ЛЕКЦІЯ 1
ҐРУНТ ЯК ОБ'ЄКТ ІНЖЕНЕРНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ
Поняття ґрунту в інженерній геології і підґрунтя в ґрунтознавстві. Співвідношення понять ґрунт і підґрунтя.
Основні особливості складу, будови і структури ґрунту як природного тіла.
Будова ґрунтового профілю і його межі.
Проблема встановлення нижньої межі ґрунтового профілю.
1.1. Поняття ґрунту в інженерній геології і підґрунтя в ґрунтознавстві. Співвідношення понять ґрунт і підґрунтя Під ґрунтами (геол.) в геології (зокрема, інженерній геології) розуміють будь-які гірські породи і ґрунти (Ґ), які вивчають як можливий об'єкт інженерної діяльності людини. Тут слід особливо звернути увагу на слово "будь-які", оскільки будь-які гірські породи і ґрунти (Ґ) можуть бути ґрунтами (геол.). Акцент на цьому слід зробити тому, що ще донедавна термін "ґрунт" (геол.) у ряді робіт (Охотін, 1940; Терцагі і Пек, 1942; Тейлор, 1960; Цитович, 1968 і ін.) неправильно ототожнювався лише з пухкими породами, у яких міцність зв'язків між мінеральними частинками у кілька разів менша міцності самих частинок.
Таке визначення терміну "ґрунт" (геол.) могло виникнути лише у результаті того, що вчені, які його притримувались, займались вивченням тільки пухких порід. Насправді граніти можуть бути об'єктом інженерного впливу людини так само, як глини чи піски. До того ж часто буває важко провести границю між поняттям "пухка" і "скальна" порода. Аргіліти, відкриті на денну поверхню і описані як скальний ґрунт (геол.), через деякий час у результаті вивітрювання можуть перетворитись на пухкі породи.
Ґрунти (геол.) - це будь-які гірські породи і ґрунти (Ґ), які вивчаються як багатокомпонентні системи, які змінюються в часі, з метою пізнання їх як об'єкту інженерної діяльності людини.
Основним при цьому є не тільки властивості ґрунтів (геол.) і не вивчення їх складу та текстурно-структурних властивостей, а залежність властивостей ґрунтів (геол.) від їх складу, структури і текстури. Сукупність складу, структури і текстури ґрунтів (геол.) є показником їх якості - внутрішньої визначеності того чи іншого ґрунту (геол.), яка відрізняє його від інших ґрунтів (геол.). Властивості ґрунтів (геол.) зумовлені як внутрішніми зв'язками, які існують в самих ґрунтах (геол.), так і зовнішніми, які виникають між ґрунтом і іншими тілами.
Для того, щоб передбачити зміни властивостей ґрунтів у часі під впливом різних впливів, потрібно знати, як вони сформувались у процесі ґенези і наступного "життя" гірської породи.
Гірські породи, які сформовані інколи в однакових умовах і мають однаковий геологічний вік, знаходячись у сучасній корі вивітрювання (вище рівня ґрунтових вод) і піддаючись впливові процесів грунтотворення і вивітрювання, в різних кліматичних зонах можуть стати неоднаковими за своїм петрографічним складом і, відповідно, властивостями. І навпаки, різні гірські породи, залягаючи у поверхневій товщі сучасної кори вивітрювання певної кліматичної зони і піддаючись дії процесів грунтотворення і вивітрювання, набувають загальні характерні риси, наприклад, однакову засоленість.
Відповідно, склад, структура, текстура, а звідси і властивості гірських порід, формуються у процесі їх генезису і змінюються під впливом післягенетичних процесів. Маючи дані про склад, будову (структурно-текстурні особливості) ґрунтів (геол.) і їхні властивості, можна дати досить детальну характеристику окремим петрографічним класам, групам, типам і видам гірських порід при використанні їх в інженерних цілях.
У ґрунтознавстві відзначається тенденція до зміни обсягу поняття "ґрунт", посилення функціонально-екологічного його змісту, підтвердження думки В. І. Вернадського про віднесення ґрунту до особливого класу біокосних природних систем. Ґрунт розглядається як 4-ри фазна система. Це трактування суттєво відрізняється від докучаєвського сприйняття ґрунту як результату взаємодії ряду факторів ґрунтотворення, в т. ч. живих організмів, для яких сформований ґрунт виступає як середовище їхнього проживання. Добровольський і Нікініт запропонували визнати особливе природне утворення біопедоценоз (педосистему). Біопедоценоз - це динамічна єдність ґрунту і живих організмів, які його населяють, коріння. Визнання біопедоценозу в якості особливого утворення дозволяє значно повніше сприймати ґрунт як біокосну систему з багатьма екологічними функціями.
У біопедоценозі виділяють наступні основні блоки: 4- власне грунт і підґрунтя, які разом утворюють макроґрунт; 4- власне ґрунтовий і підґрунтовий біоценоз, які складають біоценоз ґрунту.
Власне ґрунт - це ґрунт в класичному докучаєвському розумінні. Його нижня межа визначається нижньою межею активного появу ґрунтотворного процесу, або "діяльним шаром ґрунтотворення" за термінологією І. П. Герасимова.
Власне ґрунтовий біоценоз - це сукупність коріння і всіх живих організмів, які перебувають у діяльному шарі ґрунту.
з
Підґрунт - горизонти, які прилягають до власного профілю з ослабленими, але ще помітними ознаками ґрунтотворного процесу.
Біоценоз підґрунту - живі організми і одиничні корені, які є у підґрунті.
Доцільність включення у біопедоценоз не тільки власне ґрунту, але і підґрунтя викликано тим, що ознаки ґрунтотворення проявляються на значних глибинах, коріння і організми - теж. Так, коріння трав'яних рослин можуть проникати і до 10 м, деякі основні ознаки ґрунтотворення проявляються до глибини 4 м.
Розглядаючи модель біопедоценозу, можна виділити два блоки:
1. Ґрунтові компоненти:
водно-розчинні сполуки і обмінні йони;
тонкодисперсні мінерали і гумус;
рослинні рештки;
грубодисперсні мінерали;
водно-повітряна фаза.
Складові біоценозу:
коріння рослин;
мікроорганізми;
безхребетні тварини;
хребетні тварини;
продукти метаболізму рослинних і тваринних організмів.
Вивчаючи процеси ґрунтотворення, не можна мінеральну частину ґрунту розглядати окремо від ґрунтового розчину і ґрунтового повітря. Виходячи з цього, В. М. Фрідланд пропонує розділити всю мінеральну частину ґрунту (включаючи тверду, рідку і газоподібну фази) на чотири частини, кожна з яких характеризується визначеною роллю у ґрунтотворенні, в утворенні властивостей ґрунтів: 1) активну, 2) поверхнево-активну, 3) потенціальну і 4) інертну.
Активна частина ґрунтів включає ґрунтовий розчин і речовини, які при насиченні ґрунту вологою переходять у розчин, ґрунтове повітря, вбирні катіони і аніони. Всі ці компоненти активної частини ґрунту безперервно беруть участь у хімічних, біохімічних і фізико-хімічних процесах, створюючи так звану "динаміку ґрунту". Поверхнево-активна частина ґрунту складається в основному з глинистих мінералів і різних гідрооксидів - вторинних мінералів, які утворюються у корі вивітрювання і стійкі в ґрунтах. Ці речовини в умовах ґрунту не піддаються активним хімічним перетворенням і в хімічних реакціях участі практично не беруть. Потенціальна частина ґрунту включає первинні мінерали, а також деякі мінерали осадових порід, які нестійкі у геохімічних умовах ґрунту або його окремих горизонтів. Це польові шпати, рогові обманки, авгіти, кальцит, доломіт і інші. Інертну частину ґрунту складають стійкі мінерали, які не змінюються у процесах вивітрювання і грунтотворення, належать, у першу чергу, кварц, а також турмалін, корунд, циркон, рутил і інші.
1.2. Основні особливості складу, будови і структури ґрунту як
природного тіла
Наукове визначення ґрунту вперше дав В. В. Докучаєв. У 1886 р. він писав: "Ґрунтом слід називати "денні" або верхні горизонти гірських порід (все одно яких), природно змінених спільним впливом води, повітря і різного роду організмів живих чи мертвих".
Інженерно-геологічні особливості ґрунтів відмінні від особливостей підстилаючих їх гірських порід. Ця відмінність пояснюється в першу чергу тим, що у ґрунтах неорганічна мінеральна речовина тісно поєднується з органічною речовиною. Ці особливості слід враховувати при використанні ґрунтів у якості підґрунтя при будівництві аеродромів, залізничних доріг і інших інженерних споруд.
Потужність ґрунту по відношенню до всієї кори вивітрювання невелика - переважно 1,5-2 м і рідко досягає 5-7 м. Незважаючи на це, значення ґрунту надзвичайно велике у різних відношеннях. Частково, процеси, які відбуваються у ґрунтах, накладають свій відбиток на породи, які лежать нижче і становлять кору вивітрювання, і в першу чергу на ті з них, які залягають у сучасній корі вивітрювання.
Ґрунт формується при одночасній дії на гірську породу двох взаємопов'язаних процесів: вивітрювання і грунтотворення.
Ґрунтотворний процес полягає в проникненні продуктів розкладу, залишків рослинних і тваринних організмів у верхню частину літосфери. Процес вивітрювання зумовлює успішний розвиток ґрунтотворного процесу. Два процеси є функцією одних і тих же факторів і при відповідних умовах протікають досить інтенсивно. Наприклад, 1000 років достатньо для перетворення свіжого річкового наносу, відкладів пилу чи вулканічного попелу у сформований ґрунтовий профіль.
Процес грунтотворення розвивається в часі подібно процесу вивітрювання. Але його розвиток, на відміну від останнього, залежить в основному від виникнення і розвитку живих організмів.
Ґрунти як підґрунтя в загальній класифікації в геології виділяються в окрему групу, яка ділиться на дві підгрупи. Перша з них охоплює всі ґрунти, які мають зональний характер поширення, друга підгрупа включає інтразональні ґрунти. Подальший поділ ґрунтів як підґрунтя оснований на виділенні їх генетичних і петрографічних типів.
Слід відмітити, що поділ ґрунтів на генетичні типи проведений для цілей інженерної геології менш детально, у порівнянні з ґрунтознавством. Це зроблено тому, що при оцінці ґрунтів як підґрунтя часто не потрібна та деталізація ґрунтів, яка необхідна при оцінці ґрунтів як сільськогосподарських угідь.
При характеристиці ґрунтів як підґрунтя в першу чергу слід враховувати наступні їхні особливості, які характерні всім без винятку типам ґрунтів:
своєрідність складу, яка виражається у тісному поєднанні в ґрунтах мінеральних і високодисперсних органічних з'єднань;
наявність чітко виражених генетичних горизонтів у вертикальному розрізі (профілі);
наявність чітко вираженої макроструктури.
Ґрунт складається з твердої, рідкої і газоподібної фаз, кожна з яких суттєво відрізняється від таких ґрунтотворної породи. Крім того, характерною особливістю кожного ґрунту є наявність в ньому живих організмів.
Дисперсність і мінералогічний склад ґрунтів можуть бути різними, оскільки ґрунти можуть формуватись на різних ґрунтотворних породах. При цьому склад грубодисперсної їх частини визначається головним чином мінералогічними особливостями ґрунтотворних порід, а тонкодисперсної частини - природними умовами, в яких протікає ґрунтотворний процес.
Особливо великий вплив гірських порід на початкових стадіях ґрунтотворного процесу. Механічні властивості гірських порід, їхня щільність і водопроникність, мінералогічний склад і хімічні особливості суттєво впливають на швидкість і напрям ґрунтотворного процесу. Первинний запас у гірських породах фосфору, кальцію, сульфуру, калію і інших елементів у значній мірі визначає рівень і стійкість природної родючості ґрунтів, особливо в умовах вологого клімату.
Мінеральна частина ґрунту практично повністю успадковується від ґрунтотворних порід. Ґрунтотворну роль виконують в основному лише осадові породи і продукти вивітрювання (елювій) масивно-кристалічних порід. Новітні осадові породи на 75 % покривають земну поверхню, а 25 % зайнято виходами кристалічних і метаморфічних порід і їхнім елювієм. Формування осадових порід обов'язково пов'язане з перетворенням цих первинних порід на поверхні Землі. Глибинні породи піддаються різноманітному впливу фізичних, хімічних і біологічних процесів, які разом можна назвати вивітрюванням.
Вплив породи на грунтотворення не можна розглядати без врахування зміни самої породи. Ґрунтотворні породи є продуктом вивітрювання корінних порід – кори вивітрювання. Ґрунти розвиваються в товщі кір вивітрювання і залежно від співвідношення їхніх потужностей охоплюють більшу чи меншу частину профілю кори вивітрювання. Тому розгляд закономірностей ґенези і географії кір вивітрювання одночасно представляє собою розгляд закономірностей ґенези і географії ґрунтотворних порід.
В. М. Фрідланд зазначає, що процеси вивітрювання необхідно розглядати не лише як процеси виникнення ґрунтотворних порід, але і як процеси утворення ґрунтового профілю та його важливих властивостей. Внутрішньоґрунтове вивітрювання знаходиться в тісному зв'язку з процесами перетворення органічної частини ґрунту і включає в себе процеси руйнування мінералів у ґрунтах, а також утворення нових мінералів.
Чим молодший ґрунт, тим сильніше проявляється у ньому взаємозв'язок з породою. При інтенсифікації вивітрювання і грунтотворення вплив вихідного матеріалу (ґрунтотворної породи) зменшується. Тому при ґрунтових дослідженнях потрібно звертати увагу на характер вихідної породи і ступінь її можливого впливу на ґрунти, на напрям і інтенсивність "доґрунтового" вивітрювання породи, тобто вивітрювання до моменту, коли порода стала ґрунтотворною, а також на динамічний вплив активних ґрунтоутворювачів на материнську породу даного ґрунту. Однак провести такі дослідження важко в зв'язку зі складною історією клімату або геоботанічними змінами, що відбулись у недавньому геологічному минулому, через велике різноманіття ґрунтів, через труднощі в розмежуванні впливу на ґрунти материнської породи і інших чинників грунтотворення (клімату, рослинності).
Про особливості мінеральної і органічної частин ґрунту, рідкої фази ми будемо говорити пізніше.