Залежно від співвідношення у грунтах різних компонентів розрізняють чотирьох-, трьох-, двох- і однокомпонентні системи.

Рис. 9.1. Схема складових частин ґрунту:

а – абсолютно суха порода (однокомпонентна система); б і в – трикомпонентні системи; г – двохкомпонентна система; 1 – зерна породи (кістяк); 2 – повітря; 3 – плівка зв'язаної води; 4 – затиснені пухирці повітря; 5 – вода

Ґрунт, наприклад, являє собою чотирьохкомпонентну систему (мінеральні частки + вода + гази + гумус), глинистий ґрунт – трьохкомпонентну (мінеральні частки + вода + гази), повністю водонасичений ґрунт – двохкомпонентну (мінеральні частки + вода). У природних умовах однокомпонентні системи практично відсутні, тому що навіть у таких ґрунтах, як граніт, піщаник і ін., завдяки наявності мікропор і тріщин, може втримуватися повітря або вода.

Співвідношення твердої, рідкої, газової й біотичної компонент має найважливіше значення, тому що багато в чому визначає склад, стан і властивості ґрунтів. Варто враховувати, що на ці параметри впливає не тільки відносний вміст окремих компонентів ґрунту, але й характер взаємодії між ними. Він може мати як хімічну природу (окислювання, розчинення й ін.), так і фізико-хімічну (іонний обмін, утворення подвійного електричного шару й ін.).

Важливо підкреслити також, що ґрунт не тільки багатокомпонентна система зі складною взаємодією між окремими його складовими елементами, але й досить динамічна система. Під впливом природних і техногенних факторів його склад, будова й властивості можуть істотно змінюватися в часі. Це найважливіше положення необхідно враховувати при оцінці поводження ґрунтів як при будівництві, так і в період експлуатації об'єктів.

9.1.2. Тверда компонента ґрунту. Мінеральний, хімічний і гранулометричний склад

Для характеристики твердої компоненти ґрунту визначають його мінеральний, хімічний і гранулометричний склад.

Мінеральний (або мінералогічний) склад ґрунтів. Тверда компонента ґрунтів складається з первинних і вторинних мінералів (часток). Первинні, або породотворчі, мінерали (кварц, слюди, польові шпати й ін.) утворять кістяк ґрунту. Вторинні (глинисті мінерали, оксиди й гідроксиди заліза й алюмінію й ін.) мінерали, що утворилися в результаті різних фізико-хімічних процесів, виконують роль цементуючої речовини. Вони впливають на інженерно-геологічні властивості глинистих ґрунтів. Особливо це відноситься до глинистих мінералів (гідрослюда, каолініт, монтморилоніт та ін.), які відрізняються винятково високою дисперсністю (розмір часток менше 1 мкм) і гідрофільністю (особливо мінерали типу монтморилоніту).

До групи вторинних мінералів відносяться й прості мінерали – солі, розчинні у воді. Серед них виділяють: легкорозчинні – галіт, мірабіліт та ін.; середньорозчинні – гіпс, ангідрит і важкорозчинні – кальцит, доломіт, та ін.

Для інженерно-геологічних цілей важливою є також класифікація мінералів по їхній стійкості до руйнівних процесів вивітрювання. До досить стійких відносять кварц, циркон, магнетит та ін.; до середностійких – польові шпати, слюди, хлорит, піроксени та ін.; до слабостійких – гіпс, галіт, ангідрит, лімоніт та інші мінерали.

У деяких ґрунтах, переважно глинистих, можуть утримуватися органічна речовина й органомінеральні комплекси.

Тверда компонента ґрунту може бути представлена й льодом у вигляді дрібних кристалів, рівномірно розподілених у ґрунті, або більш-менш великих лінз (прошарків) (багаторічномерзлі ґрунти).

Хімічний склад ґрунтів може бути визначений за допомогою валового (загального) хімічного аналізу, що показує вміст у ґрунті різних оксидів: SiО₂, A1₂O₃, Fe₂O₃, CaО, MgО, Na₂O, K₂O і ін. В інженерно-геологічних цілях цей вид аналізу застосовується порівняно рідко (діагностика складу глинистих мінералів і ін.). Значно частіше для характеристики хімічного складу засолених ґрунтів використовують водні витяжки (для легкорозчинних солей) і солянокислі (для середньо- та важкорозчинних солей). Ці аналізи важливі, тому що присутність у ґрунті, наприклад, легкорозчинних солей значно впливає на їхні властивості.

Гранулометричний (зерновий, механічний) склад показує вміст у ґрунті твердих часток того або іншого розміру, виражений у відсотках до маси абсолютно-сухого ґрунту.

Гранулометричний склад визначають тільки для великоуламкових, піщаних і глинистих ґрунтів. Крім класифікаційної характеристики дані про гранулометричний склад використовують для оцінки придатності ґрунтів як матеріалу для відсипання насипів, земляних дамб, складання оптимальних дорожніх сумішей ґрунту та ін.

В поняття „гранулометричний склад” входить визначення кількісного вмісту в ґрунті тільки первинних часток (не зчеплених у мікроагрегати). Тому в процесі підготовки ґрунту до аналізу природні мікроагрегати руйнують і розділяють їх на первинні частки. Таким чином, гранулометричний склад характеризує не природну, а граничну дисперсність (ступінь роздробленості), що постійна для даного ґрунту й може служити класифікаційним показником.

Для більш повного уявлення про дисперсність ґрунту й характер структурних зв'язків визначають і його мікроагрегатний склад, що показує кількісний вміст у природному ґрунті твердих водостійких мікроагрегатів.

Визначення гранулометричного (зернового) складу проводять шляхом поділу ґрунту на фракції, тобто на групи часток із близькими по величині розмірами, і встановленням їхнього процентного вмісту (табл. 9.1).

Таблиця 9.1

Основні гранулометричні фракції

Гранулометричний аналіз піщаних ґрунтів виконують шляхом послідовного їхнього розсіювання на ситах з отворами діаметром 10; 5; 2; 1; 0,5;.0,25 і 0,10 мм. Основним методом гранулометричного аналізу глинистих ґрунтів, що використовується в інженерно-будівельній практиці, є ареометричний. Метод заснований на визначенні щільності глинистої суспензії через певні проміжки часу за допомогою скляної трубки – ареометра. Розрахунок діаметра часток і процентного вмісту фракцій здійснюється по спеціальній номограмі з урахуванням показників ареометра, температури суспензії та ін.

Найпоширенішою й загальноприйнятою класифікацією піщано-глинистих ґрунтів є видозмінена тричленна класифікація В. В. Охотина (табл.9.2).

Таблиця 9.2

Класифікація піщано-глинистих ґрунтів за гранулометричним складом

З табл. 9.2 видно, що піщано-глинисті ґрунти по вмісту часток < 0,005 мм (в %) діляться на чотири основних види: глина > 30; суглинок 30 – 10; супісок 10 – 3 і пісок < 3.

9.1.3. Рідка компонента ґрунту. Види води в ґрунтах

Рідка компонента (вода й водяні розчини) – найбільш мінливий і динамічний компонент ґрунту. Перебуваючи в постійній взаємодії з іншими компонентами ґрунту – твердою, газовою та біотичною (живою) – вона має досить значний вплив на формування й перетворення стану й властивостей ґрунтів, особливо найпоширеніших ґрунтів – глинистих.

Види води в ґрунтах

Уперше класифікація видів води в ґрунтах була запропонована А. Ф. Лебедєвим в 1936 р. Надалі вона неодноразово піддавалася змінам і доповненням. В узагальненому виді вона може бути представлена у вигляді класифікації, запропонованої Е. М. Сергєєвим (1982):

I.           Вода у формі пари.

II.          Зв'язана вода:

1)     міцнозв’язна (гігроскопічна) вода;

2)     слабозв’язна вода;

3)     капілярна вода.

ІІІ.             Вільна (гравітаційна) вода.

IV.           Вода у твердому стані.

V.           Кристалізаційна вода й хімічно зв'язана вода.

Вода у формі пари втримується в ґрунті в невеликих кількостях (не більше 0,001 % від всієї маси ґрунту). Пересувається в порах ґрунтів від ділянок з більшою вологістю й температурою до ділянок з їхніми меншими значеннями. Водяна пара конденсується при зниженні температури й може служити додатковим джерелом живлення підземних вод.

Зв'язана вода по своїй будові й властивостям різко відрізняється від вільної (гравітаційної води). Вона не підкоряється дії сил тяжіння й утримується на поверхні мінералів силами молекулярних зв'язків, значно перевищуючу силу тяжіння.

Однією з різновидів зв'язаної води є міцнозв’язна вода, що утворюється за рахунок притягання молекул води до адсорбційних центрів поверхні мінеральних часток. Цю воду називають ще гігроскопічною і адсорбційною, і втримується вона в мікропорах і тріщинах розміром менше 0,001 мкм. Міцнозв’язна вода має велику в'язкість і пружність, замерзає при температурі нижче -4°С, видаляється із ґрунту при t > 100°С. Впливає на міцнісні, деформаційні та інші характеристики ґрунтів. Найбільший вміст міцнозв’язної води втримується у високодисперсних глинах монтморилонітового складу.

Слабозв’язана (плівкова) вода є водою перехідного типу (від зв'язаної до вільної). Не підкоряється закону тяжіння, має щільність більше 1 г/см³, замерзає при t < 0°C і має інші ознаки зв'язаної води, однак за певних умов за рахунок менш міцного зв'язку з поверхнею мінеральних часток може переходити у вільну воду. Залежно від величини вологості, температури, концентрації солей та інших факторів пересувається від часток з більшою товщиною плівки до часток з меншою її товщиною. Слабозв’язана вода багато в чому визначає такі важливі властивості глинистих ґрунтів, як пластичність, набухання, консистенція та ін.

Іншим розповсюдженим видом води перехідного типу є капілярна вода, що втримується в дрібних порах і тріщинах силами поверхневого натягу (менісковими силами). Залежно від того, чи з’єднується капілярна вода з рівнем ґрунтових чи вод ні, розрізняють капілярно-підняту та капілярно-підвішену воду.

Перша залягає безпосередньо вище рівня ґрунтових вод, утворюючи капілярну зону, потужність якої залежить від радіусу капілярів і коливається від 0 (гравій, галька) до 3-4 м у суглинках і 6-8 м у піщаних глинах. Друга - утворюється в тонко- і дрібнозернистих пісках при просочуванні атмосферних опадів з поверхні землі в зону аерації.

Капілярна вода викликає появу вогкості в підвальних приміщеннях, знижує міцнісні характеристики ґрунтів і нерідко викликає засолення ґрунтів у посушливих районах. При розробці заходів щодо боротьби з капілярним вологонакопиченям необхідно мати у своєму розпорядженні дані про максимально можливу висоту й швидкість підняття капілярної води, які багато в чому визначаються гранулометричним складом ґрунтів.

Вільна (гравітаційна) вода – це підземна вода, що володіє усіма властивостями звичайної рідкої води. Вона не пов'язана з поверхнею мінеральних часток і не втримується менісковими силами, а пересувається по порах і тріщинах під дією сили тяжіння. Після зустрічі на своєму шляху водотривкого шару подальший рух вільної води відбувається під впливом напору (вода ґрунтового потоку).

Вільна (гравітаційна) вода широко використовується для цілей питного водопостачання. У той же час вона істотно ускладнює умови будівництва й експлуатацію різних споруд, зокрема викликає підтоплення територій і активізує інші небезпечні геологічні процеси.

Вода у твердому стані (лід) може втримуватися в ґрунтах у вигляді кристаликів, жил, прошарків, лінз. Лід скріплює мінеральні частки ґрунту й підвищує його міцність. При відтаванні властивості мерзлих ґрунтів різко змінюються й ґрунти втрачають свою міцність.

Кристалізаційна вода й хімічно зв'язана (конституційна) вода входять до складу кристалічних решіток різних мінералів. Наприклад, гіпс – CaSO₄ • 2Н₂О містить кристалізаційну воду, а лімоніт Fe₂O₃ • nН₂О – хімічно зв'язану воду, для видалення якої необхідно нагріти зразок до 200°С.

9.1.4. Газова компонента ґрунтів

Значна частка пор і тріщин у ґрунтах може бути зайнята газами – киснем, азотом, вуглекислотою та ін. Найбільший вміст газової компоненти відзначається у верхній частині зони аерації. У нижній її частині, тобто в капілярній зоні, газів стає менше, а у водонасиченій зоні вони практично відсутні.

Гази, що перебувають у ґрунтах, відрізняються від атмосферного повітря, у них значно більше вуглекислоти (С₂), а кисню (О₂) і азоту (N₂) менше через поглинання їх ґрунтом.

Значну роль у різних процесах, що протікають у ґрунтах, відіграє водяна пара, що має звичайно атмосферне походження.

Вона легко переміщується у ґрунті від ділянок з більшою пружністю до ділянок з меншою пружністю, утворюючи інші види води шляхом конденсації.

Крім газів атмосферного походження у ґрунтах можуть бути також гази геологічні (вулканічні, радіогенні – радон, гелій та ін.), біогенні (метан, сірководень та ін.), техногенні (сірковуглець, вуглеводні та ін.).

Гази у ґрунтах можуть перебувати в наступних станах: а) вільному, легко пересуваючись у порах і тріщинах; б) адсорбованому, міцно втримуючись на поверхні мінеральних часток; в) затисненому (у порах і мікротріщинах), будучи оточеними, з усіх боків водою, і г) розчиненому в поровій воді стані.

Загальна кількість вільних і адсорбованих газів, що втримуються в одиниці маси або об’єму ґрунту в природних умовах, називається газоносністю.

Найбільший вплив газова компонента маєь на властивості й стан піщаних і глинистих ґрунтів. Наприклад, біогенні гази, що втримуються в молодих озерно-болотних і мулистих ґрунтах мілководдя, підтримують ці відклади в неущільненому, рухливому стані, створюючи значні труднощі при їхньому будівельному освоєнні. До того ж виділення із цих відкладів метану, сірководню й інших токсичних біогенних газів становить значну небезпеку при проходці гірських виробок. Не менш небезпечні виділення біогенних газів, особливо метану, з техногенних ґрунтів.

У будівельній практиці відомі випадки деформацій земляних насипів і укосів через прорив значних об’ємів затисненого газу при капілярному усмоктуванні в них води. Деякі гази, особливо сірководень (H₂S), можуть підвищувати корозійну активність ґрунтів стосовно металевих конструкцій. Значна роль газової компоненти й у розвитку таких фізико-хімічних процесів, як окислювання, розчинення та ін., що сприяють хімічному вивітрюванню ґрунтів.

9.1.5. Біотична (жива) компонента ґрунту

Біотична (жива) компонента ґрунту представлена мікроорганізмами й у меншій мірі макроорганізмами. Найбільшу роль вони грають у ґрунті й підґрунтовій товщі, а також у біогенних ґрунтах – торф, сапропелі та ін.

Макроорганізми представлені вищими зеленими рослинами, грибами, що розкладають складні органічні сполуки, а також молюсками, членистоногими, риючими тваринами (кротами, гризунами й ін.), дощовими хробаками та ін. Всі вони здійснюють або механічний вплив на будову й властивості верхньої частини ґрунтової товщі, або хімічний – за рахунок виділення вуглекислоти й інших хімічно активних з'єднань.

Ще більший вплив на тверду, рідку й газову компоненти ґрунту здійснюють мікроорганізми (бактерії, мікроскопічні гриби й водорості, віруси, дріжджі, актиноміцети й ін.), кількість яких може досягати декількох мільйонів осіб в 1 г ґрунту.

На склад і властивості ґрунтів вони впливають головним чином шляхом нагромадження таких агресивних продуктів їхньої життєдіяльності, як кислоти, луги, сульфіди, гази С₂, H₂S, NH₃ і ін. Певне значення має й особиста участь мікробних співтовариств в електрохімічних реакціях на поверхні мінеральних часток, зокрема в розвитку біокорозії. Так, наприклад, тіонові бактерії, що живуть у ґрунтах можуть сприяти утворенню агресивних кислих вод з високою біокорозійною активністю стосовно підземних споруд.

Тому при інженерно-геологічних дослідженнях поряд з іншими компонентами ґрунту детальному вивченню піддається й біотична компонента ґрунту.

9.2. Текстура, структура й структурні зв'язки в ґрунтах

Структурно-текстурні особливості й характер структурних зв'язків є одними з найважливіших показників при інженерно-геологічному вивченні ґрунтів. У сукупності вони відбивають умови формування ґрунтів і багато в чому визначають їхню будову й властивості.

Текстура – це особливості будови ґрунту, обумовлені орієнтуванням і просторовим розташуванням окремих зерен, мінеральних часток, агрегатів і інших структурних елементів. У першу чергу текстура характеризує неоднорідність будови ґрунту й орієнтованість його основних структурних елементів.

У магматичних ґрунтах розрізняють наступні текстури: масивну, порфірову, шарувату (темні й світлі мінерали розташовуються у вигляді смуг, що чергуються), флюїдальну (дрібні кристали як би обтікають більші кристали) і ін. У метаморфічних ґрунтах розвинені сланцювата, гнейсоподібна, масивна та інша види текстур. Найбільшою розмаїтістю відрізняються текстури осадових порід, які поділяють на безладні й упорядковані (орієнтовані). До перших відносять масивні, глибові, грудкуваті, горіхоподібні та ін. Серед упорядкованих виділяють шаруваті, прихованошаруваті, листуваті, плитчасті й лускаті текстури.

Всі зазначені типи текстур у тій або іншій ступені впливають на інженерно-геологічні властивості ґрунтів і їхнє поводження під навантаженнями, в укосах будівельних виїмок, на схилах і т.д. Текстурні особливості можуть сприяти зниженню міцності ґрунтів, збільшувати їхню стискальність, обумовлювати різку анізотропність властивостей у різних напрямках, збільшувати водопроникність, прискорювати вивітрювання ґрунтів та ін.

Під структурою ґрунту розуміють особливості його внутрішньої будови, обумовлені розміром, формою й кількісним співвідношенням окремих зерен, часток і агрегатів, а також характером взаємозв'язку їх один з одним.

Структура ґрунту, так само як і текстура, відбиває його генезис і наступні перетворення. У магматичних ґрунтах за ступенем кристалічності виділяють повно-, неповнокристалічну й скляну структури, по абсолютних розмірах зерен – гігантозернисту (> 50 мм), грубозернисту (50-5 мм), середньозернисту й (5-1 мм), дрібнозернисту (<1 мм) і прихованокристалічну.

Характерною рисою структур метаморфічних порід є їх повнокристалічність.

Досить різноманітні структури осадових ґрунтів. Так, наприклад, в осадових уламкових зцементованих ґрунтах виділяють структури псефітові (брекчії й конгломерати), псамітові (піщаники), алевритові й ін. В осадових уламкових пухких – щільні й роздільно-зернисті структури, у глинистих ґрунтах залежно від розмірів агрегатів розрізняють макро-, мезо- і мікроагрегатні структури. Структурно-текстурні особливості ґрунтів вивчають візуально або за допомогою поляризаційного мікроскопа, а мікроструктури (мікротекстури) – за допомогою електронного мікроскопа й спеціальної рентгенівської зйомки.

Найважливішою інженерно-геологічною характеристикою ґрунтів є їхні структурні зв'язки, тобто зв'язки між структурними елементами (частками, зернами, агрегатами й ін.).

По своїй природі структурні зв'язки можуть бути кристалізаційними, цементаційними, водно-колоїдними й механічними. Залежно від характеру структурних зв'язків, відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТУ 25100-95, виділяють чотири основних класи ґрунтів, які будуть розглянуті нижче.

Кристалізаційні й цементаційні тверді зв'язки характерні для магматичних і метаморфічних ґрунтів, а також для деяких осадових порід – уламкових зцементованих (піщаники, конгломерати та ін.), хімічних (вапняки, гіпси та ін.) і органічних (крейда, опока та ін.). Ці найбільш міцні й необоротні структурні зв'язки надають ґрунтам твердість і більшу міцність. Кристалізаційні зв'язки, що виникають у ґрунтах при негативній температурі й характерні для мерзлих ґрунтів, звуться кріогенними.

Водно-колоїдні структурні зв'язки властиві пухким осадовим ґрунтам, в основному – глинистим. Зв'язки цього типу оборотні – при руйнуванні вони можуть відновлюватися. Ґрунти з водноколоїдними зв'язками розмокають у воді або набухають; при висиханні дають усадку, міцність їх невисока.

Механічні зв'язки характерні для піщаних і великоуламкових ґрунтів. Ґрунти з подібними структурними зв'язками слабко стисливі й гарно водопроникні, міцність їх висока й середня.