617

СИБИРСКИЙ 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

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

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