Карбонаты. В класс входят минералы: кальцит (известняковый шпат) CaCO3 и доломит (CaMg)CO3. Наличие карбонатов в глинистых грунтах обуславливает меньшую смачиваемость грунта водой и способствует улучшению других свойств.

Окислы и гидроокислы. Эти минералы представляют собой соединения различных элементов с кислородом (окислы) и соединения с кислородом и гидроксильной группой OH (гидроокислы). Данные минералы подразделяются на две группы:

- окислы и гидроокислы кремния (группа кварца);

- окислы и гидроокислы металлов.

Сульфиды. Эти минералы представляют собой соединения различных элементов с серой. Они имеют не большое значение в строении земной коры, но включают ряд минералов – важнейших руд, таких как свинец, медь, цинк, молибден и др.

Самородные элементы. В этот класс входят минералы, состоящие из одного химического элемента. Минералы этого класса составляют очень маленькую долю в строении земной коры. К ним относятся: самородное золото, серебро, медь, платина, графит, алмаз, сера и др.

Минеральный состав грунта оказывает значительное влияние на устойчивость грунта в инженерных сооружениях. Он резко изменяется в зависимости от исходного состава горной породы, степени ее дробления, условий формирования и залегания. Крупнообломочные грунты сложены частицами наиболее стойких и прочных горных пород, состоящих обычно из групп минералов. С увеличением степени раздробленности, частицы грунта оказываются состоящими из отдельных стойких материалов, например кварца.

Кварц представляет собой двуокись кремния (SiO2) и широко распространен в природе. В классификации минералов относится к окислам. Кварц чаще всего бесцветный или белый, но может быть окрашен в различные цвета.

Преобладание кварца наиболее характерно для песчаных грунтов. В месте с пылевым шпатом и слюдой, кварц является породообразующим минералом для песчаных и более крупнозернистых грунтов.

В глинистых грунтах минеральный состав существенно изменяется. При дальнейшем увеличении степени раздробленности в наиболее тонкой глинистой части грунтов накапливаются вторичные, так называемые глинистые минералы.

Глинистые минералы образуются в процессе выветривания различных горных пород, особенно магматических и метаморфических, содержащих полевые шпаты, слюды и другие минералы. Они придают грунтам совершенно новые физико-механические свойства. Глинистые минералы относятся к слоевым силикатам.

Основное влияние на свойства грунта оказывают глинистые минералы высокой степени раздробленности (размер частиц глинистых минералов обычно не превышает 0,001 мм). По совокупности признаков многочисленные глинистые (коллоидно-дисперсные) минералы разделяют на три основные группы: каолинита, гидрослюд и монтмориллонита.

Каолинит – относительно стойкий минерал, содержащийся в довольно большом количестве во многих глинистых грунтах. Образуется в результате выветривания пылевых шпатов и других алюмосиликатов и представляет собой по внешнему виду землистый минерал. Обычно белого цвета, иногда желтоватого. По своему химическому составу представляет собой комплексную алюмокремниевую кислоту. По сравнению с другими глинистыми минералами каолинит обладает небольшой набухаемостью при смачивании водой и малой способностью к поглощению (адсорбции на поверхности) различных веществ.

Монтмориллонит в отличие от каолинита характеризуется более высокой дисперсностью (раздробленностью) частиц, чрезвычайно большой пластичностью и способностью в 10-20 раз увеличивать объем при увлажнении. Наличие в грунтах большого количества монтмориллонита придает им при увлажнении резко выраженные отрицательные свойства: чрезмерную липкость, сильное набухание и отсюда быструю потерю несущей способности. Размеры минералов монтмориллонита крайне незначительны и, как правило, не превышают 1 мкм.

Гидрослюды представляют собой измененные слюды и по своим свойствам занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

1.2. Жидкая составляющая грунта. Ряд важных свойств, таких как прочность при сжатии и сдвиге, липкость, пластичность, набухание в значительной степени зависит от степени увлажнения грунтов. В природных условиях в грунтах всегда содержится вода, однако ее количество, т. е. влажность, может изменяться в широких пределах.

Вода в грунтах может быть в парообразном, жидком и твердом состоянии.

На основании классификации А. Ф. Лебедева, предложенной в 1936 г., различают следующие категории воды в грунте:

- вода в виде пара;

- вода в твердом состоянии;

- связанная вода;

- свободная вода;

- кристаллизационная и химически связанная вода.

Водяной пар является одной из составных частей грунтовой атмосферы. Общее количество водяного пара в грунте не превышает 0,001 % от всего веса грунта. Вода в форме пара играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, т. к. она, во-первых, является единственной формой воды, которая способна передвигаться в грунте при незначительной ее влажности, и, во-вторых, потому, что путем конденсации паров на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.

При температуре грунта ниже 00 С замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде прослоев чистого льда, достигающего местами значительной мощности. Кристаллы льда в большинстве случаем играют роль цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Благодаря присутствию льда резко изменяются свойства грунта.

Свойства мерзлых грунтов очень чувствительны к изменениям температуры, особенно при переходе ее через нуль градусов, т. к. при этом изменяется содержание не замерзшей воды. Изменение количества не замерзшей воды влияет на большую часть физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов.

При промерзании дисперсных и особенно глинистых пород происходит миграция влаги и льдовыделение, которое резко изменяет строение грунтов, что влияет на их физические и механические свойства. При этом повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород может привести к увеличению количества свободной воды, возрастанию фильтрационной способности, изменению прочности и электрических свойств.

Связанная вода, составляет 42 % от всей воды, содержащейся в земной коре. Особенно много ее содержится в глинистых грунтах. Связанную воду можно разделить на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Молекулы вязанной воды прочно удерживаются адсорбционными силами.

Электромолекулярное притяжение непосредственно около поверхности частиц достигает нескольких сотен мегапаскалей. Поэтому первые слои молекул воды притягиваются к поверхности частицы особенно сильно и образуют слой прочносвязанной воды. Прочносвязанная вода поглощается поверхностью грунтовых частиц из воздуха, содержащего водяные пары и удерживается на поверхности частиц с большой силой. Передвигается и удаляется только переходя в пар.

Электромолекулярные силы с расстоянием от частицы резко убывают, поэтому более удаленную часть слоя связанной воды иногда называют рыхлосвязанной. Рыхлосвязанная вода образуется в грунте при сгущении водяных паров или остается в нем после удаления капельно-жидкостной воды. Удерживается силами молекулярного притяжения на поверхности грунтовых частиц, но связана меньше, чем связанная адсорбционными силами прочносвязанная вода. Образует слой пленочной воды, которая передвигается очень медленно из мест, где пленки воды толще, в места, где они тоньше.