Глина — очень распространенный грунт, который известен каждому. Даже в эпоху пластика мы с ней сталкиваемся ежедневно в обычной жизни, будь то керамика, кирпич, некоторые лекарства и косметические средства или просто грязь под ногами (не всегда это глина, но часто). Я уж молчу, что глина часто служит основанием для фундаментов. Но мало кто задумывается, почему стало возможно столь широкое применение, на первый взгляд, одного и того же материала, и почему глина глине - рознь.
Свойства глин
Для начала кратко опишу основные свойства глин. К ним относятся: пластичность, липкость, набухание, усадка, гидрофобность (не пропускает воду), негорючесть, сорбционные свойства. Может что еще упустил, но эти свойства — основные, причем их используют в самых разных областях, но только в инженерной геологии их скрупулезно изучают как в лаборатории, так и в условиях природного залегания.
История образования глин
Начну немного издалека, т. к. процессы формирования той или иной горной породы (история ее образования) накладывают на ее свойства определенный отпечаток.
Любая глина имеет осадочное происхождение. Это значит, что первичные горные породы (магматические, метаморфические) разрушались под различными физическими и химическими воздействиями сначала до размера крупных обломков (валуны, глыбы, галька, щебень…), потом до песка, который становился все мельче и мельче.
Песок бывает молодой и древний. В молодом песке присутствуют обломки многих пород, а в древнем остается только кварц, т. к. он наиболее стойкий не только к истиранию, но и к химическим воздействиям. Возникает вопрос: куда же деваются остальные песчинки, из других минералов?
Первичные минералы продолжают разрушаться, окисляются, одни ионы замещают другие. В итоге остаются мельчайшие частицы размером менее 5 микрон, чаще всего, в форме неправильных чешуек, состоящих из минералов, которые принято называть глинистыми. Это вторичные минералы — то, что является продуктом длительной переработки магматических и метаморфических пород.
Накопление любых осадков так или иначе связано с водой. Глины формируются на дне водоемов, где нет течения. Частицы очень медленно осаждаются, еще медленнее прижимаются друг к другу. Постепенно они достигают таких дистанций, что начинают взаимодействовать друг с другом физически, образуются связи, потому глинистые грунты именуют связными. При таком взаимодействии лишняя вода выдавливается. Если глубина очень большая (глубокое море), давление воды сжимает осадок до такой степени, что он становится сначала глиной, а потом при длительном воздействии - аргиллитом. На суше дальше собственно глины литификация (процесс образования породы) не происходит.
Размер имеет значение
Размер частиц грунта определяет величину пор между ними. Достаточно сравнить промежутки между кусками щебня и песчинками. Чем мельче частицы, тем больше их уместится в одном и том же объеме, а значит и количество пор тоже будет больше, но сами поры при этом будут ничтожно малы. Исключительно за счет геометрии пористость глин существенно выше, чем пористость песков, а тем более крупнообломочных грунтов.
Крошечный диаметр пор определяет капиллярные свойства, которые непосредственно связаны со свойствами самой воды. Поскольку при формировании глин вода выдавливалась постепенно и именно через поры, они связаны между собой. Из-за их размера вода начинает прилипать к стенкам и удерживается на них, а не течь свободно. Такова причина образования физически связанной воды. Примеси, содержащиеся в воде, «застревают» вместе с ней. Это и есть сорбционные свойства.
Многие глинистые минералы изначально содержали в себе определенное количество воды, но лишились ее в ходе литификации. При соприкосновении с ней кристаллическая решетка восстанавливается (вода связывается химически), что приводит к набуханию.
Больше воды попадает в поры глины - сильнее меняются ее свойства (физические и механические). Это вызвано тем, что частицы обволакивает водой. Чем большее количество частиц будет покрыто водяной пленкой, тем пластичнее будет глина. Связи в ней не рвутся полностью, а становятся эластичными, гибкими. Вода выступает в роли смазки с одной стороны, и за счет сил поверхностного натяжения не дает частицам совсем отделиться друг от друга — с другой. Эту силу легко испытать самостоятельно, достаточно взять предмет с плоской поверхностью, смочить его и положить на другую плоскую поверхность (гладкий стол). Попробуйте оторвать от стола такой предмет, а потом сделайте то же самое, но без воды. Разница будет весьма ощутимой.
Почему важен возраст
Чем дольше глина испытывала давление, тем плотнее она становится. Если она не перешла в состояние аргиллита, это значит, что часть воды все равно сохранилась, даже если консистенция твердая. Древние глины, как правило, имеют морское происхождение, поэтому достаточно однородные, плотные и очень плохо пропускают воду. Это значит, что такой грунт не изменит свою консистенцию за период эксплуатации здания, скажем, при повышении уровня подземных вод.
При этом с высокой долей вероятности можно считать такие глины набухающими, если их поверхность нарушить при строительстве и допустить попадание воды. При изысканиях под промышленные объекты глины проверятся на набухаемость всегда, а вот в частных изысканиях — почти никогда.
Молодые глины обычно имеют континентальное происхождение (озерное, например). Это значит, что их пористость будет высокой, есть возможность изменения консистенции при замачивании в широком диапазоне. Такие физические изменения неизбежно приведут к падению показателей прочностных и деформационных свойств.
Вывод
Из всего вышесказанного следует один простой вывод: глины в природе очень разные. Их свойства зависят от условий образования, минерального состава и возраста. Поэтому нельзя сделать расчет фундамента, если основание сложено глиной, о которой, кроме названия, ничего не известно.
В заключение отмечу, что есть еще один важный фактор в составе глины, влияющий на ее свойства — включения. Об этом будет отдельный материал.