617
.pdfСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
С.И.ЧЕРНОУСОВ, А.Л.ЛАНИС
ГРУНТЫ В ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Рекомендовано учебно-методическим объединением в качестве
учебного пособия для студентов железнодорожного транспорта
НОВОСИБИРСК 2010
УДК624.131.1(075.8) Ч-493
Черноусов С.И., Ланис А.Л. Грунты в транспортном строительстве: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2010. – 85 с.
ISBN5-93461-466-5
Дано описание породообразующих минералов. Приведена характеристика наиболее распространенных грунтов, используемых при строительстве транспортных сооружений. Изложена методика составления инженерно-геологичес- ких разрезов и карт.
Учебноепособиепредназначенодляизученияразделовдисциплины«Инженерная геология» студентами строительных специальностей СГУПСа.
Рассмотрено и утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р
канд. геол.-минер. наук, проф. С.И. Черноусов
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Инженерная геология, основания и фундаменты» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (завкафедрой – канд. техн. наук, проф. Л.В. Нуж-
дин)
ведущий научный сотрудник Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН д-р геол.-минер.
наук, проф. НГУ В.С. Кусковский
главныйспециалистпогеологииСибжелдорпроекта —фили- ала ОАО «Росжелдорпроект» Т.Н. Ермолич
ISBN 5-93461-466-5 Черноусов С.И., Ланис А.Л., 2010
Сибирский государственный университет путей сообщения, 2010
ГРУНТ,ГОРНАЯПОРОДА,МИНЕРАЛЫ
Главнойцельюлабораторныхзанятийпоинженернойгеологии является изучение грунтов, являющихся естественным основаниемили средой инженерных сооружений.
СогласнопринятомувнашейстранеГОСТ25100–95,«грунты
—горныепороды,почвы,техногенныеобразования,представля- ющие собой многокомпонентную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека». Таким образом, к грунтам относятся:
—горные породы, на которых строятся и эксплуатируются инженерныесооружения;
—горные породы, в толще которых сооружаются железнодорожные тоннели, метрополитены и другие подземные сооружения;
—горныепороды, изкоторых возводят инженерныесооружения:насыпижелезныхиавтомобильныхдорог,плотины,засыпки фундаментов;
—отвалы карьеров, шлак и зола ТЭЦ, строительный мусор. Горныепороды слагаютземную коруот дневнойповерхности
планеты до глубины 40–70 км и представлены осадочными разновидностями (песок, глина), магматическими (гранит, габбро) и метаморфическими (мрамор, кварцит).
Горные породы представляют собой плотные или рыхлые агрегаты одного или нескольких минералов, т.е. любая горная порода (гранит, мрамор, песок, глина) состоит из кристаллов, зерен минералов.
3
Минералы — это природные тела, относительно однородные по химическому составу, внутреннему строению и физическим свойствам. Химический состав минералов выражается химической формулой.
Внастоящее время известно более трех тысяч минералов. Около 30 принимают участие в образовании горных пород, их называют главными породообразующими минералами.
Взависимости от условий образования различают:
—минералы магматического происхождения, образующиеся при остывании и раскристаллизации магматического расплава (кварц, полевые шпаты);
—минералы осадочного происхождения, образующиеся при выпадении в осадок химических соединений из водных растворов (галит, малахит, кальцит, гипс);
—минералыметаморфического происхождения, образующиеся при воздействии на ранее существовавшие минералы факторов внутренней энергии Земли: давления, температуры, газов (серпентин, мусковит).
Химический состав и особенности строения кристаллической решетки минералов определяют их физические (цвет, твердость
идр.) и строительно-практические свойства. Минералы магматического происхождения, силикатного, алюмосиликатного состава характеризуются повышенной твердостью, высоким сопротивлениемкистираниюи,какправило, являютсяустойчивыми по отношению к воде (кварц, полевые шпаты).
Минералыосадочногопроисхождения, представленныесолями серной кислоты (сульфаты), угольной кислоты (карбонаты), имеют незначительную твердость, легко истираются от механического воздействия, легко растворяются в воде (галит, гипс, кальцит). В горных породах, сложенных такими минералами, образуются пустоты, полости, что в конечном итоге приводит к разрушениюинженерныхсооружений.
На лабораторные занятия выносится изучение минералов, применяемыхдляизготовлениястроительныхматериалов(гипс, кальцит, малахит и др.), используемых в виде строительных каменных материалов и естественных оснований инженерных сооружений,иминералов, являющихсявредными(противопоказанными) при строительстве(пирит, опал, галит).
4
1.ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ
1.1.Внешний вид минералов
Минералы в природе встречаются в виде:
—отдельныхкристаллов,четкоограненныхмногогранников: куб (галит, пирит), ромбоэдр (кальцит), дипирамида (кварц), структура кристалическая;
—друз — наростов кристаллов в виде щеток на поверхности горнойпороды;
—жеод — наростов кристаллов на стенках сферической полостивнутрипороды;
—зернисто-кристаллическихагрегатовразличной крупности кристаллов (кальцит в мраморе);
—сплошных скрытокристаллических агрегатов, кристаллы которыхразличимы толькопод микроскопом(кальцит в известняке);
—аморфных, натечных масс, в которых зерна неразличимы даже под микроскопом.
Форма зерен минералов может быть:
—зернисто-однородная — минеральная масса состоит из изометрических зерен;
—волокнистая — минералы имеют форму волокон (асбест);
—шестоватая — зерна имеют формуиголок, шестиков (роговая обманка);
—чешуйчатая — зерна имеют форму чешуек (слюды);
—пластинчатая—кристаллыимеютформупластинок(гипс);
—землистая — минеральная масса представлена мелкими частицами, растирающимися пальцами руки.
1.2.Физические свойства минералов
Для определения минералов необходимо различать следующие их свойства.
Цвет минерала в образце зависит от его основного химического состава. Присутствие в минерале катионов магния, железа обуславливает черный, темно-зеленый, бурый цвета, алюминия, кальция, калия — светлые тона: белый, розовый.
Оказывают влияние на цвет минералов механические примеси, поэтому встречаются образцы одного и того же минерала, имеющие различную окраску (зерна кальцита обычно бесцвет-
5
ные, белые; с примесью органики — серые, черные; с примесью окислов железа — розовые, красные, бурые, чем и объясняется многоцветность и красота мрамора).
Блеск минерала обусловлен особенностями отражения света от свежей поверхности образца. Различают следующие виды блеска:
—металлический — как блеск от полированной поверхности металла, им обладают сульфиды металлов (пирит, свинцовый блеск и т.д.);
—стеклянный, соответствующий блеску гладкой поверхности стекла, характерен для большинства минералов, имеющих гладкую поверхность грани кристалла или плоскости спайности (кальцит, галит);
—жирныйблеск—отнеровной,вогнуто-выпуклойповерхно- сти минерала, кажется, что она как бы смазана тонкой пленкой жира (кварц на изломе, нефелин);
—перламутровый — минерал блестит как перламутровая поверхность раковины, образуя радужные переливы (пластичный гипс, мусковит);
—шелковистый блеск — у минералов тонковолокнистого и шестоватого сложения (асбест, роговая обманка);
—матовый блеск — у минералов землистого сложения (каолинит).
Излом — вид поверхности на изломе минерала, различают:
—раковистый —свогнутой,выпуклой концентрическойволнистой поверхностью (как излом толстого бутылочного стекла
—кварц, халцедон);
—занозистый — поверхность имеет вид ориентированных в одномнаправлениииголок—«заноз»(асбест, роговая обманка);
—землистый — с матовой поверхностью, покрытой пылью (каолинит,лимонит);
—ровный поповерхности спайности (кальцит, ортоклаз);
—зернистый —уминераловоднородно-зернистогосложения (магнезит).
Спайность. Спайностью называют способность кристаллических минералов раскалываться по одному или нескольким направлениям,образуяровные,параллельныезеркально-блестя- щие плоскости, называемые плоскостями спайности. Спайность
6
отражает внутреннее строение кристалла минерала и зависит от особенностей расположения атомов химических элементов в его кристаллической решетке.
Различают виды спайности:
—весьма совершенная — спайность у минералов, легко расщепляющихся на отдельные листочки (мусковит);
—совершенная — на поверхности минерала хорошо видны зеркально-ровныеплоскости,имеющиесильныйстеклянныйблеск (кальцит, ортоклаз, магнезит, лабрадор);
—несовершенная — у минерала в этом случае преобладают поверхности неправильногораковистогоизлома сжирным блеском(нефелин,оливин);
—весьма несовершенная — у таких минералов при раскалывании получаются только неровные поверхности (кварц). Она визуально неотличима от несовершенной.
Твердость — способность минерала противостоять механическому воздействию (царапанью) острием какого-либо предмета известной твердости. Твердость принято определять по шкалеМооса, состоящей из набора минералов, согласнокоторой каждый последующий минерал способен оставлять царапину на поверхности предыдущего (табл. 1).
Таблица 1
Шкала твердости минералов Мооса
Балл |
Эталон твердости |
Заменитель |
1 |
Тальк |
Мягкий карандаш |
2 |
Гипс |
Каменная соль |
3 |
Кальцит |
Латунная монета |
4 |
Флюорит |
Железный гвоздь |
5 |
Апатит |
Стекло |
6 |
Ортоклаз |
Стальной нож, игла |
7 |
Кварц |
Напильник |
8 |
Топаз |
— |
9 |
Корунд |
— |
10 |
Алмаз |
— |
Для определения твердости на свежей поверхности образца проводится царапина острием эталонного минерала из шкалы. Рекомендуется начинать с эталона № 5 (апатит). После этого место воздействия эталона следует слегка протереть, чтобы убедиться, что царапина действительно осталась.
7
Если царапина осталась, т.е. неизвестный минерал имеет твердость меньше 5, опыт повторяется с эталоном № 3 и т.д. до тех пор, пока не подбирается одинаковая твердость минерала и эталона. При этом рекомендуется проводить царапину по поверхности эталона неизвестным минералом.
Впрактике полевых определений твердости можно пользоваться предметами, твердость которых известна в цифрах шкалы Мооса: ноготь пальца (тв. 2,5), латунная монета (тв. 3), кусочек стекла (тв. 5), стальной нож (тв. 6).
Вприроде преобладают минералы с твердостью не выше 7. Минералы с большей твердостью встречаются редко. Так, твердость 9 имеет единственный минерал — корунд, твердость 10 — алмаз.
Имеются методы более точного количественного определе- ниятвердостицарапанияприпомощиприборов—склерометров.
Плотность. Плотностью минерала называется масса единицы его объема. Величина плотности зависит от химического состава. Присутствие в составе минералов металлов (Fe, Mg,
Mn) повышает их плотность. По этому признаку минералы делятся на три группы: легкие — плотность до 2,5 г/см3 (гипс, галит); средней плотности — от 2,5 до 4,0 г/см3 (кварц, кальцит, полевые шпаты); тяжелые — плотность более 4,0 г/см 3 (пирит, барит и др.).
Воздействие слабой соляной кислоты. При взаимодействии слабойсолянойкислотысминераламигруппыкарбонатов(каль-
цит CaCO3, магнезит MgCO3 и др.) происходит выделение углекислого газа, сопровождающееся образованием мелких пузырьков на поверхности капли кислоты (вскипание).
Растворимость в воде. Некоторые минералы и породы осадочного и метаморфического происхождения растворяются в воде. В зависимости от количества растворенного вещества в 1 л воды различают:
—легкорастворимые (галит, сильвин) — растворимость более 10 г/л;
—среднерастворимые (гипс) — растворимость от 1 до 10 г/л;
—труднорастворимые (карбонаты) — от 0,01 до 1 г/л;
—нерастворимые (алюмосиликаты) — растворимость менее 0,01г/л.
8
На интенсивность растворения влияют температура воды, ее химический состав и трещиноватость минералов.
Реакционная способность минералов. Большая группа ми-
нералов обладает агрессивностью по отношению к строительным конструкциям, ихприсутствиеобуславливает химическоеи физическоеразрушениеметаллических ибетонныхконструкций илизначительноснижаетихпрочность.Такиеминералыназывают вредными примесями. К ним относятся: сульфиды (пирит и др.), сульфаты(гипс, ангидрит),окислы железа(лимонит), аморфные разновидности кремнезема (опал, халцедон), хлориды (галит, сильвин), сера, асбест, слюда, и гидрослюды. Заполнители (в бетоне) относятся к вредным, если количество растворенного кремнезема в них превышает 50 ммоль/л.
Для бетона транспортных сооружений содержание сернокислыхи сернистыхсоединенийв заполнителевпересчетена SO3не должно превышать 1 %, содержание слюд недолжно превышать 2 % по массе мелкого заполнителя.
Радиоактивные свойства минералов и горных пород обус-
ловлены присутствием в них урана, радия, радона и других радиоактивных элементов. Как правило, наибольшей радиоактивностью обладают магматические породы кислого состава (гранит).
При использовании горных пород в качестве облицовочного материала или инертных заполнителей для бетонов необходимо проверять величину показателя удельной активности естественных радионуклидов, содержащихся в этих породах.
1.1. Описание минералов
Самородные элементы — это минералы, состав которых отвечает отдельным химическим элементам. К ним относятся: графит, сера, алмаз, медь, золото.
Графит — C. Твердость — 1, плотность — 2,2 г/см3, цвет стальной, железисто-черный, черта черная, блестящая. Блеск сильныйполуметаллический.Непрозрачный,мягкий,жирныйна ощупь, пачкает руки. Встречается в виде чешуйчатых листоватых и плотных масс.
Спайность весьма совершенная. Образуется при метаморфизме органического вещества. Встречается в составе мета-
9
морфических пород в виде неправильных включений, линз и пластов.
В воде не растворяется, устойчив к химическому выветриванию. Используетсяпри производствекарандашей, изготовлении электродов, плавильныхтиглей, графитной смазки.
Сульфиды — соединения металлов (Fe, Cu, Pb, Zn и др.) с серой. Для сульфидов характерна высокая плотность, сильный металлический блеск. Сульфиды являются вредными примесями.
Самым распространенным из них является пирит.
Пирит—FeS2(синонимы:серный колчедан,железныйколчедан). Твердость — 6, плотность —5 г/см3,цветлатунно-желтый, блеск металлический, излом раковистый, спайность несовершенная. Пирит встречается в виде кристаллов, мелкозернистых скоплений,жилок,отдельныхвключенийвсоставегорныхпород. Происхождение магматическое и метаморфическое. На поверхности Земли минерал неустойчив, под воздействием кислорода
иводы разлагается с образованием серной кислоты и других химически активных соединений, разрушающих строительные конструкции и горныепороды, поэтомуприменять горныепородыс включениемпирита дляпроизводства бетона транспортных
игидротехнических сооружений запрещено.
Окислы представляют собой соединения химических элементов с кислородом. Самыми распространенными являются кварц,халцедон.
Кварц — SiO2. Твердость — 7, плотность — 2,65 г/см3, спайность отсутствует (весьма несовершенная), излом раковистый, блеск на изломе жирный. Цвет молочно-белый (жильный кварц), чаще водяно-прозрачный (мелкие жилы и зерна в породе).
Часто кварц встречается в виде прекрасно ограненных кристаллов — горный хрусталь (бесцветный, прозрачный), морион (черный непрозрачный), аметист (фиолетовый); в виде кристаллических зерен в составе горных пород (например, в граните, кварцевом порфире); в виде зернисто-кристаллических агрегатов (кварцит).
Происхождение кварца магматическое, метаморфическое. Кварцнерастворимвводе, устойчивприхимическомвыветривании, трудно поддается механическому истиранию.
10