Засоленные грунты

Засоленные грунты, содержащие воднорастворимые соли: легкорастворимые (хлористые и сернокислые соли натрия, калия, магния, карбонаты натрия, хлориды кальция, нитраты натрия и магния и др.), среднерастворимые. (сульфаты кальция) и труднорастворимые (карбонаты кальция и магния, фосфаты кальция, алюминия, железа).

Засоленность грунтов (состав и количество содержащихся в них растворимых солей) зависит от генетич. типа грунта, условий его залегания и характера современных геохимич. процессов. Засоленными могут быть грунты различного возраста, залегающие на глубине и на поверхности земли, в т. ч. почвы.

Засоленными называются грунты, содержащие солевые включения в количестве, влияющем на физико-механические и электрохимические свойства, и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека. Присутствие в рыхлых раздробленных горных породах (грунтах) растворимых солей обусловливает их специфические свойства.

Содержание солей в грунте характеризуется степенью засоленности грунта, под которой понимается отношение массы солей к массе сухого грунта в единице объема.

Засоленные грунты при фильтрации воды могут подвергаться суффозии. Выщелачивание, т.е. процесс, при котором некоторые компоненты твердого вещества избирательно переходят в раствор, называется химической суффозией, а вынос водой отдельных мельчайших минеральных частиц — механической суффозией. Процесс химической суффозии можно представить следующим образом. Фильтрующаяся вода растворяет соли на стенках пор и в легко доступных местах; таким образом она способствует увеличению пористости.

Вода, движущаяся по порам, растворяет, расслабляет и разрушает солевые кристаллические связи между твердыми частицами, в результате чего их может перемещать фильтрат. Если поры грунта позволяют и скорость движущегося фильтрата достаточно велика, то мельчайшие частицы грунта подвергаются переносу механической суффозии, которая может привести к разрыхлению грунта или кольматации. Если после слоя грунта, подверженного суффозии, в направлении фильтрации распространен более пористый крупнозернистый грунт (или свободное пространство), то в слое, где происходит суффозия, происходит разрыхление. Если после слоя грунта, из которого происходит вынос частиц, расположен более плотный мелкозернистый грунт, то будет развиваться кольматация.

Первое условие, при котором возможна механическая суффозия, — это соотношение размеров крупных и мелких частиц грунта: по данным разных авторов, оно должно быть примерно равно 20 или более. Соотношение же диаметра пор и диаметра преобладающей в грунте фракции должно быть более 8. Ниже приведены значения критических скоростей фильтрации, необходимых для выноса и перемещения частиц соответствующих размеров:

Следует отметить, что для развития механической суффозии необходимо турбулентное движение, поскольку при ламинарном движении грунтовые частицы постепенно оседают и может произойти закупорка пор. В.Д. Ломтадзе считает, что для возникновения критической скорости фильтрации нужен гидравлический градиент больше 5. B.C. Истомина, изучавшая условия развития суффозии, установила, что при больших значениях неоднородности грунта суффозия возможна и при малых градиентах. Суффозия может происходить внутри разнозернистого массива грунта и на его поверхности под действием проточной воды. Различают внутреннюю, контактную и внешнюю суффозию.

Деформации засоленных грунтов оцениваются относительным суффозионным сжатием, равным отношению абсолютного суффозионного сжатия к мощности суффозионно-деформируемого грунта. Абсолютное суффозионное сжатие равно величине уменьшения мощности засоленного грунта в результате сжатия при постоянном вертикальном давлении и непрерывной фильтрации воды, вызывающей суффозию. Суффозионное сжатие засоленного грунта происходит после достижения некоторого минимального давления, называемого начальным давлением суффозионного сжатия.

Основания, сложенные засоленными грунтами, при длительной фильтрации воды и выщелачивании солей испытывают суффозионную осадку.

Химическая и механическая суффозии могут вызвать развитие суффозионных оползней в результате уменьшения прочностных характеристик водонасыщенного засоленного грунта.

При увлажнении и выщелачивании засоленных грунтов могут изменяться их плотность, прочность, деформируемость и водопроницаемость. В слабопроницаемых глинистых грунтах выщелачивание обычно сопровождается диффузионным растворением.

Особые свойства засоленных грунтов в основном обусловлены растворимостью солевых включений. В этой связи различают легко-, средне- и труднорастворимые соли. Растворимость солей зависит от многих факторов: химического состава и температуры растворителя, давления, скорости движения потока и т. д. Например, Е.М. Сергеев указывает, что растворимость солей (в том числе минералов) зависит от энергии кристаллической решетки.

Растворимость карбоната кальция быстро растет при увеличении парциального давления углекислого газа вследствие образования в растворе бикарбоната кальция. Карбонат натрия хорошо растворяется в чистой воде. Сильная щелочная реакция раствора карбоната натрия и слабая растворимость соединений, образующихся в процессе катионного обмена, являются причинами высокой насыщенности натрием твердой фазы и поровых растворов грунтов. Растворимость солей зависит от температуры.

Растворимость гипса мало зависит от температуры, а растворимость ангидрита с повышением температуры понижается.

Следует отметить, что деление солей на легко-, средне- и труднорастворимые характеризует их растворимость только в дистиллированной воде.

В настоящее время грунтовые воды, как правило, представляют собой сложные химические растворы. Особенно это относится к грунтовым водам промышленных площадок. Потому в практических целях растворимость содержащихся в грунтах солей необходимо увязывать с условиями эксплуатации и химическим составом растворяющих веществ.

Соли, растворяясь в подземной воде, делают ее агрессивной к строительным материалам. По степени действия на конструкции выделяют агрессивные, слабо-, средне- и сильноагрессивные среды. По воздействию подземной воды на бетонные конструкции различают следующие виды агрессии: выщелачивающую, общекислотную, углекислотную, сульфатную и магнезиальную.

Особые свойства засоленных грунтов проявляются при их увлажнении и водонасыщении, а также при фильтрации воды. Во-первых, в результате воздействия воды меняются деформационные и прочностные свойства таких грунтов. Следствием этого являются дополнительные суффозионные деформации, снижение устойчивости засоленных грунтов и возведенных из них сооружений. Во-вторых, солевые включения, растворяясь в подземной воде, увеличивают ее агрессивность к строительным конструкциям. Этому могут способствовать изменения электрохимических свойств засоленных грунтов и наличие блуждающих токов.

Эти основные положения определяют направленность инженерно-геологических исследований засоленных грунтов — комплексное изучение и оценку геологических и гидрогеологических факторов (природных и вызванных деятельностью человека) с целью принятия соответствующих проектных решений и выбора наиболее благоприятных участков размещения зданий и сооружений и условий проведения строительных работ, а также мероприятий, обеспечивающих надежность защиты объектов от возможных геологических процессов.

Горные породы различных геологических формаций обычно содержат воднорастворимые соединения, которые являются источниками засоления грунтов. Соли постоянно образуются и в процессе выветривания сложных алюмосиликатных минералов горных пород.

Распространение и формирование засоленных грунтов главным образом в районах аридной и полуаридной зон, в засушливых районах обусловлено геологическим строением и составом горных пород, глубиной залегания и минерализацией грунтовых и подземных вод, рельефом местности, гидрогеологическим режимом и особенностями климатических условий.

Состав, структура, текстура и свойства засоленных грунтов зависят от генетических и постгенетических процессов. Рассматривать генезис засоленных грунтов следует с позиции круговорота солей в природе.

Воднорастворимые соли в первую очередь являлись продуктами вулканической и поствулканической деятельности, а во вторую — продуктами выветривания материнских горных пород. Сначала в Мировом океане преобладали соли магматического происхождения. Однако солевой режим океанов и континентов непрерывно менялся. Физическое и химическое выветривание разрушало первичные минералы, высвобождая солеобразующие элементы. Продукты выветривания в соответствии с их миграционной способностью перераспределялись по элементам рельефа. Между сушей и океаном происходил солевой обмен. На суше соли аккумулировались в основном в тех климатических зонах, где испарение превышало приток влаги.

Накопление и растворение солей на суше связано с рельефом местности, а также климатическими геоморфологическими и гидрогеологическими условиями. Процесс накопления можно представить следующим образом. В результате вулканических и поствулканических процессов в литосфере откладывались солеобразующие элементы, которые мигрируя и образуя химические соединения накапливались в виде солей в горных породах.

В результате физического и химического выветривания первичных соленосных горных пород и дальнейшего круговорота солей в природе также образовывались засоленные грунты. Воздушные и водные потоки, перенося продукты выветривания соленосных пород в соответствии с рельефом местности и гидрогеологическими условиями, засоляли новые территории. Засоление грунтов приморских районов происходило при выносе солей с поверхностей океанов и морей в виде капель, аэрозолей, соляных бурь. Подземные воды, сообщаясь с морями и океанами, насыщались солеобразующими элементами и привносили их в грунты.

С течением времени соленосные морские отложения были покрыты делювиальными, эоловыми и другими отложениями. Атмосферные и поверхностные воды, проникая в соленосные породы, растворяли часть солей. При подъеме уровня грунтовых минерализованных вод в районах с сухим и жарким климатом происходит интенсивное испарение воды, а соли, отлагаясь в виде кристаллов, вкраплений и друз, заполняют поры между песчаными и глинистыми частицами и агрегатами. Например, установлено, что в солевом балансе Прикаспийской низменности имеет большое значение ветровой перенос солей с моря. Ежегодно ветром на сушу импульверизуется 1/3 того количества солей, которое поступает в море с речными водами.

В Прикаспийской низменности отмечаются три основных источника соленакопления:

растворение солей, заключенных в морских осадочных (особенно, пермских) отложениях;
приток солей с поверхностным и подземным стоком;
импульверизация солей с акватории моря.

Засоленные грунты в своей растворимой части в основном формировались из карбонатов, сульфатов и хлоридов. Карбонаты — преимущественно продукты выветривания — накапливались в грунтах, грунтовых и речных водах пустынь и полупустынь, степей, а также в морских отложениях. Сульфаты — в основном продукты выветривания и частично вулканического происхождения — распространены в донных отложениях и наносах рек, грунтах и грунтовых водах аридной и полуаридной зон.

В грунтах и водах степей и пустынь их накопление также весьма значительно. Хлориды — частично вулканического происхождения и частично продукты выветривания — присутствуют в минерализованных грунтовых водах, солевых озерах, грунтах пустынных и полупустынных районов, морской воде, на побережье морей, океанов и в морских отложениях.

Одним из важных факторов образования засоленных грунтов является рельеф местности. Например, на территории Центрально-Казахстанского мел Косопочника незначительные поднятия разделяются мелкосопочными равнинами, в локальных понижениях которых формируются солевые отложения. Возвышенности обрамляющие Уральские горы, плато Устюрт и Мангышлак, характеризуются остаточным гипсовым и карбонатным соленонакоплением.

Аккумулятивные низменности и равнины — это бессточные районы, где продолжаются процессы соленакопления и миграция солей (Западно-Сибирская и Прикаспийская низменности).

В лесостепной и степной зонах в пониженных местах образуются солончаки. Грунт солончаков содержит в основном легкорастворимые соли. Состав и степень засоления грунтов в этих зонах весьма различны. Режим засоления зависит от условий соленакопления и, прежде всего, от наличия минерализованных грунтовых вод и климата. В периоды интенсивного испарения активизируется накопление солей, а в периоды интенсивных атмосферных осадков и весеннего половодья — процессы рассоления.

В состав воднорастворимых солей солончаков, солонцов и такыров в основном входят соли натрия, магния и кальция. Например, значительное содержание в грунтах кристаллогидратов К и Na способствует образованию так называемых «пухлых» солончаков, представляющих собой рыхлую, пылеватую среду, переходящую при увлажнении в грунтовую массу. Присутствие в грунтах большого количества гигроскопических солей СаС₁₂, MgCI₂, MgS0₄ способствует формированию «мокрых» солончаков, удерживающих на поверхности грунта большое количество воды, даже в сухое время года.

Приближенную картину распространения засоленных грунтов можно получить по данным В.А. Ковды, И. Сабольча. В Европе засоленные почвы занимают 50,804 млн. га, в мире — более 950 млн. га .

Засоленные грунты широко распространены вдоль побережий Тихого, Атлантического, Индийского океанов и многих морей. В качестве основания сооружений засоленные грунты используются в США, Египте, Австралии, Пакистане, Индии, Иране и других странах. Широко распространены засоленные грунты и на территории СССР. Наиболее часто они встречаются в аридной и полуаридной зонах.

Площадь распространения засоленных грунтов в России составляет примерно 2213 тыс.км², или 10% территории (только солончаки, солонцы и солоди занимают более 750тыс.км²). Основная часть засоленных грунтов находится в районах Кавказа, Крыма и Западно-Сибирской низменности. Наиболее засолены грунты Западно-Сибирской низменности.

По качественному составу солей в засоленные грунты условно подразделяется на три вида:

грунты с хлоридным и сульфатно-хлоридным типами засоления, в верхней части разрезов, на глубинах до 3 м, содержание солей составляет 6-7%, а в нижней части разрезов, на глубине 7-10 м 0,3-0,4%;
грунты с сульфатным и хлоридно-сульфатным типами засоления; содержание легкорастворимых солей здесь составляет 0,3-2,5%, иногда достигает 4%, встречаются и среднерастворимые соли, в основном представленные гипсом;
грунты с сульфатными легко- и среднерастворимыми солями, содержание легкорастворимых солей изменяется от 0 до 5%, а среднерастворимых солей достигает 65%.

Засоление грунтов происходит и в наше время вследствие развития вторичных процессов и хозяйственной деятельности человека.

В определенных условиях рельефа, гидрогеологии и климата солевой режим засоленных грунтов подвержен изменениям во времени. Процессы соленакопления и рассоления в значительной степени определяют физико-механические, химические и фильтрационные свойства грунтов в основаниях сооружений. Поэтому в результате инженерных изысканий необходимо правильно прогнозировать изменение свойств грунтов оснований и земляных сооружений с учетом возможных условий эксплуатации.

Особенности инженерно-геологического изучения засоленных грунтов в значительной степени определяются присутствием воднорастворимых соединений как в виде твердого компонента, так и в растворенном состоянии в поровой жидкости. Засоленные грунты представляют собой многокомпонентные динамичные системы, так как именно для таких грунтов наиболее характерна изменчивость соотношения компонентов и вследствие этого резкие изменения физико-механических и химических свойств. Количественный состав воднорастворимых солей различен для разных типов грунтов и оценивается в соответствии с классификацией грунтов по ГОСТ 25100-82.

Исследование засоленных грунтов отличается от исследования незаселенных. Воднорастворимые соединения, входящие в состав минеральной части грунта или имеющиеся в составе жидкого компонента, влияют на динамичность многокомпонентной системы, которыми являются грунты.

Изменчивость свойств засоленных грунтов зависит в основном от химического состава и внутреннего строения породообразующего минерала, а также связей, существующих внутри него. Именно свойства минералов обусловливают и свойства образуемых ими грунтов. Большое влияние на изменение свойств засоленных грунтов оказывает и жидкий компонент, что объясняется различной интенсивностью его взаимо действия с минеральной частью; особенно это проявляется в глинистых засоленных грунтах.

Значительное воздействие на изменение соотношения между компонентами в засоленных дисперсных породах оказывают и газообразные составляющие. Присутствие в порах засоленных грунтов углекислого газа, азота и водорода в той или иной мере ускоряет процессы растворения солей, оказывает влияние на переход воднорастворимых соединений из одного состояния в другое (например, наличие углекислого газа активизирует процесс растворения некоторых солей в поровой жидкости). Поэтому исследование горных пород, содержащих воднорастворимые соединения, необходимо проводить комплексно, рассматривая не только их твердый компонент (основные породообразующие минералы), но и поровую жидкость и газообразный компонент и учитывая возможность их взаимодействия между собой.

Накопление солей в водах и засоленных почвах различных природных зон (В.А. Ковда, 1946)

Наличие воднорастворимых солей в составе грунтов определяет их прочностные и деформативные свойства, поскольку эти свойства зависят от изменения соотношений между компонентами грунтов при воздействии извне.

В аридной и полуаридной зонах засоленные грунты обычно слабо увлажнены и представляют собой трех компонентную систему. При водонасыщении грунтов и растворении солей изменяются как компонентность системы (переход в двухкомпонентное состояние), так и свойства компонентов. В засоленных грунтах, особенно в глинистых, суглинистых и супесях, на изменение физико-механических и химических свойств грунтов также оказывают влияние количество и характер содержания воднорастворимых солей.

Минеральный состав грунтов. Особенности физико-механических и химических свойств горных пород в основном определяются содержанием породообразующих минералов. Минералы по химическому составу подразделяются на десять классов: силикаты, карбонаты, оксиды, гидрооксиды, сульфиды, сульфаты, галоиды, фосфаты, вольфраматы и самородные элементы.

Состав породообразующих минералов определяет отношение горных пород к воде, по этому показателю выделяются четыре основные группы минералов:

I — первичные минералы класса силикатов;
II — вторичные минералы, нерастворимые в воде;
III — вторичные минералы, растворимые в воде;
IV — органические и органо-минеральные соединения.

К первой группе относятся первичные реликтовые минералы и продукты физического выветривания горных пород — кварц, полевые шпаты, роговая обманка, авгит, слюды и др. Минералы этой группы преобладают в составе песков и алевролитов. В зависимости от содержания породообразующего минерала в песках выделяются мономинеральные однородные (например, кварцевые, полевошпатные), биминеральные (например, кварцево-полевошпатные, глауконито-кварцевые и др.) и полиминеральные (в составе породообразующих минералов содержат ряд компонентов — кварц, полевой шпат, слюды, глауконит и др.) пески.

Как указывалось выше, влияние породообразующих минералов проявляется в физико-механических свойствах образуемых ими горных пород. В зависимости от размеров фракций породообразующего минерала изменяются гигроскопичность и поглотительная способность частиц, высота капиллярного поднятия и коэффициент фильтрации горных пород.

Присутствие воднорастворимых солей существенно изменяет физико-механические и химические свойства горных пород. Если содержание воднорастворимых солей составляет более 2% в крупнообломочных грунтах и более 0,5% в песчаных (при содержании песчаного заполнителя более 40%), то их относят к породам особого состава, состояния и свойств.

Ко второй группе относятся вторичные минералы, продукты химического выветривания первичных минералов класса силикатов слоистой и слоисто-ленточной структур. Эти минералы образуют глинистые грунты и отличаются от других минералов класса силикатов гидрофильностью, способностью к ионному обмену. Содержание глинистых минералов в засоленных грунтах в значительной степени влияет на их прочностные, деформативные, водные, физические и химические свойства.

Глинистые грунты обычно представляют собой образования полиминерального состава, которые состоят из первичных минералов, образующих грубодисперсную часть грунтов (полевой шпат, кварц и др.), простых солей (карбонаты, сульфаты, галоиды) и органических веществ. Тонкодисперсная часть глинистых пород состоит из вторичных минералов — продуктов химического разложения горных пород, образующихся из первичных минералов в процессе диагенеза и эпигенеза. Здесь преобладают глинистые минералы, оксиды и гидроксиды алюминия, кремния, железа и органических соединений. К наиболее распространенным глинистым минералам, образующим определенные типы глин, относятся глинистые минералы каолинита, монтмориллонита и гидрослюды.

К подгруппе каолинита относятся наиболее распространенные минералы — каолинит и галлуазит, а также менее распространенные — диккит и накрит. Каолинит образуется при выветривании различных силикатов (полевой шпат, слюды и др.) по схеме 2K(AISi₃0₈) + 2Н₂O + СO₂ — = А1 2 (ОН) 4 (Si₂Os) + 4SiO₂ + К₂СO₃. Химический состав каолинита следующий (%): SiO₂ 46,5; Al₂O₃ 39,5; Н₂О₁₄. В качестве примесей в незначительных количествах могут присутствовать Fe₂O₃, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, BaO, SiO₂ и др. Каолинит, диккит и накрит имеют одинаковую структурную формулу и строение кристаллической решетки. Структура этих минералов обусловливает наличие прочных связей между пакетами кристаллической решетки — чередование положительно и отрицательно заряженных атомов.

Прочность связей между пакетами определяет незначительную гид-рофильность, набухание при увлажнении и невысокую обменную способность.

Каолинит образует при выветривании горных пород, богатых алюмосиликатами, действии на них кислых вод (рН 5-6), содержащих углекислоту.

Галлуазит Al₂ [SiO₅] (ОН)₄ . 2Н₂O отличается от других минералов группы каолинита содержанием в кристаллической решетке ориентированных молекул воды. Из его формулы видно, что одна половина молекул воды представлена в виде гидроксида, а другая в виде молекул Н₂O. Количество молекулярной воды в минерале непостоянно (до 4Н₂O).

В подгруппу монтмориллонита входят монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, сапонит и др., различающиеся составом катионов в кристаллической решетке. Минералы этой подгруппы в зависимости от содержания тех или иных катионов разделяются на глиноземистые, железистые и магнезиальные. Наиболее распространена глиноземистая — AI — монтмориллонит А1₂O₃ 4SiO₂. Наиболее глиноземистой разновидностью монтмориллонита является бейделлит. Химический состав бейделлита непостоянен и зависит от содержания воды (%): А1₂0₃ 20-27,6; SiO₂ 45-50; в небольших количествах присутствуют Fe₂O₃, CaO, Na₂0 и К₂О.

Нонтронит (Fe, Al)2 [Si₄O₁₀] [ОН]₂ и Н₂0 является железистой разновидностью монтмориллонита, в кристаллической решетке этого минерала значительная часть AI замещена Fe.

Сапонит (AI, Mg, Na) Si, (ОН)₂ — магнезиальная разновидность монтмориллонита — водный силикат магния.

Минералы группы монтмориллонита образуются при выветривании горных пород в щелочной среде (рН 7-9,5) в аридной и полуаридной зонах.

Особенностью кристаллической структуры минералов этой подгруппы является их способность удерживать между пакетами кристаллической решетки значительное количество молекул воды и набухать, при этом расстояние между слоями кристаллической решетки изменяется от 0,96 до 2,84 нм. Другое важное свойство минералов данной группы — высокая обменная способность катионов — обусловливает появление в кристаллической решетке при замещении, например, трехвалентных катионов двухвалентными, для компенсации остаточных зарядов, катионов меньшей валентности, что увеличивает адсорбционную способность минерала. Почти всегда в минералах, содержатся Fe₂O₃, CaO, щелочи Na₂О, К₂O, в больших количествах А1₂O₃ и МgО (например, соответственно до 14 и до 8% в нонтроните). К подгруппе гидрослюд относятся минералы, имеющие в своем составе относительно меньшее количество катионов AI, Fe, Mg, Si и большое количество связанной воды (гидромусковит, иллит, глауконит, гидробиотит и др.). Кристаллическая решетка их состоит из трех слоев, соединенных ионами калия и гидроксония, и в связи с наличием ионов калия обладает большей прочностью. Алюминий в гидрослюдах иногда замещается магнием или железом, а калий — натрием или кальцием.

К минералам третьей группы относятся воднорастворимые соли — карбонаты, сульфаты и галоиды, широко распространенные в природе.

Важнейшим свойством минералов простых солей является их растворимость, зависящая от энергии кристаллической решетки. Чем больше энергия электростатического притяжения между молекулами кристаллической решетки, тем меньше взаимодействие с молекулами воды, т. е. меньше растворимость солей.

Одной из особенностей минералов воднорастворимых солей является их гигроскопичность, т. е. способность переходить в кристаллогидраты. Переход солей в кристаллогидраты сопровождается увеличением их объемов, что приводит к разуплотнению и набуханию глинистых грунтов. Галоиды, сульфаты и карбонаты, присоединяя кристаллизационную воду, увеличиваются в объеме от 11 до 311%.

В песчаных грунтах воднорастворимые соли встречаются обычно в рассеянном виде, а также в виде кристаллов и друз. В соответствии с принятой классификацией песчаные грунты считаются засоленными при содержании воднорастворимых солей более 2%. При большем содержании воднорастворимых солей они существенно влияют на физико-механические свойства пород.

В глинистых грунтах воднорастворимые соли присутствуют как в виде кристаллов, друз, вкраплений, так и в виде соляных прожилок. Влияние воднорастворимых солей на свойства глинистых грунтов со временем проявляется в выщелачивании солей и разрушении конгломератов, которые образуются вокруг кристаллов солей. Глинистые грунты относятся к засоленным при содержании воднорастворимых солей более 0,3%.

Значительное влияние, которое оказывают воднорастворимые соли на физико-механические и химические свойства засоленных пород, позволяет отнести их к породам особого состава, состояния и свойств.

К минералам четвертой группы относятся органические вещества, которые накапливаются в грунтах в результате жизнедеятельности и отмирания микроорганизмов и растительности. Наиболее распространены в грунтах органические остатки растительного происхождения различной степени разложения. Полностью разложившиеся растительные остатки — гумус — состоят из ряда органических соединений — гуминовой, креновой, апокреновой и гиматомелановой кислот, гумина и ульмина.

Присутствие органических веществ заметно влияет на физико-механические свойства грунтов. При содержании органических остатков более 10% грунты этой группы также относятся к породам особого состава, состояния и свойств.

Вода в форме пара находится в воздухе пор, трещин и пустот горных пород, не занятых жидкой водой или льдом, т.е. в неводонасыщенных породах. Такая вода может свободно сообщаться с атмосферой или быть защемленной в порах горных пород. При повышении относительной влажности воздуха горные породы поглощают, сорбируют водяные пары, и наоборот. При повышении температуры горной породы и испарении других видов воды содержание водяного пара в порах горной породы увеличивается. При конденсации водяные пары переходят в другие формы воды, водяные пары составляют до 0,001% от массы грунта.

Связанной называется вода, активно взаимодействующая с частицами минерального скелета грунта. Она не может перемещаться под действием силы тяжести. Количество такой воды в грунтах зависит от величины удельной поверхности минералов в единице массы грунта.

При взаимодействии молекул воды с минеральными частицами грунта возникают электромолекулярные силы притяжения, и молекулы воды оказываются связанными вокруг минеральной частицы. В зависимости от величины электромолекулярного притяжения связанная вода подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Электромолекулярные силы взаимодействия очень велики у поверхности минеральных частиц и уменьшаются с удалением молекул воды от поверхности частиц.

Молекулы воды, соприкасающиеся с поверхностью минеральных частиц и обладающие значительными силами электромолекулярного взаимодействия, образуют слой прочносвязанной воды. Это слой воды, который прочно удерживается у поверхности частиц грунта, даже при давлении до нескольких сотен мегапаскалей. Такую воду, обычно это один — три ряда ориентированных молекул воды, невозможно удалить из грунта ни приложением внешнего давления, ни напором воды. Следующие слои молекул воды, которые легко удаляются из грунта при действии давления, называются рыхлосвязанной водой.

Количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует величине максимальной гигроскопичности, т. е. влажности грунта, которая образуется при адсорбции водяного пара частицами грунта при 100%-ной влажности воздуха.

Прочносвязанная вода не только адсорбируется на поверхности грунтовых частиц, но и заполняет межпакетное пространство минералов с подвижной кристаллической решеткой. По современным представлениям, прочносвязанная вода имеет плотность 1,2-1,4 г/см³, обладает значительной вязкостью и упругостью. Температура замерзания связанной воды, зависящая от состава породообразующего минерала, значительно ниже, чем свободной.

Рыхлосвязанная вода по свойствам близка к свободной воде. Она подразделяется на вторично ориентированную воду полислоев и осмотическую. Вторично ориентированная вода полислоев также находится под действием сил электромолекулярного взаимодействия с минеральными частицами грунта.

Эта форма воды называлась «пленочной». Суммарное содержание прочносвязанной воды и вторично ориентированной воды полислоев в грунте представляет собой максимальную молекулярную влагоемкость.

Осмотическая вода удержавается вокруг поверхности минеральной частицы грунта осмотическими силами притяжения, возникающими вследствие разности концентрации ионов у поверхности минеральной частицы и в растворе. Осмотическая вода слабо связана с поверхностью минеральной частицы грунта и по свойствам близка к свободной воде.

Капиллярная вода удерживается в порах грунта под действием сил поверхностного натяжения менисков воды. Она подразделяется на три вида — вода углов пор, подвешенная и собственно капиллярная. Вода углов пор образуется в точках контакта минеральных частиц грунта в виде отдельных капель. Подвешенная вода удерживается в порах грунта в результате действия сил поверхностного натяжения менисков сверху и снизу и не соприкасается с грунтовыми водами. Наибольшее количество подвешенной воды, которая удерживается грунтом, называется водоудерживающей способностью грунтов.

Собственно капиллярная вода образуется вследствие поднятия воды от уровня грунтов вод под действием молекулярных сил. Высота капиллярного поднятия воды зависит от величины пор и характера их распределения в грунте. Установлено, что в песчаных грунтах высота капиллярного поднятия обратно пропорциональна коэффициенту пористости. В среднезернистых песках высота капиллярного поднятия воды находится в пределах 0,15-0,3 м, а в мелкозернистых достигает 1 м. В глинистых грунтах вода может подниматься на несколько метров. На величину капиллярного поднятия влияют шероховатость частиц минерала, состав минерала и обменных катионов.

Свободная (гравитационная) вода подразделяется на просачивающуюся и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода перемещается в зоне аэрации до водоупорного горизонта под действием силы тяжести. Вода, движущаяся в толще грунтов под действием силы тяжести, называется водой грунтового потока. Она распространена в основном в пределах водоносных горизонтов.

Свободная (гравитационная) вода в районах распространения засоленных грунтов отличается значительной минерализацией. В ее составе чаще всего встречаются катионы Na*,K*, Са₂*, Мg₂*, анионы НСО3. Среднее значение рН для грунтовых вод засоленных горных пород обычно изменяется от 7 до 10.

При отрицательной температуре свободная вода в грунтах переходит в твердое состояния. Лед в грунтах содержится в виде прослоев или отдельных кристаллов. Кристаллы льда цементируют частицы грунта, поэтому мерзлые грунты обладают значительной прочностью.

При оттаивании мерзлых грунтов соли существенно определяют их физико-механические и химические свойства, поэтому к засоленным мерзлым грунтам относят грунты с более низким содержанием воднорастворимых солей по сравнению с грунтами аналогичного состава, но не мерзлыми.

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллогидратов и участвует в строении кристаллической решетки минерала (например, гипс CaSO₄-2Н₂O). Особенностью кристаллизационной воды в минералах солей является то, что при повышении температуры кристаллогидрата она переходит в другие виды воды. Гипс при нагревании до температуры свыше 75°С переходит в полуводный гипс aSO₄-0,5Н₂O. Некоторые минералы солей, присоединяя кристаллизационную воду, переходят в кристаллигидраты.

Химически связанная вода входит в состав гидроксидов (например, Са(ОН)₂) и в процессе реакции распадается на ионы Н* и ОН*.

Воздух и газы в горных породах могут находиться в четырех состояниях:

сводобном, т.е. перемещаться в порах и трещинах горных пород, участвовать в воздухо- и газообмене с атмосферой;
защемленном — в закрытых порах горных пород;
адсорбированном — на поверхности частиц;
растворенном — в водной среде.

Воздух и газы поступают в горные породы из атмосферы и недр Земли, а также образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Воздух и газы в горных породах оказывают большое влияние на свойства и процессы, протекающие в них.

Наличие защемленного воздуха увеличивает упругость грунтов и понижает их водопроницаемость. Растворенный в грунтовой воде углекислый газ активизирует процессы растворения и выщелачивания воднорастворимых солей.

Гранулометрический, или зерновой, состав грунтов характеризует класс грунтов без жестких структурных связей (нескальных), т. е. осадочные несцементированные породы.

В соответствии с принятой классификацией грунтов по ГОСТ 25100-82 в группе осадочных несцементированных засоленных пород по гранулометрическому составу выделяются крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые грунты. Ниже приведена классификация крупнообломочных грунтов по гранулометрическому составу (содержание каждой фракции составляет более 50 % от массы абсолютно сухого образца).

Если в составе крупнообломочных грунтов присутствует заполнитель (песчаный заполнитель в количестве более 40% или пылеватый и глинистый в количестве более 30%), то к наименованию грунта добавляется название заполнителя. По степени засоленности крупнообломочные грунты подразделяются на незаселенные и засоленные. Засоленными называются крупнообломочные грунты при следующих содержаниях воднорастворимых солей:

свыше 0,5%, в присутствии песчаного заполнителя более 40%;
свыше 2%, в присутствии песчаного заполнителя менее 40% или пылеватого и глинистого менее 30%;
свыше 5%, в присутствии пылеватого и глинистого заполнителя более 30%.

По степени влажности G крупнообломочные грунты могут быть маловлажными G < 0,5, влажными 0,5 < G < 0,8, и водонасыщенными 0,8 < G < 1,0.

По плотности сложения (коэффициенту пористости) выделяют пески плотные, средней плотности и рыхлые. Пески называются засоленными при содержании воднорастворимых солей более 0,5 % от массы абсолютно сухого грунта. По степени влажности, пески, так же как и крупнообломочные грунты, могут быть маловлажными, влажными и водонасыщенными.

В зависимости от содержания глинистой фракции грунты позразделяются на глины (содержание глинистой фракции более 30%), суглинки (30-10%), супеси (10-3%) и пески (менее 3%). При содержании в грунтах в качестве примесей пылеватых и песчаных частиц, к наименованиям грунтов добавляются названия преобладающих фракций примесей (например, глина пылеватая, суглинок пылеватый и т.п.).

При наличии включений крупнообломочных грунтов, размерами частиц крупнее 2 мм, если количественное содержание по массе составляет 25-50%, супесь, суглинок или глина будут называться галечниковыми (щебенистыми), гравийными (дресвяными).

Супеси и суглинки при содержании легко- и среднерастворимых солей более 5% относятся к засоленным. Необходимо учитывать качественный состав солей. Так, лёссовые и лёссовидные грунты относятся к засоленным при суммарном содержании легко- и среднерастворимых солей более 1 % и при содержании только легкорастворимых солей более 0,3%. Маловлажные глины, содержащие воднорастворимые соли, при водонасыщении могут набухать.

Особую группу составляют лёссовые грунты — это пылевато-глинистые грунты, содержащие более 50 % пылеватых частиц, преимущественно макропористые, засоленные воднорастворимыми солями и карбонатами. Содержание карбонатов в таких грунтах может достигать 25%, а воднорастворимых солей — 5%. В зависимости от пористости лёссовые грунты подразделяются на низкопористые е < 0,8 и высокопористые е > 0,8.

Засоленные грунты, в зависимости от содержания легко- и среднерастворимых солей можно разделить следующим образом.

Химический состав засоленных грунтов зависит от минерального состава частиц, грунтов и включений в виде органического вещества и минералов-примесей простых солей. Основными компонентами твердых минеральных частиц являются Al₂O₃, SiO₂ и др. В составе газообразного и жидкого компонентов могут присутствовать СO₂Fe, AI и т.д. В качестве минералов-примесей содержатся галоиды, сульфаты и карбонаты. Содержание Al₂O₃ в составе минералов глинистых грунтов изменяется от 30 до 75%, a SiO₂ — от 5 до 50%. Содержание химически связанной воды находится в пределах 3-15%.

Химический состав грунтов оказывает большое влияние на их физические, химические, физико-механические и водные свойства. Чем выше в глинистых породах содержание Аl, тем больше проявляются свойства глин, и чем выше содержание Si, тем эти свойства слабее.

Структура горных пород определяется размерами, количественным соотношением минеральных частиц, взаимодействием частиц между собой и с другими компонентами горных пород. Под текстурой горных пород понимают пространственное расположение и соотношение минеральных частиц в породах. Структуру и текстуру горных пород необходимо рассматривать совместно, и некоторые исследователи объединяют структуру и текстуру грунтов понятием «строение грунтов», выделяя макро-, мезо- и микростроение грунтов.

Под макростроением понимают структуру и текстуру грунтов, различаемые невооруженным глазом или с помощью лупы (например, минеральные частицы размерами более 2 мм, макропористость и видимая слоистость грунтов). Мезостроение грунтов изучается под микроскопом (например, минеральные частицы размерами более 0,001 мм, микроагрегаты глинистых частиц и пространственное расположение этих частиц) Микростроение грунтов изучается с помощью электронного микроскопа (например, минеральные частицы размерами менее 0,001 мм, детали структуры и текстуры грунтов).

На строение грунтов оказывают влияние размеры частиц, их удельная поверхность, характер структурных связей, минеральный состав грунтов и условия формирования (наличие давления, водно-солевой состав и состояние воды и т.п.). При изменении этих факторов происходит постепенное изменение строения грунтов, что приводит к изменению характера структурных связей и взаимодействия между компонентами грунтов.

Первичные минеральные частицы, образующие структуру грунтов, характеризуются гранулометрическим составом, а структурные элементы из агрегированных частиц — агрегатным составом.

По текстурной характеристике выделены микроагрегаты и микроблоки соответственно с беспорядочной и ориентированной группировкой частиц.

Для засоленных глинистых грунтов результаты определения гранулометрического и микроагрегатного составов существенно различаются. Это объясняется тем, что соли в таких грунтах образуют агрегаты, центрами которых являются минералы солей. При разрушении агрегатов частиц увеличивается число глинистых частиц.

По инженерно-геологической классификации горных пород в зависимости от характера кристаллизационных структурных связей грунты разделяются на два класса — скальные и дисперсные (рыхлые). Скальные грунты, к которым относятся магматические, метаморфические, осадочные породы, а также искусственно закрепленные грунты, обладают кристаллизационными структурными связями большой прочности. Условия формирования структурных связей у скальных пород различны: у магматических пород они образовались в процессе отвердевания и кристаллизации расплавленной магмы, а у метаморфических пород — в результате перекристаллизации материнских пород. Поэтому в зависимости от условий формирования структурных связей скальные грунты подразделяются на пять групп: магматические; метаморфические; осадочные сцементированные; осадочные химические и биохимические; искусственно сформированные. В этой классификации галоиды, сульфаты и карбонаты- минеральные образования простых солей, обладающие ионным типом кристаллизационных структурных связей, — выделены в отдельную группу как породы, обладающие растворимостью.

Дисперсные грунты, главной инженерно-геологической особенностью которых является преобладание структурных связей молекулярного и ионно-электростатического типов, также подразделяются на пять групп: осадочные органо-химические и слабосцементированные (мел, мергели, трепел, диатомиты); осадочные связные (глины, суглинки, торф); осадочные обломочные несвязные (пески, супеси, галька, гравий, валуны); современные осадки водоемов (илы); искусственные.

Воднорастворимые соли присутствуют в скальных и дисперсных горных породах, поэтому при инженерно-геологической классификации горные породы, содержащие такие соли, относят к породам особого состава, состояния и свойств. В зависимости от качественного и количественного содержания легко- и среднерастворимых солей существуют различные инженерно-геологические классификации.

Прочность грунтов — наиболее важное свойство, которое следует знать при расчетах устойчивости откосов и оснований. Без знания сжимаемости грунтов нельзя прогнозировать осадки оснований и земляных сооружений. Характеристики водопроницаемости необходимы для фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений, расчетов осадок оснований во времени и искусственного водопонижения.

Коррозионная активность грунтов по отношению к строительным материалам проявляется через агрессивность грунтовых вод. В зависимости от степени и вида агрессивности грунтовых вод выбирают методы защиты подземных конструкций.

Особыми свойствами обладают глинистые лёссовые, илистые, затор-фованные, набухающие, засоленные, пучинистые и рыхлые песчаные грунты, называемые структурно неустойчивыми. При различных дополнительных воздействиях эти грунты резко изменяют механические свойства (устойчивость и деформируемость).

Водные свойства. Липкость связных грунтов проявляется в определенном диапазоне влажности и имеет значение при их разработке различными механизмами и устройствами. Усадкой, т.е. способностью уменьшаться в объеме при высыхании, обладают многие глинистые грунты. При усадке появляются трещины, что сказывается на деформируемости и водопроницаемости грунтов. Набухание, т. е. увеличение в объеме при увлажнении, свойственно некоторым глинистым грунтам. Известны случаи деформации зданий в результате поднятая части их набухающим грунтом. Размокание грунта ведет к потере прочности, вследствие чего он не может воспринимать никакие нагрузки. Особое значение имеет в гидротехническом и гидромелиоративном строительстве. Все эти свойства в засоленных грунтовых основаниях необходимо учитывать при прогнозировании прочности и устойчивости.

Большое практическое значение имеет степень заполнения пор водой. При оптимальной влажности грунты хорошо уплотняются и легче разрабатываются, а при влажности, соответствующей полной влагоемкости, все поры грунта заполнены водой, вследствие чего его несущая способность может быть равна нулю.

Знание засоленности грунтов, толщины слоя и условий их залегания необходимо для прогноза влияния воды на воднораст- воримую часть этих грунтов, оценки агрессивности засоленных грунтов по отношению к бетону и металлу, выявления дорожно-строительных свойств грунтов, установления пригодности почв для сельскохозяйственных и др. целей.

При фильтрации из каналов, через земляные плотины, в основаниях и примыканиях бетонных плотин и др. гидротехнич. сооружений может происходить растворение и вынос солей из засоленных грунтов, что вызывает изменение физич. и водных свойств грунтов. Длительная фильтрация может увеличить сжимаемость грунтов, в засоленных лессах и лессовидных суглинках вызвать дополнительную просадку (после- просадочную деформацию); выщелачивание солей из грунтов (солевая суффозия) может повлечь за собой механич. суффозию и т. д. В подобных случаях при содержании в суглинках, супесях, песках более 5—8% (по весу) легко- и среднерастворимых солей следует оценивать скорость выщелачивания их во времени и при необходимости намечать мероприятия по предотвращению опасных для сооружения деформаций.

По отношению к бетону наиболее опасными являются грунты смешанного карбонатно-хлоридно-сульфатного засоления, содержащие в значительных количествах гипс и сернокислый натрий. Применению портландцемента для улучшения грантов в дорожно-строит. целях препятствует содержание сульфатов более 3% и хлоридов более 5%.

Нормирование предельно допустимого содержания солей в грунте для определения его пригодности в строит, целях, а также выбор мероприятий по улучшению состава или по защите засоленных грунтов от воды следует проводить дифференцированно в зависимости от типа грунта, характера засоления и характера воздействия сооружения на засоленных грунтах.

Лит.: Ковда В. А., Происхождение и режим засоленных почв, т. 1—2, М.— Л., 1946—47; Указания по определению засоленности грунтов, авт. разработки — Орадовская А. Е. и Аристова О. П., М., 1956.