В механике грунтов различают три основных вида грунтов: несе__вязанные, связанные и грунты органического происхождения. Кроме того, существуют и горные породы, но их изучают не в механике грунтов, а в научной дисциплине механике горных пород.
Несвязные грунты
Несвязные или некоherentные грунты — это те, составные части которых не связаны никаким связующим веществом. В сухом состоянии, когда на них не действует влага, твердые составные части несвязного грунта совершенно свободны в земляной массе, и между ними имеется лишь трение, называемое внутренним трением. К несвязным грунтам относятся:
- Блоки, вел. зерна 200 – 2000 mm
- Щебень, разм. зерна 60 – 200 mm
- Щебень, разм. зерен 2 – 60 mm
- Песок, велич. зёрен 0,02 – 2 mm
- Пыль, вел. зерен 0,002 – 0,02 mm.
Отмечается, что фракцию пыль иногда называют илом (англ. silt, нем. Schluff). Однако, поскольку у нас ил означает определенный вид грунта органического происхождения, такое название для указанной фракции могло бы вызвать недоразумение.
Рис. 1 - Песчаный грунт
Связные грунты
Связанные или когерентные грунты — это те, чьи твёрдые частицы связаны между собой сцеплением. Когерентные грунты могут иметь очень нестабильные физические свойства, которые легко изменяются под действием воды. К связанным грунтам относятся те, которые содержат твёрдые частицы размером менее 0,002 mm. Грунт, содержащий преимущественно частицы размером 0,002 – 0,0002 mm, называется глиной, а если эти частицы имеют размер 0,0002 – 0,00002 mm, то он называется коллоидной глиной.
В природе чистая глина встречается редко, обычно она смешана с другими составляющими, такими как песок и пыль, что называется суглинком; глина с известняком называется мергелистой глиной (мергель), а глина с магнием — ума. Обычно принимается, что грунт, содержащий более чем 50% глинистых составляющих, называется жирной глиной или просто глиной, тогда как грунт с менее чем 50% глинистых составляющих называется глинистым грунтом. Грунт, содержащий менее чем 5% глинистых составляющих, считается обладающим свойствами несвязного грунта.
Самый быстрый и простой способ определить, к какой группе относится какой-либо грунт, — высушить образец и попытаться раздробить его пальцами. Некоherentные грунты сразу распадаются. Глинистые грунты под пальцами крошатся на более мелкие куски, а глина становится твердой почти как камень.
Рис. 2 - Глинистый грунт
Почвы органического происхождения
Эти грунты состоят в значительной части из органических или растительных материалов с глинистыми и другими примесями. Из-за содержания органических составляющих эти грунты весьма неустойчивы и сильно поглощают воду, поэтому они нестабильны и не могут служить ни основанием, ни материалом для устройства земляных сооружений. К таким грунтам относятся гумус, ил и торф.
Гумус — это плодородная почва, находящаяся в поверхностном слое земной коры, обычно толщиной в несколько дециметров. Он состоит из смеси органических и минеральных веществ с большим количеством бактерий. При устройстве земляных насыпей, дорожных покрытий на дорогах и подобных работах на грунте, а также при разработке карьера для материала, используемого для устройства земляных сооружений, следует вырыть и удалить весь слой гумуса, который можно использовать только для защиты земляных откосов от размывания водой.
Рис. 3 - Гумус
Ил состоит из смеси органических веществ в виде очень мелких частиц с минеральными веществами, такими как глина, пыль и песок. Он находится на дне прежних рек и озер.
Торф состоит из большого количества растительных и органических веществ в виде волокон, с меньшим содержанием минеральных веществ.
Происхождение грунта
Если бы мы сделали разрез через земную кору, мы бы установили, что она чаще всего состоит из поверхностного слоя — гумуса небольшой толщины, затем из подповерхностного слоя, состоящего из одного или нескольких слоев различного состава и разной толщины, и, наконец, из твердой породы. Поверхностный слой образовался главным образом в результате разложения растительных и органических веществ, тогда как подповерхностный слой образовался в результате разложения твердой породы.
Разрушение твердой породы происходит вследствие атмосферных воздействий или вследствие вулканического действия. Атмосферные воздействия могут быть механическими или химическими. Если процесс разрушения твердой породы представляет собой соединение минералов с кислородом, то это разрушение окислением, а если соединение с водой, то разрушение гидратированием. Вулканическое действие — химическое. Под действием высокой температуры твердая порода превращается в вулканический пепел.
Процесс разрушения скальной породы и ее превращения в грунт может происходить на месте, «in situ», или с переносом. Перенос разрушенных частиц осуществляется водой, в этом случае образуются аллювиальные грунты, ветром, когда они становятся эоловыми грунтами, или льдом, когда формируются ледниковые грунты. В ходе переноса разрушенных кусков и частиц скальной породы происходит их дальнейшее измельчение вследствие ударов, трения и вымывания, которым они подвергаются во время переноса. В результате этого воздействия края разбитых кусков округляются, новые частицы измельчаются, их края снова округляются и так далее, пока продолжается перенос. Размер и форма твердых составляющих зависят от прочности породы, длины переноса, вида переноса и т. д. Поэтому форма твердых частиц в грунте очень разнообразна: круглая, овальная, с острыми или закругленными краями, треугольная и т. д. Твердые составляющие размером 0,02 – 0,002 mm, фракция которых в механике грунтов называется пылью, в основном имеют круглую или овальную форму. Такие составляющие размером менее 0,002 mm, фракция которых называется глиной, имеют чешуйчатую форму. Крупные частицы песка, гравия и гальки могут иметь различные формы: кубические, округлые, пластинчатые и т. д. Кубические частицы труднее изменяют свою форму, пластинчатые — легче. Поэтому грунты, состоящие преимущественно из пластинчатых частиц, могут легко менять свой состав.
Следует отметить, что отдельные грунты, процесс образования которых полностью завершён, иногда впоследствии покрываются новыми наносами, так что ранее образовавшийся грунт остаётся в глубине, а на новом наносе формируется другой грунт, который может не иметь никакой связи с предыдущим. Такой ранее образовавшийся грунт, позднее покрытый новым наносом, называется погребённым грунтом. Это чаще всего культурные земли, которые были обработаны, а затем покрыты наносами лёссовой пыли ветром, но наносы могут быть и речными. Погребённый грунт распознаётся по тёмной окраске, и таких слоёв грунта может быть несколько, если этот процесс повторялся многократно.
Аллювиальные грунты
Аллювиальные грунты образуются путем отложения твердых частиц при переносе водой. Отложение зависит от ряда факторов, среди которых важнейшими являются скорость водного потока, крупность переносимых частиц и содержание других составляющих, таких как соли, известь и т. д. При больших скоростях водного потока осаждаются только крупные частицы, тогда как мелкие не осаждаются, а переносятся дальше. Поэтому более крупные твердые частицы осаждаются в верхней части водотока, ближе к источнику, где скорость водного потока велика. С уменьшением скорости водного потока осаждаются все более мелкие частицы. В спокойной воде, без течения, как правило, осаждаются самые мелкие твердые частицы. Везде, где происходит замедление водного потока, возникают значительные отложения, как это бывает на затопленной территории при выходе воды из речного русла, затем в устьях рек, перед плотинами и т. д.
Осаждение очень мелких частиц коллоидной глины может длиться бесконечно долго из-за электрохимического воздействия, возникающего между мелкими частицами размером менее 0,0002 mm, когда они погружены в воду. В этом случае твёрдые частицы несут на себе электрический заряд одного и того же знака (отрицательный), вследствие чего они взаимно отталкиваются и движутся в жидкой массе тем быстрее, чем меньше их размер. Это броуновские движения. Из-за этих движений осаждение твёрдых частиц в воде значительно замедляется и может продолжаться бесконечно долго.
Рис. 4 - Аллювиальный грунт
Эоловые грунты
Эоловые грунты образуются в результате переноса ветром твёрдых частиц. Различают два вида эоловых грунтов — лёсс и дюны. Лёсс состоит из твёрдых частиц величиной около 0,05 mm или несколько меньше, сцепленных между собой карбонатом кальция. Поэтому в сухом состоянии лёсс обладает большой прочностью. Выемки в лёссе могут сохранять вертикальные стенки на очень больших высотах. Однако если лёсс сильно увлажняется, он теряет свою прочность и легко приходит в движение. Известны случаи лёссовых отложений Бежанийской косы под Белградом, которые сохраняются с вертикальными стенками на высотах свыше 20m. Однако на участках, где у краёв возведены поселения, как, например, на Чунарской улице в Земунe, где вследствие разлива использованных вод происходит постоянное увлажнение у самого склона лёссового плато, лёссовые склоны разрушаются, и устойчивость лёссового грунта вблизи края оказывается нарушенной.
Дюны — это подвижные холмы из несвязанного песка, наносимого ветром. Под действием ветра эти холмы быстро раздуваются и вновь образуются, из-за чего они представляют опасность заноса и разрушения домов и транспортных средств.
Рис. 5 — Эоловый грунт
Гляциальные почвы
Ледниковые грунты образуются в результате переноса льдом твердых частиц грунта. Ледниковые грунты имеют иной состав, чем аллювиальные, поскольку состоят из твердых частиц примерно одинаковой крупности, а именно из валунов, гравия (морены) или песка, оставшихся после таяния льда. В слоях бывших ледниковых озер встречается ледниковый суглинок.
Рис. 6 - Ледниковый грунт