Рис. 20. Бархан (а) и дюна (б). Стрелкой показано направление ветра

Рис. 20. Бархан (а) и дюна (б). Стрелкой показано направление ветра
Так подгоняемые ветром песчинки и путешествуют с места на место. На своем пути они заносят дороги, сады, дома. Очень страдают от песчаных заносов железные дороги Средней Азии.

Можно ли остановить это движение песков?

Оказывается, что можно. Наиболее часто его останавливают посадкой растительности. Например, в районе г. Сестрорецка движение дюн было остановлено посадкой соснового леса. Мощные корневые системы этих деревьев крепко схватывают и удерживают пески дюн от дальнейшего перемещения.

Ботаниками найдены десятки видов трав, кустарников и деревьев, которые могут расти на песках и цепко держать их своими корневыми системами. Это дикая рожь, саксаул, песчаный овес, песчаная акация и др. Сейчас обширные пространства подвижных песков планомерно закрепляются растительностью.

Но не всегда этого оказывается достаточно. На Среднеазиатской железной дороге пришлось применить специальные щиты, задерживающие передвижение песков.

В настоящее время подвижные пески стали закреплять, покрывая их поверхность битумными эмульсиями или обрабатывая концентрированным соляным раствором (рапой). С успехом применяется полиакриламид — особое синтетическое вещество. Если им покрыть песок, то на поверхности образуется прочная пленка. Ее достоинством является пористость. Полиакриламидовая пленка легко пропускает воздух и воду, что позволяет развиваться растениям. Так, человек научился прерывать путешествие песчинок и останавливать движущиеся массы дюн..

Трудно перечислить «профессии» песка. Где он только не применяется: песок является основной составной частью бетона и главным сырьем для производства стекла; из него изготавливается красивый белый силикатный кирпич; песок используется в керамическом производстве; песчаный материал применяется для изготовления черепицы (цементно-песчаной), красного кирпича, асфальтобетона, дренажей, фильтров и других изделий и устройств.

Наконец, из песка возводятся многочисленные сооружения: дамбы, плотины, дорожные насыпи; укладываются песчаные подушки под фундаменты и т. д.

В последнее время в г. Гданьске (ПНР) стали заменять железобетонные сваи для прибрежного строительства песчаными массивами. После намыва массивов в них вводят специальные вещества, которые быстро затвердевают и превращают песок в прочные опоры.

Широкое использование песка, особенно для нужд строительства, требует непрерывного увеличения его добычи. Во многих странах Европы: Норвегии, Швеции, Финляндии, ФРГ, ГДР и других — «удобные» месторождения песка, расположенные на небольшой глубине от поверхности земли и поблизости от крупных центров, в значительной части выработаны. Приходится устраивать песчаные карьеры все дальше и дальше от потребителя. Это ведет к удорожанию и затруднению доставки песка к строительным площадкам. Более того, во многих районах его запасы подходят к концу. Конечно, песчаных грунтов очень много в пустынях и морях, но добыча и доставка их на большие расстояния превращает такой песок в «золотой».

Немецкий ученый Штайн бьет тревогу по поводу хищнической разработки месторождений песка в ФРГ. Он подсчитал, что сейчас в этой стране карьеры песка занимают 50 км². Если будут сохраняться современные темпы увеличения его добычи, то через 30 лет потребуется занять под такие карьеры ни много ни мало, 600 км².

К 2000 г. доставка песка во многие страны станет серьезной проблемой. Из дешевого сырья он превратится в дорогостоящий материал.

Конечно, запасы песка в мире столь велики, что говорить об их ветещеиии пока не приходится. Вместе с тем повышение стоимости транспортировки песка заставляет многие страны подумать о более рациональном его потреблении.

Построили новый поселок. Его украсили красивые, как говорят «с иголочки», пятиэтажные жилые дома. Летом счастливые новоселы въехали в свои просторные квартиры. Бурно и весело отметили это событие.

Сентябрь выдался дождливым. Целыми днями шел мелкий дождик. У домов образовались глубокие лужи. В октябре в ряде пятиэтажных зданий появились сначала тонкие, еле заметные трещины. Но время шло, и трещины все росли и росли, становились все более заметными и крупными. Через некоторые из них стал проходить свежий, наружный воздух, затем начали перекашиваться оконные проемы. Вполне естественно, что жители этих домов заволновались.. Это явление стала изучать специальная комиссия строителей. Ее вывод гласил: вследствие сжатия грунтов под весом зданий,возникла их неравномерная осадка, что и явилось причиной растрескивания стен. Был предъявлен иск проектировщикам, которые якобы допустили ошибку и неправильно рассчитали осадку зданий.

Нужно сказать, что подобные расчеты легко проверить. И.вот приглашенные эксперты рассмотрели проекты домов и сделали.вы-водэ осадка рассчитана правильно, постройки, возведены по всем правилам строительного искусства. А трещины? Эксперты пожали плечами и уехали.

Но и в октябре эта непонятная осадка зданий продолжалась. Жители стали замечать, что трещины с каждым днем все более расширяются........

Тогда специалисты по грунтам стали внимательно, исследовать загадочное явление. Проведенные геодезические наблюдения, к удивлению всех, показали, что здания не садятся, а, наоборот, поднимаются!

Это озадачило строителей, но специалистам по грунтам сразу «открыло глаза» и позволило обнаружить причину странных деформаций.

Когда исследовали минералогический состав глин, сразу установили, что в их составе содержится значительное количество минерала монтмориллонита. Он и явился «возмутителем спокойствия». Как уже говорилось в предыдущих главах, этот глинистый минерал обладает удивительной способностью к набуханию.

В основаниях построенных зданий залегала многометровая толща таких глин. Влажность их была небольшая, от летней засушливой погоды эти глины в котлованах подсохли и растрескались. Затем на них были возведены постройки. Осенние дожди привели к тому, что в глины по «пазухам» вдоль наружных стен стала поступать вода. И вот результат. Там, где влажность глин повысилась, они начали набухать. На отдельных участках здания приподнялись на 8 — 10 см, вызвав нарушение конструкций и появление трещин.

Интересно было, что при набухании этих глин замеренное давление составило 0,5 — 0,6 МПа. В то же время давление на грунты от веса зданий составляло только 0,2 МПа. Таким образом, давление набухания грунтов оказалось в 2,5 — 3 раза больше, чем давление от веса домов. Отсюда и последовали описанные события.

Такие явления распространены в ряде южных районов нашей страны. Например, в Азербайджанской ССР нередки участки поверхности земли, сложенные толщами набухающих глин. Поэтому в этих местах могут возникать деформации зданий, связанные с увлажнением их оснований.

Подобные же явления были зарегистрированы в ряде других стран (в США, на Кубе, в Бирме и т. д.).

Мы уже знаем, что набухание связано с особенностями кристаллической решетки некоторых глинистых минералов.

А если такие влажные, набухшие глины начнут высыхать? В этом случае возникает противоположный процесс — кристаллические решетки глинистых минералов начинают сжиматься, уменьшая свой объем. Возникает интересное явление — усадка грунта.

При этом процессе в ходе подсыхания глины проявляются силы, сжимающие грунт. Возникают большие давления: до 5 и даже 10 МПа. Причина их появления связана с возрастающими в ходе высушивания капиллярным давлением и межмолекулярными силами.

Внешне явление усадки состоит в уменьшении объема грунта, его растрескивании и возрастании плотности. Поверхность глинистых грунтов в стенках каналов и насыпей благодаря усадке начинает шелушиться, что приводит, к постепенному разрушению откосов этих сооружений. В засушливых районах образуются узкие и широкие трещины усадки, проникающие в массивы глин до глубины 2 — 5 м. Уменьшение объема при этом процессе может достигать 30 — 40 % На поверхности таких глин возникает сложный рисунок трещин, разбивающих грунт на своеобразные многоугольники (рис. 21).

Ученые в течение многих лет исследовали явление набухания. Было выяснено, что оно не возникает при небольшом количестве глинистых частиц (размером менее 0,002 мм). Поэтому супеси, содержащие их менее 10 %, почти не набухают. А чем больше в глинистом грунте этих частиц, тем больше набухание. Обнаружилась также зависимость набухания от химических особенностей грунтов, естественной влажности и некоторых других факторов.

Интересно, что если определить сумму объемов воды и грунта, вступающих во взаимодействие, то она окажется больше, чем объем набухшей глины. Поэтому нельзя прогнозировать величину набухания по объему поглощенной грунтом воды.

Главная роль в набухании принадлежит глинистым минералам. Так, глины, состоящие из каолинита, набухают значительно слабее, чем монтмориллонитовые. Минералоги обнаружили, что расстояние между кристаллическими пакетами монтмориллонита при увеличении влажности с 6 до 30 % возрастает в два раза. Это является основной причиной того, что глины с данным минералом так сильно набухают.

Не менее интересен вопрос о продолжительности процесса набухания. В лаборатории было установлено, что для разных грунтов оно колеблется от нескольких до 120 ч и более. Нужно учесть, что речь идет о набухании образцов глин, врезанных в кольцо высотой 2 см.

Большое значение имеет давление, которое развивается в ходе набухания. Обнаружилось, что его величина колеблется для разных грунтов от сотых долей до 1 МПа и даже более.
К набуханию и усадке способны не только глинистые грунты, но и такие, как торф. Кто не знает эту породу, образующуюся в заболоченных низинах в результате отмирания и разложения растений. В Советском Союзе обширная территория — более 70 млн. га — покрыта им. Если производится осушение болот и торф оказывается в непривычной для него «сухой» обстановке, то начинается его интенсивная усадка. Величина ее может достигать 50 % от начального объема.

Нередко возникает оригинальная картина: мостки и здания, построенные на сваях на подобных осушенных торфяниках, как будто поднимаются и висят в воздухе (рис. 22). Конечно, природа усадки в этом случае несколько иная. Она связана с потерей содержащейся в торфе воды.

Возникает вопрос: будет ли набухать торф при увлажнении? Если сухой торф смачивать водой, то он, конечно, начнет набухать, но никогда не возвратится к тому объему, который он имел в болотных условиях до осушения.

Уже в глубокой древности люди обратили внимание на способность глины легко меситься в руках, а при высыхании на воздухе становиться твердой, сохраняя приданную ей форму.

В Институте археологии АН СССР были исследованы глиняные сосуды из неолитических стоянок (6 — 7 тыс. лет назад). Ученые установили, что в те далекие времена посуда делалась из смеси птичьего помета или навоза с глиной. Такие сосуды оказались очень прочными и не боялись температуры 900 °С. Эти изделия сначала не обжигались, как это делалось позднее.

Ряд древних народов изготавливал также плетеные сосуды, обмазанные глиной. Это искусство до сих пор известно некоторым племенам Южной Америки и Африки.

Минули многие сотни и, может быть, тысячи лет, пока какая-то фигурка или глиняный сосуд не оказались случайно в костре. Тогда люди поняли, что побывавшая в огне глина приобретает новые качества. Она становится более прочной, не размокает в воде и изменяет цвет. Так, примерно 6 — 8 тыс. лет назад появилась первая керамика. Можно предположить, что этот век «керамических изделий» предшествовал веку металла (обработка меди началась около 7 тыс. лет назад).

Высокого искусства изготовления из глины керамической посуды достигли древние египтяне, жители Вавилона, ассирийцы, а позднее греки и многие другие народы ушедших цивилизаций. Во времена фараонов в Египте большую группу ремесленников составляли гончары ,

В Южном Междуречье (район рек Тигр и Евфрат) из глины делали ведра, ящики, трубы и кирпичи. Хетты (народ, живший в районе Междуречья в XVIII — XII вв. до н.э.) были создателями первых книг — глиняных табличек, которые затем высушивали на солнце или слегка обжигали. Эти таблички были «вечными».

При раскопках древней столицы Ассирии — г. Ниневии археологи обнаружили богатейшую библиотеку, содержащую более 200 тыс. глиняных табличек. Она оказалась поистине сокровищем, раскрывшим многие тайны далеких тысячелетий.

Так глинистый грунт помог в развитии и совершенствовании культуры древних народов.

В современном мире использование глин получило необычайно широкое распространение. На толщах из глины возводят здания и сооружения, из нее изготавливаются красный кирпич, канализационные и дренажные трубы, посуда, изоляторы и много других вещей. Во всем этом многообразии изделий из глинистых грунтов широко используется их способность изменять свои свойства при увлажнении.

Исследования ученых показали, что по мере увеличения содержания влаги глинистый грунт переходит из одного состояния (кон-систендин) в другое. Если влаги мало, то глина сухая и твердая. Теперь начнем постепенно увеличивать влажность грунта. Когда ее величина достигнет «нижнего предела пластичности» (или «границы раскатывания»), глина перейдет в новое состояние пластичной консистенции. Она будет легко меситься, изменять и сохранять приданную ей при сжатии форму. Достижение этого состояния необходимо для формования кирпичей, гончарных труб, черепиц и других изделий. Величина влажности, соответствующая этому пределу (обозначаемому w_p), колеблется для различных глинистых грунтов от 8 до 40%.

Грунтоведам удалось установить, что столь значительные колебания влажности, соответствующей переходу грунта в пластичное состояние, определяются многими факторами. Главными из них являются химический и минеральный состав и содержание тонких гли-ннстых частиц (менее 0,002 мм).

Если мы продолжим увеличение влажности и дальше, то можем достигнуть верхнего предела пластичности (или границы текучести), при котором глина теряет свою прочность и начинает течь. Из грунта с влажностью выше этого предела (обозначаемого Wi) ничего сформовать не удается. Строить на такой глине опасно: она будет выдавливаться из-под фундамента, и здания на ней будут оседать. Ученые говорят, что она в этом случае превращается в слабый, водона-сыщенный грунт.

Эта граница перехода из пластичной в текучую консистенцию зависит еще в большей степени, чем граница раскатывания, от химн« ческих и минералогических особенностей глин, а также от содержания тонких частиц (рис. 23).

Знание влажностей, соответствующих этим пределам, дало неожиданный побочный эффект. Было обнаружено, что разность их значений (Wl — w_p) позволяет определить наименование глинистого грунта. Ее величину назвали числом пластичности. Если она меньше единицы — грунт песчаный, от 1 до 7 — грунт называют супесью. Другой тип глинистого грунта — суглинок имеет число пластичности от 7 до 17. Наконец, для глины оно превосходит 17. Мы уже встречались с этим»и названиями грунтов, но тогда они их получили по содержанию глинистых частиц (размером меньше 0,002 мм).

Один ли это грунт, скажем «суглинок», по числу пластичности и содержанию глинистых частиц? Оказывается, да. При значении числа пластичности 10 суглинок и содержит 12 — 14 % глинистых частиц.

Способностью к переходу в пластичное состояние обладают многие вещества — воск, стекло, металлы, мед, битум и т. д., но причины перехода всех этих веществ различны. Здесь и температуры, и давление, и химические воздействия. В глинах же переход в пластичное состояние связан с присутствием в них соответствующего числа тонких частиц, покрытых микроскопическими пленками воды.

Еще в 20-х годах нашего века ученый А. Ф. Лебедев обнаружил, что вода в грунтах может находиться в разных видах. Если влаги мало, то она образует тончайшие (в несколько молекул) пленки вокруг частиц. Такая вода была названа прочносвязанной. По мере возрастания влажности толщина пленки увеличивается, связи у молекул воды с поверностью частиц ослабевают и влага становится рыхлосвязанной.

Мы уже говорили о коагуляционной структуре глинистых грунтов. Она и определяется существованием этой пленочной влаги.

Будем продолжать насыщение грунта водой. Тогда в уголках между частицами появится капиллярная вода (о ней мы упоминали, когда шел разговор о песках). Если и дальше продолжать увлажнение, то водой начнут заполняться поры грунта. Так возникнет свободная вода, способная двигаться по порам под действием силы тяжести. Все названные формы воды в грунте наглядно изображены на рис. 24. Таким образом пластичное состояние грунта возникает после появления рыхлосвязанной воды, которая как бы смазывает частицы, позволяя им скользить относительно друг друга.

После появления первых признаков присутствия свободной воды связи между частицами оказываются нарушенными, капиллярная влага приобретает пологие мениски, и структура грунта нарушается. В этот момент и возникает текучесть глин.

А если грунт насыщать не водой, а керосином, бензином, спиртом или какой-либо другой жидкостью? В этом случае глинистые грунты не образуют пластичного тела. Это связано с различными физико-химическими особенностями воды и других жидкостей.

Если высушивать на воздухе мокрую глину, то произойдет обратный процесс. Сначала исчезнет свободная, затем капиллярная и, наконец, останется только прочносвязанная вода. В этом случае говорят, что грунт имеет гигроскопическую влажность.

Дальнейшее высушивание глины в сушильном шкафу приведет к исчезновению прочносвязанной воды. Если повысить температуру нагрева до 120 °С и более, то начнут разрушаться кристаллические решетки глинистых минералов. При высоких температурах между частицами возникнет явление «спекания». Глинистый грунт настолько изменит свой минеральный состав, что образуется новое вещество, не размокающее в воде. Егб примером могут служить керамические изделия и кирпич.

Распутица. Бездорожье. Водители автомашин боятся съехать с асфальтовых и бетонных магистралей. На грунтовых глинистых дорогах буксуют машины. Пешеходы с трудом передвигаются по проселкам.

В истории известны даже сражения, проигранные из-за бездорожья. Вообще, большинство военачальников старались избегать крупных военных операций в периоды дождей и распутицы.

Вспомните, как трудно двигаться по полевой дороге в осенний дождливый день. На ноги налипают куски и целые комья глины.

Прилипание глин затрудняет не только передвижение транспорта и пешеходов, но и наносит серьезный ущерб работе землеройных машин. На ковши и гусеницы экскаваторов, драглайнов, ножи бульдозеров налипают комья глины, значительно уменьшая их коэффициент полезного действия. Такое же налипание глинистых почв происходит при работе сельскохозяйственных машин. Все эти явления связаны с удивительной способносью глинистых и лёссовых грунтов при определенной влажности прилипать к различным поверхностям: металлическим, резиновым, кожаным и др.

Возникает вопрос: почему глина сильно прилипает, а песок нет?

Академик Ё. М. Сергеев показал, что это явление начинается при влажности, близкой к пределу раскатывания (нижней границе : пластичности). Дело в том, что, когда в грунтах имеется только связанная вода, прочно удерживаемая частицами, она не может взаимодействовать с внешними предметами.

Но вот влажность увеличивается, пленки влаги нарастают, и молекулярные связи образующейся рыхлосвязанной воды становятся слабей. Тогда периферические молекулы водных пленок не только взаимодействуют с поверхностью частиц, но и начинают реагировать с внешними предметами. Это обнаруживается при возникновении явления прилипания. Однако усиление этого процесса происходит только до определенного значения влажности. Когда толщина пленок становится значительной и формируется свободная вода, при достижении такой влажности прилипание начинает уменьшаться. Обычно липкость грунта оценивается по величине усилия, которое нужно приложить, чтобы оторвать предмет от грунта. Ее значение может достигать 5 Н на 1 см².

Так, для отрыва комка глины от подошвы ботинка при его площади 10 — 12 см² потребуется усилие 50 — 60 Н. Представьте себе, как трудно идти по дороге, непрерывно сбрасывая налипшую глину с подобным усилием. При этом чем больше вес человека, тем значительнее сила прилипания.

I. Разные глины липнут с различной силой. Так, каолинитовые глины прилипают быстрее, но сила, необходимая для их отрыва, меньше, чем для монтмориллонитовых глин. При прочих равных условиях липкость последних оказывается в два раза большей. Прилипание.зависит также от количества тонких частиц, содержащихся в грунте. Чем их больше, тем оно выше. Влияют на липкость и химические особенности грунта (содержание обменных катионов, водорастворимых солей и Др.).

Опыт показывает, что глины больше прилипают к деревянным предметам, а торфянистые и супесчаные грунты — к металлам. Борьба с липкостью является важной задачей, стоящей перед учеными и инженерами и сегодня. Ее разнообразные решения позволяют по-высить производительность землеройных механизмов, улучшить проходимость грунтовых дорог.

Как же уменьшить липкость глин? Эта задача не из легких. Прошлые поколения строителей решали ее просто. Устраивали на «глинистых дорогах деревянные настилы, покрывали плитами, просто мостили или забрасывали щебнем.

В начале нашего века грунтоведы В. В. Охотин, Н. Н. Иванов и [другие разработали метод пескования. Он заключался в том, что глина перемешивалась с песком и теряла липкость. Был создан метод подбора «оптимальных» смесей. Благодаря ему повысилось качество получаемых искусственных глинисто-песчаных грунтов. И сейчас пескование используется при строительстве грунтовых дорог. Однако этот простой прием улучшения дорог не решает проблемы, потому что транспорт быстро разрушает такие грунты. В 20-х годах нашего столетия А. П. Земятченский, В. В. Охотин, М. Ф. Филатов предложили смешивать глинистые (и песчаные) грунты с известью. Она не только подсушивала глины и уменьшала липкость, но и значительно повышала прочность дорожного полотна. Сначала применяли гашеную, а позже молотую негашеную известь.

При ее внесении в грунт происходят сложные процессы кристаллизации окиси кальция. Впоследствии начинают образовываться новые минералы (карбонаты, гидросиликаты и др.)- Прочность таких смесей достигает 0,7 МПа. В настоящее время этот метод используется для строительства сельских автодорог и аэродромов.

Следующий шаг в борьбе с липкостью и вязкостью глин был сделан, когда применили цементацию. В 1912 г. в России впервые употребили цемент для обработки дорожных грунтов. Введение цемента в глины не только уничтожает липкость и вязкость, но и значительно повышает их прочность (до 5 МПа). При этом цементом укрепляются не только глины, но и любые рыхлые грунты. Пески в смеси с цементом теряют свою рыхлость и превращаются в прочную породу типа песчаника.

Сейчас цементация — один из наиболее распространенных методов укрепления грунтов. Более 3500 км дорог СССР цементно-грун-товые.

Применяется также внесение в грунты других веществ: дегтя, битума и гидрофобных (отталкивающих воду) веществ.

Для борьбы с прилипанием глины к землеройным механизмам (экскаваторы, бульдозеры и др.) разработан метод приложения к поверхности режущих инструментов электрического потенциала, В результате глинистые частицы, покрытые пленочной влагой, отталкиваются, а не прилипают.

Еще в XVIII в. жителям района р. Рейн был хорошо знаком особый светло-палевый грунт, выходящий на поверхности террасовых уступов речной долины.

Местное население знало, что эти грунты в сухом состоянии обладают достаточной прочностью, чтобы держаться в вертикальных откосах. Но если на них попадала вода, то картина мгновенно изменялась. В течение 20 — 40 с возникало катастрофическое разрушение. Казалось, что грунт растворяется. По этой причине они были названы лёссами от немецкого слова «lessen»- — растворяться.

В XIX в. обнаружилось, что подобного вида грунты встречаются не только в Германии, но и во многих других странах. В Советском Союзе лёссы слагают толщи мощностью от нескольких до 100 м. Их можно встретить в самых различных уголках нашей Родины. Они есть в Белоруссии, Молдавии, на Украине, в Западной Сибири, Алтае и многих других районах страны. Особо значительные слои этик грунтов встречаются в Узбекистане, Таджикистане, на Северном Кавказе. Более 14 % территории Советского Союза покрыто лёссовым «одеялом».

Большие толщи этих грунтов найдены в КНР. Там они образуют массивы мощностью 100 — 200 м.

Этот интересный грунт имеет для человечества особую ценность. Именно на нем образовались самые плодородные почвы мира — черноземы.