ПРО ВПЛИВ СТРУКТУРИ АЛЮВІАЛЬНИХ ВЕЛИКООБЛАМКОВИХ ГРУНТІВ НА ЇХ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ -
Вступ. Крупноуламкові ґрунти широко використовуються при будівництві різних споруд. Їхні інженерно-геологічні властивості змінюються в дуже широких межах залежно від багатьох факторів регіональної обстановки – структурно-тектонічні, неотектонічні, геодинамічні, геоморфологічні, гідрогеологічні фактори [1; 3; 6], які впливають на структуру ґрунтів.
Методика, результати досліджень, обговорення
При вивченні детальної структури алювіальних валуново-гравійно-галькових опадів багатьох річок Укаїни та ближнього зарубіжжя (Печори, Онєги, Ками, Білої, В'ятки, Дону, Десни, Дністра, Кубані, Куми, Тури, Тобола, Ішима, Обі, Іртиша, Єнісея Олени, Чулима, Томі, Ангари, Вілюя та ін) нами використаний дробовий гранулометричний аналіз з розсіванням уламкового матеріалу на ситах за шкалою гамма-батурина [5]. Розсівання грубоуламкового матеріалу крупністю більше 5 мм вироблялося з проби представницького об'єму (50-100 л) на гуркоті в польових умовах. З того ж осаду відбиралася навішування матеріалу крупністю менше 5 мм масою до 10 кг визначення гранулометричного складу на ситах в лабораторних умовах. В результаті в інтервалі гранулометричної шкали від 500 до 0,05 мм виділялося сумарно 40 класів уламкових частинок. Отримані дані дозволили отримати нову інформацію про зміну інженерно-геологічних властивостей галькових ґрунтів. Структура великоуламкових ґрунтів у першому наближенні часто розглядається як суміш двох складових частин: каркасу та заповнювача.
Каркас є зазвичай основою будь-якого великоуламкового ґрунту. Він складний уламками валунної та галькової розмірності, частка яких в обсязі ґрунту змінюється в широких межах, і вона визначає багато інженерно-геологічних властивостей галькового ґрунту, особливо міцність,проникність, пористість та ін. Проте структура самого каркаса істотно змінюється залежно від співвідношення уламків різної крупності у його складі та його морфології. Співвідношення уламків різної крупності у складі каркасу визначається фаціальною обстановкою осадконакопичення, тектоно-геоморфологічною, сучасною геодинамічною (неотектонічною) обстановкою тощо.
Дробний гранулометричний аналіз галькових ґрунтів показав, що при високій частці уламків каркаса в ґрунті, що зазвичай спостерігається в алювіальних валунових галечниках високогірних річок, і переважно округлій формі уламків найбільші з них утворюють структуру, що нагадує щільну або навіть щільну упаковку куль. У зв'язку з цим при описі структури галькового осаду широко застосовують різні геометричні моделі.
Нами показано [5], що модель щільної упаковки уламків каркасу застосовується для грунтів високогірного валунно-галькового алювію, з окремими відхиленнями – для середньогірського та низькогірного галечника. Навпаки, модель вільного пакування відповідає структурі галечника рівнинних річок. При зменшенні динамічної активності водного потоку (у середньо-і низькогірному алювії, і навіть окремих ділянках рівнинних річок) у складі каркасу переважають вже уламки зниженої крупності, і їх структури відрізнятиметься від моделі щільної упаковки.
Найбільш детальні дослідження проведено на прикладі середньогірського алювію нар. Білої (Урал), які показали, що для ґрунтів, утворених при найбільш активній динаміці водного потоку, основою каркасу є валуновий суброзподіл уламків з модальним класом 160-125 мм, а загальний діапазон крупності уламків цього суброзподілу укладається в інтервал від 500-400 до 100 -80 мм. Розподіл цих уламків покрупності можна апроксимувати логнормальним законом. Наступний суброзподіл уламків каркасу може заповнювати лише порожнечі, що залишаються після формування структури першого суброзподілу. За законами щільної упаковки обсяг порожнин між рівними кулями становить близько 25%, а діаметр найбільшої кулі, що щільно сидить у порожнечі, становитиме близько 1/2 діаметра великої кулі. Дробний розсів показав, що в природних галечниках це співвідношення дотримується. Так, друге крупногалькове суброзподільні уламків представлено гальками з модальним класом 80-63 або 63-50 мм, а загальний діапазон розмірності може становити від 100 до 40 мм. Третій середньогальковий суброзподіл представлений уламками з модальним значенням 40-31,5 або 31,5-25 мм, які заповнюють порожнечі, утворені при укладанні уламків двох більших. Нарешті, четвертий дрібногальковий суброзподіл має моду в інтервалі 20-16 або 16-12,5 мм.
Відповідно, обсяг порожнеч визначає і співвідношення зазначених суброзподілів у ґрунті. Так, частка валунного суброзподілу в ґрунтах р. Білої коливається на різних ділянках річки від 5 до 30% (середнє 15%), великогалькового – від 23 до 53% (середнє 40%), середньогалькового – від 12 до 30% (середнє 20%) та дрібногалькового – від 8 до 18% (Середнє 14%). Дане співвідношення явно свідчить про те, що валунні уламки не стикаються один з одним і, таким чином, основу каркасу галечників. Білої складають великогалькові уламки. При суттєвому відхиленні форми уламків каркасу від кульовий обсяг пористого простору між великими уламками зменшується, що помітно відбивається на структурі ґрунту. Зниження пористості галечників та щебеню відбувається у напрямку зміни форми уламків у наступній послідовності:кульова – овальна – незграбна – дощата.
Загальний ступінь сортування валунно-галькових уламків помітно змінюється при переході від гірських районів до рівнинних. У валунно-гайкових ґрунтах гірських районів вона дуже низька, а для рівнинних ситуацій помітно підвищується. Це проявляється, насамперед, у зміні співвідношення між суброзподілами уламків та їхнього середнього розміру. Наприклад, у рівнинних річках з добре сортованим алювієм зазвичай переважає суброзподіл дрібногалькових уламків з модою 16-12,5 мм.
Один з найважливіших інженерно-геологічних показників – міцність галькового ґрунту визначається також петрографічним складом уламків каркасу, ступенем їхньої тріщинуватості, вивітрілості та іншими показниками. При тиску на гальковий ґрунт у першу чергу відбувається ущільнення структури каркасу. При його структурі, близькій до моделі щільного пакування уламків, ущільнення ґрунту практично не помітне. При вільній упаковці уламків каркаса воно може бути значним.
Заповнювач галькових ґрунтів представлений гравійно-піщаними та алеврито-глинистими частинками. Частка перших у складі галькового ґрунту становить від 10 до 50%. Ступінь сортування частинок заповнювача крупно істотно підвищується при переході від гірської обстановки до рівнинної. Якщо у складі заповнювача валунно-галькових гірських ґрунтів переважають гравійні частинки, то в рівнинних ґрунтах їх дуже мало через дроблення зростків та дрібних уламків порід у гірських водотоках. У рівнинних галечниках зрілих річок заповнювач представлений сортованим середньозернистим піском. Алеврито-глинисті частинки заповнюють пори, що залишилися між уламками каркасу і гравійно-піщаними частинками. Однак ступінь заповнення цього часу може помітно відрізнятися. Так, вимощення на галечниковихмілинах багатьох річок складена часто уламками каркасу, а заповнювач у ній може повністю бути відсутнім. Пористість такого ґрунту може досягати 25-30%. Навпаки, у галечниках гірських річок частинки заповнювача можуть повністю заповнити всі пори, а пористість ґрунту знижується до кількох відсотків.
Результати гранулометричного дробового аналізу показали, що уявлення про ступінь сортування уламків галькових грунтів потрібно деталізувати. Коефіцієнти сортування, що застосовуються (наприклад, коефіцієнт Траска) не відображають всієї повноти картини. Найбільш повне уявлення про рівень сортування галькових ґрунтів дає роздільна характеристика структури каркасу та заповнювача. Простежити процес поступового підвищення ступеня сортування галькових ґрунтів можна у напрямку від гірських районів до рівнинних. У валунно-галькових алювіальних ґрунтах у структурі каркасу та заповнювача спостерігається широкий діапазон розмірів уламків. У галькових алювіальних ґрунтах рівнинних територій різко звужується діапазон розмірності уламків каркасу, і вони набувають високого ступеня сортування крупно з часткою переважної моди галькового матеріалу (зазвичай 16-12,5 мм), що досягає 15%. Заповнювач такого осаду складений добре сортованим середньозернистим піском з переважною модою зазвичай у вузькорозмірному класі 0,4-0,315 або 0,315-0,25 мм, що досягає 19%.
Важливим фактором, що визначає частку частинок заповнювача в гальковому ґрунті, є його геологічний вік. Встановлено, що домішка глинистого матеріалу в галькових ґрунтах зростає від молодих відкладень до більш давніх. Причиною є процеси літогенезу (хімічне вивітрювання нестійких мінералів, діагенетичні процеси утворення нових мінералів, випадання колоїдних новоутворень, просідання глинистих частиноку пори осаду і т.д.). Це, своєю чергою, визначає зміна таких інженерно-геологічних властивостей грунтів, як пористість і проникність.
Валунно-галькові ґрунти мають найбільш високі значення коефіцієнта неоднорідності (Kн), який залежить від їх структури. Коефіцієнт неоднорідності має складну залежність від середнього розміру уламків. Так, у валунно-галькових алювіальних ґрунтах нар. Білої у високогірних алювіальних ґрунтах величина коефіцієнта неоднорідності відносно низька у зв'язку з концентрацією основної маси уламків у складі каркасу, для низькогірного та передгірного алювію вона зростає, а для добре сортованого рівнинного – знову знижується (таблиця 1, рисунок 1).
Таблиця 1. Інженерно-геологічні (гранулометричні) параметри галькових ґрунтів нар. Білий