Занимательное грунтоведение

В ней идет речь о грунтоведении — науке, еще сравнительно малознакомой широкой публике.

Изучение грунтов имеет большое значение в выполнении целого ряда задач, поставленных XXVI съездом КПСС. Так, их исследование необходимо для решения проблемы развития железнодорожных и автодорожных магистралей, освоения морского шельфа, возведения тепловых, атомных и гидроэлектростанций, сельскохозяйственной мелиорации, промышленного и гражданского строительства, а также для других целей.

Задача книги — в занимательной форме рассказать читателю об этой части инженерной геологии и постараться возбудить к ней интерес; показать внутренние причины и движущие силы ряда природных явлений и процессов, встречающихся в повседневной жизни; познакомить с особенностями грунтов, определяющих решение многих вопросов освоения земной коры для нужд человечества.

Грунтоведение в настоящее время составляет важнейшую часть комплекса наук, объединяемых инженерной геологией. Поэтому в тексте неизбежна встреча с некоторыми общими вопросами, частия-но рассмотренными в ранее вышедшей книге автора «Занимательная инженерная геология» [8].

В старинной русской сказке повествуется о том, что претендентам на руку царевны было предложено ответить на три вопроса. Первый из них: «Без чего человек не может жить?»

Выступил сказочно богатый принц с Востока и сказал: «О, великий царь, без золота и алмазов жить на свете нельзя».

Принц с Запада утверждал, что существование царства невозможно без железа и меча.

Третий претендент уверял: «Жизни не может быть без царя».

В конце концов, вышел из толпы простой, крестьянский паренек Иванушка и дал правильный ответ: «Жить нельзя без воды, воздуха и земли». Мудрецы согласились с ним.

На второй вопрос: «Чего больше всего на Земле?» высокородными гостями были высказаны разные мнения. Однако верным оказался лишь ответ Иванушки: «На Земле больше всего капель воды и зерен песка и глины».

Последний вопрос гласил: «Что является нашим домом?» Вспоминали все: и роскошные дворцы, и неприступные крепости, и даже бедные хижины. Один Иванушка сказал: «Наш дом — Земля. На ней мы рождаемся, живем и умираем».

Мудрость ответов Иванушки очевидна. Все живое на Земле помещается в экосфере (рис. 1). Если перевести это греческое слово, то «ojkos» означает — дом, жилище. Сама эта сфера, или оболочка, жизни достаточно тонка. Она включает нижний слой атмосферы, водную оболочку и верхнюю часть земной коры.

Важнейшей составляющей экосферы является поверхностная часть земной коры. Здесь развиты почвы, которые дают пищу человечеству. Мы живем и работаем на поверхности Земли, сложенной различными грунтами — горными породами. Можно образно сказать, что грунты служат полом нашего общечеловеческого дома. Именно они несут бесчисленные жилые здания, заводы, дороги, плотины... В них мы строим метро и склады, из них черпаем материалы для строительства.

Давайте разберемся. Дело в том, что понятие «грунт» появилось в России во времена Петра I. Тогда делались первые попытки соединить каналом Волгу с Балтийским морем и началось строительство новой столицы государства российского — Санкт-Петербурга. Этот термин понравился, был быстро подхвачен строителями и вошел в обиход.

После Великой Октябрьской социалистической революции наша Родина превратилась в обширную стройку: начали создаваться электростанции, новые города, масса предприятий, железные и автомобильные дороги, рукотворные моря. Возникла острая необходимость в широком освоении верхней части земной коры. Потребовалось познать многое из того, чего раньше не знали о составе, строении и связанных с ними свойствах земных слоев.

Еще в двадцатые годы было уточнено, что понимать под словом «грунт». Теперь мы называем грунтом любые образования, слагающие поверхность. Это чаще всего горные породы, осадки морей, озер и рек, а уже потом — разные искусственные материалы, начиная от шлаков, зол, строительного мусора и кончая мусором свалок, образованных бытовыми и промышленными отходами.

В геологии есть науки (они носят названия петрография, минералогия, литология), изучающие главным образом твердую минеральную часть горных пород.

В отличие от них молодая наука, названная «грунтоведением», исследует грунты как образования, состоящие из твердой, жидкой и газообразной частей. В ней горные породы изучаются как среда, в которой живет и на которой строит человек.

Конечно, в грунтоведении широко используются достижения петрографии, минералогии, литологии. Однако главное внимание уделяется специальному изучению свойств и особенностей грунтов, которые нужно знать, чтобы использовать их для нужд человека. Таким образом, грунтоведение является наукой, изучающей грунты как важнейшую часть среды обитания человека. Но это еще не все. Грунтовед ищет и находит пути изменения их свойств, он разрабатывает мероприятия по сохранению природной грунтовой среды.

Грунтоведение своими глубокими корнями уходит в геологические, физико-математические и современные технические отрасли знания, поэтому его развитие и началось в XX в., когда эти отрасли достигли соответствующего уровня.

Лос-Анджелес — один из крупнейших культурных и промышленных центров Калифорнии. Сельское хозяйство, развитое в районах, окружающих этот город, основано на орошаемом земледелии. Лос-Анджелес серьезно страдает из-за сухости климата и недостатка питьевой воды. В настоящее время он получает воду более чем по 400-километровому акведуку из оз. Оуэне и р. Колорадо.

Поэтому становится понятным стремление к созданию в районе искусственных водохранилищ. Одно из них было образовано путем постройки плотины Сент-Френсис, перегородившей узкий Сан-Фран-цисский каньон. Место было выбрано удачно. Бетонная плотина длиной 213 м преградила путь воде — и возникло водохранилище глубиной до 60 м. Но радость была непродолжительной. Плотина просуществовала менее года. В мартовскую ночь неожиданно раздался грохот и без всяких видимых причин правая и левая части сооружения обрушились. В образовавшиеся разломы хлынул мощный поток воды. Возникшая волна высотой более 25 м, сметая все на своем пути, понеслась по долине. Вода сносила фермы, дома и другие постройки. Обломки плотины были обнаружены на километр ниже первоначального положения. Эта катастрофа привела к гибели более 400 человек и принесла убытки, превосходящие 11 млн. долларов.



Рис. 2. Разрушение плотины Аустина
Причиной ее была ошибка в оценке грунтов, на которых стояла плотина. В основании плотины лежала толща конгломератов (сцементированной обломочной породы) и трещиноватых сланцев. И те, и другие обладали высокой водопроницаемостью. К этому еще прибавилась неправильная оценка свойств конгломератов. В сухом состоянии они казались прочными и твердыми. Когда же в них попала вода, они превратились в рыхлое, скользское скопление гравия, гальки, глины и песка.

Строительная летопись пестрит описаниями тяжелых аварий плотин. Катастрофа Бузейской плотины в Вогезах (Франция) унесла 150 жизней, поток на своем пути полностью уничтожил четыре деревни. Причина этой аварии тоже заключалась в ошибочной оценке свойств глины, лежавшей в основании сооружения. В результате под действием воды грунт размягчился, и плотина сползла по мягкому ложу вниз по уклону долины.

Бетонная плотина у р. Аустина в Пенсильвании (США) просто рухнула. Образовавшийся при этом поток привел к гибели около 100 человек. Как удалось установить, основной причиной катастрофы оказался неправильный учет водопроницаемости песчаников и размягчения глинистых сланцев. В итоге хлынувшая по порам и трещинам пород вода разрушила грунт и привела к несчастью (рис. 2).

После второй мировой войны самая крупная катастрофа в Европе связана с разрушением плотины Мальпассе. Она была построена в Провансе около г. Фрежюса (Франция). Высота сооружения 66,5 м. Катастрофа произошла в 1959 г. после сильных затяжных дождей. В ночное время плотина сдвинулась и бешеный водоворот разорвал ее. Обломки — многотонные блоки — были увлечены водой на сотни метров вниз по долине. Образовавшийся поток ворвался в селения и городок, расположенные по берегам, Люди, мирно спавшие в св#их домах, были застигнуты врасплох. В результате число жертв оказалось более 1000 человек. Причины случившегося изучал ряд комиссий. Был даже суд над фирмой и автором проекта. Но все закончилось их оправданием. Автору этой книги удалось побывать на месте катастрофы. Небольшой осмотр показал, что в этом случае она была связана с недоучетом сланцеватости и трещиноватости грунтов, на которых была построена плотина.

Нередки случаи, когда недостаточный учет свойств грунтов приводит к разрушению жилых зданий и промышленных сооружений.

Все эти примеры говорят о том, что грунты требуют к себе серьезного отношения и не прощают легкомысленности.

Законы диалектики неумолимо действуют и в неорганической природе. Грунты — горные породы зарождаются и претерпевают различные изменения, проходя своеобразные стадии «детства», «зрелости» и «старости». В конечном счете они исчезают, образно говоря, «умирают», но вещество, их слагающее, не исчезает, а, изменяясь, дает начало новым породам.

Конечно, понятия «рождение», «детство», «зрелость», «старость» и «смерть» в применении к горным породам не имеют биологического значения, и мы применяем их условно. Они лишь подчеркивают стадийность и направленность истории развития грунтов.

Продолжительность жизни живых организмов и растений весьма мала. Она колеблется всего от минут до десятков и редко сотен лет. Если же мы обратимся к оценке длительности существования («жизни») горной породы, то ее приходится измерять сотнями тысяч, миллионами и даже миллиардами лет.

Так, возраст распространенных в южной части СССР лёссовых грунтов колеблется от 1 тыс. до 2 — 3 млн. лет. Меловые грунты, встречающиеся в Брянской, Воронежской, Харьковской, Белгородской и других областях нашей страны, имеют более солидный возраст: 100 — 150 млн. лет.

Несравнимо более древними являются очень прочные скальные грунты — железистые кварциты. Они появились на свет в далекой тьме веков — более миллиарда лет назад.

Конечно, есть «свежие» грунты, которые образуются буквально на наших глазах. Это прежде всего естественные осадки морей и озер. Искусственные грунты, создаваемые из бытовых или промышленных отходов, формируются каждый час, каждый день.

Если бы можно было окинуть одним взором поверхность нашей планеты, то перед нами раскинулись бы широкие равнины, могучие горы, то плавные, то бурные реки, гладь озер и грандиозные пространства морей и океанов. Не менее разнообразны и недра Земли, и климат поверхности нашей планеты, который меняется от арктических морозов до жары экваториального пояса.

Все это порождает многообразие путей «рождения» и «жизненных дорог» горных пород.

Важное место среди них занимает группа скальных грунтов — горных пород, образовавшихся путем застывания и кристаллизации огненного расплава, называемого магмой. Так образуются магматические породы — самые прочные и «долговечные» грунты.

Такие их представители, как граниты, диориты, габбро, базальты и другие, рождаются, образно говоря, в огне. Из глубоких недр по трещинам в земной коре магма с огромной силой выдавливается вверх. В одних случаях расплавленная огненная масса застревает на какой-то глубине, не пробившись к поверхности. Тогда под покровом вышележащих толщ, как под одеялом, процесс остывания и кристаллизации расплава идет очень медленно. Образуются полнокристаллические массивные породы (например, граниты). Минеральные зерна в них видны невооруженным глазом.

Если же расплавленная масса все же проникает на поверхность, то охлаждение идет так быстро, что ее кристаллизация не успевает завершиться. Образуются своеобразные породы: базальты, липариты и др. Они отличаются мелкокристалличностью, твердостью и прочностью. В них часто можно встретить стекло (магму, не успевшую превратиться в кристаллы).

Проходят следующие сотни тысяч, миллионы лет и во впадинах постепенно накапливаются тысячеметровые толщи осадочных пород. Под их тяжестью прогибается дно морей. Все новые и новые массы частиц стремятся в эти впадины. Так формируются морские осадочные породы (глины, пески, суглинки). В их образовании также принимают участие морские организмы и химические процессы.

Слои снесенного материала, оказавшиеся под мощными толщами осадков, испытывают большое давление. Достаточно сказать, что под весом километрового слоя оно достигает 20 МПа и более. В глубине этих толщ благодаря теплу недр Земли повышается температура. Под действием высокого давления и тепла вещество начинает изменяться (перекристаллизовываться). А тут еще проявляется неспокойная жизнь земной коры, ее движения (так называемые тектонические) приводят к дальнейшему нарастанию высоких давлений и температур. И тогда рождаются новые скальные грунты — горные породы, получившие в геологии наименование метаморфических (измененных). Они в отличие от осадочных пород обладают значительной прочностью и твердостью. В качестве примера метаморфических пород можно назвать гнейс, кварцит, сланцы, мрамор и многие другие. Характерной чертой ряда из них является сланцеватость (сланцы, гнейс).

Время идет. Мощные горообразовательные процессы постепенно сминают эти породы в складки и поднимают их из недр земной коры на поверхность. И вот метаморфические и осадочные породы становятся опять доступными для воздействия все тех же сил: воды, ветра, мороза, солнца и т. д. Их ждет та же судьба, что и магматические породы: «старение», разрушение и «смерть» — переход в новые образования.

Рождение некоторых осадочных грунтов скального типа (известняков, доломитов, гипсов) связано с деятельностью организмов и химическими процессами, протекающими в различных водоемах. Но и их ждут те же изменения и разрушения, когда они оказываются на дневной поверхности или под воздействием подземных вод. Чаще всего в этих породах процессы разрушения протекают быстрее, чем «старение» магматических и метаморфических образований.

Таким образом, магматические, метаморфические и осадочные горные породы вечно находятся в процессе изменения. Одни из них только что «рождаются», другие уже «стареют», а третьи «умирают».

В грунтоведении изучается современное состояние пород, но его невозможно оценить без учета истории грунтов, их путей развития. На каждом этапе процесса изменения порода приобретает определенные свойства. Сыпучий песок под действием природных растворов превращается в прочный песчаник, который может, в свою очередь, превращаться в кварцит или гнейс — очень прочные образования. В геологии процесс превращения рыхлых пород в прочные (песок- — песчаник) получил название литификации (греч. lithos — камень). Когда грунтовед изучает грунты, он старается выяснить степень их литификации, по которой можно судить о ряде свойств породы.

Как-то древнегреческого философа Сократа спросили, кто самый великий ваятель прекрасного? Ни на секунду не задумавшись, он ответил: «Природа».

Да, природа непрерывно создает новые формы и разрушает старые. Поэтому вечный процесс образования и превращений магматических, осадочных и метаморфических пород в конечном счете порождает бесконечное разнообразие грунтов.

Для того чтобы в них разобраться, их нужно классифицировать. В науке вообще нельзя обойтись без строго продуманной классификации предметов и процессов. Понятно, что и в грунтоведении должна существовать серьезно обоснованная система разделения грунтов.

Было сделано много разных предложений и классификационных схем. С течением времени они все более и более совершенствовались и обосновывались. Свою лепту внесли такие выдающиеся советские ученые, как Ф. П. Саваренский и Е. М. Сергеев, В. А. Приклонский, В. В. Охотин, М. М. Филатов и многие другие.

Первое, что бросилось в глаза исследователям, это существование среди массы пород двух больших групп: прочных (скальных) и рыхлых грунтов. Главной особенностью скальных грунтов является присутствие в них жестких связей между частицами. Поэтому их назвали «породами с жесткими связями». Рыхлые же грунты либо вообще не обладают связями между частицами, либо эти связи слабые.

Но этого оказалось, конечно, недостаточно.

Поэтому следующей важной ступенью в развитии классификации явилось выделение генетических типов (по происхождению). Так, среди скальных грунтов с жесткими связями были выделены магматические, метаморфические и осадочные породы.

Рыхлые грунты (без жестких связей) были также подразделены на осадочные разности и почвы. Но осадочные породы могут образовываться в разных условиях, поэтому нужно было уточнить их генетическое подразделение. Были выделены морские (образовавшиеся в море), речные (их называют также аллювиальными), эоловые (образованные действием ветра), моренные и водно-ледниковые (результат деятельности ледников и талых вод) и другие отложения.

Еще более улучшило разделение обломочных (рыхлых) грунтов выделение среди них двух групп по характеру связей между частицами: несвязных (пески, галечники, гравий) и связных (глинистые, лёссовые).

Казалось бы, получено достаточно дробное подразделение грунтов. Но это не совсем так. Например, в природе встречаются самые различные глинистые породы. Сказать только, что это глинистый грунт — еще далеко не достаточно.

Тогда на помощь призвали структурные особенности грунтов. Они были положены в основу одной из первых классификаций рыхлых осадочных грунтов. В ней грунты разделили по содержанию частиц разных размеров. Так появились пески (мелко-, средне- и крупнозернистые), супеси, суглинки (легкие, средние и тяжелые), глины. К этому вопросу мы еще вернемся.



Рис. 4. Как разделяются грунты
Имеются и другие, более дробные подразделения, в которых грунты делятся либо по минеральному составу, либо по каким-нибудь свойствам, например: сжимаемости, влажности, уплотненности и т. д.

Так, все природное многообразие грунтов удалось разделить на классы, группы, типы, виды, разновидности. Если грунтовед определяет, что какой-то грунт: суглинок аллювиальный, средний, гидрослюдистый, в пластичном состоянии, то этого достаточно для того, чтобы предположить, какими могут быть его свойства. Можно сказать, что классификационные определения являются своеобразной «визитной карточкой» грунта. Схема деления грунтов показана на рис. 4.

Наш рассказ не будет полным, если не упомянуть о роли возраста грунтов. В геологии известно, что с течением времени меняются рельеф, взаиморазмещение суши и морей, климат, вулканические процессы и многое другое, определяющее условия образования пород. Поэтому если говорят о морских глинах палеогенового возраста, то в определенной степени становятся ясны условия их образования.

В море глины образуются главным образом за счет взвешенных частиц, которые, оседая на дно, постепенно формируют слой или пласт. Образование таких слоев идет очень медленно: за год накапливается не более 1 — 2 мм осадка. Так как глины формируют толщи, мощность которых измеряется десятками и даже сотнями метров, для их накопления требуются десятки и сотни тысяч лет. За это время происходят изменения течений, возникают поднятия и опускания дна, меняется береговая линия, появляются и исчезают реки. В конечном счете такой пласт глины оказывается как бы летописью геологической истории эпохи его отложения. Вот почему в пределах толщ любых осадочных пород меняются их состав, строение и свойства как по вертикали, так и по горизонтали.

Часто море отступает, и глина оказывается на континенте. Здесь ее ждут новые «враги» — колебания температуры, изменения влажности, микроорганизмы, корневые системы растений и др. Все они порождают процессы, которые получили название «выветривание грунтов». Под действием этих процессоз глина может сильно изменяться.

Вот почему не во всех случаях генезис и возраст породы позволяют судить об ее современных свойствах.

А теперь на столе перед нами три кусочка грунта: первый (очень прочный) — гранит, второй (сравнительно мягкий) — тальковый сланец и третий — сухая глина. Первые два кусочка, брошенные в воду, не изменяются, не размокают, сохраняя твердость, зато, если увлажнить третий грунт, то он становится вначале вязким, а затем постепенно превращается в текучую массу. Сланец, в отличие от других двух образцов, на ощупь производит впечатление жирного и т. д. Опять оказывается: разные грунты — разные свойства. Теперь мы уже знаем главную причину такого отличия: грунты состоят из разных минералов. Гранит содержит кварц, полевой шпат и слюду, сланец состоит главным образом из минерала, получившего название талька. Он известен тем, что, размолотый в порошок, употребляется как детская присыпка. Наконец, глина состоит из массы особых «глинистых» минералов, обладающих чаще всего очень малыми размерами.