ЗА ВЛИЯНИЕТО НА СТРУКТУРАТА НА НАЛОВНИТЕ ГОЛЕМИ КЛАСИЧЕСКИ ПОЧВИ ВЪРХУ ТЕХНИТЕ ИНЖЕНЕРНИ И ГЕОЛОЖКИ СВОЙСТВА -
Въведение. Грубите кластични почви се използват широко при изграждането на различни конструкции. Техните инженерно-геоложки свойства варират в много широки граници в зависимост от много фактори на регионалната обстановка – структурно-тектонски, неотектонски, геодинамични, геоморфоложки, хидрогеоложки фактори [1; 3; 6], които влияят върху структурата на почвите.
Методология, резултати от изследването, дискусия
При изследване на подробната структура на алувиалните каменно-чакълесто-какълови седименти на много реки в България и съседните страни (Печора, Онега, Кама, Белая, Вятка, Дон, Десна, Днестър, Кубан, Кума, Тура, Тобол, Ишим, Об, Иртиш, Енисей, Лена, Чулим, Том, Ангара, Вилюй и др.), използвахме аналитичен фракционен гранулометър анализ с пресяване на кластичен материал върху сита по гама-батуринската скала [5]. Пресяването на едрозърнест кластичен материал с размер на частиците над 5 mm се извършва от проба с представителен обем (50-100 l) върху сито в полето. От същия седимент е взета проба от материал с размер под 5 mm и тегло до 10 kg, за да се определи разпределението на частиците по размер на сита в лабораторни условия. В резултат на това са изолирани общо 40 класа кластични частици в диапазона на гранулометричната скала от 500 до 0,05 mm. Получените данни позволиха да се получи нова информация за изменението на инженерно-геоложките свойства на чакълестите почви. Структурата на едрозърнестите почви в първото приближение често се разглежда като смес от два компонента: рамка и пълнител.
Рамката обикновено е основата на всяка едра почва. Състои се от фрагменти с размери на камъни и камъчета, чийто дял в обема на почвата варира в широки граници и определя много инженерни и геоложки свойства на каменистата почва, особено якостта,пропускливост, порьозност и т.н. Структурата на самата рамка обаче варира значително в зависимост от съотношението на различни по големина фрагменти в нейния състав и тяхната морфология. Съотношението на различни по големина фрагменти в рамката се определя от фациалната обстановка на седиментацията, тектоно-геоморфоложката, съвременната геодинамична (неотектонска) обстановка и др.
Фракционният гранулометричен анализ на чакълестите почви показа, че с висок дял на рамкови фрагменти в почвата, който обикновено се наблюдава в алувиалните скални камъчета на високопланинските реки, и предимно закръглената форма на фрагментите, най-големите от тях образуват структура, наподобяваща плътна или дори най-плътна опаковка от топки. В тази връзка широко се използват различни геометрични модели за описание на структурата на каменистата утайка.
Ние показахме [5], че моделът на плътно опаковане на рамкови фрагменти е приложим за почви от високопланински скално-чакълест алувий, с някои отклонения - за среднопланински и нископланински камъчета. Напротив, моделът на свободно опаковане съответства на структурата на камъчетата на равнинните реки. С намаляване на динамичната активност на водния поток (в среднопланинския и нископланинския алувий, както и в някои части на низинните реки), в рамката вече преобладават фрагменти с намален размер и моделът на тяхната структура ще се различава от модела с плътен пакет.
Най-подробните проучвания са извършени на примера на среднопланинския алувий на реката. Белая (Урал), който показа, че за почви, образувани по време на най-активната динамика на водния поток, рамката се основава на скално подразпределение на фрагменти с модален клас 160–125 mm, а общият диапазон на финост на фрагментите от това подразпределение попада в диапазона от 500–400 до 100–80 mm. Разпределението на тези фрагментифиността може да бъде апроксимирана чрез логнормалния закон. Следващото подразпределение на фрагментите на рамката може да запълни само празнините, останали след образуването на структурата на първото подразпределение. Съгласно законите на плътното опаковане, обемът на кухините между еднакви топки е около 25%, а диаметърът на най-голямата топка, плътно поставена в празнината, ще бъде около 1/2 от диаметъра на голяма топка. Фракционното пресяване показа, че всъщност това съотношение се наблюдава в естествените камъчета. По този начин второто по големина голямо камъче подразпределение на фрагменти е представено от камъчета с модален клас 80-63 или 63-50 mm, а общият диапазон на размерите може да бъде от 100 до 40 mm. Третото средно-чакълесто подразпределение е представено от фрагменти с модална стойност 40-31,5 или 31,5-25 mm, които запълват кухините, образувани при подреждането на фрагментите от две по-големи. И накрая, четвъртото подразпределение на малки камъчета има режим в диапазона 20-16 или 16-12,5 mm.
Съответно, обемът на кухините също определя съотношението на тези подразпределения в почвата. По този начин делът на подразпределението на камъните в почвите на реката. Белая се колебае в различните части на реката от 5 до 30% (средно 15%), едрокакълест - от 23 до 53% (средно 40%), среднокакълест - от 12 до 30% (средно 20%) и дребнокакълест - от 8 до 18% (средно 14%). Това съотношение ясно показва, че скалните фрагменти не се допират един до друг и по този начин основата на рамката на камъчетата на реката. Белая е изградена от фрагменти от едри камъчета. При значително отклонение на формата на фрагментите на рамката от сферичния обем на порестото пространство между големи фрагменти, той намалява, което значително се отразява на структурата на почвата. Намаляването на порьозността на камъчетата и чакъла става в посока на промяна на формата на фрагментите в следната последователност:топка - овална - ъглова - дъска.
Общата степен на сортиране на скално-камъчести фрагменти по размер се променя забележимо при преминаване от планински към равнинни райони. В каменно-ореховите почви в планинските райони тя е много ниска, а при равнинни условия се повишава значително. Това се проявява преди всичко в промяна на съотношението между подразпределенията на фрагментите и техния среден размер. Например в равнинни реки с добре сортиран алувий обикновено преобладава подразпределение на дребни чакълести фрагменти с размер 16-12,5 mm.
Един от най-важните инженерно-геоложки показатели, здравината на чакълестата почва, също се определя от петрографския състав на фрагментите на рамката, степента на тяхното разрушаване, изветряне и други показатели. С натиск върху камъчеста почва структурата на рамката първо се уплътнява. Със своята структура, близка до модела на плътно опаковане на фрагменти, уплътняването на почвата практически не се забелязва. При безплатно опаковане на фрагменти от рамка може да бъде значително.
Агрегатът от чакълести почви е представен от чакълесто-пясъчни и тинесто-глинести частици. Делът на първия в състава на чакълестата почва варира от 10 до 50%. Степента на сортиране на инертните частици по размер се увеличава значително при преминаване от планинска среда към равнинна. Ако частиците от чакъл преобладават в състава на пълнителя на скално-какълови планински почви, тогава в плоските почви има много малко от тях поради раздробяване на сраствания и малки фрагменти от скали в планински потоци. В плоските камъчета на зрели реки агрегатът е представен от добре сортиран среднозърнест пясък. Тинесто-глинести частици запълват останалите пори между фрагментите на рамката и чакълесто-пясъчните частици. Степента на запълване на тези пори обаче може да се различава значително. И така, сляпата зона на камъчетоПлитките на много реки често са съставени от фрагменти от рамката и пълнителят може напълно да отсъства в него. Порьозността на такава почва може да достигне 25-30%. Напротив, в камъчетата на планинските реки агрегатните частици могат напълно да запълнят всички пори и порьозността на почвата се намалява до няколко процента.
Резултатите от фракционния гранулометричен анализ показаха, че идеята за степента на сортиране на фрагменти от каменисти почви трябва да бъде детайлизирана. Приложените фактори за сортиране (например коефициентът на Trask) не отразяват цялата картина. Най-пълната картина на степента на сортиране на чакълестите почви се дава от отделна характеристика на структурата на рамката и агрегата. Възможно е да се проследи процесът на постепенно увеличаване на степента на сортиране на чакълестите почви в посока от планински към равнинни райони. В скално-чакълестите алувиални почви се наблюдава широк диапазон от размери на фрагментите в структурата на рамката и агрегата. В каменистите алувиални почви на равнинни площи обхватът на размерите на рамковите фрагменти рязко се стеснява и те придобиват висока степен на сортиране по размер с дела на преобладаващия вид на чакълест материал (обикновено 16-12,5 mm), достигащ 15%. Инертният материал на такъв седимент е съставен от добре сортиран среднозърнест пясък с преобладаващ режим, обикновено в тесен размерен клас 0,4-0,315 или 0,315-0,25 mm, достигащ 19%.
Важен фактор, определящ съотношението на инертните частици в каменистата почва, е нейната геоложка възраст. Установено е, че примесът на глинест материал в чакълестите почви се увеличава от млади отлагания към по-стари. Причината са процесите на литогенеза (химическо изветряне на нестабилни минерали, диагенетични процеси на образуване на нови минерали, утаяване на колоидни неоплазми, утаяване на глинести частицив седиментни пори и др.). Това от своя страна определя промяната в такива инженерно-геоложки свойства на почвите като порьозност и пропускливост.
Камъчестите почви имат най-високи стойности на коефициента на хетерогенност (Kn), който зависи от тяхната структура. Коефициентът на хетерогенност има сложна зависимост от средния размер на фрагментите. И така, в скално-чакълестите алувиални почви на реката. Белите във високопланинските алувиални почви стойността на коефициента на хетерогенност е сравнително ниска поради концентрацията на основната маса от фрагменти в рамката, за нископланинските и предпланинските алувии се увеличава, а за добре сортираните равнини отново намалява (Таблица 1, Фигура 1).
Таблица 1. Инженерно-геоложки (гранулометрични) параметри на чакълестите почви на реката. Бяло