Рубрика «Инженерная геология»
Породообразующие минералы
Классификация главнейших породообразующих минералов
Классификация главнейших породообразующих минералов основывается на их химическом составе и кристаллической структуре вещества. В настоящее время доказана взаимосвязь между химическим составом, физическими свойствами и кристаллическим строением вещества. По химическому составу и кристаллическому строению все известные минералы разделяются на несколько надклассов и классов. Важнейшими классами являются следующие:
- самородные элементы,
- сульфиды,
- оксиды и гидроксиды,
- галогенные соединения,
- углеродистые соединения
В состав надкласса соли кислородных кислот входят следующие классы: карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты. Из общего числа минералов около 34% приходится на силикаты, около 25% — на оксиды и гидроксиды, около 20% — на сульфиды; на долю всех остальных минералов приходится около 21%.
Заторфованные грунты
К заторфованным грунтам относятся грунты с содержанием растительных осадков от 10 до 60%.
Заторфованные грунты —это песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты, но с большим содержанием органических веществ (до 50 %) в виде остатков корней растений с примесью гумуса. При оценке свойств этих грунтов большое значение имеетстепень разложениярастительных остатковR^.По этому признаку их разделяют на четыре разновидностиR^:от0до 15 %; 16-30 %; 31-50 %; более 50 %
Наиболее типичным представителем органических грунтов является торф, сложенный из неполно разложившихся болотных растений. Окраска чаще всего темно-коричневая. В торфах всегда имеется примесь песка, пылеватых и глинистых частиц. Растения создают волокнистый каркас, что является его структурой. Большинство торфов сформировалось в древние времена и на сегодня между собой различаются по степени разложения растительных остатков и геологическому строению.
Основания и фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. Часть IV
Геотехнический мониторинг (далее мониторинг) на многолетнемерзлых грунтах – комплекс работ, основанный на натурных наблюдениях за состоянием грунтов основания (температурный режим), гидрогеологическим режимом, перемещением конструкций фундаментов вновь возводимого, реконструируемого и эксплуатируемого сооружения.
В районах распространения многолетнемерзлых грунтов мониторинг необходимо проводить для всех видов зданий и сооружений, в том числе подземных инженерных коммуникаций.
Мониторинг осуществляется в соответствии с проектом, который разрабатывается в процессе проектирования и является разделом утверждаемой части проектной документации.
При разработке проекта мониторинга определяются состав, объемы, периодичность, сроки и методы работ, схемы установки наблюдательных скважин, геодезических марок и реперов, датчиков и приборов, которые назначаются применительно к рассматриваемому объекту строительства (реконструкции) с учетом его специфики, включающей: результаты инженерных изысканий на площадке строительства, принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов, особенностей проектируемого или реконструируемого сооружения и сооружений окружающей застройки и т.п.
Важнейшие метаморфические породы
Метаморфические (видоизмененные) породы образуются в природе в результате изменения состава и строения осадочных и изверженных пород. Процессы метаморфизма проходят при повышенных температурах без расплавления или растворения, при воздействии высоких давлений и сдвиговых деформаций. Такие условия возникают тогда, когда исходные породы в результате горообразовательных процессов могут переместиться с поверхности в глубь земной коры. В результате может произойти перекристаллизация минералов, глубоко измениться строение, т. е. образоваться совершенно новые породы, более плотные и в большинстве случаев с ясно выраженной кристаллической структурой. Эти породы могут быть целиком видоизмененными (например, мрамор) или с заметным содержанием исходной породы (мраморовидные известняки).
Минеральный состав метаморфических пород часто идентичен исходным магматическим или осадочным породам. Текстура метаморфических пород может быть сланцеватой (гнейсы, глинистые сланцы) и массивной (мрамор и кварциты). Сланцеватое строение характерно для видоизмененных пород, образовавшихся в условиях одностороннего давления. Сланцеватость понижает строительные свойства метаморфических пород, в частности морозостойкость и прочность в направлении, параллельном сланцеватости, но придает им способность относительно легко раскалываться по плоскостям сланцеватости на более или менее тонкие слои.
Осадочные горные породы. Химический и минеральный составы осадочных пород. Важнейшие виды осадочных пород и их строительные свойства
В составе литосферы на долю осадочных пород приходится лишь около 5 %, однако они занимают до 75 % площади поверхности Земли. Характерным для осадочных пород является слоистость залегания (их называют пластовыми) и в большинстве случаев более пористое строение и меньшая прочность, чем у плотных магматических пород. В зависимости от условий образования осадочные породы подразделяют на три группы: механические отложения (обломочные), химические осадки, органогенные отложения.
Механические отложения (рыхлые и цементированные) образовались в результате разрушения других пород под воздействием процесса выветривания (действие воды, ветра, колебаний температуры, замораживания и оттаивания и других атмосферных факторов). В результате даже самые прочные массивные магматические породы разрушаются, образуя обломки разных размеров: глыбы, куски и более мелкие частицы.
Наряду с механическими разрушениями в результате взаимодействия составных частей горных пород с веществами, находящимися в окружающей среде, может происходить химическое разрушение. Так, полевые шпаты под действием воды, содержащей диоксид углерода, разрушаются, образуя водные силикаты алюминия.
Продукты разрушения остаются на месте или чаще переносятся водными потоками, ветром, ледниками в другие места и после осаждения образуют рыхлые скопления пластов обломочных осадочных пород (песка, глины, гравия, природного щебня). Некоторые из них в последующем подвергаются цементированию природными цементами, выпавшими в толще рыхлых осадков из омывающих их растворов, образуя сплошные (сцементированные) горные породы различной плотности (песчаники, конгломераты, брекчии).
Химические осадки образовались в результате выпадения в осадок веществ, перешедших в состав водных растворов в процессе разрушения горных пород. Они являются следствием изменения условий среды, взаимодействия растворов различного состава и испарения (гипс, ангидрит, магнезит, доломит, известковые туфы).
Органогенные отложения — породы, образующиеся в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов водных бассейнов. Многие морские организмы при жизни извлекают из воды соли кальция, растворенный кремнезем для построения своих скелетов, раковин, панцирей, стеблей. После отмирания, осаждаясь на дно и уплотняясь, они образуют пластовые отложения органогенных пород. Для строительных целей используют мел, известняки разных видов, диатомиты и трепелы.
Рис.1. Диатомит природный
Химический и минеральный составы осадочных пород
Средневаловой химический состав всех осадочных пород близок к составу магматических пород, но между собой отдельные осадочные породы различаются значительно больше, чем магматические. Осадочные породы, применяемые для строительных целей, чаще всего содержат следующие химические соединения: кремнезем в кристаллическом и аморфном состояниях (безводный и водный), алюмосиликаты (главным образом водные), карбонаты (безводные), сульфаты (безводные и водные).
Из этих соединений и состоят основные минералы осадочных пород, используемых в строительном деле: кварц, опал, каолинит, кальцит, магнезит, доломит, гипс, ангидрит.
Кварц (кристаллический кремнезем) благодаря высокой стойкости при выветривании остается химически неизменным и входит в состав многих осадочных пород (песков, песчаников, глин и др.). В аморфном состоянии кремнезем в осадочных породах встречается в виде минерала опала.
Опал (SiO2 nH2O) менее плотен (плотность —1900… 2500 кг/м3), прочен и стоек, чем кварц. Он отличается повышенной внутренней микропористостью и высокодисперсной структурой, обладает большой реакционной способностью к гидроксиду кальция и другим основным оксидам. Это свойство аморфного кремнезема широко используют при изготовлении минеральных смешанных вяжущих веществ.
Рис.2. Опал
Каолинит— водный силикат алюминия, образуется при выветривании полевых шпатов и слюд. Цвет каолинита без примесей — белый, плотность — 2600 кг/м3, твердость — 1. Каолинит и другие водные алюмосиликаты типа Аl2Оз-nSiO2—mН2О являются основными при образовании глин. Они часто встречаются в виде примесей в известняках, песчаниках, гипсовых и других осадочных породах. Наличие этих примесей понижает водо- и морозостойкость пород.
Рис.3. Каолинит
Кальцит (СаСО3) имеет совершенную спайность по трем направлениям, плотность 2700 кг/м3, твердость 3. Кальцит растворяется в кислотах, в обычной воде — мало (около 0,03 г/л). Это распространенный минерал, слагающий различные виды известняков. Окраска белая, серая, иногда он прозрачен.
Рис.4. Кальцит
Магнезит (MgCO3) имеет плотность 2900… 3100 кг/м3, твердость 3,5…4,5. Он распространен значительно меньше кальцита и образует породу того же названия.
Рис.5. Магнезит
Доломит (CaCO3-MgCO3) по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд — 3,5…4, плотен (плотность-2900 кг/м3) и прочен. Цвет доломита от белого до темно-серого в зависимости от примесей. Он встречается чаще, чем магнезит, образуя породу того же названия или входя в состав известняков и других осадочных пород.
Рис.6. Доломит
Гипс (CaSO4-2H2O) — минерал кристаллического строения, его кристаллы имеют зернистое, столбчатое, пластинчатое, игольчатое или волокнистое строение. Он белого цвета, иногда окрашен примесями. Обладает спайностью в одном направлении. Плотность гипса 2300 кг/м3, твердость 2, сравнительно легко растворяется в воде. Гипс образует породу того же названия.
Рис.7. Гипс пластинчатый
Ангидрит (CaSO4) — безводная разновидность гипса, образует породы одноименного названия. Плотность ангидрита 2900…3000 кг/м3, твердость З…3,5.
Рис. 8. Ангидрит
Важнейшие виды осадочных пород и их строительные свойства
Многие осадочные породы используют как сырье для получения других строительных материалов, а некоторые для непосредственного применения в качестве строительного камня.
Песок и гравий — горные породы, образовавшиеся в результате выветривания различных горных пород. Размер зерен песка 0,6…5 мм, гравия — 5…70 мм и более.
Глины являются тонкообломочными отложениями, образовавшимися в результате выветривания полевошпатовых горных пород (граниты, гнейсы и др.). По составу глины представляют собой смесь минералов каолинитовой группы с зернами кварца, слюдой, оксидами1 железа, карбонатами кальция и магния. Каолинитовые глины (каолин) имеют белый цвет, другие глины в зависимости от вида и количества примесей могут иметь разный цвет, вплоть до черного. Глина при увлажнении приобретает пластические свойства и после обжига переходит в камневидное состояние. Она является основным сырьем в керамической промышленности и при производстве цементов (см. гл. 3 и 5).
Гипс и ангидрит — породы химического происхождения, состоящие в основном из минерала гипса и ангидрита. Внешне и по своим физико-механическим свойствам они мало отличаются друг от друга. Их применяют для производства вяжущих веществ, а некоторые разновидности — для внутренней облицовки зданий.
Магнезит — порода химического происхождения, состоящая в основном из минерала магнезита. Его применяют для изготовления огнеупорных изделий, частично для получения вяжущих веществ (каустического магнезита).
Мел — порода органогенного происхождения, обычно белого цвета, землистого сложения, представлена микроскопическими раковинами простейших организмов. По химическому составу почти целиком состоит из карбоната кальция, имеет небольшую прочность. Применяют в качестве белого пигмента в красочных составах, приготовлении замазки, а также при производстве извести и портландцемента.
Диатомит — органогенная порода, образовавшаяся из панцирей диатомовых водорослей и отчасти из скелетов радиолярий и губок, между которыми осаждались тончайший ил и глина. Состоит в основном из аморфного кремнезема в виде минерала опала
Трепел — порода, образовавшаяся раньше диатомита, и в отличие от него состоит из аморфного кремнезема в виде мельчайших шариков опала, сцементированного опаловым же цементом. Диатомит и трепел близки и по свойствам. Их пористость 60..,70 %, плотность 350…950 кг/м3, теплопроводность 0,17…0,23 Вт/(м*°С). Содержание активного кремнезема составляет 75…96 %. Трепел и диатомит используют для изготовления теплоизоляционных материалов, в качестве активных минеральных добавок к вяжущим веществам. С течением времени трепел превращается в тонкопористую или плотную, трудно размокающую породу — опоку, почти полностью состоящую из аморфного кремнезема.
В качестве строительного камня главным образом применяют известняки различных видов, доломиты и песчаники.
Известняки в большинстве случаев являются органогенными породами, но встречаются известняки химического происхождения (известковые туфы). Известняки в основном сложены из минерала кальцита, но часто содержат различные примеси (кремнезем, глину, доломит, оксиды железа, органические соединения), в зависимости от которых цвет известняков может быть от белого до темно-серого с различными оттенками.
При содержании глины не более 6 % породу называют известняком; при наличии 6…20 % глинистых примесей— мергелистым известняком, а при большем содержании глины — мергелем. Мергель неводостоек и неморозостоек, поэтому как строительный камень не применяется, но является ценным сырьем для производства цемента.
Примесь глины в известняках, применяемых в качестве строительного камня, даже в небольшом количестве (3…4 %) резко уменьшает их водо- и морозостойкость. Вредное влияние на строительные свойства известняков оказывает также пирит РеБг. Известняки, содержащие некоторое количество кремнезема, более прочны и стойки, чем другие виды известняков. Известняки, в которых присутствует доломит, называют доломитизированными.
Плотные известняки (плотность более 1800 кг/м3), состоящие из мелких зерен кальцита, связанных непосредственным сцеплением кристаллов или различными природными цементами (известковым, известково-кремнистым), используют в виде бутового камня (для фундаментов, стен неотапливаемых зданий или жилых домов в районах с теплым климатом), плит и фасонных деталей для облицовки стен, цоколей и карнизов, ступеней, а также в качестве щебня для бетона, основания для дорог и сырья для получения извести и портландцемента.
Известняки-ракушечники — пористые горные породы характеризуются небольшой плотностью, низкой прочностью и малой теплопроводностью. Их применяют в виде камней правильной формы для кладки стен, а наиболее плотные разновидности — для облицовки стен, а также в качестве щебня для легкого бетона.
Рис.9. Ракушечник крымский
Известковые туфы — пористые известняки химического происхождения. Несмотря на значительную пористость, известковые туфы характеризуются достаточной морозостойкостью, так как они вследствие ячеистого строения (поры замкнутые или крупные) имеют относительно низкое водопоглощение. Разновидность известкового туфа — травертин, имеющий мелконоздреватое строение и высокую прочность при сжатии (до 80 МПа), применяют для облицовки зданий.
Доломит — порода химического происхождения, состоящая из минерала доломита. Свойства его близки к известняку плотному. Применяют доломит для тех же целей, что и известняки, а также для производства огнеупоров и теплоизоляционных материалов.
Песчаники, конгломераты, и брекчии — породы, образовавшиеся из рыхлых отложений разрушившихся горных пород в результате цементации их различными природными цементами (известковым, кремнистым, глинистым, железистым и др.). В результате цементации песков образуются песчаники, зерен гравия — конгломераты, природного щебня — брекчии. В качестве строительного камня применяют наиболее прочные и стойкие известковые и кремнистые песчаники, а также конгломераты и брекчии на этих природных цементах. Большинство песчаников — плотные, тяжелые и теплопроводные материалы. Их используют главным образом для кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, ступеней, тротуаров, облицовки зданий, а также в виде щебня для бетонов и других целей. Конгломераты и брекчии, обладающие декоративностью, используют в качестве облицовочного камня.
Магматические породы. Химический и минеральный составы магматических пород. Важнейшие виды магматических пород и их строительные свойства
Магматические породы. Классификация магматических пород.
Вследствие различия в химическом составе магм и различных условий и сред, в которых происходило остывание и затвердевание магмы, образовывались магматические породы разного строения и свойств — глубинные и излившиеся (плотные и пористые).
Глубинные породы образовались в результате медленного и равномерного остывания магмы под большим давлением. Такие условия могли возникнуть в природе тогда, когда магма остывала и оставалась на большой глубине в земной коре. Эти условия благоприятствовали образованию в данной породе минералов с зернисто-кристаллической структурой, прочно сросшихся между собой без всякого цементирующего вещества (гранитное строение). Характерным для этих пород является массивность залегания, высокая плотность, а следовательно, большая прочность при сжатии, малое водопоглощение, значительная морозостойкость и высокая теплопроводность.
Природные каменные материалы
Общие сведения
Сырьем для получения природных каменных материалов служат горные породы. Горные породы — это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образовавшиеся под влиянием одинаковых условий.
- Магматические породы (первичные)
- Осадочные породы (вторичные)
- Метаморфические (видоизмененные) породы
Минералы — это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов, происходящих в земной коре, и обладающие определенным химическим составом, однородным строением и характерными физическими свойствами. В природе известно несколько тысяч минералов, но в образовании горных пород участвуют лишь около 50, их называют породообразующими. Горные породы могут состоять из одного минерала (мономинеральные) или нескольких (полиминеральные).
Породы метаморфического происхождения. Организация добычи каменных материалов.
Природные каменные материалы, применяемые в строительстве, подразделяются на две основные группы: материалы, используемые в первоначальном природном виде — рыхлые каменные материалы (например, песок, гравий) и материалы, пригодные для строительных целей лишь после соответствующей механической обработки (распиловка, шлифовка, дробление и др.) — массивные горные породы (например, гранит, известняк, мрамор). Из камней второй группы получают пиленый стеновой, облицовочный, дорожный (бортовой, брусчатка и др.) материал, кровельную плитку.
Горные породы метаморфического происхождения с древности использовались людьми, поскольку требовали меньше усилий на обработку.
Каменные материалы, применяемые в строительстве
Относительно широкие разведки каменных строительных материалов и испытания их начались в России с 70-х годов XIX в. в связи с развитием строительства железных дорог и мостов. Обширные исследования свойств природных каменных материалов проводили в конце ХХ века ученые испытательной станции под руководством проф. Н. А. Белелюбского при Петербургском институте инженеров путей сообщения, а затем в лаборатории, организованной проф. Н. К. Лахтиным, принадлежащей ныне Московскому архитектурному институту.
На основе трудов академиков Д. С. Белянкина, В. А. Обручева, А. Е. Ферсмана, Ф. Ю. Левинсона-Лессинга и других ученых выявлены и хорошо исследованы богатейшие запасы природных каменных материалов во многих районах страны для удовлетворения потребностей строительства.
Кристаллы и кристаллография
Кристаллом (от греч. krystallos — «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам.
Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок — хрустальным шаром. Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.