1. Особенности состава грунтов.

Основной особенностью грунтов является их раздробленность, т.е. грунт состоит из отдельных частиц различной крупности либо не связанных между собой, либо связанных, но с прочностью связей, много меньшей прочности самих частиц грунта. Между частицами имеются поры, которые могут быть заполнены полностью или частично газом или жидкостью. Таким образом, грунт в общем случае представляет собой трехкомпонентную (трехфазную) среду, состоящую из твердых частиц, жидкости и газа. Грунты с отрицательной температурой, выделяя замерзшую часть воды (лед), можно рассматривать как четырехкомпонентные. Все компоненты грунта находятся в сложном взаимодействии.

1.1. Твёрдая составляющая грунта. Все горные породы и грунты – это в основном продукты физического и химического выветривания скальных горных пород литосферы, поэтому твердые частицы представлены отдельными минералами или обломками горных пород сцементированных друг и другом в монолитную массу (в магматических, метаморфических и части осадочных пород) или же не связанных друг с другом прочными кристаллизационными связями (обломочные несцементированные породы).

Минералами называют природные химические образования (соединения) или самородные элементы, являющиеся продуктами сложных физико-химических процессов, протекающих в земной коре.

В настоящее время известно более 2500 природных минералов. Содержание некоторых из них составляет целые проценты и даже десятки процентов, поэтому они называются главными породообразующими минералами. Другие содержаться в весьма незначительных количествах (не более 1 %) и называются второстепенными или акцессорными минералами. Наконец, встречаются так называемые случайные минералы, составляющие крайне незначительную часть в общем составе породы.

Все грунты различаются по своему минералогическому составу, определяющему их химический или солевой составы, и по состоянию (плотность сложения, влажность, степень выветрелости и пр.), а также по своим структурным и текстурным особенностям.

Почти все минералы имеют кристаллическое строение, выражающееся в строго определенных закономерностях их внутреннего строения и внешней формы. Лишь незначительное строение минералов встречается в виде аморфного вещества.

Характер строения и природа химической связи между материальными частицами кристаллической решетки минералов лежат в основе многих физических и механических свойств грунта.

Минералы классифицируются по различным признакам: по происхождению, химическому составу, кристаллохимическим и кристаллографическим особенностям, сопротивляемости к выветриванию, растворимости и др.

Наиболее важной с инженерно-строительной точки зрения является классификация по химическому составу, согласно которой выделяется 10 классов минералов в соответствии с их распространением в земной коре.

Силикаты. В этот класс входят наиболее распространенные породообразующие минералы, очень сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, особенно магматических и метаморфических.

В основе кристаллической решетки всех силикатов лежит ионная четырехвалентная группировка SiO2, образующая тетраэдры, различное сочетание которых определяет структуру силикатов. Все силикаты по внутренней структуре подразделяются на островные, цепочечные, ленточные, слоевые и каркасные.

Островные силикаты имеют структуру из изолированных тетраэдров (SiO2) с присоединенными к ним ионами других элементов. Среди них наиболее распространен оливин (Mg, Fe)2 [SiO4].

Цепочечные силикаты – это те, в которых тетраэдры соединяются в непрерывные цепочки. К ним относятся группы пероксенов. Здесь следует назвать минерал авгит (Ca, Na) (Mg, Fe2+, Al, Fe3+) [Si, Al2O6], отличающийся более сложным химическим составом и частичной заменой кремнезема алюминием.

В ленточных силикатах кремнекислородные тетраэдры, соединяясь, образуют обособленные ленты, или полосы (присоединение одной цепочки к другой). Наиболее распространенным примером таких минералов является роговая обманка.

Слоевые, или листовые, силикаты объединяют многие минералы, структура которых обусловлена сцеплением лент в виде одного непрерывного слоя. Среди них важное породообразующее значение имеют слюды; мусковит – калиевая бесцветная слюда; биотит – черная железисто-магнезиальная слюда; тальк и хлориты, представляющие собой алюмосиликаты Mg и Fe сложного меняющегося состава.

Каркасные силикаты объединяют наиболее важную группу породообразующих минералов – полевые шпаты. В них кремнекислородные тетраэдры сцеплены через все четыре вершины, что создает каркас. Полевые шпаты характеризуются высокой твердостью, совершенной спайностью и хорошо заметным стеклянным блеском.

Некоторые классы представляют собой водорастворимые минералы, например галоиды и сульфаты.

Галоидные соединения. Относятся к легкорастворимым в воде минералам. Минералы этого класса в химическом отношении представляют собой соли галоидно-водородных кислот. Наиболее распространенные хлористые и фтористые соединения. К ним относятся галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl и флюорит (плавиковый шпат) CaF2.

Сульфаты. Тоже водорастворимые минералы, но они относятся к среднерастворимым. Этот класс минералов представляет собой соли серной кислоты: гипс CaSO4 · 2H2O, ангидрит (безводный сульфат кальция) CaSO4.

Водорастворимые минералы ввиду их растворимости встречаются в грунтах преимущественно в зоне сухого и жаркого климата. При содержании в грунтах легкорастворимых минералов более 7 % по массе и среднерастворимых минералов более 10 % по массе грунты отличаются пониженными значениями показателей физико-механических свойств. Поэтому такие грунты не рекомендуется применять для устройства земляного полотна или подвергать их укреплению добавками различных вяжущих веществ.