зоны («капиллярной каймы»); 9 — поверхность (зеркало) грунтовых вод; 10 — водоупорный пласт; 11 — направление аэрации; НВ — наименьшая влагоемкость;

ПВ — полная влагоемкость В нижней ее части, т. е. в капиллярной зоне, газов становится меньше, а в водонасыщенной зоне они практически отсутствуют. Газы, находящиеся в грунтах, отличаются от атмосферного воздуха, в них значительно больше углекислоты и меньше кислорода азота. Помимо газов атмосферного происхождения в грунтах могут быть газы геологические (вулканические, радиогенные и др.), биогенные (метан, сероводород и др.), техногенные (углеводороды, сероуглерод и др.). Газы находятся в грунтах в свободном, адсорбционном, защемленном и растворенном состоянии.

Биотическая фаза грунта представлена микроорганизмами и в меньшей степени макроорганизмами. Наибольшую роль они играют в почве и подпочвенной толще, а также в биогенных грунтах — торфе, сапропели и др. Макроорганизмы представлены высшими зелеными растениями, грибами, а также моллюсками, членистоногими, роющими животными, дождевыми червями и др. Все они оказывают либо механическое воздействие на строение и свойства грунтов, либо химическое за счет выделения углекислоты и других химически активных соединений. Микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли, актиномицеты и др.) оказывают на грунты большее влияние за счет накопления таких агрессивных продуктов их жизнедеятельности, как кислоты, щелочи, сульфиды, газы и др.