ПНИИС    МИСИ им. Куйбышева

Госстроя СССР    Минвуза СССР

Рекомендации

по комплексному изучению и оценке строительных свойств

песчаных грунтов

Обычно элювиальные песчаные породы образуются в местах выхода на поверхность коренных пород в виде каменных россыпей. Они, как правило, маломощны и не имеют широкого распространения.

1.9.    Развитые в пределах европейской части территории Союза ССР пески в подавляющем большинстве случаев относятся к перечисленным выше генетическим типам. Следует отметить, что на отдельных участках могут встречаться песчаные отложения, сформированные под влиянием иных факторов (делювиальные, озерные, пролювиальные, лиманные и тл.). Однако эти отложения не играют заметной роли в инженерно-геологическом отношении. Они обычно не образуют значительных толщ, занимают небольшие площади, представлены, как правило, переслаиванием песчаных и глинистых пород.

Разделение песков по условиям их формирования не всегда позволяет получить представление об их инженерно-геологических особенностях. Действительно, в пределах каждого генетического типа можно встретить пески практически во всем диапазоне изменения их состава и свойств: от пылеватых до гравелистых» от рыхлых до плотных, от воздушно-сухих до водонасыщенных и тл. Однако при составлении геологических карт, построении геолого-литологических разрезов, выделении инженерно-геологических элементов сведения о генезисе песков приобретают очень важное значение.

Данные о генезисе песков позволяют полнее понять природу их строительных свойств, более объективно выбрать методику проведения исследований и составления соответствующих прогнозов. Вопрос о сущности и методологии генетического подхода к изучению и оценке строительных свойств песчаных грунтов рассматривается в разделе 2 данных Рекомендаций.

1.10.    Условия залегания песчаных отложений определяются их конфигурацией, простиранием и мощностью. Выделяются четыре типа основных форм песчаных тел и ряд производных от них [16]. Изометричные песчаные тела имеют отношение длины к ширине примерно 1:1 и могут покрывать площадь от нескольких до тысяч квадратных километров. Их называют пластами и покровами. Удлиненные песчаные тела, наоборот, характеризуются существенным превышением длины над шириной и могут быть отнесены к одному из трех типов: линзовидные, лентовидные и дендроидные. Обычные формы песчаных тел показаны на рис.2.

У линзовидных тел отношение длины к ширине обычно не превышает 3, у лентовидных — 20:1 и более. Дендроидные залежи обычно более извилисты, имеют многочисленные ответвления.

Для аллювиальных отложений, например, характерна сильно вытянутая форма. Ширина колеблется от 15—20 м до 50 км в сложных руслах. Рисунок отложений часто имеет ветвистую, сетчатую форму. В дельтах разветвленная сеть русел создает определенную обстановку отложения песков, существенно отличающую-

10

ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИКО-МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ПЕСКОВ

1.12.    Минеральный состав имеет большое значение при исследовании песков, так как влияет на их прочность, деформируемость, плотность, адсорбционные, тепловые и электрические свойства. Помимо этого, знание минерального состава в некоторых случаях дает возможность прогнозировать изменение свойств песков после окончания строительства.

Минеральный состав песков характеризуется составом компонентов их твердой фазы. Он определяется, как правило, источником сноса и лишь частично преобразуется процессами седиментации. Важной особенностью минералов является их избирательная способность к истиранию, в результате чего зерна более мягких минералов приобретают меньшие размеры по сравнению с более твердыми. Это приводит к тому, что в процессе транспортировки пески, возникшие из одного и того же источника, отличаются по минеральному составу в разных частях бассейна седиментации.

В основном пески состоят из минералов, которые могут быть представлены обломками кристаллов, кристаллами, обломками горных пород, а также содержать гумус или остатки разложившихся растений и животных. Пески в большинстве случаев представляют собой полиминеральные образования. В их составе встречаются в основном 25—30 минералов, однако практическое значение имеют 4—5 минералов, %: кварц - 70, каолин — 8; полевой шпат — 8; кальцит — 7; доломит — 3; хлорит — 1; разные минералы — 3.

1.13.    Кварцевые пески - наиболее распространенный в земной коре тип песков. Возникновение и накопление их происходит, как правило, в условиях тектонического покоя или в платформенных условиях, в областях гумидного климата, где возможно глубокое разложение кварцсодержащих пород. Пески встречаются в отложениях верхнего девона, нижнего карбона, юры, мела, палеогена и породах четвертичного возраста. Они встречаются среди отложений всех генетических типов. Сравнительно редкими являются элювиальные пески, образующиеся при выветривании песчаников и кварцитов. Месторождения этих песков имеются на Урале и в Прибайкалье. Флювиогляциальные кварцевые пески встречаются в районе Коломны (Репинское месторождение) и в других районах. Аллювиальные кварцевые пески имеют широкое распространение; в качестве примера можно назвать Луховицкое месторождение в Московской области. Озерные пески встречаются в районе Челябинска (Чуриловское месторождение), эоловые — в Белоруссии, Средней Азии, Поволжье, морские пески — в Подмосковье (Люберецкое месторождение), на Урале (Кичиганское месторождение) , а также в приморских районах. Особенно чистые кварцевые пески связаны с месторождениями угля и каолина.

12

1.14. Химический состав песков определяется их минеральным составом, в связи с этим в песках выделяются четыре группы элементов: щелочные, щелочноземельные, алюминий, кремнезем. Среди щелочных элементов преобладают Na и К, которые содержатся в обломочных зернах щелочных полевых шпатов и мусковита.

Основными носителями щелочноземельных минералов в песках являются карбонаты и глинистые минералы. Наибольшим распространением пользуются Са и Mg.

Алюминий является единственным представителем третьей группы. Он присутствует в обломках полевых шпатов, слюд и в глинистой фракции. Кремнезем является основной составляющей песков. Его содержание в породах четвертичного возраста достигает 95% и более.

Кроме перечисленных групп в песках присутствует железо в закисной и окисной формах. С накоплением, трансформацией и миграцией соединений железа связана одна из важных особенностей песков — его способность к упрочнению во времени.

Основными химическими соединениями для минералов песков являются окислы и соли. Главнейший окисел Si02 — двуокись кремния и кремнезем. В свободном сортоянии находится в виде кварца. Помимо кристаллического кварца кремнезем может встречаться в тонкодисперсном состоянии в виде коллоидных частиц (геля кремнезема), а также в виде аморфной рубашки, образующейся на зернах кварца при их дроблении. В связанном состоянии находится в виде кварца. Помимо кристаллического кварца кремнезем может встречаться в тонкодисперсном состоянии в виде коллоидных частиц (геля кремнезема), а также в виде аморфной рубашки, образующейся на зернах кварца при их дроблении. В связанном состоянии присутствует в силикатах, алюмосиликатах и других соединениях. Встречаются в песках окислы железа как водные, так и безводные (содержание их не превышает единиц процента). Это лимонит 2Fe203 ЗН2О, гематит Fe203, магнетит Fe2C>4.

Все описанные выше химические соединения характеризуются малой активностью и инертностью, что определяется свойствами входящего в них кремнезема. Некоторым генетическим типам песков присущи определенные особенности химического состава. Так, в аллювиальных песках содержится повышенное количество кремнезема, а в древнем аллювии много водно-растворимых соединений. У ледниковых песков химический состав непостоянен, что связано, очевидно, с особо сложными условиями формирования. В эоловых песках содержится много водно-растворимых соединений.

13

СТРУКТУРА И ТЕКСТУРА ПЕСКОВ

1.15.    Структурно-текстурные особенности песков являются важнейшей характеристикой их строения.

К структурным особенностям относятся гранулометрия песков, морфология их зерен, вид и характер развития связей между ними; к текстурным особенностям — компактность упаковки и ориентировка слагающих пески частиц.

Целью изучения структуры и текстуры песков является выяснение обстановки осадконакопления, генезиса и фациальной принадлежности пород, а также установление природы их физикомеханических свойств, чему придается важное значение в генетическом грунтоведении.

Одним из главных показателей структуры песков являются размер частиц и их количественное соотношение. По соотношению частиц разного размера выделяют три типа песков: поли-дисперсные, бидисперсные и монодисперсные [24] . В полидис-персных содержание частиц нескольких размеров примерно одинаковое, в бидисперсных преобладают частицы двух смежных фракций, а в монодисперсных — одного размера (фракции).

1.16.    Морфологический облик частиц — их форма и характер поверхности являются главным образом отражением процессов транспортировки частиц (способов транспортировки, интенсивности и длительности обработки).

Форма песчаных зерен (их внешний облик, габитус) оценивается по способу Мекки баллами: округлые (1), полуокруглые (2), угловатые (3). При этом для большей представительности данных исследований определяется средневзвешенный балл по результатам изучения 300—400 зерен из каждого образца или фракции.

По данным П.И.Фадеева, во всех песках хорошо прослеживается зависимость между формой и размером кварцевых зерен: в крупных фракциях ( > 0,5 мм) сосредоточиваются зерна преимущественно округлой формы; во фракциях 0,1—0,5 мм форма зерен смешанная; мелкие фракции ( < 0,1 мм) состоят в основном из угловатых зерен (рис.З).

Определенный интерес представляют сведения о характере по-

Рис.З. Кривые распределения частиц по степени округлости-угловатости в песках Мещеры

1 - округлые; 2 - полукруглые; 3 - неокруглые (угловатые)

верхности зерен — наличии неровностей, трещин и других особенностях. Обычно проводится изучение ямочных и межъямочных участков, сопровождаемое качественным описанием поверхности зерен.

Морфологический облик песчаных зерен обусловлен комплексом природных условий образования и постгенетических преобразований песчаных пород. По данным ряда авторов, морфологические исследования позволяют достаточно четко выявить генетическую и фациальную принадлежность песков, однако во многих случаях выполнить это с помощью существующих методик достаточно трудно, а иногда и невозможно. Так, пески, находящиеся в центре Сахары, состоят на 90—100% из зерен, имеющих типично эоловую обработку, — круглых и матовых; в прибрежных зонах такие зерна могут отсутствовать полностью. В аллювиальных песках нередко лишь в сотнях километров от истока реки (особенно горных рек) появляются следы водной обработки — зерна становятся окатанными с блестящей поверхностью, при этом сохраняется значительный процент угловатых зерен.

1.17. Одной из косвенных характеристик структуры песков является их пористость — главным образом размер и морфология пор.

Как известно, пористость оказывает решающее влияние на сжимаемость, прочность и ряд других свойств песков. Она изменяется в достаточно широком диапазоне и зависит от крупности песка, наличия тонкодисперсной составляющей, морфологии песчаных частиц и других факторов.

Пористость выше у хорошо отсортированных песков по сравнению с неоднородными по гранулометрическому составу. По данным В.В.Охотина, минимальная пористость достигается при соотношении диаметров трех фракций 16^:16:1. Наличие глинистых частиц способствует образованию более рыхлых отложений. На повышение пористости влияет увеличение угловатости и шероховатости песчаных зерен.

Наряду с данными об общей пористости (характеризующей в основном текстурные особенности песка) важно знать размер и морфологию пор. Так, по имеющимся данным [15], при одинаковой пористости песчаного материала, представленного в одном случае частицами размером 0,3 мм, а в другом — 03—1 мм, водопроницаемость оказывается существенно различной — в 84 раза.

В процессе диагенетических преобразований за счет фильтрации природных вод через толщу песчаных пород в поры может вноситься тонкодисперсная фракция, а также гипс, кальцит, кремне-кислота, гидроокислы железа и другие соединения. Это не только уменьшает общую пористость, но, что особенно важно отметить, приводит к формированию кристаллизационных цементационных связей между частицами, существенно повышающих прочностные свойства песков и меняющих характер поведения песков при различных внешних воздействиях.

15

1.18.    Текстура осадочных горных пород отражает обстановку осадконакопления и отличается большим разнообразием.

В песчаных грунтах преобладают, как правило, слоистые текстуры.

Слоистость в толщах песчаных грунтов проявляется в смене пластов, слоев и слойков как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Выделяют три морфологических типа слоистых текстур: горизонтальную, косую и волнистую. Каждый из этих типов подразделяется в свою очередь на ряд подтипов и видов.

Горизонтальная слоистость встречается в песчаных грунтах озерного, озерно-ледникового, морского (глубинного) и аллювиального происхождения. Волнистая слоистость характера для зоны морских волнений, заливов и озер, речных пойм и эоловых песков. Косая слоистость связана с поступательно-направленным турбулентным движением водной среды в реках, морях и временных потоках.

Кроме основных типов слоистости в песках существуют переходные косоволнистые текстуры, характерные для эоловых песков, отложений морских течений, реже речных пойм, а также более сложные формы, связанные с подводными оползаниями осадков и другими нарушениями.

ПЛЕНОЧНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ЧАСТИЦ

1.19.    В большинстве случаев поверхность частиц покрыта тонкой пленкой, придающей пескам желтовато-бурую и красноватую окраску.

Поверхностные пленки образуются на зернах песка в процессе формирования и последующих диагенетических преобразований (физической адсорбции из растворов и хемосорбций). По минеральному и химическому составу различают два типа пленок в песках — силикатный и железистый, главными химическими компонентами которых являются окись кремния, глинозем и окись железа. В состав силикатных пленок входят один или несколько глинистых минералов, а также глауконит и хлорит, в железистых — минералы железа, реже — марганца.

Выделяются следующие типы пленок на поверхности песчинок.

I    тип — глинистый. С поверхностью кварцевых зерен оболочки

связаны чаще всего через обменный Са^⁺. Вытеснение последнего вызывает отделение оболочек; песок обесцвечивается, давая окрашенные суспензии.

II    тип — железистый. Оболочки представляют коллоидный комплекс, состоящий в основном из гидроокислов Fe и А1 и прочно связанных с поверхностью песчинок. Вещество оболочек растворяется в минеральных и органических кислотах.

1П тип — переходный между I и II типами. Вещество оболочек характеризуется невысоким отношением SiC^/A^C^ и при обычном значении pH почти электронейтрально.

1У тип — оболочки смешанного типа, включающие в себя глинистые оболочки (оболочки 1 типа) с более грубыми частицами и двойные оболочки, у которых внутренний слой состоит из железистого, а внешний — из глинистого вещества.

Пленки различных песков европейской части СССР представляют собой агрегаты из микроскопических частиц и чешуек размером до 0,05—0,5 мм.

Вещество оболочек может находиться либо в кристаллическом, либо в коллоидно-аморфном или метастабильном состоянии. Состав пленок отражает особенности генезиса и парагенезиса песков.

Наибольшей механической устойчивостью обладают железистые пленки, меньшей — пленки кристаллического строения — као-линитовые, гидрослюдистые и смешанного состава.

В процессе формирования морских песков чаще всего образуются гидрослюдистые, реже монтмориллонитовые пленки, в аллювиальных — каолинит — гидрослюдистые, в ледниковых — гидрослюдистые. На стадии диагенеза формируются силикатные, железистые и смешанные пленки. Среди силикатных наиболее распространены гидрослюдистые пленки, особенно характерные для средних широт. Каолинитовая пленка типична для жаркого гумидного климата.

1.20. Поверхностные пленки играют важную существенную роль в упрочнении песков. Из-за малой удельной поверхности песчаных зерен (десятки, сотни квадратных сантиметров в 1 г породы) в песках практически не возникает первичное сцепление (обусловленное водно-коллоидными и молекулярными силами), характерное для глинистых пород. В связи с этим долгое время пески рассматривались как несвязные, не обладающие сцеплением породы. Однако последними исследованиями доказано, что в процессе диагенеза во многих песках возникает и развивается сцепление упрочнения (по терминологии Н.ЯДенисова) за счет взаимодействия пленочных образований на поверхности песчаных зерен. Это могут быть пленки кремниевой кислоты, толщина которых достигает нескольких десятков ангстрем, железистые новообразования или глинистые пленки, резко увеличивающие прочность породы при ее подсыхании.

Процессы физико-химического взаимодействия частиц важны не только с точки зрения познания природы прочности песков. Они имеют и большое практическое значение. В промышленном, гражданском и гидротехническом строительстве все шире используется намыв песка для различных целей.

Работами Гидропроекта, МИСИ, ПНИИИС и многих других организаций установлено, что на свойство намьпых песков существенно влияют развивающиеся в пик процессы упрочнения, роль которых со временем увеличивается: весьма заметно повышается

17

сопротивление сдвигу, сопротивление внедрению зондов, возрастают скорости распространения продольных и поперечных волн, уменьшаются осадки, улучшаются условия возведения зданий, повышаются устойчивость профильных намывных сооружений и динамическая устойчивость намытых массивов.

Этот процесс начинает развиваться с первых дней после окончания намыва и продолжается в течение нескольких лет, в том числе после завершения самоуплотнения намытых песков. Наиболее интенсивно процесс упрочнения развивается в первые 1—2 года, заметно продолжаясь до 3—4 лет после окончания намыва. Рост упрочнения к 5—6 годам становится обычно малозаметным, хотя имеются данные о фиксации этого процесса и в более поздние сроки. Все это следует принимать во внимание при проектировании намывных сооружений, организации геотехнического контроля за их возведением, проведении изыскательских работ на намывных территориях и прогнозировании изменения свойств намытых песков во времени и под влиянием различных техногенных воздействий. Это позволит более обоснованно назначать расчетные характеристики намытых грунтов на период строительства и эксплуатации сооружений.

2. СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСКОВ

ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВАХ ПЕСКОВ И ГЕНЕТИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ К ИХ ИЗУЧЕНИЮ

2.1.    Широкое использование песчаных пород в качестве грунтов, т.е. в качестве основания, среды и материала для возведения различных сооружений, базируется на использовании и мобилизации их определенных свойств.

Постановка соответствующих изыскательских работ, прогнозирование взаимодействия сооружений с песчаными грунтами, проектирование земляных сооружений из песков, инженерно-геологическое обоснование проекта производства строительных работ, решение широкого круга вопросов охраны геологической среды и ряда других задач требуют знания прочности, сжимаемости, динамической устойчивости, водопроницаемости песков, подверженности их разнообразным физико-геологическим процессам и явлениям, закономерностей гранулометрического фракционирования, уплотняемости, формирования структурных связей. Изучение песков некоторыми методами невозможно без учета их влагоемкости, электрических, магнитных и других свойств.

2.2.    Свойства песков в строительной практике проявляются под влиянием различных природных и техногенных воздействий, при этом пески оказываются в измененном напряженном и влажностном режиме, нередко в условиях нарушения естественной

18

структуры. Как правило, решение многих практических задач требует изучения, оценки и одновременного учета определенного комплекса свойств песчаных грунтов. В этой связи представляется целесообразным и правомерным дать следующее определение понятию ’’строительные свойства песков”.

Под строительными свойствами песков следует понимать их физические, физико-химические, водные и физико-механические свойства, проявляющиеся под влиянием разнообразных природных и техногенных воздействий при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

2.3.    Оценка каждого строительного свойства песка требует рассмотрения и учета комплекса основных факторов, определяющих это свойство: внутренних (состав, строение, состояние) и внешних (вид, характер и величина воздействия), а также корреляции его с показателями других свойств.

Только такой комплексный подход обеспечивает возможность объективного и надежного решения широкого круга практических вопросов:

разработки методики и методов инженерно-геологического изучения песков;

обоснованной оценки показателей строительных свойств песков;

прогнозирования изменения свойств песков в процессе строительства и эксплуатации сооружений;

выбора методов технической мелиорации песков; установления требований к технологии производства строительных работ при проходке котлованов, организации водопони-жения, возведению насыпных и намывных сооружений из песков;

обоснованного подхода к выбору песков-аналогов для решения специальных вопросов на первых стадиях проектирования;

осуществления оптимальной методики геотехнического контроля за возведением земляных сооружений из песков;

составления инженерно-геологической и строительной классификации песков;

разработки соответствующих нормативно-методических документов.

2.4.    Успешное изучение песчаных грунтов как многокомпонентных систем определенного состава, строения, состояния и свойств, изменяющихся во времени под влиянием природных и техногенных процессов, возможно только на генетической основе.

” Генетический подход при изучении грунтов является методологической основой грунтоведения, благодаря которой оно относится к наукам геологического цикла” Г22, с.8].

Следует заметить, что данное положение далеко не всегда реализуется в строительной практике. В известной мере это связано с недостаточной разработкой и конкретизацией вопроса о сущности генетического подхода к изучению строительных свойств грунтов, в частности песков. Необходимые мероприятия по обеспечению

19

УДК 624.131.213

Рекомендованы к изданию решением инженерно-геологической секции Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Рекомендации по комплексному изучению и оценке строительных свойств песчаных грунтов/ПНИИИС Госстроя СССР, МИСИ им.Куйбышева. — М.: Стройиздат, 1984. — 212 с.

Разработаны на основе обобщения опыта исследования песчаных пород для различных видов строительства.

Освещены вопросы комплексной оценки строительных свойств песков. Даны общре сведения о песках как природных образованиях; изложены основные принципы генетического подхода к изучению песков в строительных целях; даны рекомендации по назначению пунктов опробования и выбору методов исследования при инженерно-геологических изысканиях; описаны особенности полевых и лабораторных методов изучения состава, строения, состояния и свойств песков; установлены корреляционные зависимости между различными показателями свойств грунтов; приведены рекомендации по комплексированию методов исследования и обосновывается его технико-экономическая эффективность.

Табл.30, ил.76.

Для инженерно-технических работников проектно-изыскательских и изыскательских организаций.

pj,202000000—321 Инструкт.-нормат., I вып. 62-84 047(01) -84

© Стройиздат, 1984

Рис.4. Схематическая причинно-следственная связь между генетическими факторами и комплексами категорий грунтовых характеристик

генетического подхода к изучению строительных свойств песков приведены в нижеследующих пунктах.

2.5.    Исходя из теоретических положений, выдвинутых академиком Е.М.Сергеевым и развиваемых его школой, представляется правомерным дать следующую трактовку понятию ’’генезис пород” : генезис характеризует происхождение горных пород (грунтов) , особенности их формирования, существования и поведения в определенных геологических и физико-геологических условиях под воздействием природных и техногенных процессов, в том числе постгенетических.

2.6.    История развития каждого района, его региональные (геологические) и зональные (физико-географические) условия, а также техногенные воздействия оказывают определенное влияние на генетические особенности горных пород и их постгенетические изменения. Все это обусловливает конкретный состав, строение, состояние каждой разновидности горных пород и в конечном итоге строительные свойства грунтов и их изменения при техногенных воздействиях (рис.4).

2.7.    Осуществляя генетический подход к изучению и оценке строительных свойств песков, как и любых других горных пород, следует выделять разный уровень учета генезиса:

макроуровень — учет основных общих особенностей, присущих данному генетическому типу пород;

мезоуровень — учет характерных особенностей данного генетического типа пород применительно к определенным региональногеологическим и зонально-географическим условиям;

микроуровень - учет специфических особенностей состава, строения и состояния пород, в первую очередь их структурных особенностей.

Макроуровень влияет на выработку методики изысканий; мезоуровень уточняет методику и методы изысканий; микроуровень позволяет понять природу изучаемых показателей и облегчает интерпретацию результатов изысканий.

Следует подчеркнуть, что большинство признаков состава,

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

Песчаные породы являются одним из основных объектов инженерно-геологического изучения и использования в строительной практике.

Это объясняется весьма широким распространением их в земной коре -примерно 20% общего объема осадочных пород; непрерывно прогрессирующим образованием песков в природных условиях и в результате техногенеза; приуроченностью песков к верхним слоям земной коры, к современным геоморфологическим элементам, т.е. нахождением их непосредственно в активной зоне взаимодействия различных сооружений с геологической средой; специфическими особенностями песков, обусловливающими их пригодность в качестве сырья для различных отраслей промышленности, местных минеральных строительных материалов, эффективного материала для проведения экспериментальных исследовательских работ и т.д.

Широко известны примеры возведения ответственных, часто уникальных сооружений (ГЭС, АЭС, ТЭС и др.) на песчаных основаниях, высоконапорных плотин и намывных оснований из песков под застройку промышленно-гражданских комплексов в различных регионах Союза ССР.

Большие объемы строительных работ на песчаных основаниях и из песчаных грунтов предстоит выполнить в одиннадцатой пятилетке при возведении энергетических, промышленных и гражданских объектов, мелиоративном и дорожном строительстве, предусмотренных решениями ХХУТ съезда КПСС.

Многие решения партии и правительства в области охраны природы и капитального строительства предъявляют повышенные требования" к уровню проведения инженерно-геологических изысканий, к рациональному использованию и охране геологической среды, к повышению надежности и темпов строительства, достижению еще более высоких технико-экономических показателей в строительстве.

Все это обусловливает необходимость более углубленного изучения природы строительных свойств грунтов, в частности песков, теоретической и экспериментальной разработки и усовершенствования методики и методов их инженерно-геологического изучения и оценки.

В последние десятилетия, особенно в 60-80-е годы, внимание к инженерно-геологическому изучению песков заметно возросло. Данная тематика явилась предметом обсуждения на многих международных, всесоюзных и ведомственных конгрессах, конференциях, симпозиумах и совещаниях. В печати появилось много отдельных публикаций, отражающих результаты теоретических и экспериментальных исследований, опыт проектных, изыскательских и строительных организаций; разработан ряд нормативно-методических документов - СНиП, ГОСТ, СН, ВСН, рекомендаций и инструкций, а также региональных норм, регламентирующих классификацию, методику и методы изучения и оценки строительных свойств песков. Однако выполненная в последние годы широкая проверка на практике рекомендаций этих документов показала, что многие из них требуют уточнения и корректировки, подчас весьма существенной. В известной мере это связано с тем, что большинство материалов, положенных в основу действующих нормативно-методических документов, получено до 1970 г., т.е. 10-15 лет назад. Естественно, что научный и технический уровень выполненных работ, требования к точности и достоверности полученных результатов, методика их интерпретации претерпевали с тех пор существенные изменения.

3

Не случайно в строительной практике все еще нередки различные осложнения, в том числе деформации и аварии, связанные с недостаточной изученностью или с переоценкой свойств песков; имеют место и случаи недо-оценкй свойств песков, приводящей и неоправданным затратам в строительстве.

Все вышесказанное свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения строительных свойств песков с современных позиций генетического грунтоведения, усовершенствования и разработки новых нормативно-методических документов.

Назрела необходимость в обобщении отечественных достижений в рассматриваемой области, что способствовало бы более эффективному внедрению в строительную практику новейших научно-технических разработок. Появившийся в указанный выше период ряд монографий, посвященных пескам, имеют в основном чисто геологическую направленность, не содержат достаточно конкретных рекомендаций по изучению их строительных свойств, не отвечают в полной меое поставленной задаче.

В данной работе сделана попытка восполнить этот пробел. Принципиальной особенностью данной работы является комплексный подход к методике изучения и оценке строительных свойств песков, базирующийся на теоретически обоснованных принципах решения данной проблемы, отражающих необходимость полного и всестороннего учета особенностей состава, строения, состояния и свойств песков, в их взаимосвязи и взаимообусловленности, в природных массивах и в земляных сооружениях.

В соответствии с этим в работе излагается сущность генетического подхода к инженерно-геологическому изучению песков, детально рассматривается природа строительных свойств песков, даются общая система выделения важнейших категорий состава, строения, состояния и свойств песков и методика их изучения на основе учета генетических признаков.

Значительное внимание уделено методике и методам изучения структурно-текстурных особенностей песков, их прочностных и деформационных свойств, изменению свойств песков при динамических воздействиях, а также вопросам комплексного исследования песков полевыми и лабораторными методами.

Акцент сделан не только на теоретических аспектах рассматриваемых вопросов, но и на конкретных практических рекомендациях, опирающихся на значительный материал экспериментальных исследований и обобщение данных строительной практики в нашей стране и за рубежом.

Проблема изучения песчаных грунтов весьма многообразна. Ограниченный объем и определенная направленность данной работы обусловили исключение из рассмотрения ряда аспектов этой проблемы, касающихся методики изучения разнообразных физико-геологических и инженерно-геологических процессов и явлений, характерных для песчаных грунтов.

Данная работа явилась результатом коллективного труда сотрудников лаборатории исследования строительных свойств грунтов ПНИИИС -Р.С.Зиангирова, Э.Р.Черняка (главы 1, 3, 4, 7, 8, 9 и пп. 10.26-10.30) при участии А.В.Васильева (глава 3), А.П.Афонина (главы 4, 9) и кафедры инженерной геологии МИСИ - И.ВДудлера (главы 2, 5, 6, 10) при участии А.Д.Потапова (глава 5), А.НЛОлина (главы 5, 7) и БЛ.Горловского (Киевское отделение института Теготоэлектропроект, глава 10). Общее редактирование выполнено Р.С.Зиангировым.

Замечания и предложения просим направлять по адресу: Москва, 105058, Окружной пр., 18, ПНИИИС.

1. ПЕСКИ КАК ПРИРОДНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ГЕНЕЗИС

1.1.    Песками называются мелкообпомочные осадочные отложения, которые не обладают свойствами пластичности и содержат по весу менее 50% частиц крупнее 2 мм. Они образуются в результате разрушения (механического, химического и тд.) различных горных пород и переноса продуктов разрушения к месту накопления осадка водой, ветром или другими способами. Факторы, способствующие выветриванию горных пород, транспортированию, переработке и отложению продуктов выветривания, действуют практически повсеместно. Отсюда огромное распространение песков среди других типов осадочных пород.

1.2.    Процессы образования песчаного материала схематично представлены на рис Л. К обособлению зерен песчаной размерности и формированию песка приводят следующие основные процессы: выветривание, включающее дезинтеграцию и разложение; эксплозивный вулканизм (пирокластика); дробление при движении горных пород (катакластический материал) и при ударах; пеллитизация и осаждение из раствора как химическое, так и биохимическое.

Процессы, связанные с выветриванием, в определенных условиях приводят к обособлению зерен породы при колебаниях температуры, вымораживании или при гидратации, в результате чего порода распадается и превращается в массу свободных зерен. Химическое разложение кварцсодержащих пород также может приводить к образованию значительного количества песчаной фракции. При этом часть породы, в основном полевой шпат, превращается в глинистый материал, а остаток в виде кварцевых зерен песчаной размерности освобождается и накапливается в процессе формирования осадка. Песчаный материал может образовываться при ударном воздействии, однако обычная эрозия, по-видимому, не приводит к его образованию. В процессе вулканической деятельности возникает большое количество обломков песчаной размерности. Тектонические движения также могут дробить породы и приводить к возникновению небольших количеств песка. Значительные массы песка накапливаются в результате ледникового дробления, представляющего особый случай катакластического разрушения.

5

Физические

Химические

---

Выветривание

Разложение

_    Пеллитизацил_ч

_ ^ имическае -Зоохимические

Осажденные оолит о- Морская води вые~ скелетные

Много материала песчаной размерности (0,05-2,0 мм) образуется при диагенетических процессах и при химическом и биохимическом осаждении. В последнем случае пески накапливаются в самом бассейне седиментации и не являются продуктом разрушения пород суши. При этом формируются пески, сложенные скелетами организмов и оолитами, которые могут образовывать значительные толщи.

1.3.    Условия формирования песчаных грунтов во многом определяют их инженерно-геологические свойства. Важнейшие характеристики песка — состав и плотность сложения — закладываются уже на стадии седиментации. При этом крупность песка, соотношение основных фракций, степень обработки поверхности частиц, способ их укладки зависят от энергии породоформирующего природного агента, длительности его действия, условий среды и ряда других особенностей.

В зависимости от основных факторов, с деятельностью которых связано формирование песчаных пород, выделяются несколько генетических типов песков: аллювиальный, водно-ледниковый, эоловый, морской, элювиальный, озерный, делювиальный и некоторые другие.

1.4.    Аллювиальные пески наиболее широко развиты в пределах европейской части территории Союза ССР. Они образуются в результате аккумулирующей деятельности больших и малых рек. Как правило, процессы осадконакопления начинают проявляться в среднем течении рек и особенно интенсивно — в ее низовьях. В соответствии с уменьшением живой силы реки от верховьев к устью уменьшается и крупность отлагаемых песчаных частиц. Наиболее ярко эта закономерность отмечается в горных реках. Для крупных равнинных рек она проявляется значительно слабее, что связано с поступлением различного по дисперсности материала из многочисленных притоков, расположенных на всем протя-

6

жении реки. Так, например. На участке от Куйбышева до Саратова на расстоянии 300—400 км средние размеры частиц уменьшаются от 0,3 до 0,2 мм. Более четкие закономерности изменения состава песчаного аллювия отмечаются в поперечном сечении реки. Здесь в соответствии с различными условиями формирования накапливаются отложения трех основных фаций. В центральной части, как бы образуя фундамент аллювиальных отложений, формируется фация руслового аллювия. Она представлена обычно более крупными песками и имеет максимальную мощность. Поверх руслового аллювия местами развиты отложения пойменной фации. Они сложены более мелкими по составу песками, часто пылеватыми и глинистыми. Среди отложений старичной фации аллювия, выполняющих замкнутые подковообразные понижения (старицы), пески занимают подчиненное положение и обычно представлены пылеватыми и глинистыми разновидностями, содержащими органические остатки. Указанные закономерности обычно осложняются миграцией русла.

Мощность песчаного аллювия довольно значительна: например, в среднем течении р.Волги она достигает 22 м, в долине р.Днепра она также превышает 20 м. На отдельных переуглубленных участках речного русла эта величина может быть еще более существенной.

1.5. Водно-ледниковые пески также имеют довольно широкое распространение в европейской части территории Союза ССР. Они приурочены преимущественно к северо-западным районам. Эти отложения образовались в результате деятельности талых ледниковых вод. Различают две группы водно-ледниковых песчаных отложений: образовавшиеся в пределах ледника (либо на непосредственно примыкающих к ним участках) или отложившиеся в перигляциальной зоне на некотором удалении от края ледника. К первой группе относятся озы, камы, песчаные валы, образовавшиеся как конечные морены напора за счет зандровых песков.

Среди этих видов отложений выделяются различные разновидности: например, озы подразделяются на галечниковые, смешанные, эрозионные и выдавленные, камы — на радиальные и маргинальные и т.д. Однако песчаные водно-ледниковые породы первой группы не играют большой роли в инженерно-геологической практике. Они имеют ограниченное распространение (преимущественно Кольский полуостров, Карелия, Архангельская область, Коми АССР, Прибалтийские республики, Калининская, Псковская, Новгородская, Смоленская области) и, как правило, образуют неблагоприятный для строительства холмистый и грядовый рельеф с большим падением склонов. Их состав очень разнообразен и обычно характеризуется большим содержанием крупнообломочных включений.

Вторая группа водно-ледниковых песчаных пород включает в себя отложения зандровых полей (равнин) и зандровых долин. Эти отложения занимают обширные (иногда сотни квадратных

7

километров) пространства. Пески, слагающие зандровые поля, формировались в результате деятельности целой сети мелких ручейков и протоков. Блуждая по примыкающим к леднику территориям, они отлагали конусы выноса (часто на разных уровнях), которые сливались своими раструбами и образовывали песчаные поля - зандры; долинные зандры приурочены к крупным ледниковым депрессиям и образуют значительные по протяженности поля вдоль больших рек. Состав зандровых песков отражает состав соответствующей морены и изменяется от гравийно-галечни-кового на участках, примыкающих к леднику, до мелкого и пылеватого — в краевых частях зандровой равнины. Общей особенностью зандровых песков являются слабая окантованность зерен песка, их полидисперсность, полиминеральцость и незначительное содержание водно-растворимых солей и органических соединений. Крупные зандры встречаются по внешнему краю последнего (Валдайского) оледенения и почти исчезают северо-восточнее Онежского озера. От более ранних оледенений зандры сохранились лишь местами, например в верховьях рек Березины и Днепра, по восточным притокам Западной Двины, в Калининской области по верхней Волге, к югу и юго-востоку от конечно-моренной гряды Ростов—Иваново и т.д.

1.6. Эоловые пески формируются под действием ветра: песок перемещается либо во взвешенном состоянии, образуя песковет-ровый поток, либо перекатывается по поверхности. Мощные эоловые отложения могут образовываться лишь под действием длительных, относительно постоянных ветровых потоков, обладающих высокими скоростями (от 3—4 до 9—12 м/с). Такие условия возникают лишь на открытых пространствах, в связи с чем эоловые пески развиты главным образом в пустынях (барханы) и в меньшей степени — по берегам морей, озер, по долинам рек (дюны).

Барханные пески образуют серповидные песчаные бугры (уклоны подветренного и наветренного склонов соответственно равны 30—33° и 5—12°) и часто формируют обширные пространства с грядово-бугристым ландшафтом. Мощность барханных песков измеряется десятками метров (известны барханы высотой более 110 м). Барханные отложения развиты в Прикаспийской низменности, где они занимают большую часть Астраханской области, часть территории Волгоградской, Западноказахстанской и других областей.

Дюны (речные, морские) обычно тянутся в виде холмов параллельно береговой линии. Их высота изменяется от 5—10 (речные) до 10—13 м (морские). Различаются дюны грядовые и параболические. Последние напоминают барханы и возникают из грядовых дюн, концы которых закреплены растительностью. Дюны встречаются по берегам большинства наиболее крупных рек европейской части Союза ССР (чаще всего на вторых и третьих террасах) и по северному побережью Финского залива.

8

Формирование эоловых отложений происходит, как правило, за счет перевевания морских прибрежных песков, водно-ледниковых отложений (северные районы) и аллювиальных террасовых песчаных пород. В связи с этим они сохраняют некоторые черты, свойственные породам других генетических типов. Их отличие заключается в уменьшении количества пылеватых и глинистых частиц, в лучшей сортировке материала и в повышении степени обработки песчаных частиц (они приобретают более окатанную форму и, как правило, матовую поверхность).

1.7.    Морские пески подразделяются на абразионные, непосредственно связанные с разрушением берегов моря, и денудационные, приносимые реками за счет их эрозионной деятельности. Состав абразивных песков может быть весьма своеобразным и содержать минералы, редко встречающиеся в других песках (оливин, гранат, магнетит и т.п.). Пески этой группы обычно залегают неширокой полосой вдоль берега моря. Денудационные пески, как и большинство песков, слагающих континентальные толщи, имеют преимущественно кварцевый состав. Они распространены в зоне, простирающейся местами до десятков километров.

Морские пески, как правило, хорошо отсортированы и окатаны. С увеличением глубины дисперсность песков повышается, в них появляются прослойки глинистых пород.

Наряду с современными морскими песками, развитыми вдоль побережья Черного и северных морей, на территории европейской части СССР встречаются и древние морские пески, залегающие под слоем более молодых отложений; их образование связано с трансгрессиями морей в предшествующие эпохи. Эти отложения, представленные переслаиванием мощных толщ песков и глин, развиты в бассейнах нижнего течения Печоры, Северной Двины, на Кольском полуострове, в бассейне Каспийского моря и в других районах.

1.8.    Элювиальные пески формируются на месте разрушения горных пород в процессе их физического и химического выветривания и выщелачивания атмосферными агентами. Состав и количество песков зависят от устойчивости горных пород, их состава, условий залегания и климатических факторов. При выветривании кислых пород, например гранитов, продукты разрушения состоят в основном из кварца, так как нестойкие минералы подвергаются разрушению, распаду и выщелачиванию. При выветривании основных пород (например, базальтов) образовавшиеся на первой обломочной стадии песчаные частицы представляют собой смесь минералов преимущественно химически нестойких. Первичный кварц в них, как правило, отсутствует. Поэтому при разрушении основных пород почти никогда не образуются чистые кварцевые пески. Общими для всех элювиальных песков являются увеличение их крупности с глубиной, существенная неоднородность по составу, отсутствие слоистости и наследование текстурных особенностей коренных пород.