Інженерно-геологічні властивості ґрунтів, що набухають

Глинисті набухають грунти мають широке поширення. Достатньо, наприклад, вказати, що в Індії понад 30% території займають так звані бавовняні ґрунти, здатні інтенсивно збільшуватися в об'ємі при замочуванні. Такі ґрунти поширені в Єгипті, Південно-Африканській Республіці, Бірмі, США та інших країнах. В Україні такі ґрунти зустрічаються в районах Поволжя, Закавказзя, Криму та ін.

Хвалинські глини досліджувалися на майданчику, розташованому на південь від м. Волгограда. Кліматичною особливістю цього району є різко виражена континентальність. Опадів випадає в середньому близько 300 мм на рік. Випаровуваність дуже висока, внаслідок чого у верхній частині ґрунтового покриву спостерігається дефіцит вологості. В результаті відбувається підсихання верхніх шарів хвалинських глин, що залягають близько до поверхні.

У геоморфологічному відношенні цей район входить у Прикаспійську западину і є плоскою рівниною за винятком південної частини, де є невеликі піднесення. З півночі западина обмежується вищою частиною, яка називається Сиртовим Заволжжям. Західний кордон западини від Камишина до Волгограда збігається з правобережжям Волги. Правобережний берег Волги підходить до схилу Волго-Донського вододілу, а на південь переходить в відокремлену в геоморфологічному відношенні область - Ергені, що простяглася на південь у вигляді гірської гори.

Стратиграфічний розріз району, що розглядається, наступний: післяхвалинський ярус - нові четвертинні відкладення (суглинки, супіски), що залягають у вигляді покривного чохла товщиною 0,5-3 м на породах хвалинського ярусу; хвалинський ярус - відкладення з глин із товщиною шару 3-8 м; тельські відкладення - 2-4-метровий шар суглинку та супіску; хозарський ярус - піски великої товщини;бакинський ярус - глинисті породи.

Підземні води виявлено на глибині 18-20 м від поверхні в пісках хозарського ярусу. Хвалинські відкладення, що є основою споруд, є глинами шоколадного кольору, що утворилися в період хвалинської трансрегресії.

Аральські глини вивчалися на майданчику, що у Єрмаку, а четвертинні глини антропогену — у районі Джезказгана. Перший майданчик входить до лівобережної частини Павлодарського Прііртишша. Клімат району різко континентальний з сухим, спекотним літом і морозною зимою, що триває близько 200 діб. Загальна кількість річних опадів становить 250 мм, причому близько 70% з них випадає в літній період.

Розглянутий район є плоскою рівниною з нечисленними озерами. На більшій частині території верхньонеогенові відкладення змиті та безпосередньо з поверхні залягають відкладення аральської почти, представлені глинами. В окремих місцях ці глини покриті елювіально-делювіальними відкладеннями. Клімат р. Джезказган різко континентальний. Кількість опадів, що випадають, незначна і становить 150 мм на рік. Майданчик складена глинами антропогену, в яких можна виділити п'ять різновидів: суглинки, червонувато-бурі та зеленувато-сірі глини верхнього та середнього антропогену.

Особливістю сарматських та кіммерійських глин є шарувата текстура. Мікрошари глини перешаровуються прошарками з пилуватого піску. Глини мають зеленувато-сірий колір і містять велику кількість включень (гіпс, оксиди заліза тощо). У масиві простежується зона вивітрювання товщиною до 2 - 3 м, пронизана вертикальними тріщинами усадки. При висиханні ґрунт розшаровується на пластинки завтовшки від міліметра до кількох міліметрів. У природному заляганні хвалинські глини неоднорідні:є велика кількість прошарків (товщиною 2 - 400 мм) тонкопіщаного або пилувато-суглинистого матеріалу, які приурочені головним чином до верхніх горизонтів хвалинських відкладень.

Таким чином, глини мають плиткову будову, товщина їх однорідних шарів досягає 20 – 350 мм. На горизонтальних площинах, якими розбита товща, є включення оксидів заліза у вигляді плям та окремих вкраплень, а також карбонатний пил. Через наявність безлічі вертикальних тріщин товща глини складається з окремих шматків, що легко відокремлюються, в результаті масив нагадує розбірну скелю. У невивітреному природному стані глини тугопластичні та мають шоколадний колір, вільно ріжуться ножем, при цьому по стружці можна помітити ознаки шаруватості.

Глини мають приховану шаруватість: після перебування на повітрі деякі монолітні брили розсипаються на окремі пластинки товщиною до 1 мм, а іноді на великі окремості неправильної форми. Усю товщу хвалинських глин можна розбити на дві зони:

верхню товщиною до 0,7 м, що складається з глинистого щебеню. Ця зона різко відрізняється від решти маси глини: рідше зустрічаються піщані та супіщані прошарки, а вологість глини: невелика - 8-12%;
нижню зону шоколадних глин плиткової будови. Ця зона у свою чергу може бути розбита на дві підзони: верхню - середньообломкову глибину до 4-5ми нижню - великоуламкову.

Глина, що залягає на дні котловану, внаслідок вивітрювання покривається великою кількістю тріщин, що розбивають шар окремі шматки. Ширина розкриття тріщин може досягати 15 - 20 мм. Глина верхнього шару згодом втрачає природну вологість, перетворюючись на сухі міцні окремості, поверхні яких можуть утворюватися відшарування тонких пластинок.

Аральські глини зеленувато-сірого кольору мають прошарки матеріалу, що нагадує викопний ґрунт. У верхній частині масиву до глибини 2,5 – 3 м глини вивітрені. Тут вони мають комковатую або плитчасту текстуру і розбиті тріщинами усадками на окремі блоки. З глибиною тріщинуватість зменшується і грунт набуває потужної текстури без видимих шарів шаруватості. Глини повітря розпадаються на дрібні окремості. Глини засолені карбонатами та гіпсом, які утворюють або мергелисті прошарки, або друзі розміром до 10 см.

Аральські глини полімінеральні та в глинистій фракції містять значну кількість монтморилоніту. Майкопські глини містять в основному монтморилоніт і в меншій кількості каолініт та іліт. Місткість поглинання та склад обмінного комплексу глин значною мірою залежать від вмісту глинистих частинок та стану вивітреності. Для сарматських глин загалом ємність поглинання вивітряних та невивітряних різновидів становить відповідно 1,1 та 11,9 мг-екв на 100 г сухого ґрунту; для кіммерійських глин ці значення становлять 8,6 та 21,6 мг-екв. У глинистій фракції ємність поглинання значно вища і для сарматських вивітрених різновидів глин дорівнює 38 мг-екв. Місткість поглинання аральських глин дуже висока і знаходиться в межах 42-67 мг-кв на 100 г сухого ґрунту.

Для аральських глин характерне переважання (до 93%) двовалентних катіонів. У хвалинських глинах склад обмінних катіонів знаходиться в межах: 17 - 27% Na; 50 - 60% Са і 4 - 10% Mg. Місткість поглинання коливається в широких межах: 12-31 мг-екв на 100 г сухого ґрунту. Майкопські глини мають ємність поглинання від 16 до 33 мг-екв, причому переважним катіоном є Na.

У хвалинських глинах переважна фракція розміром менше 0,005мм — 71 %, частку фракції розміром 0,5— 0,005 мм припадає 26, але в частку піщаної — близько 3 %. Глини в районі Джезказгану містять піщаних частинок до 24,5%, фракції розміром 0,1-0,005 мм - у середньому 59,9, а глинистої - 35,7%. Зеленувато-сірі глини мають піщаних частинок у середньому 8,1 %, пилуватих – 48,4, а глинистих – 45,2 %. Аральські глини мають глинистих частинок 50, а пилувата і піщана фракція становлять 35 і 15%.

Природна вологість хвалинських глин може коливатися від 13,7 до 46%; сарматських - від 21 до 60%; сірувато-зелених глин антропогену - від 7,5 до 27% і т. д. Аналогічний розкид характерний і для інших значень вологості.

У міру зменшення вологості на межі плинності знижується природна вологість ґрунту. Така сама залежність спостерігається в глинах кожного виду. Вивчення природної вологості показує нерівномірність розподілу вологи глибиною, що дозволяє виділити характерні зони. Так, у верхній частині розрізу знаходиться зона зниженої вологості. Для сарматських глин товщина цієї зони сягає 1 м, а аральських глин — 2 м. Нижче цієї зони спостерігається збільшення вологості з глибиною. Так, для сарматських глин на глибині 6-9 м вологість зростає з 20 до 37%. Нижче за цю глибину вологість глин залишається практично постійною. В аральських глинах до глибини 4 м вологість підвищується, а нижче зменшується. Якщо природна вологість ґрунту близька до вологості набухання, то значних деформацій споруд при замочуванні основ не відбувається. Однак у цьому випадку можлива значна усадка ґрунту при зменшенні вологості.