Дорожное грунтоведение : практикум

УДК [624.131+625.731](076.58)
ББК 26.3я73
Б12

Р е ц е н з е н т ы: кафедра лесных машин, дорог и технологий лесопромышленного 
производства учреждения образования «Белорусский государственный технологический 
университет» (профессор кафедры кандидат технических наук М.Т. Насковец); доктор 
технических наук, профессор В.Н. Яромко

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения изда те льства.

ISBN 978-985-06-3077-3 
© Бабаскин Ю.Г., 2020
 
© Оформление. УП «Издательство 
 
 
“Вышэйшая школа”», 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Дорожное грунтоведение. Практикум» предназначено для выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Дорожное 
грунтоведение и механика земляного полотна» для специальности 
1-70 03 01 «Автомобильные дороги»; «Инженерная геология и механика 
грунтов» для специальности 1-70 03 02 «Мосты, транспортные тоннели 
и метрополитены»; «Технология дорожного строительства» для специальности 1-36 11 01 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Цель учебного пособия – формирование у студентов знаний по практическому определению свойств грунтов, элементов инженерной геологии, по анализу изменения свойств грунтов в зависимости от консистенции и действия нагрузок. Учебное пособие направлено на оказание 
методической помощи в выполнении лабораторных работ.
Изучаемые дисциплины основываются на двух инженерных науках: 
инженерной геологии – науке о геологической среде, ее рациональном 
использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека и механике грунтов – науке, изучающей напряженнодеформируемое состояние, прочность и устойчивость грунтов.
Инженерная геология в свою очередь включает в себя региональную 
инженерную геологию, инженерную геодинамику и грунтоведение.
Основным разделом инженерной геологии является наука о грунтах – грунтоведение, которое состоит из подразделов: общего и регионального грунтоведения, а также технической мелиорации грунтов.
Общее грунтоведение изучает состав и строение горных пород, особенности дисперсных и искусственных грунтов и почв, наличие воды 
в грунтах, структурные связи, физические, физико-химические, физико-механические свойства.
Региональное грунтоведение рассматривает специфику залегания, 
свойства и особенности грунтов, распространенных на изучаемой территории или в регионе строительства транспортного объекта.
Студенты, изучающие дисциплины «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна», «Инженерная геология и механика грунтов», «Технология дорожного строительства», должны иметь представление о грунтах, из которых возводится земляное полотно и которые 
являются исходным компонентом для получения дорожно-строительных материалов, а также средой или основанием, на котором возводятся автомобильная дорога или искусственные сооружения.
Грунт – это любая рыхлая горная порода, почва или искусственное 
образование, слагающие верхний слой земной коры, изучается как многокомпонентная система, изменяющаяся во времени и используемая 
при возведении инженерных сооружений в качестве основания, среды 
или материала.

Прежде чем приступить к изучению грунтов, необходимо знать компоненты горных пород – минералы с их свойствами, структурой и особенностями. Горные породы – это крупные соединения, каждое из них 
имеет свои характеристики: происхождение и возраст, эндогенные и экзогенные процессы, а также постгенетические преобразования. Только 
после изучения важнейших процессов и явлений инженерной геологии 
можно приступать к рассмотрению основного раздела – грунтоведения.
Следующий этап – решение инженерных задач, вытекающих из основных закономерностей механики грунтов. Строитель-дорожник должен иметь знания о прочности грунта, его деформационных свойствах, 
возникновении и распределении напряжений в грунтовой толще, принципах и процессах, происходящих при уплотнении однородных и слоистых грунтовых массивов, геологических свойствах.
Учебное пособие объединяет в себе пять разделов.
Раздел «Инженерная геология» включает восемь лабораторных работ, среди которых основной является «Классификация грунтов в соответствии с СТБ 943-2007», которая дает представление о предмете труда 
инженера-дорожника, о грунтах, применяемых в строительстве.
В разделе «Основные физические свойства грунтов» рассмотрено восемь работ, в которых приведены методики определения вида грунта 
прямыми и косвенными методами, влажности, плотности грунта.
Раздел «Дисперсные грунты» включает четыре лабораторные работы, 
в которых рассмотрены вопросы определения коэффициента фильтрации, пористости, коэффициента внутреннего трения.
Раздел «Глинистые грунты» посвящен вопросам определения числа 
пластичности, консистенции, пучинистости, усадки, набухания грунта. 
В разделе семь лабораторных работ, в которых рассматриваются особенности глинистых грунтов.
В разделе «Механика грунтов» рассмотрено шесть лабораторных работ по изучению прочностных свойств грунтов. Изложены методики 
определения модулей деформации, упругости, осадки, рассмотрены вопросы определения сдвиговых характеристик грунтов.
При написании учебного пособия использованы результаты, изложенные в ГОСТах, стандартах, нормативных документах, справочниках 
и учебных пособиях по выполнению лабораторных работ, включая разработки Белорусского дорожного научно-исследовательского института, Белорусского дорожного инженерно-технического центра, Республиканского унитарного предприятия по изысканию и проектированию 
автомобильных дорог и искусственных сооружений на них, а также разработки других дорожных организаций Республики Беларусь и Российской Федерации.

Раздел
I

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

Лабораторная работа № 1
Изучение кристаллического строения 
породообразующих минералов

Лабораторная работа № 2
Определение физических свойств
минералов

Лабораторная работа № 3
Изучение классов минералов иопределение 
ихназвания спомощью определителя

Лабораторная работа № 4
Изучение основных видов магматических 
горных пород

Лабораторная работа № 5

Изучение основных видов 
метаморфических горных пород

Лабораторная работа № 6
Изучение основных видов осадочных 
горных пород

Лабораторная работа № 7
Изучение классификации грунтов 
всоответствии состандартом СТБ 943-2007 
иопределение параметров осадочных 
горных пород

Лабораторная работа № 8
Отражение геологического строения земной 
поверхности спомощью стратиграфических 
колонок иразрезов

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ 
ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

Цель работы
1. Ознакомление с понятием минералов и условиями их образования.
2. Изучение кристаллохимической структуры породообразующих 
минералов.
Аппаратура
Коллекция минералов, увеличительное стекло, линейка, циркуль, 
транспортир.

ВВЕДЕНИЕ

Минералы – это природные химические соединения или самородные 
элементы, возникшие в результате разнообразных физико-химических 
процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности.
Земная кора планеты Земля состоит из минералогических образований – минералов, которые входят в состав более крупных образований – горных пород, являющихся предметом труда строителей, в том 
числе строителей автомобильных дорог. В природе существует около 
3,5 тыс. различных минералов, которые изучает наука минералогия. Горные породы изучает наука петрография.
Минералы образуются в результате процессов, происходящих в недрах Земли и на ее поверхности: эндогенных (минералы формируются 
из магмы – силикаты), экзогенных (минералы образуются на поверхности земной коры – глинистые минералы), метаморфических (минералы, которые претерпевают повторную перекристаллизацию).
Минералы могут иметь природное или искусственное происхождение. Большинство минералов имеют кристаллическое строение. Атомы 
в кристаллах расположены закономерно, наподобие узлов пространственной решетки. Благодаря этому минералы имеют вид правильных 
многогранников. Если минерал не имеет внешних признаков правильного строения, его называют некристаллическим или аморфным (опал, 
лимонит). Минералы всегда имеют химическую формулу (в отличие от 
горной породы). Химический состав минералов выражается эмпирической 
формулой, например эмпирическая формула каолинита Al2O3 ⋅ 2SiO2 ⋅ 2H2O. 
Связи между отдельными элементами минералов выражаются кристаллохимической, или структурной, формулой, которая одновременно показывает количественное соотношение элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Например, для того же каолинита структурная формула Al4[Si4O10](OH)2.
Твердые минералы в большинстве случаев являются кристаллическими веществами, имеющими кристаллическую решетку, которая 

представляет собой плотно пригнанные друг к другу многогранники (кубы, 
октаэдры, параллелепипеды и др.). 
В вершинах, центрах или серединах 
граней кристаллической решетки на 
строго определенном расстоянии располагаются атомы (или ионы). Каждая 
такая решетка может характеризоваться шестью параметрами – трансляциями а, b, с (ребрами многогранника) 
и углами между ними α, β, γ (рис. 1.1).
Симметричность объемной фигуры 
учитывает соотношение длины, ширины и высоты кристалла. Изменение 
углов между трансляциями ведет к перекосу решетки. В связи с этим все 
кристаллические многогранники подразделяются на семь кристаллографических сингоний (от греч. сходноугольность), относящихся к трем 
категориям:
1) высшая категория имеет одну сингонию, называемую кубической;
2) средняя категория включает три сингонии: гексагональную (шестиугольную), тетрагональную (квадратичную) и тригональную (треугольную);
3) низшая категория включает три сингонии: ромбическую, в которой 
кристаллы не имеют перекосов, моноклинную – с перекосом только в одной проекции (в профиль) и триклинную, где кристаллы перекошены 
со всех сторон.
Французский кристаллограф Огюст Браве математическим путем 
доказал, что в каждой кристаллической решетке из-за повторяемости 
бесконечного числа параллелепипедов можно выбрать один такой, с помощью которого можно характеризовать всю решетку в целом. Это позволило все кристаллические структуры разделить на 14 трансляционных групп, соответствующих 14 решеткам Браве, отличающимся по 
форме элементарных ячеек, симметрии и подразделяющимся на 7 кристаллографических сингоний.
В зависимости от расположения атомов или ионов решетки Браве 
могут быть:
1) примитивными, где атомы располагаются только в узлах решетки;
2) базоцентрированными, где атомы располагаются как в узлах решетки, так и в центре двух противоположных граней;
3) объемноцентрированными, где атомы располагаются в узлах и в 
центре решетки;
4) гранецентрированными, где атомы располагаются в узлах решетки 
и в центре каждой грани.
Распределение решеток Браве по сингониям и характеристика их параметров приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Трансляции и углы, характеризующие параллелепипед

Наряду с большим количеством минералов есть группа, которая объединяет минералы, входящие в состав большинства горных пород; их называют породообразующими (насчитывается около 100), в основном это 
силикаты. В природе кремний Si находится в соединении с кислородом. 
Четырехвалентный катион Si4+окружен четырьмя анионами кислорода, 
расположенными по вершинам тетраэдра, что дает группу [SiO4]4–, соединяющуюся с соседними группами через вершины тетраэдров. К породообразующим минералам относятся силикаты и алюмосиликаты, которые 
по кристаллохимической структуре разделяются на пять групп (рис. 1.3):
1) островные (отдельные кольца);

Рис. 1.2. Решетки Браве

2) цепочечные (одномерная цепочка);
3) ленточные (сдвоенная цепочка);
4) листовые (двухмерные);
5) каркасные (трехмерные).
К островным структурам относятся молекулярные соединения с конечными молекулами, а также структуры, содержащие изолированные 
комплексы металлов с неорганическими или органическими соединениями. Островные силикаты и алюмосиликаты (отдельные кольца), 
к которым принадлежат минералы группы оливина, граната и др., представлены (рис. 1.3):
1) единичным изолированным тетраэдром (SiO4)4–;
2) диортогруппой (Si2O7)6–;
3) группой из трех тетраэдров, связанных в кольцо (Si3O9)6–;
4) группой из четырех тетраэдров, связанных в кольцо (Si4O12)8–;
5) группой из шести тетраэдров, связанных в кольцо (Si6O18)12–.

Рис. 1.3. Типы соединений кремнекислородных тетраэдров:
а – единичный изолированный тетраэдр; б – диортогруппа; в – три тетраэдра, связанных в кольцо; 
г – четыре тетраэдра, связанных в кольцо; д – шесть тетраэдров, связанных в кольцо; е – цепочечная 
структура; ж – ленточная структура; з – листовая структура; и – каркасная структура

К цепочечным силикатам и алюмосиликатам (одиночная одномерная 
цепочка) относятся минералы группы пироксенов: авгит, гиперстен 
и др. (SiO3)2–.
Ленточные силикаты и алюмосиликаты (сдвоенная цепочка) образуют группу амфиболов, к которым относятся роговая обманка и др. 
(Si4O11)6–.
К листовым (слоистым) силикатам и алюмосиликатам (двухмерным) 
относятся группа слюд (мусковит, биотит), тальк, каолинит, серпентин 
и др. (Si2O5)2–.
К каркасным силикатам и алюмосиликатам (трехмерным) относятся 
кварц, полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), цеолиты и др. (α0 = 5,01 А° ).

ЗАДАНИЕ

1. Ознакомиться с понятием минералов и природой их образования, 
изучить кристаллохимическую структуру породообразующих минералов.
2. Представить характеристику минерала, взятого из коллекции (по 
указанию преподавателя).
3. Дать характеристику кристаллохимической структуры минерала, 
начертить ее схему (табл. 1.1).
4. Рассмотреть одну из обозначенных сингоний, начертить решетку 
Браве.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомление с понятием минералов, природой их образования, 
изучение кристаллохимической структуры породообразующих минералов выполняют по материалу, изложенному во введении.
2. Представляют характеристику минерала, взятого из коллекции.
На основании коллекционного материала, имеющегося в распоряжении учебного заведения, составляют краткое описание выбранного 
минерала. В случае отсутствия широкого выбора материала преподаватель указывает номер минерала по табл. 1.1.
Задание выполняют на основании выбранного минерала с учетом 
исходных данных.

Таблица 1.1
Исходные данные

№ 
п/п

Характеристика минерала
Решетка Браве 
(см. рис. 1.2)

Название
Структурная формула
Структура 
(см. рис. 1.3)
Тип сингонии
Тип решетки

1
2
3
4
5
6

1
Оливин
(Mg,Fe)2SiO4
островн. (а)
ромбич.
4