Геология

ГЕОЛОГИЯ Термин «геология» произведен от двух греческих слов: «гео»- земля и «логос»- знание, наука. Иначе говоря, это наука о Земле, а конкретным предметом науки геологии является изучение верхней каменной оболочки Земли – земной коры, а точнее литосферы, охватывающей кроме коры верхнюю часть промежуточной, между ядром и корой, оболочки-мантии. Инженерная геология – это геологическая дисциплина, предметом которой является исследование грунтов как оснований и вместилищ сооружений, естественных строительных материалов, анализ и оценка инженерной деятельности в конкретных геологических условиях. Инженерная геология находит свое применение во многих сферах народного хозяйства, например, в строительстве, горном деле, при решении задач по охране окружающей среды, в сельском хозяйстве, обороне и т. п. Раздел 1. Строение и состав Земли. Строение и состав Земли. Геосферы и их характеристика. Агрегатное состояние вещества Земли. Плотность и давление Земли. Магнетизм. Тепловой режим Земли. Относительная и абсолютная геохронологии Земли. Строение земной коры. Основные типы земной коры. Строение и состав Земли Форма и размеры Земли Первые представления о форме и размерах Земли появились в глубокой древности. Длительное время Земля рассматривалась как шарообразное тело. В 17-18 вв. было выяснено, что Земля не представляет собой идеального шара, так как ее полярный и экваториальный радиусы неодинаковы (разница между ними 21 км). Это свидетельствует о сплюснутости Земли по оси вращения. Формирование фигуры Земли определялось совместным действием гравитации и центробежных сил. Равнодействующая этих сил называется силой тяжести и выражается в ускорении, которое приобретает каждое тело у поверхности Земли. Земля сжата не только на полюсах, но в большей степени и по экватору, то есть является не двухосным, а трехосным эллипсоидом. Наиболее близкой к современной фигуре Земли является фигура, получившая название геоида (дословно - «землеподобный»). Геоид – некоторая воображаемая уровенная поверхность, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. На площади акватории океанов геоид совпадает с поверхностью воды, находящейся в полном покое. Продолжая эту уровенную поверхность океана под материки и острова так, чтобы она оставалась перпендикулярной к направлению отвеса, получаем поверхность геоида. Внутреннее строение Земли. Главной особенностью строения Земли является неоднородность физических свойств и дифференцированность состава вещества по радиусу с обособлением ряда оболочек. Непосредственному наблюдению доступны лишь самые верхние (до глубины 15-20 км) горизонты земной коры, выходящие на поверхность или вскрытые рудниками, шахтами и буровыми скважинами. Представление о составе и физическом состоянии более глубоких зон Земли основывается главным образом на данных комплекса геодезических методов. Из них особое 1 значение имеет сейсмический метод (сотрясение), основанный на регистрации скорости распространения в теле Земли волн, вызываемых землетрясениями или искусственными взрывами. В очагах землетрясений возникают продольные сейсмические волны (Р), которые рассматриваются как реакция среды на изменение объема (попеременное сжатие и растяжение среды); и поперечные волны (S), представляющие собой реакцию среды на изменение формы и поэтому распространяющиеся только в твердых телах. Говоря проще, чем больше упругость и плотность среды, тем быстрее распространяются волны, а это как раз и служит способом определения физических свойств пород. Геосферы и их характеристика. Земной шар состоит из ряда концентрических оболочек (геосфер): внешние – атмосфера (газовая оболочка З. От поверхности З. вверх она подразделяется на тропосферу (80% атмосферы, ее мощность 8-10 км над полюсами, 16-18 км – над экватором. При средней для З. годовой температуре +14 на уровне моря у верхней границы тропосферы она падает до -55, здесь происходят вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, перенос пылевых частиц ), стратосферу, мезосферу и термосферу, гидросфера (покрывает земную поверхность на 70,8%, средняя мощность ее около 3,8 км, ее образование связано с дегазацией воды из мантии Земли, общ. объем пресной воды на Земле -2%), биосфера (оболочки, занятой живым веществом), криосфера (прерывистой ледяной оболочки); внутренние - литосфера (включая земную кору), астеносфера (вязкопластической высокотемпературной оболочки, в которой как бы втоплены корни литосферы), мантия и ядро. На основании сейсмических данных выделяют три главные области Земли, отделенные друг от друга четко выраженными поверхностями раздела первого порядка, где скорости сейсмических волн резко изменяются. 1. Земная кора– твердая верхняя оболочка Земли. Ее мощность изменяется от 5 до 10 (12) км под водами океанов, до 30-40 км в равнинных областях и до 50-75 км в горных районах (максимум под Андами и Гималаями).Земная кора состоит из трех поясов. Верхний ее пояс образован осадочными горными породами мощностью в 10-15 км. Средний пояс сложен породами типа гранита, поэтому его называют гранитным. Этот пояс прерывист и распространен в основном под материками, а в глубоководных участках океана отсутствует. Мощность его колеблется от 10 км на равнинах и до 40 км под горными районами. Под гранитным слоем сплошной оболочкой залегает базальтовый слой. Мощность слоя до 30 км на материках и до 15 км под дном океана. Слой по содержанию SiО2 аналогичен горной породе базальт. Это и определило название слоя. Вещество слоя представляет собой кристаллическую тягучую массу, частично расплавленную. 2. Мантия Земли распространяется ниже земной коры до глубины 2900 км от поверхности. Она подразделяется на две части: верхнюю мантию до глубины 900-1000 км и нижнюю мантию от 900-1000 до 2900 км. 3. Ядро Земли. В нем выделяют внешнее ядро – до глубин около 4980 км, переходный слой в интервале глубин 4980 -5120 км и внутреннее ядро ниже 5120 км. Агрегатное состояние вещества Земли. Вещество литосферы находится в твердом кристаллическом состоянии, так как температура при существующих давлениях здесь не достигает точки плавления (расплавлению подвержены породы, находящиеся на глубине 2900 -5100 км). Сейсмическим методом в слое верхней мантии установлен слой относительно менее плотных, как бы «размягченных» горных пород, называемый астеносферой. Предполагается, что вещество в астеносферном слое может быть в аморфном стекловидном состоянии, а часть, менее 10%, даже в расплавленном. Каково же строение вещества в ядре? По2 скольку переход от мантии к ядру сопровождается резким снижением скорости продольных сейсмических волн, большинством исследователей принимается, что вещество внешнего ядра находится в жидком состоянии, а внутреннее ядро по косвенным данным считается твердым. Плотность и давление Земли. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см3. Плотность горных пород, слагающих земную кору, колеблется от 2,4-2,5 до 2,9-3,0 г/см3. Сопоставляя эти величины со средней плотностью Земли, следует предполагать значительное увеличение плотности в мантии и ядре Земли. В соответствии с указанными изменениями плотности давление с ростом глубины Земли будет увеличиваться: на глубине 40 км оно составит 103МПа, на глубине -1000 км -35*103МПа. Ускорение силы тяжести по величине изменяется от 982 см/с2 у поверхности до максимального значения около1037 см/с2 в основании нижней мантии (2900 км). В ядре ускорение силы тяжести начинает быстро падать, доходя в центре до нуля. Магнетизм. Земля представляет собой как бы гигантский магнит с постоянным силовым полем вокруг, оно достигает высоты 80-90 тыс. км. Предполагают, что причиной земного магнетизма является электрический ток в ядре Земли, возникающий в связи с вращением Земли вокруг своей оси. Магнитное поле Земли имеет свои геомагнитные полюса. Координаты геомагнитных полюсов не совпадают с координатами геометрических полюсов, поэтому и направления магнитной стрелки компаса не совпадают с геометрическим меридианом. Тепловой режим Земли. 3 Различают два источника тепла Земли: 1) тепло, полученное от Солнца; 2) тепло, выносимое к поверхности из недр Земли (тепловой поток), образовавшееся за счет: а) распада радиактивных элементов (238U, 235U и др.); б) за счет перераспределения материала по плотности в мантии и ядре. Прогревание Солнцем распространяется на очень незначительную глубину, не превышающую 28-30 м, а местами, составляющую первые метры. В земной коре различают три температурные зоны: 1) переменных температур, 2) постоянных температур, 3) нарастания температур. Изменение температур в зоне переменных температур определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубинах около 1,5 м, а годовые (сезонные) на глубинах 20-30 м. На некоторой глубине от поверхности располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности (так в Москве на глубине 20 м от поверхности наблюдается постоянная температура, равная +4,20С). Ниже пояса постоянной температуры наблюдениями в шахтах, рудниках, буровых скважинах установлено постепенное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком, поступающим из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду (кал/см2·с). Изучение теплового потока показало, что его значение в разных районах зависит от степени подвижности коры, от интенсивности эндогенных процессов. Максимальная плотность теплового потока наблюдается в зонах с минимальным значением геотермической ступени. Источники внутренней тепловой энергии Земли еще не достаточно изучены. Для характеристики повышения температуры в глубинных частях Земли пользуются двумя показателями: 1. Геотермическая ступень (м/град) численно равна расстоянию, на которое нужно углубиться, чтобы температура возросла на 10С (теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м). 2. Геотермический градиент – величина обратная геотермической ступени, равная количеству градусов, на которое температура пород повышается с углублением на каждые 100 м. Геотермическая ступень и градиент зависят от теплопроводности горных пород и характера химических реакций, происходящих в горных породах. Чем выше теплопроводность горных пород, тем больше геотермическая ступень и наоборот. При преобладании экзотермических реакций геотермическая ступень меньше. Для определения геотермической ступени температуру измеряют в скважинах на разных глубинах. Результат получают путем деления разности глубин на разность температур. Закономерное нарастание температуры с глубиной справедливо лишь до некоторой глубины. Исследования последних лет показали, что на глубине 1000 м в Кривом Роге температура составляет +19,5, в Москве на глубине 1630 м - +41, а в Прикаспии на глубине 3000 м - +108. Относительная геохронология земли 4 Возраст земной коры, по мнению многих ученых, составляет 2…6 млрд. лет. Земля никогда не находилась в огненно-жидком состоянии, как это предполагалось раньше. Она образовалась из холодных твердых частиц различного химического состава, беспорядочно соединенных. В дальнейшем в составе Земли произошли существенные изменения, вызванные гравитационной дифференциацией ее вещества, выраженной в поднятии более легких составляющих и опускании более тяжелых. Образованию гранитной и базальтовой оболочки земной коры способствовал разогрев расчленяющейся массы в результате радиоактивного распада находящихся в ней элементов. Процесс разогрева продолжается внутри Земли и до сих пор, но уже достигает своего максимума, после чего следует ожидать охлаждение Земли в связи с исчерпанием запасов радиоактивного вещества в ее недрах. Геологическая история Земли, или точнее земной коры, начинается с периода образования первых зачаточных материков и продолжается до наших дней. В течение этого времени земная кора пережила свою эволюцию. Все геологические события запечатлеваются в горных породах. Осадочные и вулканические горные породы располагаются в земной коре слоями или протяженными линзами. Раздел геологической науки изучающий слои земной коры, их взаиморасположение и последовательность возникновения, называется стратиграфией («стратум» - слой, «графо»- пишу). Еще в 1669 г. Николаус Стено установил закон последовательности напластования, согласно которому нижележащие пласты осадочных пород древнее, то есть образовались ранее вышележащих. Появилась возможность установления относительной последовательности образования слоев, а значит, и связанных с ними геологических событий. Иногда историческая последовательность напластования нарушается – исчезает группа слоев. Это явление называется стратиграфическим перерывом (обычно оно связано с разрушением слоев вследствие размыва в промежутке времени). Очень часто в стратиграфическом разрезе земной коры закономерно чередуются сходные слои или пачки слоев, что связано с повторением определенных условий их накопления. В этом случае возникает ритмично или циклически построенный разрез. Породы нового ритма часто отличаются по физическим свойствам вещества (по плотности, упругости и т.д.). В большинстве осадочных пород можно встретить остатки животных или растительных организмов. Таким образом по остаткам ранее живших более примитивных предков, найденным в каком – нибудь пласте, можно судить об относительно более древнем возрасте данного пласта. Особенно важную роль играют те группы организмов, которые существовали в течение короткого промежутка геологического времени и в то же время были распространены по всем морям и океанам или различным континентам. Абсолютная геохронология земли. Абсолютная геохронология представляет собой учение об измерении геологического времени, выраженного в обычных абсолютных астрономических единицах – годах, в первую очередь время образования или преобразования (метаморфизма) горных пород и минералов, так как по их возрасту определяют возраст геологических событий. 1.Сезонно-климатические методы. Всем известны годичные кольца на стволах деревьев, такие же годичные (сезонные) слойки роста обнаруживаются в известковых постройках кораллов. Наряду с сезонными слойками роста в кораллах иногда выявляют очень тонкие пары слойков суточного роста (ночные – более тонкие и темные). Таким образом определяют в годах и даже днях, сколько времени пошло на образование известкового скелета данного коралла. Годичные слои обнаруживаются иногда и в осадочных горных породах, отложенных в поймах или дельтах рек, а еще чаще в озерных отложениях – ленточных глинах или бумажных сланцах, в которых закономерно чередуются два тонких слоя: песчаный и глини5 стый. Материал для образования первого поступает в озеро весной при таянии снега или льда. При этом на дне осаждаются более крупные песчаные частицы, образуя первый слой. Зимой принос материала прекращается и оседает только тонкая глинистая муть, ранее не успевшая осесть, формируя второй слой. Следующий год дает очередную пару слойков. Таким же способом вычисляют время накопления соленосных толщ, учитывая, что каждый тонкий слой соли осаждается только в летнее время. Следовательно, данный метод имеет ограниченное значение. 2.Радиологические, или изотопные, методы измерения геологического времени возникли только в 20–Ом веке, после открытия естественной радиоактивности. В 1902 г. Пьер Кюри впервые высказал идею о возможности определять возраст минералов по распаду радиоактивных изотопов. Процесс распада происходит со строго постоянной скоростью. Никакие внешние факторы не могут ни ускорить, ни замедлить этот процесс. Строение земной коры Земная кора состоит из различных типов горных пород – осадочных, магматических, метаморфических. Соотношение различных типов горных пород в составе коры изменяется в зависимости от рельефа Земли и структуры. В пределах континента выделяются равнины и горные области, в океанах - подводные окраины материков (щельф до глубины около 200 м, континентальный склон с подножием до глубин 2,5 -3 км), ложе – с преобладающими глубинами 4 -6 км, глубоководные желобы (до 10-11 км и более), а так же срединно-океанские хребты. Основные типы земной коры: Континентальный тип земной коры (мощность в пределах континентальных равнин-платформ – 35-40 км, в молодых горных сооружениях – 55-70 км). В его строении участвуют две главные части: 1. осадочная, состоящая из осадочных горных пород, 2. консолидированная, сложенная магматическими и метаморфическими породами. Вторая часть обычно разделяется на два слоя: «гранитный» (или гранитогнейсовый, мощностью от 10 до 20 км на равнинах и от 20-25 км в горных районах)) и «базальтовый» (гранитнобазитовый, который бурением еще не достигнут), мощностью от 10 до 20 км в пределах платформ и до 25-35 км в горных сооружениях. 6 Океанский тип земной коры, характерный для ложа Мирового океана, имеет мощность от 5 до 12 км. Субокеанский тип земной коры приурочен к глубоководным котловинам окраинных и внутренних морей, сложен осадочными породами мощностью от 10 до 20 (25) км. Субконтинентальный тип земной коры характерен для островных дуг и окраин материков, мощность от 20 до 30 км. Особенностью субконтинентальной коры островных дуг является нечеткость разделения слоев консолидированной коры. 7 Раздел 2. Инженерная геодинамика. Рельеф. Инженерная геодинамика. Понятия - эндогенные и экзогенные процессы. Тектонические движения и дислокации горных пород. Сейсмические явления. Магматизм (эффузивный и интрузивный). Метаморфизм горных пород. Минералы, горные породы, их генезис, классификация. Геоморфология – наука занимающаяся изучением рельефа, его происхождением и развитием. Формы рельефа по своему происхождению: Тектонические формы рельефа возникают в процессе движения земной коры. Это крупные формы, образующие основной рельеф Земли (горные хребты, равнины, океанические понижения и т. д.). Эрозионные формы связаны с разрушительной работой текучих вод (атмосферных, речных, подземных). К ним относятся ущелья, речные долины, балки, овраги, промоины и т.д.) Аккумулятивные формы рельефа (речные террасы, дюны, барханы и т. д.) являются следствием накопления продуктов процесса разрушения горных пород водой и ветром. Типы рельефа – определенные сочетания форм рельефа, закономерно повторяющихся на обширных пространствах поверхности земли, имеющих сходное происхождение и геологическое строение, однотипную историю развития, бывают: Равнинный рельеф – обширные участки суши с ровной или слабоволнистой поверхностью, бывают отрицательные – равнины расположены ниже уровня моря, низменные – высота которых не превышает 200 м над уровнем моря, возвышенные – с высотой отметок от 200 до 500 м, и нагорные – расположенные выше 500 м над уровнем моря. По форме поверхности равнины бывают горизонтальные, наклонные, вогнутые и выпуклые. По глубине и степени расчленения рельефа выделяют три вида равнин: слаборасчленные (колебания высот до 10 м на протяжении 2 км), мелкорасчлененные (колебания высот от 5 до 25 м на протяжении 2 км) и груборасчлененные (колебание высот от 20 до 200 м на протяжении 2 км). По происхождению равнины подразделяют на три группы: Структурные равнины обусловлены спокойно залегающими слоями осадочных и телами магматических пород или представляют собой недавно вышедшие на дневную поверхность участки морского дна с горизонтально залегающими слоями, например Прикаспийская низменность. Аккумулятивные равнины образуются в результате накопления осадочного материала в море или на суше. Среди этих форм рельефа выделяют равнины: аллювиальные, предгорные наклонные, ледниковые моренные, эоловые, органогенные. Предгорные равнины формируются у подножья гор за счет аллювия горных рек и современных наносов типа делювия и пролювия. Скульптурные равнины возникают в результате разрушения первичной поверхности процессами абразии и денудации. Абразионные равнины формируются в результате разрушения побережий морскими волнами. Денудационная равнина представляет собой участок суши с близко залегающими к поверхности или имеющими выход на поверхность коренными горными породами. (Казахстан) Холмистый рельеф – поверхность земли, состоящая из сочетания часто чередующихся возвышенностей (холмы с относительными высотами не более 200 м) и пониженных участков (ложбин и котловин). 8 Горный рельеф – чередование крупных возвышенностей (горы, хребты) и понижений (долины, впадины, котловины). По своему происхождению горный рельеф подразделяется на тектонический, вулканический и эрозионный. Рельеф по своей природе динамичен, но в определенный отрезок времени он может быть стабильным или находиться в состоянии динамического равновесия. Поверхность Земли может быть расчленена на области размыва и области отложений. Пограничная зона этих областей проходит либо вдоль берега моря, либо в пределах моря, если существует подводный размыв, или суши, где могут создаваться условия для накопления или отложения осадков. Наблюдениями установлено, что на границе размыва и накопления откладывается крупный обломочный материал, который переходит во все более и более мелкий и, наконец, в мелко- и тонкозернистый (конгломераты-галечники, пески, глины, известняки). В морских бассейнах при движении в направлении, перпендикулярном суше, волны в зависимости от их силы прибивают к берегу материал соответствующей крупности, а при медленном откатывании влекут за собой в море мелкий материал. Другими словами, на море, как и на суше, причиной распределения материала является движение воды и скорость этого движения. Фация- это горная порода, занимающая определенное место в геологическом разрезе, находящимся в парагенетических связях с другими частями этого разреза, в совокупности с ними отражающая условия ее образования и отличающаяся на всем протяжении одинаковыми составом, флорой и фауной. Для всех континентальных отложений характерно однообразие в составе пород, богатство пород органическим материалом и пиритом – эти однообразные отложения принято называть - формацией. Формации определяются именно составом входящих в них пород и строением. Вещественный состав земной коры (элементы, минералы, горные породы) Земная кора слагается различными группами горных пород, отличающихся друг от друга условиями образования и составом. Горные породы представляют собой минеральные агрегаты, то есть состоят из определенного сочетания минералов, которые в свою очередь состоят из атомов химических элементов. Согласно данным 1976 года в составе земной коры наиболее распространены следующие восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий (они в порядке процентного убывания). Минералы – это природные химические соединения или самородные химические элементы, возникшие в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Большинство минералов представляет собой кристаллические тела, и лишь немногие из них – аморфные (затвердевшие коллоиды). Кристаллическое строение минералов выражено в их геометрически правильной многогранной форме – кристаллах. Формы природных кристаллов разнообразны, они зависят от закономерного расположения в пространстве элементарных частиц – атомов, ионов, молекул. Такое упорядоченное расположение в пространстве в пространстве атомов, ионов, молекул образует структуру кристаллов, или их кристаллическую (пространственную) решетку. Все многообразие кристаллов группируется условно по степени сложности в шесть крупных групп, или систем, называемых сингониями. Различают следующие сингонии: 1) кубическую, 2) тетрагональную, 3) гексагональную, 4) ромбическую, 5) моноклинную, 6) триклинную. В различных условиях из одного и того же вещества могут образовываться различные формы кристаллов. Так, кварц при высокой температуре кристаллизуется в гексагональную сингонию, а при более низкой – в тригональную. В качестве еще одного примера 9 можно привести графит и алмаз, состоящий из чистого углерода. Графит – самый мягкий (твердость 1) минерал, образует таблитчатые кристаллы гексагональной сингонии, а алмаз – самый твердый минерал (твердость 10), относится к кубической сингонии. Рентгеноструктурные исследования показали, что это связано с различным расположением атомов. Способность твердых веществ образовывать при одном химическом составе различные по строению кристаллические решетки и формы кристаллов называется полиморфизмом. Кристаллы с характерным закономерным расположением частиц являются телами анизотропными (неравносвойственными), в них почти все физические свойства (теплопроводность, электропроводность, твердость, силы сцепления и др.) одинаковы в параллельных направлениях, но различны в непараллельных (аморфные минералы называют изотропными, то есть равносвойственными). По условиям происхождения минералы подразделяются на две крупные группы: 1.эндогенные ( греч. «эндо» - внутри) минералы, связанные с процессами, происходящими внутри земной коры и верхней мантии, - магматизмом и метаморфизмом; 2.экзогенные (греч. «экзо»- снаружи), или гипергенные, минералы, образующиеся в верхней части земной коры и на ее поверхности в связи с экзогенными процессами – выветриванием и осаждением из водных растворов. Классификация минералов. В настоящее время известно более 2500 природных минералов, не считая разновидностей, но только немногие из них (около 50) имеют значение в образовании горных пород, слагающих земную кору. Они называются породообразующими. Остальные минералы в горных породах в виде незначительных примесей и называются акцессорными минералами. Современная классификация минералов основана на их химическом составе и кристаллической структуре. 1. самородные элементы: золото, серебро, медь, платина, графит, алмаз, сера и др. (около 45), в строении земной коры они составляют 0,1% по весу. 2. сульфиды: (минералы, представляющие собой соединения различных элементов с серой). Эти минералы имеют небольшое значение в строении земной коры, но включают ряд минералов – важнейших руд на свинец, медь, цинк, молибден и др. К ним относятся: пирит FeS2 (серный колчедан), халькопирит CuFeS2 (медный колчедан), галенит PbS (свинцовый блеск), сфалерит (цинковая обманка) ZnS, молибденит (молибденовый блеск) МоS2, киноварь (кровь дракона) HgS и др. 3. галоидные соединения: Это соли галоидно - водородных кислот. К ним относятся галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl, карналлит, флюорит (плавиковый шпат) CaF2. 4. Окислы и гидроокислы. 4.1.окислы и гидроокислы кремния (группа кварца) 4.2.окислы и гидроокислы металлов. Кварц SО2 – один из наиболее распространенных минералов в земной коре, составляющий по весу около 12% ее и входящий в состав почти всех генетических типов горных пород. Гидроокисел кремния представлен минералом, называемым опалом SО2 . nН2О. В класс окислов и гидроокислов металлов входит ряд важнейших рудных минералов – магнетит (магнитный железняк) Fe*Fe2 О4, гематит (железный блеск, или красный железняк) Fe2О3, корунд Аl2О3, хромит (хромистый железняк), уранинит (черная двуокись урана); из гидроокислов – лимонит (бурый железняк) Fe2О3. nН2О, представляющий сложный минеральный агрегат; гидроокислы алюминия (составные части боксита) – гиббсит Аl(ОН)3, диаспор АlО (ОН) и др. 10 5. Карбонаты. В класс карбонатов входят минералы: кальцит (известковый шпат) СаСО3, прозрачная разность которого называется исландским шпатом, доломит СаМg(СО3)2, сидерит (железный шпат) FeСО3, магнезит МgСО3. 6. Фосфаты. Среди фосфатов наибольшее практическое значение имеют апатит Са5(F,Сl) [РО4] и близкий к нему по химическому составу скрытокристаллический фосфат кальция – фосфорит. 7. Сульфаты. К этому классу относятся минералы, представляющие собой соли серной кислоты: гипс СаSО4 ∙ 2Н2О, ангидрит (безводный сульфат кальция) СаSО4 , мирабилит (глауберова соль) Na2SO4 ∙ 10 Н2О, барит (тяжелый шпат) ВаSO4. 8. Вольфраматы. К ним относятся вольфрамит и шеелит. 9. Силикаты. В этот класс входят наиболее распространенные в земной коре породообразующие минералы, чрезвычайно сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, особенно магматических и метаморфических. Они составляют примерно одну треть всех известных минералов. Силикаты по весу составляют более 90% всей земной коры. В основе кристаллической решетки всех силикатов лежит ионная четырехвалентная группировка SiO4, образующая тетраэдры, различное сочетание которых определяют структуры силикатов. Все силикаты по внутренней структуре подразделяются на островные, кольцевые, цепочечные, ленточные, слоевые и каркасные. Главными породообразующими силикатами являются: Островные силикаты имеют структуру из изолированных тетраэдров [SiО4] с присоединенными к ним ионами других элементов. Среди них наиболее распространен оливин. Кольцевые силикаты отличаются тем, что кремнекислородные тетраэдры в них, соединяясь друг с другом, образуют замкнутые кольца. Цепочечные силикаты –это те, в которые тетраэдры соединяются в непрерывные цепочки. К ним относится группа пироксенов: гиперстен, авгит, диопсид. Ленточные силикаты. В них кремнекислородные тетраэдры, соединяясь, образуют обособленные ленты, или полосы (присоединение одной цепочки к другой). К ним относится группа анфиболов с очень сложным и меняющимся химическим составом. Наиболее распространенным минералом является роговая обманка. Слоевые 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 и ее мелкочешуйчатая разновидность – серицит – с шелковистым блеском; биотит – черная железистомагнезиальная слюда. К этой же группе относится минерал – серпентин, тальк и хлориты, представляющие собой алюмосиликаты магния и железа сложного меняющегося состава. Серпентин, тальк, хлориты образуются в результате процессов метаморфизма – воздействия горячих растворов и газов на ультраосновные горные породы (SiО2<45%). К слоевым силикатам относятся также глинистые минералы, содержащие гидроксильную группу и нередко кристаллизационную и адсорбированную воду. К ним относятся: каолинит – тонкодисперсные плотные массы, а также землистые, порошковидные; галлуазит; монтмориллонит. Гидрослюды представляют собой измененные слюды и являются как бы промежуточными между слюдами и монтмориллонитом. Это гидромусковиты, гидробиотиты, особенностью которых является обогащение Н3О, ОН, Н2О. К группе листовых силикатов относится также минерал глауконит – водный алюмосиликат калия, железа, алюминия. Каркасные силикаты объединяют наиболее важную группу породообразующих минералов – полевые шпаты. В них кремнекислородные тетраэдры сцеплены через все вершины, что создает каркас. 11 Группа полевых шпатов составляет в земной коре по массе свыше 50%. Они подразделяются на калиево-натриевые полевые шпаты (минерал- ортоклаз) и известковонатриевые, или плагиоклазы. Плагиоклазы подразделяются на кислые (альбит и олигоклаз), средние (андезин и лабладор) и основные (битовнит и анортит) изоморфные минералы. Изоморфизм – свойство элементов заменять друг друга в химических соединениях родственного состава и образовывать ряд смешанных минералов одинаковой кристаллической формы. ( В промежуточных минералах между альбитом и анортитом происходит изоморфное замещение Na+ + Si4+ на Са2+ + Аl3+, при этом сумма валентности взаимозамещающих групп ионов одинакова. Особенно сложные изоморфные замещения наблюдаются у роговой обманки. Для силикатов, как и для ряда других минералов, также характерно явление полиморфизма (многоформенности). Парагенезис минералов Еще древние рудокопы отмечали, что ряд минералов в рудных месторождениях всегда встречается совместно, это явление и называется термином парагенез. Вместе с тем установлено, что в одном и том же куске руды могут встречаться минералы, различные по времени и условиям образования, то есть один парагенезис как бы накладывается на другой. Для каждого процесса минералообразования характерны свой закономерные сочетания минералов (например: кварц и золото; спутником алмаза является пироп (железистоглиноземистый гранат)). Горные породы, слагающие земную кору, в большинстве своем представляют агрегат многих минералов, реже они состоят из зерен одного минерала. Породы, состоящие из многих минералов, называются полиминеральными, из одного минерала – мономинеральными. Под структурой понимается особенность внутреннего строения горной породы, связанная со степенью ее кристалличности, абсолютными и относительными размерами зерен разных минералов, составляющих горную породу, их формой и способом сочетания, под текстурой – сложение работы, то есть взаимное расположение в пространстве слагающих ее частиц. По происхождению горные породы подразделяются на три группы: 1) магматические, образующиеся в результате внедрения (интрузии) в земную кору или извержения на поверхность магмы флюидально-силикатного расплава; излившаяся на поверхность магма называется лавой, 2) осадочные горные породы, образующиеся путем механического или химического осаждения продуктов разрушения (экзогенными процессами) ранее существовавших горных пород, а также благодаря жизнедеятельности и отмиранию организмов; 3) метаморфические породы, образующиеся из любых горных пород при воздействии на них высоких температур и давления, а также различных газообразных и жидких растворов, проникающих с глубины. Магматические горные породы слагаются в основном силикатами. По содержанию SiО2 (кремнекислоты) они подразделяются на 4 группы; в каждой из них на первом месте указывается интрузивная порода, на втором – эффузивная (вулканическая), то есть излившийся аналог. 1). Кислые породы содержат более 65% SiО2. К ним относится группа гранита – липарита (риолита). Это кварцполевошпатовые горные породы. 2). Средние породы, содержащие 65- 52% SiО2. Группа диорита- андезита. Это бескварцевые породы, состоящие из натрово-кальциевых плагиоклазов и содержащие до 1530% темноцветных минералов (роговая обманка, часто присутствуют авгит и биотит). 12 3). Основные породы содержат 52- 45 (40)% SiО2. Группа габбро – базальта (долерита), состоящая из основных плагиоклазов и цветных минералов (до 30 -50%), среди которых наиболее типичны пироксены. 4). Ультраосновные породы с минимальным (менее 45-40%) содержанием SiО2. Группа перидотита – пикрита (бесполевошпатовые горные породы). Эти породы сложены магнезиально-железистыми силикатами – оливином и пироксенами. Осадочные горные породы. Они покрывают около 75% поверхности континентов и преобладающая часть их образовалась из осадков морских водоемов. По генетическим признакам (по происхождению) выделяют: 1). Обломочные породы, которые подразделяют по величине обломков на: а) грубообломочные рыхлые (валуны, щебень, галька, гравий) и сцементированные (конгломераты (сцементированные окатанные обломки), брекчии, гравелиты), б) среднеобломочные – пески и песчаники, в) мелкообломочные – алевриты и алевролиты. 2). Глинистые породы имеют наибольшее распространение (около 50%) среди осадочных горных пород и состоят из мельчайших (от 0,01 до 0,005-0,001 мм) частиц. Уплотненные глины называют аргиллитом. Помимо глин существуют суглинки с меньшим содержанием глинистых частиц и особый тип – лессовидные пылеватые суглинки. 3). Химические и органогенные породы. Среди наиболее широко распространены карбонатные породы – известняки, доломиты, мергели, в меньшей степени кремнистые – яшмы, диатомиты, трепелы , опоки. К породам химического происхождения относятся каменная соль, мирабилит, гипс и др. Особой категорией являются породы угольного ряда, характеризующиеся различной степенью разложения органического вещества и разным содержанием углерода: это торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит. К породам смешанного обломочного и органогенного происхождения относятся горючие сланцы. Метаморфические породы образуются путем перекристаллизации в глубоких слоях земной поверхности магматических, осадочных, а иногда и метаморфических пород. Эти изменения происходят под влиянием высокой температуры и давления и при взаимодействии породы с газами и растворами, выделяющимися из магмы. В результате происходят изменения первоначальной структуры и текстуры породы; минералогический и химический состав ее может изменяться, но может и сохраниться. Залегание метаморфических пород близко к залеганию пород, из которых они образовались. Однако влияние высокого давления и отчасти температуры вызывает некоторые изменения этих форм. Для метаморфических пород характерна полнокристаллическая структура. Текстура обычно сланцеватая, полосчатая. Внешне сланцеватость напоминает слоистость осадочных пород, но происхождение ее связано с действием ориентированного давления, при котором, во-первых, рост минералов идет особенно интенсивно в направлении, перпендикулярном давлению, а, во-вторых, происходит переориентировка кристаллических зерен, стремящихся стать нормально к давлению. По мере нарастания интенсивности метаморфизма среди метаморфических пород можно выделить: глинистые сланцы, филлиты, кристаллические сланцы, амфиболиты и гнейсы. При метаморфизме кварцевых песчаников образуются кварциты, а из известняков и доломитов – мраморы. Инженерная геодинамика На нашей планете непрестанно идут процессы, носящие медленный или быстротечный характер, постепенно или внезапно изменяющие внешний вид местности. К ним относятся выветривание, землетрясения и т. д. Как известно, эти процессы разделяются на экзогенные, возникшие в результате воздействия на природную обстановку внешних факторов, и эндогенные, связанные с проявлением внутренней энергии Земли. 13 Процессы или явления, возникающие в земной коре под действием естественных природных факторов и изменяющие природную обстановку и окружающую среду, называются геологическими процессами и явлениями. Процессы, обусловленные производственной и, в частности, строительной деятельностью человека и порождающие геологические явления, называются инженерногеологическими процессами. Инженерная геодинамика изучает геологические и инженерно-геологические процессы и явления с целью их количественного прогноза, установления интенсивности их развития, степени угрозы окружающим территориям или возводимым сооружениям. Она призвана решать вопросы строительства в особых геологических условиях и разрабатывать теоретические основы и методы управления геологическими процессами. Тектонические движения и дислокации горных пород Тектонические движения в земной коре проявляются постоянно. В одних случаях они медленные, мало заметные для глаза человека (эпохи покоя), в других – в виде интенсивных бурных процессов (тектонических революций). Подвижность земной коры в значительной степени зависит от характера ее тектонических структур. Наиболее крупными структурами являются платформы и геосинклинали. Платформы относятся к устойчивым структурам, жестким, малоподвижным. Им свойственны выровненные формы рельефа. Снизу они состоят из жесткого неподдающегося складчатости участка земной коры (кристаллического фундамента), над которым горизонтально залегает небольшая толща ненарушенных осадочных пород. Типичным примером древних платформ служат Русская и Сибирская. Платформам свойственны спокойные, медленные движения вертикального характера. В противоположность платформам геосинклинали представляют собой подвижные участки земной коры, которые располагаются между платформами. Для геосинклиналей характерны разнообразные по величине тектонические движения, вулканизм, сейсмические явления, складкообразование. В зоне геосинклиналей происходит интенсивное накопление мощных толщ осадочных пород. Тектонические движения земной коры можно подразделить на три основных типа: 1. колебательные, выражающиеся в медленных поднятиях и опусканиях отдельных участков земной коры и приводящие к образованию крупных структурных поднятий и прогибов; 2. складчатые, обусловливающие смятие слоев земной коры в складки, и 3. разрывные, приводящие к тектоническим разрывам слоев и массивов горных пород. Колебательные движения. Отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий поднимаются, другие в это же время опускаются. Колебательные движения не изменяют первоначальных условий залегания горных пород, но инженерно-геологическое значение их огромно. От них зависит положение границ между сушей и морями, обмеление и усиление размывающей деятельности рек, формирование рельефа и многое другое. Складчатые тектонические движения. Осадочные породы первоначально залегают горизонтально или почти горизонтально. Это положение сохраняется даже при колебательных движениях земной коры. Складчатые тектонические движения выводят пласты из горизонтального положения, придают им наклон или сминают в складки. Так возникают складчатые дислокации. Все формы складчатых дислокаций образуются без разрыва сплошности слоев (пластов). Это их характерная особенность. Основными среди этих дислокаций являются: моноклиналь, складка, флексура. Моноклиналь является самой простой формой нарушения первоначального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев в одну сторону. Складка представляет собой волнообразный изгиб слоев. Среди них выделяют: антиклиналь – складка, обращенная своей вершиной вверх, и синклиналь с вершиной, обра14 щенной вниз. Бока складки называют крыльями, вершину – замком, а внутреннюю часть складки – ядром. Флексура – коленоподобная складка, образующаяся при смещении одной части толщи пород относительно другой без разрыва сплошности. Горные породы в вершинах складок всегда бывают трещиноваты, а иногда даже раздроблены. Разрывные тектонические движения. В результате интенсивных тектонических движений могут происходить разрывы сплошности пластов. Разорванные части пластов смещаются относительно друг друга. Смещение происходит по плоскости разрыва, которая проявляется в виде трещины. Величина амплитуды смещения бывает различной – от сантиметров до километров. К разрывным дислокациям относят сбросы, взбросы, горсты, грабены и надвиги. Сброс образуется в результате опускания одной части толщи относительно другой. Если при разрыве происходит поднятие, то образуется взброс. Иногда на одном участке образуется несколько разрывов. В этом случае возникают ступенчатые сбросы (или выбросы). Грабен – возникает, когда участок земной коры опускается между двумя крупными разрывами. Таким путем, например, образовалось озеро Байкал. Горст – форма обратная грабену. Надвиг – в отличие от предыдущих форм разрывных дислокаций возникает при смещении толщ в горизонтальной или сравнительно наклонной плоскости. В результате надвига молодые отложения могут быть сверху перекрыты породами более древнего возраста. 15 Сейсмические явления Они проявляются в виде упругих колебаний земной коры. Это явление природы характерно для районов геосинклиналей. В соответствии с тем, где возникают землетрясения, различают моретрясения и землетрясения. Моретрясения – сейсмические явления возникают на дне океанов, а на поверхности океана рождаются огромные волны (высотой 15-20 м) – цунами. Цунами перемещаются на расстояния в тысячи километров со скоростью 500 -800 (1000)км/ч. По мере уменьшения глубины моря крутизна волн резко возрастает, и они со страшной силой обрушиваются на сушу, вызывая разрушение берегов и сооружений. Отразившись от берега волны способны двинуться в обратном направлении. Наступлению волны обычно предшествует осушение дна у побережья. К счастью, цунами распространяются относительно медленно, и поэтому создана эффективная служба предупреждения об опасности их прихода, заблаговременно оповещают население. Землетрясения – одно из самых грозных явлений природы и вместе с тем одно из самых ярких свидетельств существования в недрах Земли мощных сил, огромных запасов внутренней энергии. Толчки землетрясений не что иное, как приход к поверхности Земли упругих колебаний, возбужденных мгновенными смещениями масс горных пород в очаге 16 землетрясения. Основная причина таких смещений – подвижки в зонах развивающихся тектонических разрывов. Сейсмические волны. Очаг зарождения сейсмических волн называется гипоцентром. По глубине залегания гипоцентра различают землетрясения: 1) поверхностные – от 1 до 10 км глубины, 2) коровые – 30-50 км и 3) глубокие – от 100 -300 до 700 км. Последние находятся уже в мантии земли. Наиболее разрушительными являются поверхностные и коровые землетрясения. Непосредственно над гипоцентром на поверхности земли располагается эпицентр. На этом участке сотрясения поверхности земли происходит в первую очередь и с наибольшей силой. От гипоцентра во все стороны расходятся продольные и поперечные сейсмические волны. Продольные волны вызывают расширение и сжатие пород в направлении их движения. Скорость их движения зависит от вещества горных пород, например в скальных породах -4-6 км/с, а в рыхлых породах – менее 1 км/с. Поперечные колебания перпендикулярны продольным, распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформации сдвига. Скорость поперечных волн примерно в 1,7 раза меньше, чем продольных. На поверхности земли во все стороны от эпицентра расходятся волны особого рода – поверхностные, являющиеся по своей природе волнами тяжести. Скорость их распространения более низкая, чем у поперечных. Землетрясения обычно проявляются в течение нескольких секунд, реже минут. Оценить силу землетрясений можно с помощью сейсмографов. Силу землетрясений измеряют по 12 бальной шкале. Каждому баллу отвечает определенная величина ускорения колебания а (мм/с2). (От 1 до 4 баллов колебания отмечаются приборами и людьми, 5 – качание висящих предметов, от 6 до 8 трещины в зданиях (откалывание кусков, падание карнизов, трещины в сырых грунтах -8), 9,10 – обвалы и обрушения зданий, волнения в водоемах, трещины в грунтах шириной до метра), 11-12 – многочисленные трещины на поверхности земли, изменение рельефа местности в больших размерах). Сейсмические районы территории Вся земная поверхность разделена на зоны: сейсмические, асейсмические и пенесейсмические. К сейсмическим относятся районы, в которых землетрясения происходят периодически. Как правило эти районы располагаются в геосинклинальных областях. В асейсмических районах землетрясений не бывает (Русская равнина, Западная и Северная Сибирь и т. д.). В пенесейсмических районах землетрясения происходят сравнительно редко и бывают небольшой силы. Прогноз землетрясений. Цель прогноза землетрясений – определение места, силы и времени их вероятного проявления. Местами возможных землетрясений являются, прежде всего, районы, где землетрясения происходили в историческом прошлом. При этом, чем чаще и чем сильнее были эти землетрясения, тем больше сейсмическая опасность в будущем. При землетрясениях обычно происходят разломы, особенно опасны разломы на границе зон, испытывающих противоположно направленные и интенсивные современные движения земной коры, или зоны повышенного градиента этих движений, участки пересечения разломов, могущих испытывать разрастание и т. д. 17 Кроме отмеченных параметров следует учитывать то обстоятельство, что накопление напряжений, получающих разрядку при сильных землетрясениях, требует некоторого времени. Поэтому такие землетрясения повторяются лишь через значительные интервалы времени, которые могут быть определены для каждого района по статистическим данным, на их основе составляют карты сейсмической активности (количество сейсмических толчков данного класса в год) или сотрясаемости (частота землетрясений той или иной интенсивности). По этой же причине наиболее сейсмоопасными в будущем считаются те отрезки сейсмогенных разрывов, на которых в прошлом не происходило сильных землетрясений. В некоторых случаях удается подметить миграцию эпицентров вдоль разрыва в направлении таких «сейсмических зияний». На основе совокупности сейсмологических и геологических (тектонических) материалов в 1936 г. Под редакцией Г. П. Горшкова была составлена карта сейсмического районирования территории нашей страны (СССР), первая в мире. С тех пор она уточнялась, переиздавалась. Эта карта рассматривается у нас как государственный документ, она используется при проектировании строительства в сейсмоопасных регионах. Для городов, поселков крупных гидротехнических и других сооружений общая карта сейсмического районирования дополняется картами микросейсмического районирования, в которых кроме общих тектонических условий учитываются особенности геологического строения отдельных участков. (Весьма затруднено строительство при высоком залегании уровня грунтовых вод – 1-3 м. Следует учитывать, что наибольшие разрушения во время землетрясений происходят на заболоченных разжиженных глинистых породах, на обводненных пылеватых породах, а также на лессовых не доуплотненных породах, которые при сейсмическом сотрясении энергично доуплотняются, разрушая выстроенные на них здания). В комплекс антисейсмических мер входят: создание железобетонных поясов, облегчение кровли и межэтажных перекрытий, отказ от выступающих тяжеловесных деталей – карнизов, балконов, лепнины и т. д. Актуальной остается задача предсказания времени землетрясений. Речь идет об использовании различных предвестников землетрясений: 1. увеличение числа слабых землетрясений, которые можно рассматривать как форшоки («фор» - пред, «шок» - удар, толчок) крупного землетрясения. 2. изменение скорости продольных волн (и ее отношение к скорости поперечных волн) – сначала ее понижение (до 10%), а затем перед землетрясением, - возврат к нормальному значению. Изменение скорости продольных волн объясняется изменением свойств горных пород при накоплении напряжений. 3. уменьшение электрического сопротивления пород, колебания модуля полного вектора магнитного поля и различные электромагнитные явления в атмосфере. 4. изменение уровня грунтовых вод в скважинах и колодцах – сначала понижение, потом резкое повышение, изменение температуры воды, а также значительное повышение содержания в воде радона, углекислого газа, паров ртути. 5. аномальное поведение животных. Техногенные (возбужденные) землетрясения. В последнее время обнаружен новый вид землетрясений – землетрясения, возбужденные инженерной деятельностью человека: сейсмическая активность в связи с заполнением водохранилищ гидроэлектростанций, разработка нефтяных и газовых месторождений (откачка нефти и газа, закачка воды). Механизм «возбужденных» землетрясений: эти землетрясения являются следствием увеличения водонасыщенности недр, ослабляющей связи между частицами грунта и тем самым снижающей их сопротивление разрушению при сейсмических толчках. Использование этого механизма рассматривается как перспективный путь ослабления последствий сильных землетрясений с помощью снятия напряжений мелкими сейсмическими толчками, благодаря закачке воды в специально пробуренные скважины. 18 Магматизм Эффузивный магматизм Процесс магматизма – наиболее значительное проявление внутренней энергии Земли. Он выражается в поднятии из недр к поверхности Земли магмы – силикатного расплава, насыщенного газами, перегретой водой и ее парами. В зависимости от того, изливается ли магма на поверхность или застывает на глубине, магматизм разделяется на поверхностный, или эффузивный, именуемый также вулканизмом и глубинный – интрузивный. Стадии вулканического процесса: ранняя, или субвулканическая; главная, именуемая вулканическим извержением; и поствулканическая, или фумарольная. Субвулканическая стадия. В верхней мантии, в зоне астеносферы, создаются наиболее благоприятные условия для образования магмы. Существующие там температуры (1200 град С) способны расплавлять вещество астеносферы. Состав расплава базальтовый , он содержит в растворенном состоянии газы и пары воды. Медленно поднимаясь вверх по ослабленным зонам и трещинам, магма расплавляет и поглощает (ассимилирует) вмещающие породы, создавая трубообразные каналы и расширяя трещины. При достижении определенной глубины, где температура магмы становится ниже 1200С, в ней происходит выделение в отдельную фазу газа и перегретых паров воды. Преобразованная магма оказывается значительно более подвижной. Она устремляется вверх. Известно, что при парообразовании происходит увеличение объема в 100 раз, при этом высвобождается огромное количество энергии, приводящей к взрыву. Газы и пары устремляются вверх, разрушая, дробя породы, преграждающие им путь, и с силой выталкивая их вверх. Вслед за ними к поверхности Земли поднимается частично или полностью дегазированный расплав. При выходе на поверхность он превращается в лаву. Движение магмы, паров и газов сопровождается неглубокими и относительно слабыми землетрясениями, очаги которых все ближе и ближе перемещаются к поверхности Земли. Главная стадия – извержение вулканов. Момент разрядки вулканической энергии и выброса магматических продуктов на поверхность через жерло вулкана знаменует начало извержения. (Строение вулкана – гора с плоской вершиной, воронкообразное углубление – кратер, на дне которого располагается отверстие – жерло ( одно или несколько), связанное с вулканическим каналом.). Поствулканическая, или фумарольная, стадия. Она характеризуется сильным ослаблением вулканической деятельности. Лава уже не может вырваться на поверхность, а выходят, как правило, многочисленные газовопаровые струи и горячая вода. Склоны вулканов в начале этой стадии иногда напоминают 19 дымящийся котел воды. Газовые струи, именуемые фумаролами, подразделяют по составу газов и температуре: 1. сухие фумаролы с температурой свыше 500 °С, 2. сернистые или сольфатары, с температурой 90-300 °С, 3. щелочные или аммиачные- 100 °С, 4. холодные углекислые – ниже 100 °С. Извержение паров воды – также характерная особенность поствулканической стадии. По мере удаления от очага пары воды преобразуются в выбросы горячей, обычно сильно минерализованной воды в виде горячих и подогретых источников. Источники бывают постоянно действующими или периодически выбрасывающими воду. Последние называются гейзерами. Периодичность извержения гейзеров обычно очень постоянна. Интервалы извержения у различных гейзеров колеблются от 10 мин до 5,5 ч. Температура воды +94- +99 °С. Вода гейзеров обычно минерализована, содержит соли натрия, магния, кальция, кремния. В связи с этим вокруг гейзеров часто наблюдаются отложения в виде пористых известковистых или кремнистых туфов. Гейзеры известны в Исландии, Новой Зеландии, на Камчатке (Долина гейзеров и в Йеллоустонском национальном парке в США). Механизм работы гейзеров объясняется так: у дна канала происходит перегрев воды и парообразование, что приподнимает колонну воды в канале гейзера и происходит мгновенное паро-водяное извержение. Пары и газы вместе с водой могут выбрасывать жидкую грязь, образуя грязевые вулканы. Конусы этих вулканов обычно невелики и достигают высоты 1-2 м, но иногда и 400 м. Грязевые потоки могут иметь длину в десятки метров, а температура грязи при извержении достигает 80-90°С. Грязевые вулканы могут быть и не связаны с вулканическими процессами. Они могут образовываться там, где в недрах скапливаются углеводородные газы и имеются находящиеся под значительным давлением водонасыщенные и глинистые породы. Поствулканическая стадия может растянуться на многие десятилетия и даже столетия. Продукты вулканического извержения. 1) жидкие - лавы разнообразного состава. Охлаждаясь и застывая, они образуют эффузивные (излившиеся) горные породы. 2) выброшенные твердые продукты – это обломки различной величины, от долей миллиметра до нескольких метров в диаметре. Твердые продукты вулканизма подразделяются по размерам: вулканический пепел, пыль; вулканический песок; вулканические обломки – лапилли (камешки размером с орех); вулканические бомбы (мелкие - извергаются) и вулканические глыбы. 3) газообразные, различного состава. Процессы вулканизма играют двоякую роль в жизни людей : с одной стороны – это причина бедствий, с другой – они поставляют человечеству полезные ископаемые, тепловую и другие виды энергии. Средства защиты людей от вулканических извержений: изменяют направление лавового потока, сооружая на его пути плотины; охлаждают передний край потока водяными струями и тем самым останавливают движение лавы; разрабатываются проекты ослабления силы извержения путем постепенного вывода части газов из вулканического канала через буровые скважины с глубин 2-3 км. Полезная деятельность вулканов: вулканический пепел способствует созданию высокоплодородных почв, так как он богат минералами и элементами (калий, фосфор и т.д.), необходимыми для почвенного комплекса; вулканические районы обладают огромными запасами тепловой энергии (геотермальные электростанции); из вулканов вместе с газами, фумарольными струями, гидротермами выносится большое количество полезных ископаемых; базальты, андезиты и другие породы используются как облицовочный материал, а также в дорожном строительстве; вулканические шлаки (пемза) – для изготовления бетона, абразива и в бумажной промышленности; перлиты- породы, состоящие из шариков вулканического стекла, способные вспучиваться, представляют собой теплозвукоизоляционный материал. 20 Интрузивный магматизм Форма, состав интрузивных тел Во многих случаях магма не достигает поверхности земли, останавливается и остывает в различных горизонтах земной коры, образуя магматические тела, состоящие из интрузивных пород. При внедрении из глубины магма использует все ослабленные зоны во вмещающихся породах (трещины, межслоевые разделы), раздвигает трещины, приподнимает слои и заполняет образующиеся пустоты. Интрузивные тела, приспособившиеся к залеганию тех пород в которые они внедрились, называются конкордантными, то есть согласными. В других, более распространенных случаях магма, внедряясь, не считается с формой залегания вмещающих пород. Она разрушает, поглощает эти породы и образует тела, контакты которых секут слоистость или сланцеватость вмещающих отложений, - такие интрузии называются дискорбонатными, то есть несогласными. Нередко интрузивное тело в своей нижней части может быть несогласным, а в верхней, где сила внедрения ослабевает, - согласным. В зависимости от глубины залегания в недрах Земли интрузивные породы разделяются на абиссальные (глубинные) и гипабиссальные (полуглубинные). Абиссальные интрузивные тела образуются на глубинах в несколько десятков километров от поверхности. Абиссальные интрузии имеют большие объемы, они тесно связаны с магматическим очагом или сами представляют застывший внутрикоровый очаг, различной формы. Гипабиссальные интрузии образуются относительно небольших глубинах и часто приспосабливаются к условиям залегания вмещающих пород. При внедрении они используют все ослабленные зоны независимо от их положения в пространстве. Исходным веществом для образования магматических пород является магма, которая зарождается периодически, в области астеносферы, в результате частичного оплавления мантийного или корового вещества. Расплавленное вещество в астеносфере в виде тонкой пленки обволакивает твердые зерна мантийной породы. Однако его недостаточно для поддержания магматической деятельности. Для этого необходимо создание крупных магматических очагов, образование которых может быть достигнуто двумя путями: повышением температуры за счет усиления теплового потока, поступающего из более глубокой мантии в процессе тепловой конвекции, или понижением давления с соответствующим снижением температуры плавления. Понижение давления связывается с проникновением до астеносферы глубинных разломов, а повышение температуры - с подъемом флюидов (воды, углекислоты, горячих растворов, содержащих ионы натрия, калия, кальция, а также фтора, бора и серы) или (и) разогретой мантии. Магма, являющаяся продуктом частичного плавления мантийного материала, имеет базальтовый или реже, более основной состав. Базальты – самые распространенные породы не только на Земле, но и на других планетах земной группы, а также на Луне. Они рождаются в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов, изливаются по разломам внутри литосферных плит, выстилают все ложе современных океанов (под тонким осадочным покровом), а также окраинных морей и слагают обширные плато на континентах. Из одного и того же вулкана могут извергаться различные по составу лавы, это говорит о дифференциации (разделении) магмы – названной понятием ликвация. Обычно при этом одна из жидкостей (расплавов – растворов) – более легкая, обогащенная кремнеземом, щелочами, занимает верхнюю часть камеры или магматической колонны, поднимающейся к жерлу вулкана, а другая, обедненная этими компонентами, скапливается в их нижней части. Выйдет ли магма на поверхность или застынет на глубине, зависит от соотношений плотности столба поднимающегося расплава к плотности пересекаемых им пород. 21 Метаморфизм горных пород Одним из важнейших геологических процессов является процесс изменения, преобразования горных пород под влиянием глубинных, эндогенных, факторов – высоких температур и давлений, и воздействия флюидов. Этот процесс называется метаморфизмом, а породы, образующиеся в результате его проявления, - метаморфическими породами. В природе наблюдаются два основных типа метаморфизма: локальный, разделяемый на контактовый и дислокационный, и региональный с некоторыми разновидностями. Контактовый метаморфизм связан с внедрением в верхнюю относительно холодную часть земной коры, в основном в ее осадочную оболочку, горячей магмы, застывающей в виде интрузивных массивов – плутонов. Вокруг таких плутонов и образуются ореолы контактово-метаморфизованных пород. В дислокационном метаморфизме, чаще называемом динамометаморфизмом, главную роль играет локальное повышение давления в зонах тектонических разломов. Таким образом, это приразломный метаморфизм. Исследования последних десятилетий выявили существование еще одного типа локального метаморфизма – ударного, вызываемого воздействием на горные породы и верхов земной коры ударной волны давления, обусловленной падением на Землю метеоритных тел. Но наиболее важный тип метаморфизма – региональный метаморфизм. В отличие от локального, распространяющегося на ограниченную площадь, региональный метаморфизм охватывает большие, нередко огромные площади – в тысячи, десятки и даже сотни тысяч квадратных километров. Региональный метаморфизм вызывается совместным действием повышения температуры и давления, обычно всестороннего (литостатического). Но существенную роль играют и флюиды, их состав и парциальное давление. Это вода и СО2, присутствовавшие в метаморфизуемых осадочных породах, или морская вода, инфильтрующаяся в трещины вулканических пород, застывающих на дне океанов и морей. Геологическая деятельность ветра - связана с динамическим воздействием воздушных струй на горные породы. Она выражается в разрушении, размельчении пород, сглаживании и полировке их поверхности, перенесение мелкого обломочного материала с одного места на другое, в отложении его на поверхности Земли (континентов и океанов) ровным слоем, а затем сгруживании этого материала в виде холмов и гряд на определенных участках суши. Геологическую работу ветра часто называют эоловой (по имени бога ветров – Эола). Перемещение воздушных масс происходит в основном параллельно поверхности земли. Ветер переносит обломочный материал на большие пространства. Чем больше скорость ветра, тем значительнее производимая им работа: 3-4 -балльный ветер (скорость 4,46,7 м/с) несет пыль, 5-7 –балльный (9,3 – 15,5 м/с) – песок, а 8 балльный (18,9 м/с) – гравий. Во время сильных бурь и ураганов (скорость 22,6 – 58,6 м/с) могут передвигаться и переноситься мелкие камешки и галька. В зависимости от, того каким материалом насыщен ветровой поток, пыльные бури разделяются на черные, бурые, желтые, красные и даже белые. Некоторые ветры имеют строго постоянное направление и дуют в течение определенного времени; так, ветер хамсин, возникающий в пустынях Северной Африки, дует в северном и северо - западном направлениях в течение 50 дней. Ветер южноафганских пустынь – афганец – дует в северном и северо – восточном направлениях в течение 1 – 3 дней с перерывами, в общей сложности до 40 суток. 22 Наиболее сильные ветры – ураганы – способны проникать в трещины, отрывать куски горных пород и перемещать их по поверхности Земли, толкая и поднимая в воздух. Наибольшие скорости ветра возникают иногда в грозовых облаках. Здесь струи воздуха закручиваются и образуют смерч – вращающуюся воздушную воронку, которая суживается в сторону земли. Смерч, как штопор, взвинчивает землю, разрушает горные породы и втягивает рыхлый материал в глубь воронки, так как там наблюдается резко пониженное давление. Скорость движения ветра в воронке измеряется сотнями километров в час, то есть иногда даже превышает скорость распространения звука. Сила ветра на вершинах гор значительно больше, чем в котловинах и низменностях. Геологическая работа ветра особенно интенсивна там, где породы непосредственно соприкасаются с атмосферой, то есть где отсутствует растительный покров. Такими благоприятными районами являются пустыни, горные вершины и морские побережья. Таким образом, геологическая работа ветра состоит из следующих процессов: 1. разрушения горных пород (дефляция и корразия) 2. переноса – транспортировка разрушенного материала 3. эолового отложения (эоловая аккумуляция) Дефляцией называется разрушение, раздробление и выдувание рыхлых горных пород на поверхности Земли вследствие непосредственного давления воздушных струй. Разрушительная способность воздушных струй увеличивается в случаях, когда они насыщены водой или твердыми частицами – песком и др. Разрушение с помощью твердых частиц носит название корразии (обтачивание). Миллионы песчинок, гонимых ветром, ударяясь в стенку или выступ горной породы, обтачивают их и разрушают. Обычное стекло, поставленное перпендикулярно ветровому потоку, несущему песчинки, через несколько дней становится матовым, так как его поверхность делается шероховатой от появления мельчайших ямок. Максимальное насыщение ветрового потока песком наблюдается в первых десятках сантиметров от поверхности, поэтому именно на этой высоте в породах образуются наиболее крупные углубления. Эоловая транспортировка ветра имеет огромное значение. Ветер поднимает с поверхности Земли рыхлый мелкообломочный материал и переносит его на большие расстояния по всему земному шару. В основном ветер переносит мельчайшие частицы пелитовой (глинистой), алевритовой (пылеватой) и псаммитовой (песчаной) размерности. Дальность переноса зависит от величины и формы обломков, их удельного веса, а также силы ветра. Еще в процессе перелета происходит эоловая аккумуляция обломочного материала. Более крупные песчаные частицы выпадают раньше, чем более тонкие – глинистые, и потому происходит раздельное накопление песчаных, лессовых, глинистых и других эоловых осадков. Среди эоловых отложений на суше наибольшую площадь занимают песчаные. Рядом с ними часто могут накапливаться пылеватые частицы, при уплотнении которых образуется лесс. Лесс представляет собой мягкую, пористую породу желтоватобурого, желтовато-серого цвета, состоящую более чем на 90% из пылеватых зерен кварца и других силикатов, глинозема; около 6% составляет углекислый кальций, который часто образует в лессе стяжения, конкреции неправильной формы. Размер слагающих лесс зерен соответствует пылеватой и глинистой фракциям и в меньшей мере – песчаной. Формы, состав и свойства эоловых отложений. Все эоловые отложения целесообразно разделить на подвижные, естественно и искусственно закрепленные. К подвижным эоловым отложениям относятся образовавшиеся в пустынях скопления песка – барханы, а также перемещающиеся песчаные образования на побережьях морей, озер и в долинах некоторых рек (Волги, Дона, Днепра). Они не закреплены растительностью, не обладают связностью и перемещаются под действием ветра. 23 Барханы – пологие песчаные холмы серповидной формы в плане и асимметричные в разрезе, передвигающиеся в направлении постоянно дующего ветра со скоростью от 5 до 70 метров в год. Скорости одиночных барханов значительно выше, чем скорости барханов, образующих цепи. Высота их достигает 60 – 70 метров, ширина в крыльях – десятки и сотни метров. Дюны – песчаные грядообразные, вытянутые вдоль побережья холмы, движущиеся внутрь материка. Дюны образуются из песка, выносимого морем на берег в полосе пляжа, захватываемого и перевеваемого ветром, дующим с моря на сушу. Первоначально для образования дюны необходимо препятствие в виде растения, камня или другого предмета, вокруг которого задерживается и аккумулируется песок. Постепенно дюны достигают высоты 20-50 метров. В профиле дюна, как и бархан, асимметрична: с более крутой подветренной стороной. Скорость ее движения в зависимости от силы и постоянства ветра изменяется от 2 до 20 метров в год. К естественно закрепленным растительностью эоловым отложениям относятся грядовые, бугристые пески и пески равнин, наиболее часто встречающиеся в районах полупустынь. Грядовые пески представляют собой вытянутые в форме гряд или валов отложения эоловых песков в районах полупустынь. Бугристые пески – это более низкие, чем грядовые, холмообразные образования с пологими склонами, покрытые растительностью. К искусственно закрепленным эоловым грунтам мы относим любые продукты и формы ветровой аккумуляции, неподвижность которых обеспечена методами фитомелиорации или технической мелиорации. Выветривание Выветриванием называется процесс непрерывного изменения и разрушения горных пород под действием ряда внешних факторов; колебания температуры воздуха, механического и химического воздействия воды, жизнедеятельности растений и организмов. В природе эти факторы действуют в совокупности, однако определяющим следует считать климатический фактор. Процесс выветривания начинается с поверхности и распространяется в глубину, постепенно изменяя материнскую породу, Так образуется кора выветривания, или элювий, горных пород. Элювием называются продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте своего образования. В их составе наряду с совершенно измененными отложениями встречаются и обломки коренной породы, что свидетельствует о связи элювия с материнской породой. Различают три вида выветривания – физическое, химическое и биологическое. Физическое выветривание в основном проявляется в механическом разрушении пород, которое приводит к изменению их гранулометрического состава и образованию обломочных грунтов. Основным фактором этого вида выветривания являются резкие температурные колебания в окружающей среде, как по сезонам года, так и в течение суток. 1)Температурное выветривание - горная порода представляет собой агрегат минералов, из которых каждый имеет свой коэффициент теплового расширения. Нагревание и охлаждение и, как следствие этого, неравномерное расширение и сжатие массы породы, зависящие от тепловых свойств минералов, окраски и др. – все это ведет к расшатыванию структуры, образованию и расширению трещин, раскалыванию массивов. 2) Механическое выветривание - Большое значение в этом процессе имеет вода, замерзающая в трещинах, расширяющаяся в объеме и разрывающая монолитную породу на 24 куски. Так же механическое воздействие на горные породы оказывают корневая система деревьев и роющие животные. Дезинтеграцию пород вызывает также рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах (кристаллизация солей – под давлением кристаллов капиллярные трещины расширяются). Химическое выветривание. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Химическое выветривание проявляется в изменении химического состава горных пород в результате растворения, окисления, гидратации и дегидратации минералов, входящих в состав горной породы. Это изменение ведет к преобразованию пород и изменению их строительных свойств. Так, например, легкорастворимые породы (галит, гипс и др.) в результате взаимодействия с водой растворяются, а в результате гидратации рассыпаются вследствие резкого увеличения объема и возникновения большого внутреннего давления (при переходе гипса в ангидрит). Разрушение пород в процессе жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов принято называть биологическим выветриванием (поглощение хим. элементов из разрушаемых пород живыми организмами, их отмирание – возврат в окружающую среду в новом качестве). Интенсивность химического выветривания будет тем большей, чем теплее и влажнее климат. Она также непосредственно зависит от трещиноватости, пористости и кавернозности пород, улучшающих условия водо- и газообмена, и от состава породообразующих минералов. Наиболее интенсивно химическое выветривание проявляется в зонах повышенного увлажнения с мягким теплым климатом, то есть в тропиках и субтропиках. Строение выветрелой зоны Выветривание влияет на свойства пород с поверхности в глубину. С точки зрения степени выветрелости (степени раздробленности и показателя прочности) в выветрелой толщи выделяются зоны: 1 – монолитную – слегка затронутую выветриванием, но практически сохранившую свойства материнской породы, 2 – глыбовую – куда проникли агенты выветривания, под действием которых произошло разделение материнской породы трещинами на отдельные глыбы. Прочность материнской породы понижена, зона отличается высокой водопроницаемостью, 3 – мелкообломочную – в которой под действием агентов выветривания произошло дробление глыб на более мелкие фракции – щебень, дресву. В процессе дробления наряду с выделением первичных породообразующих минералов появляются вторичные, преобразованные глинистые минералы. Зона характеризуется низкой прочностью, повышенной сжимаемостью, очень неоднородной водопроницаемостью, 4 – тонкого дробления – самую верхнюю часть коры выветривания, непосредственно граничащую с атмосферой. В ней процесс выветривания находится на стадии завершения. Порода преобразована: преобладают вторичные минералы; первичные минералы и обломки материнской породы встречаются как включения. Состоит из рыхлых несвязных или мягких связных грунтов с невысокой прочностью и значительной сжимаемостью. Наиболее устойчивыми являются гранитоиды, имеющие высокую механическую прочность. Менее устойчивы против выветривания песчаники и алевролиты, наиболее интенсивно процесс выветривания протекает в глинистых, углистых сланцах и туфах. Конечным результатом выветривания являются растрескивание, дробление, изменение физических свойств и химического состава материнской породы. Это приводит к резкому ухудшению ее строительных свойств: понижению прочности, увеличению водопроницаемости, а также способствует возникновению оползней, обвалов и селей. 25 Мероприятия по борьбе с выветриванием. Мероприятия по борьбе с выветриванием разделяют на две группы. В первую следует отнести мероприятия, проводимые в период строительства, а также такие виды работ, как съем почвы, элювия, покрывающего чехлом склон и грозящего обвалами и оползнями, недобор грунтов до проектной отметки в случае, если эти грунты подвержены быстрому выветриванию. Во вторую – мероприятия, проводимые в период эксплуатации сооружений и которые должны обеспечивать надежность и долговечность существования последних. К таким мероприятиям относятся разного рода покрытия или экранирование грунтов, подверженных выветриванию (полиэтиленовые и другие синтетические пленки, гудрон, цемент, глина), пропитывание грунтов специальными растворами (жидкое стекло, битумная эмульсия, эпоксидные и другие смолы). В случае опасности выщелачивания растворимых солей или цемента в породе должен осуществляться отвод поверхностных и дренаж подземных вод. Мероприятия по защите от эоловых процессов 1. устройство щитовых ограждений вдоль дорог и каналов для задержки движения песков, 2. закрепление песков различного рода эмульсиями и растворами, 3. широкое применение фитомелиорации: посадка растений, создание лесополос, посев трав и т. п. Геологические процессы в мерзлой зоне литосферы Мерзлыми горными породами называют породы, характеризующиеся нулевой или отрицательной температурой и присутствием в них льда, заключающего в порах и трещинах. Мерзлые породы подразделяются на сезонно- и многолетнемерзлые. Сезонномерзлые породы – это такие породы, которые летом оттаивают, а зимой промерзают. К ним относятся почти все грунты районов умеренного климата и севера страны, а также породы деятельного слоя. Верхний наиболее динамичный слой сезонного промерзания называют деятельным, мощность этого слоя в разных частях страны колеблется от нескольких сантиметров в южных районах до 2-3 м в северных. Многолетнемерзлыми породами называются такие породы, которые сохраняют мерзлое состояние в течение сотен и тысяч лет. Зона развития многолетнемерзлых пород называется криолитозоной («криос» - холод). Наука о закономерностях формирования и географического распространения многолетней мерзлоты и процессах, происходящих в этой зоне, называется геокриологией. По вертикали криолитозона разделяется на две части: а) верхнюю – деятельный слой или слой сезонного оттаивания (летом) и сезонного промерзания (зимой). Его мощность зависит от географической широты, климата, состава пород и изменяется от десятков сантиметров до 4 м, б) нижнюю – собственно мерзлые грунты, горные породы, температура которых никогда не бывает положительной. В большинстве случаев эти породы содержат в своем составе лед. Мощность мерзлых грунтов также различна в зависимости от географического положения и климатических условий местности. Схема строения криолитозоны 26 Поверхность 1 – 1, залегающая на глубине Н1 от поверхности земли, служит верхней границей многолетней мерзлоты, выше которой лежит деятельный слой. Эта граница достаточно подвижна и может изменяться во времени, особенно в связи с производственной деятельностью человека. Поверхность 2 – 2 определяет нижнюю границу многолетней мерзлоты, ниже которой залегают обычные талые породы. Расстояние между верхней и нижней границами многолетней мерзлоты дает представление о мощности мерзлоты Н2. В геологическом разрезе различают два типа мерзлоты: сливающийся и несливающийся. Под сливающейся мерзлотой понимают такой тип мерзлоты в разрезе, когда деятельный слой при замерзании непосредственно переходит в многолетнюю мерзлоту. Несливающаяся мерзлота характеризуется таким строением геологического разреза, когда между промерзшим деятельным слоем и мерзлыми грунтами остается слой талого грунта. По строению различают непрерывную мерзлоту, в которой породы находятся в мерзлом состоянии по всей мощности криолитозоны, и слоистую мерзлоту, в которой мерзлые породы прерываются прослоями талых пород. Лед в мерзлых породах содержится в различных формах и в разном количестве. Общее количество льда (по массе или объему), отнесенное к массе или объему абсолютно сухого грунта, называется льдистостью. По физическому состоянию многолетнемерзлые породы разделяются на три вида: 1. твердомерзлые – в которых минеральные частицы скелета сцементированы льдом в монолитную несжимаемую массу (ведут себя как скальные грунты), 2. пластичномерзлые - в которых кроме льда-цемента существует незамерзшая вода (находятся в полутвердом состоянии, способны сжиматься под нагрузкой и частично напоминают полускальные грунты), 3. сыпучемерзлые – мелко- и грубообломочные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом (рыхлые). Криогенные процессы и явления Морозное пучение – это увеличение объема водонасыщенных грунтов глинистого и пылеватого состава в результате расширения воды в порах при замерзании. Морозное пучение проявляется в виде пучин – поднятий поверхности земли высотой 0,2 – 0,5 метров удлиненной формы и в виде бугров пучения, или булгуннях, которые образуются вследствие поднятия пород деятельного слоя нижележащей массой льда, непрерывно увеличивающейся в объеме за счет подпитывания подмерзлотными водами. Размеры бугров пучения в диаметре и в высоту могут достигать десятков метров. Термокарст – процесс проседания и последующего образования провалов, блюдец, воронок на поверхности многолетнемерзлых пород при оттаивании скоплений льда в толще грунта. При близком залегании к поверхности скоплений льда в весенний период начинается его протаивание. Вначале появляется понижение, заполненное водой. Вследствие большой теплопроводности воды процесс дальнейшего протаивания ускоряется, понижение превращается в воронку, образуется провал с отвесными стенками, края его обваливаются, он увеличивается, достигая десятков метров в ширину и нескольких метров в глубину. Процесс завершается после полного вытаивания льда. Образовавшееся озеро постепенно высыхает или вымерзает. Такая форма получила в Восточной Сибири название аласа. Типичный термокарстовый ландшафт состоит из аласов, блюдец и просадочных котловин. Наледи - морфологически отличаются от бугров пучения тем, что они представляют собой плащеобразное или потокообразное скопление льда на поверхности земли, образовавшееся в результате излива и замерзания речных или подземных вод. 27 Образование наледи начинается в период интенсивного промерзания деятельного слоя, в результате чего надмерзлотные или мерзлотные подземные воды испытывают все возрастающее гидростатическое давление, под действием которого происходит их прорыв через трещину в горной породе и излив на поверхность. Излившаяся вода замерзает в виде слоя или потока, достигающего значительной толщины и площади. Солифлюкция - так называют движение со склонов рыхлых водонасыщенных отложений под действием силы тяжести в результате оттаивания многолетнемерзлых грунтов. Разжижение и стекание грунта возникают вследствие перехода его из твердой консистенции в текучую или текучепластичную. Солифлюкция может носить характер сплывов, напоминающих консистентные оползни обычных грунтов. Сплывы возникают на отдельных участках, имеющих уклоны поверхности 7 – 100 и сложенных рыхлыми песчаноглинистыми грунтами. В случае малых уклонов (до 50) солифлюкция имеет вид вязкого медленного течения сравнительно тонкого слоя грунта, несущего в своем составе обломочный и глыбовый материал. Это явление напоминает как бы замедленный сель и охватывает значительные площади предгорий. Солифлюкция представляет собой опасность для существующих путей сообщения и сооружений, расположенных у подножия склонов. Мероприятия по борьбе с криогенными процессами и явлениями Борьба с пучениями: осушение пучинистых участков с поможью дренажа и поверхностного водоотвода, уменьшение глубины промерзания с помощью засыпки дороги теплоизоляционным материалом (шлаком), замена пучинистых грунтов песком, гравием, шлаком; применение также электрохимического закрепления мерзлых грунтов. Борьба с наледями : применяют земляные ограждающие валы вдоль берегов рек, а при наледях грунтового происхождения применяют мерзлотные пояса, то есть глубокие канавы, создающие вокруг строительной площадки пояс из мерзлого грунта и недопускающие образования наледей в пределах площадки. Борьба с солифлюкцией проводится путем закрепления поверхности склона растительностью, планировки и выполаживания склонов, создания специальных оградительных сооружений. 28 Раздел 3. Гидрогеология и строительство. Гидрогеология и строительство. Виды воды в горных породах. Классификация подземных вод. Основной закон фильтрации воды. Приток воды к водозаборным сооружениям. ГИДРОГЕОЛОГИЯ (изучает подземные воды) Подземные воды – один из основных существующих и перспективных источников водоснабжения. В сравнении с поверхностными водами (реки, озера, водохранилища) они обладают, как правило, более высоким качеством, не требуют дорогостоящей очистки, лучше защищены от поверхностных загрязнений и повсеместно распространены. Около 40% всего объема вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения в нашей стране, приходится на долю подземных вод. Однако подземные воды не только ценнейший источник водоснабжения, но и фактор, осложняющий строительство (затапливают котлованы, карьеры, траншеи; ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород; могут быть агрессивной средой для металлических и бетонных сооружений и т. д. В природе распространены атмосферные (дождь, облака, туман), поверхностные (океан, моря, реки) и подземные воды. Единство вод на Земле проявляется в ходе их круговорота. При большом круговороте испарившаяся с поверхности Мирового океана влага переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Малый круговорот характеризуется испарением влаги с поверхности океана и выпадением ее в виде осадков на ту же водную поверхность. В ходе внутреннего круговорота (местного) испарившаяся с поверхности суши влага вновь попадает на сушу в виде атмосферных осадков. Интенсивность водообмена подземных вод. В процессе круговорота воды в природе происходит постоянное возобновление природных вод, в том числе и подземных. Процесс смены первоначально накопившихся вод поступающими вновь называют водообменном. Наиболее активно возобновляются речные воды. Интенсивность водообмена подземных вод различна и зависит от глубины их залегания. В верхней части земной коры выделяют следующие вертикальные зоны: 1) зона интенсивного водообмена (воды преимущественно пресные) расположены в самой верхней части земной коры до глубины 300 - 400 м, реже более. Подземные воды этой зоны дренируются реками; в масштабе геологического времени – это воды молодые; водообмен осуществляется за десятки и тысячи лет; 2) зона замедленного водообмена (воды солоноватые и соленые) занимает промежуточное положение и располагается до глубины 600 – 2000 м. Обновление вод в процессе круговорота происходит в течение сотен тысяч лет; 3) зона весьма замедленного водообмена (вода типа рассолов) приурочена к глубоким зонам земной коры и полностью изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков. Водообмен – в течение сотен миллионов лет. Ниже глубины 10 – 15 км вода предположительно находится в парообразном состоянии. Круговорот в природе количественно описывается уравнением водного баланса: (количество) Qатмос. осадков = Qподземный сток + Qповерхностный сток +Qиспарение 29 Существуют две основные теории происхождения подземных вод: инфильтрационная и конденсационная. Инфильтрационная теория объясняет образование подземных вод просачиванием (инфильтрацией) в глубь Земли атмосферных осадков и поверхностных вод. Просачиваясь по крупным трещинам и порам, вода задерживается на водопроницаемых слоях и дает начало подземным водам. Qинфильтрационного питания = Qинфильтрации – Qиспарения При понижении уровня подземных вод испарение с их поверхности уменьшается, а на некоторой глубине становится равной нулю. В этих условиях величина инфильтрационного питания подземных вод возрастает. Конденсационная теория предполагает возникновение подземных вод в связи с конденсацией водяных паров, которые проникают в поры и трещины из атмосферы. Минерализованные (соленые) воды глубоких зон земной коры, находящиеся в зоне замедленного и весьма замедленного водообмена, имеют седиментальное происхождение. Эти воды образовались после отложения (седиментации) древних морских осадков и последующего отжатия из них воды вследствие уплотнения пород. Воды земной коры постоянно в течение длительного геологического времени пополняются и ювенильными водами, которые возникают в глубине земли за счет кислорода и водорода, выделяемых магмой. Прямой выход на поверхность Земли в виде паров и горячих источников ювенильные воды имеют при вулканической деятельности. Водные свойства горных пород 1. Влагоемкость – способность грунтов вмещать и удерживать определенное количество воды: а) гигроскопическая влагоемкость (Wr) – способность грунта притягивать из воздуха парообразную влагу и соответствует количеству прочно связанной (гигроскопической) воды; б) максимально-молекулярная влагоемкость (Wм.м.в.) – соответствует максимальному количеству связанной воды в породе, удерживаемой силами молекулярного притяжения (по А. Ф. Лебедеву): капиллярная (Wк) –максимальному количеству воды в капиллярных порах грунтах, полная (Wп.в.)- максимальному количеству воды, удерживаемой породой при полном насыщении ее водой. 2.Водоотдача- способность водонасыщенных пород отдавать гравитационную воду в виде свободного стока, для количественной оценки водоотдачи применяют коэффициент водоотдачи, то есть отношение объема извлекаемой (или вытекающей) из породы воды (Vв) к объему осушенной части породы (Vп), то есть µ = Vв/Vп Величина коэффициента водоотдачи может быть определена по формуле µ = n – ск ·Wм.м.в. – объемный вес скелета грунта, Wм.м.в –максимально- где n – пористость, ск молекулярная влагоемкость. Разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью пород называют недостатком или дефицитом насыщения µн: µн = Wп.в. – W. Недостаток насыщения характеризует количество воды, которое единица объема породы может поглотить при повышении уровня. При поъеме уровня подземных вод часть пор в породе занята защемленным воздухом, поэтому µµн. 4. Водопроницаемость - способность грунтов пропускать через себя воду под действием напора. Водопроницаемость грунтов зависит от размера сообщающихся между собой пор и трещин и от напора, под действием которого движется вода. Количественно 30 водопроницаемость грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации kф, имеющим размерность: м/сут, м/с, см/с. Физические свойства подземных вод При оценке подземных вод для водоснабжения исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность, и другие физические свойства подземной воды, которые характеризуют так называемые органолептические свойства воды, то есть свойства, определяемые при помощи органов чувств. Подземные воды обычно прозрачны, бесцветны, не имеют запаха. Вкус подземной воды зависит от вида и содержания растворенных минеральных соединений и газов. Органолептические свойства могут резко ухудшаться при попадании в воду естественным или искусственным путем различных примесей (минеральных взвешенных частиц, органических веществ, некоторых химических элементов). Температура подземной воды колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносного слоя, особенностей геологического строения, климатических условий и т. д. Различают воды холодные (температура от 0 до 200С), теплые, или субтермальные, воды (20-370С), термальные (37 – 1000С), перегретые (свыше 1000С). Очень холодные подземные воды циркулируют в зоне многолетней мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые воды характерны для районов молодой вулканической деятельности (Камчатка, Исландия и др.). На участках действующих водозаборов в основном распространены холодные воды с температурой от 5 до 200С. С увеличением глубины залегания температура воды по закону геотермической ступени возрастает, достигая на глубине нескольких километров 1000С и более. Плотность воды – масса воды, находящаяся в единице ее объема. Максимальна при температуре 40С. При повышении температуры до 2500С плотность воды уменьшается до 0,799 г/см3, а при увеличении количества растворенных в ней солей повышается до 1,400 г/см3. За счет пониженной плотности возможно конвективное, восходящее движение перегретых подземных вод. Сжимаемость подземных вод характеризуется коэффициентом сжимаемости, показывающим, на какую долю первоначального объема жидкости уменьшается объем при увеличении давления на 105 Па (упругие свойства). Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц ее движению. С повышением температуры вязкость подземных вод уменьшается. Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1,00 Ом·м. Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, газообразной эманации радия – радона и др.). Формирование состава подземных вод Ионно-солевой состав. Подземная вода не встречается в химически чистом виде. В ней обнаружено более 60 элементов периодической системы Менделеева. Основные компоненты (ионы), определяющие химический тип воды Cl-, SO42-, HCO3 -, Na+, Mg2+, Ca2+, K+. Эти ионы составляют более 90% всех растворенных в воде солей. Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют общей минерализацией. О ее величине судят по сухому или плотному остатку (в мг/л или г/л), который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 10531 1100С. Между общей минерализацией подземных вод и их химическим составом существует определенная зависимость: Классификация подземных вод по степени минерализации. Виды воды Сухой ос- Преобладающие Преобладающий таток, г/л ионы тип воды химический Пресные До 1 HCO3, CO3, Ca Гидрокарбонатнокальциевые Солоноватые (слабоминерализованные) 1–3 SO4, реже Cl Сульфатный, реже хлоридный Соленые (средней минерализации и минерализованные) 3 – 35 Рассолы более 35 SO4, Cl Cl, Ca, Mg, Na Сульфатный и хлоридный Хлоридно-натриевый Для количественного выражения активной реакции подземных вод (рН) служит логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, то есть рН = – lg (Н+). Вода с нейтральной реакцией имеет рН =7, кислой рН <7, щелочной рН >7. Малые значения рН вызывают коррозию труб и ухудшают питьевые качества воды. Наилучшими питьевыми качествами вода обладает при рН = 6,5 – 8,5. Свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция и магния, называют жесткостью, различают: Общая жесткость определяется наличием в воде всех ионов кальция и магния. Карбонатная жесткость – вычисляется расчетным путем по общему содержанию в воде гидрокарбонатных и карбонатных ионов. Кроме того, выделяют устранимую (временную) жесткость, определяемую экспериментально после кипячения пробы; некарбонатную, вычисляемую вычитанием из общей жесткости карбонатной; и неустранимую (постоянную), определяемую вычитанием из общей жесткости устранимой (временной). В настоящее время жесткость выражается в мг-экв /л Са2+ и Мg2+, причем 1 мг-экв /л жесткости соответствует 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Мg2+ в 1 л воды. Жесткие воды дают большую накипь в паровых котлах, плохо взмыливаются и вызывают другие явления. Классификация вод по степени жесткости: Очень мягкие – до 1,5 мг-экв/л; Мягкие - 1,5 - 3,0; Умеренно жесткие – 3,0 – 6,0; Жесткие – 6,0 – 9,0 Очень жесткие – более 9,0 мг-экв/л. Газы в подземных водах. Газы содержатся в подземных водах в растворенном и свободном виде. Они проникают в подземные воды различными путями: при инфильтрации воды, разложении органического вещества, остывании магмы и т. д. Наиболее распространены в подземных водах кислород (О2), углекислота (СО2), сероводород (Н2S), азот (N2), метан (СН2), благородные газы (гелий, аргон, радон и др.) 32 Органические соединения. В подземной воде почти всегда содержатся органические вещества и микроорганизмы. Содержание органики определяют по количеству кислорода, расходуемого на ее окисление. Окисляемость подземных вод обычно не превышает десятых и сотых долей миллиграмма О2 на 1 л. Окисляемость подземных вод резко увеличивается при загрязнении их сточными водами, при подпитывании болотными водами и т. д. Коллоиды. Передвижение в воде гидратов окислов железа Fe(ОН)3 и алюминия Al(ОН)3, кремнекислоты SiO2 происходит не в виде ионов, а в виде коллоидных частиц. Обычно содержание их в подземных водах невелико, хотя они и могут оказывать влияние на органолептические свойства. Например, содержание железа придает воде «ржавый привкус». В естественных условиях содержание в подземных водах взвешенных частиц крайне невелико. Условия формирования химического состава подземных вод. Химический состав подземных вод формируется под воздействием комплекса факторов: геологических, геоморфологических, климатических и др. Решающее влияние на формирование состава подземных вод оказывает общая геологическая и гидрогеологическая обстановка, приуроченность водовмещающих пород к той или иной зоне водообмена. Установлено, что минерализация подземных вод обычно увеличивается с глубиной, в этом направлении изменяется и их химический состав. Эта общая закономерность в формировании химизма подземных вод обусловлена ухудшением условий их циркуляции и водообмена. Химический состав подземных вод неглубокого залегания, имеющих важное значение для водоснабжения, формируется под заметным влиянием климата. При большом количестве атмосферных осадков и незначительном испарении, в условиях хорошей промытости пород формируются преимущественно пресные гидрокарбонатно-кальциевые воды. В районах с небольшим количеством осадков, интенсивным испарением и слабой промытостью пород формируются солоноватые и соленые воды хлоридного и сульфатного составов. Активно влияет на условия водообмена рельеф, поэтому он также является важным фактором в формировании химического состава подземных вод. Чем выше приподнята местность (водораздел, предгорье и др.), тем лучше промытость пород, активнее водообмен, а следовательно, более благоприятны условия для формирования пресных вод. Оценка качества питьевых вод. Качество подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, оценивается по органолептическим показателям (свойства, определяемые с помощью органов чувств), химическому составу и бактериальному загрязнению. Требования к качеству воды определяются государственными стандартами (ГОСТ 2874-73 и 2761-74). По органолептическим показателям питьевая вода должна быть прозрачна, бесцветна, не иметь неприятного запаха и вкуса. Величина сухого остатка не должна превосходить 1 г/л, общая жесткость – 7,0 мг-экв/л, содержание железа – 0,3 мг/л. Содержание отдельных растворенных не должно превышать предельных значений, допустимых нормами. В питьевой воде совершенно недопустима патогенная флора, то есть болезнетворные микробы. Агрессивность подземных вод. Воды определенного химического состава могут оказывать разрушающее действие на бетонные и металлические конструкции, фильтры скважин, обсадные трубы, наносы и т. д. Подземная вода, разрушающая бетон и металл, считается агрессивной. 33 Агрессивное действие вод на бетон проявляется в растворении его основного компонента – карбоната кальция, а также в образовании солей СаSО4 ∙ 2Н2О, МgSО4 ∙ 2Н2О и сульфоалюмината кальция («цементная бацилла»), вызывающего вспучивание и крошение бетона. Виды агрессивности подземных вод по отношению к бетону Вид агрессивности Признаки агрессивности Сульфатная Магнезиальная Общекислотная Углекислая Выщелачивающая Повышенное содержание иона SО42То же, Mg2+ Низкие значения рН. Вода обладает агрессивностью при рН<5 Наличие агрессивной углекислоты СО2 Низкое содержание иона НСО3- В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды учитывается и коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды – чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность. В нормах учитывается также толщина конструкций. Агрессивность подземных вод устанавливается сопоставлением данных химического анализа воды с требованиями нормативных документов (СНиП 11-28 – 73). После этого определяют меры борьбы с ней (применение сульфатостойких и других специальных цементов, гидроизоляция подземных частей сооружения, дренаж и т. д.). Агрессивное действие на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозией по отношению к железу и другим металлам. Примером может служить окисление (разъедание) металлических поверхностей с образованием ржавчины под действием кислорода, растворенного в воде: 2Fe + О2 = 2 FeО; 4 FeО + О2 = 2 Fe2О3; Fe2О3 + 3Н2О = 2 Fe(ОН)3. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода (с величиной общей жесткости менее 3,0 мг-экв/л) действует значительно агрессивнее, чем жесткая. Наибольшему разъеданию могут подвергаться металлические конструкции под влиянием сильно кислых (рН<4,5) и сильно щелочных вод (рН>9,0). Коррозии способствует повышение температуры подземной воды, увеличение скорости ее движения, электрические токи. (Согласно СНиП 11-31 – 74, защита водопроводных труб от коррозии производится формированием защитной пленки карбоната кальция на внутренней поверхности труб. Борьба с коррозией стальных и чугунных труб водопроводов производится фосфатированием (заполнение труб растворами гексаметафосфата и триполифосфата)). Классификация подземных вод по характеру их использования: 1. Хозяйственно-питьевые воды. Пресные подземные воды – лучший источник питьевого водоснабжения, поэтому использование их для других целей, как правило, не допускается. Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных подземных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров. В последнее время 34 для хоз.-пит. водоснабжения начинают использовать также солоноватые и соленые подземные воды после их искусственного опреснения. Запасы вод повышенной минерализации весьма значительны (более 0,5 млн. км3). 2. Технические воды – это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требования к подземным техническим водам отражают специфику того или иного вида производства. В отличие от питьевых качество технических вод оценивается прежде всего по величине жесткости. 3. Промышленные воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленное значение. Обычно они залегают в зоне весьма замедленное водообмена, минерализация их высокая (от 20 до 500-600 г/л), состав хлоридно-натриевый, температура нередко достигает 60-800С. Эксплуатация промышленных вод с целью добычи йода и брома рентабельна лишь при глубине залегания вод не более 3 км, уровне воды в скважине не ниже 200 – 600 м, количестве извлекаемой воды в сутки не менее 200 – 500 м3. 4. Минеральными называют подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т. д. Минеральные воды выходят на поверхность земли естественным путем, то есть в виде источников, или вскрываются с помощью буровых скважин. 5. Термальные воды имеют температуру более 370С. Термальные подземные воды залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров (в горноскладчатых районах) до нескольких километров (на платформах). По трещинам термальные воды часто выходят на поверхность земли, образуя горячие источники с температурой до 1000С (Камчатка, Кавказ, Тянь-Шань) – (гейзеры). Классификация подземных вод по условиям залегания: верховодка, грунтовые и межпластовые воды. Верховодка и грунтовые воды относятся к ненапорным водам и имеют свободную поверхность, давление на которую равно атмосферному. Межпластовые воды бывают ненапорными и напорными (артезианскими). Артезианские воды имеют пьезометрическую (напорную) поверхность. 35 Помимо этих основных типов подземных вод выделяют также трещинные, карстовые и подземные воды районов многолетней мерзлоты. Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю – зона аэрации и нижнюю – зона насыщения. Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне, непосредственно связанной с атмосферой и почвенным покровом, наблюдается просачивание атмосферных осадков и поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь частично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом. Зона аэрации играет важную роль в формировании подземных вод. Мощность, то есть толщина, зоны аэрации колеблется от нуля в заболоченных низинах до нескольких сотен метров в горных районах с сильно расчлененным рельефом. Непосредственно над поверхностью подземных вод располагается зона повышенной влажности – капиллярная кайма. Мощность каймы зависит от состава и структуры горных пород. Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде грунтовых, артезианских, трещинных и других вод. Мощность зоны насыщения, так же как и зоны аэрации, изменяется соответственно изменению уровня грунтовых вод. 36 Верховодкой называют временное скопление подземных вод в зоне аэрации. Залегает она на небольшой глубине от поверхности земли и образуется над локальными водоупорами (или полуводоупорами), в роли которых могут быть линзы глин и суглинков в песке, прослойки плотных пород и т. д. При инфильтрации вода временно задерживается на них и образует своеобразный тип подземной воды. Чаще всего это бывает связано с периодом 37 обильного снеготаяния и выпадения дождей. В засушливое время года верховодка может полностью исчезнуть в результате испарения и просачивания в нижележащие слои. В легко водопроницаемых невлагоемких породах (пески, галечники, трещиноватые породы) верховодка возникает сравнительно редко, так же как и в сильновлагоемких набухающих глинах. Наиболее типичны для нее различные суглинки и лессовые породы. Другой особенностью верховодки является возможность ее образования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости просачивания происходит замедленно и в верхней части толщи образуется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается. На склонах верховодка практически отсутствует. Чаще всего она наблюдается на водораздельных равнинных участках, особенно в понижениях микрорельефа (степные блюдца, западины и т.п.), задерживающие талые снеговые и дождевые осадки. По величине минерализации воды верховодки пестрые: от пресных (в северных районах страны) до солоноватых и соленых (в засушливых районах, с интенсивным испарением). Для постоянного водоснабжения верховодка непригодна. Она представляет значительную опасность для строительства. Грунтовыми водами называют воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, выдержанного по площади и расположенного на первом водоупорном слое. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, то есть сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободную поверхность грунтовых вод называют зеркалом (в разрезе – уровнем). Слой или пласт горных пород, насыщенный подземной водой, именуют водоносным слоем (пластом) или водоносным горизонтом. Расстояние от водоупора до уровня подземных вод называется мощностью водоносного горизонта (пласта). Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности – ненапорные. Иногда при вскрытии грунтовых вод скважинами и другими выработками наблюдается местный (обычно небольшой) напор. Возникает он при проходке скважинами прослоев водоупорных пород, залегающих в толще водоносного слоя. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и конденсации водяных паров, а также поступления воды из поверхностных водоемов (рек, озер и т. д.) Значительно реже грунтовые воды подпитываются со стороны глубокозалегающих напорных вод. Территория, на которой происходит питание водоносного горизонта, называется областью питания. Для грунтовых вод характерно совпадение областей питания и распространения. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении, образуя грунтовые потоки. В отдельных случаях их залегание имеет форму грунтовых бассейнов. Грунтовые воды в бассейнах остаются неподвижными и имеют горизонтальную поверхность. В противоположность им грунтовые потоки имеют соответствующие уклоны своей поверхности. Уклон поверхности грунтового потока обычно соответствует уклону рельефа поверхности земли и направлен в сторону ближайшего понижения. Грунтовые воды движутся от водоразделов к речным долинам, оврагам, балкам и т. д. В местах выхода грунтовых вод на поверхность образуются родники, мочажины, заболоченность. Это места естественной разгрузки (дренирования) грунтовых вод. Грунтовые воды имеют почти повсеместное распространение. Обычно грунтовые воды залегают на небольшой глубине – от 2 до 10 м. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатнокальциевый, сульфатный и сульфатно-хлоридный. Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карты гидроизогипс (линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Для построения карты гидроизогипс замеряют 38 уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод (hв) в скважинах определяют по формуле: h в = hп.з – h, где hп.з – абсолютная отметка поверхности земли; h – глубина залегания подземных вод от поверхности земли, м. Для определения направления и скорости движения грунтового потока проводят перпендикуляр к гидроизогипсе в данной точке. Грунтовый поток движется по нормали в сторону меньших отметок. Для определения уклона потока грунтовых вод разность отметок двух смежных гидроизогипс делят на расстояние между ними (по нормали) в соответствии с масштабом карты. Чем выше степень сгущения гидроизогипс, тем больше уклон поверхности потока подземных вод, а следовательно выше и скорость движения. Используя положение гидроизогипс, в любой точке карты можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс). Взаимосвязь поверхностных вод с грунтовыми. Грунтовые воды в отличие от верховодки, как правило, тесно связаны с поверхностными водами (реками, каналами, водохранилищами). Так, в период паводков на реках уровень грунтовых вод в береговой зоне повышается и грунтовые воды питаются со стороны реки. В период межени поток грунтовых вод направлен в сторону реки. Реки могут независимо от времени года постоянно питать грунтовые воды (характерно для горных рек, выходящих на равнину). Возможны также случаи, когда с одного берега река получает питание от грунтовых вод, а с другого его расходует. Если водоупорное ложе грунтового потока расположено выше уровня воды в реке, то гидравлическая связь между ними может отсутсвовать. Межпластовыми подземными водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорными слоями. В зависимости от условий залегания они могут иметь свободную поверхность или обладать напором. 1.Межпластовые ненапорные (встречаются редко) – уровень этих вод располагается ниже кровли первого водоупора, то есть водопроницаемый слой не имеет полного заполнения. Область питания межпластовых вод не совпадает с областью их распространения. Питание вод происходит на участках выхода водоносного пласта на дневную поверхность или путем фильтрации из рек и других поверхностных водотоков и водоемов. 2. Межпластовые напорные (артезианские) – воды, залегающие между двумя водоупорными слоями и обладающие гидростатическим напором. Они полностью насыщают водопроницаемый слой от подошвы до кровли. При вскрытии напорного водоносного пласта скважинами вода поднимается выше его водоупорной кровли, а при сильном напо39 ре и низких абсолютных отметках земной поверхности может самоизваться на поверхность с высотой фонтанирования до нескольких десятков метров. Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным (прогнутым) геологическим структурам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при моноклинальном (односклоновом) залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость или выклиниваются. Основные элементы артезианского бассейна (склона). Область питания распространена в приподнятой части артезианского бассейна, в месте выхода водопроницаемых слоев на поверхность. На ее территории происходит инфильтрационное питание напорных вод и переход поверхностного потока в подземный. Подземные воды в этой области не обладают напором и относятся к типу грунтовых. В местах с низкими отметками рельефа (долины крупных рек, озерные впадины, побережья морей) обычно располагаются области разгрузки артезианских вод. Напорные воды разгружаются непосредственно в реки или отложения рек, под уровень моря или выходят на дневную поверхность, образуя родники и заболоченности. Возможны и скрытые очаги разгрузки. В области разгрузки напорные воды смешиваются с грунтовыми и становятся ненапорными. Общее направление движения артезианских вод – от области питания к области разгрузки. 40 Основную площадь артезианского бассейна занимает область напора (распространения). На ее территории подземные воды находятся под постоянным напором, который возрастсет по мере приближения к осевой части синклинального прогиба. Величина напора вод характеризуется пьезометрическим уровнем, то есть уровнем, который устанавливается в скважинах при вскрытии напорных вод. Пьезометрический уровень выражается в абсолютных отметках. Он может в зависимости от условий залегания пород и рельефа местности подняться выше поверхности земли (положительный уровень)- самоизлив, стать вровень с нею или быть ниже поверхности земли (отрицательный уровень). Высота столба воды в метрах, отсчитываемая от кровли водного пласта, называется напором над кровлей h. Истинное значение напорности выражает пьезометрический напор Н, который отсчитывается от плоскости сравнения О-О (уровень моря) до пьезометрического уровня. Высота пьезометрического напора отсчитывается иногда не от плоскости сравнения, а от подошвы напорного водоносного пласта (Нп). Напор воды создается благодаря перепаду отметок высот областей питания и разгрузки. При использовании артезианских вод для водоснабжения наиболее перспективным считается самый верхний напорный горизонт, где обычно залегают слабоминерализованные (пресные) воды. Артезианские воды практически не загрязнены. Карты гидроизопьез. Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называют гидроизопьезами. 41 Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин и образуют единую гидравлическую систему. В зависимости от условий залегания: Трещинно- грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80 - 100 м). Буровая скважина может вскрыть водообильные трещинные воды или остаться безводной. Трещинно- грунтовые воды обычно расположены в зоне активного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава. Быстрое проникновение поверхностных осадков по системе трещин на глубину может приводить к загрязнению вод вредными органическими соединениями. Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещиноватыми горными породами. Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру, для них характерен напорный режим, нередко они разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники. Карстовые воды – подземные воды, циркулирующие по трещинам и пустотам карстового происхождения. Они перемещаются по системе взаимосвязанных крупных карстовых полостей (пещер), образуя карстовые потоки. Легко загрязнимы с поверхности земли. 42 Подземные воды районов многолетней мерзлоты. Надмерзлотные воды подразделяются на воды сезонно-талого (деятельного) слоя и воды надмерзлотных таликов речных долин и озерных впадин. Подстилающим водоупором для них служит многолетнемерзлая толща, пустоты, трещины поры которой постоянно заполнены льдом. Надмерзлотные воды образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод. Межмерзлотные воды содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты. Постоянная циркуляция, отчасти высокая минерализация, предохраняет их от замерзания. Подмерзлотные воды – циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны. Питание их происходит в основном за счет просачивания атмосферных вод по таликам сверху. Движение подземных вод (динамика). Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Они могут передвигаться в горных породах как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток. При установившемся движении подземных вод все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени. Фильтрационный поток называется неустановившимся, если основные его элементы изменяются не только от координат пространства, но и от времени. По гидравлическому состоянию различают безнапорные (неполное заполнение водой поперечного сечения водопроницаемого пласта), напорные (характеризуются полным заполнением поперечного сечения водопроницаемого пласта), напорно-безнапорные (потоки, образующиеся при откачке воды из скважин) потоки подземных вод. Движение потока может быть ламинарным и турбулентным. Фильтрационные потоки в плане можно рассматривать как плоские (струйки параллельны) или радиальные (сходящиеся или расходящиеся). Основной закон движения подземных вод. Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических напоров (уровней). Отношение разности напоров (∆Н = Н1 – Н2) к длине пути фильтрации l называют напорным или гидравлическим градиентом I = ∆Н/l. Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси Q = kф F ∆Н/l = kф F I, Где Q – расход воды или количество фильтрующей воды через поперечное сечение F в единицу времени, м3/сут; kф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м2; ∆Н – разность напоров, м; l – длина пути фильтрации, м; I – напорный градиент. 43 Водозабором называют сооружение, с помощью которого производится захват (забор) подземных вод для водоснабжения и других целей. К вертикальным – буровые скважины и шахтные колодцы, К горизонтальным – траншеи, галереи, штольни, К лучевым – водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. (одна скважина – одиночные, несколько – групповые). Если водозаборные сооружения вскрывают водоносный горизонт на полную его мощность – совершенные, а - несовершенные. Откачка воды из скважины обычно производится с помощью центробежных скважинных или поверхностных насосов. А также эрлифтов. Значительно реже наблюдается самоизлив скважин. Водоприемная часть водозаборных сооружений закрепляется фильтром различных типов и конструкций. Фильтры устанавливаются только в рыхлых и неустойчивых породах, чтобы не допустить выноса частиц водоносной породы в период отбора воды. Различают водозаборы с незатопленным фильтром (когда пониженный уровень стоит в пределах фильтра) и с затопленным (когда пониженный уровень при откачке стоит выше фильтра). Приток воды к водозаборным скважинам. Движение подземных вод к скважинам в период откачки происходит в форме радиального потока. Объем воды, выдаваемой скважиной или другим водозаборным сооружением в единицу времени, называется дебитом (производительностью), варажается в литрах в секунду или в м3 в час, сутки. Искусственное понижение уровня подземных вод для осушения водоносных пластов широко применяют в период строительства и эксплуатации водопроводноканализационных сооружений. Временное понижение уровня подземных вод (на период строительства) называют строительным водопонижением, длительное ( на несколько лет и более) – дренажом. Осушение местности при естественном дренаже происходит путем естественного стока подземных вод в понижениях (долины, реки, впадины). При искусственном дренаже уровень подземных вод снижается путем сбора и отвода воды специально построенными дренами (они не только собирают воду, но и отводят ее в сторону от дренирующй площади). Водопонизительные дрены: совершенные – прорезают весь осушаемый водоносный пласт, несовершенные – до водолупора не доходят. Горизонтальный дренаж: канавы (траншеи), подземные галереи. Вертикальный дренаж: откачка насосами или сброс воды в нижележащие водопроницаемые породы, с помощью водопонизительных скважин, иглофильтровых установок 44 (тонкие металлические трубы с фильтром на их нижних концах), поглощающих скважин и открытого водоотлива. Повышению уровня подземных вод способствует строительство водохранилищ орошение, утечка воды из подземных сетей водонесущих коммуникаций, промышленных бассейнов, водохранилищ и т. д. Понижение – длительные откачки воды для водоснабжения, осушение заболоченных земель, строительное водопонижение, дренаж. , 45 Понятие о депрессивной воронке и радиусе влияния При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня – депрессивная воронка, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается депрессионными кривыми, крутизна которых возрастает по мере приближения к оси скважины. Образование этой воронки вызывает отклонение токов вод от естественного направления и изменение поверхности грунтового потока. Радиус этой воронки называется – радиусом влияния (R). 46 Раздел 4. Основы грунтоведения. Основы грунтоведения. Понятие о грунтах и процессах формирования их свойств. Разделение осадочных грунтов на группы по генезису и свойствам. Генетические типы осадочных грунтов. Физико-технические свойства грунтов и их показатели. Литогенезис осадочных отложений. Глинистые грунты и их свойства. Минеральный состав осадочных грунтов. Классификационная характеристика дисперсных грунтов. Структура и текстура дисперсных грунтов. Гранулометрический состав осадочных грунтов. Виды воды в грунтах. Воздух и газы в грунтах. Основы грунтоведения Понятие о грунтах и процессах формирования их свойств. По составу и состоянию грунты можно разделить на скальные и полускальные, или твердые, горные породы, и нескальные, или землистые, горные породы. Скальные горные породы существенно отличаются от нескальных условиями происхождения (генезисом), характером внутренних связей и свойствами. Среди них выделяют магматические, метаморфические и твердые осадочные породы. Все они обладают прочными кристаллизационными связями, обычно залегают в виде сплошного массива, они не сжимаемы, водоустойчивы, практически водонепроницаемы. Вода может фильтроваться только по трещинам массивов. К группе скальных грунтов относятся так называемые полускальные грунты. Это сильно трещиноватые и выветрелые магматические породы, вулканические туфы и ряд осадочных пород – гипс, ангидрит, каменная соль, известняки-ракушечники, мел, опоки, кремнистые глины, и др. Особенно сильно размягчаются грунты, содержащие много глинистых минералов, а также ангидрит, который под влиянием воды переходит в гипс и вызывает набухание. После размягчения несущая способность грунтов уменьшается. Скальные грунты (с жесткими структурными связями) подразделяют на разновидности по чисто строительным свойствам. Критериями разделения служат: 1). временное сопротивление одноосному сжатию в водонасыщенном состоянии (очень прочные, прочные, средней прочности, малопрочные, полускальные); 2). коэффициент размягчаемости в воде (неразмягчаемые, размягчаемые) и 3). степень выветрелости (невыветрелые, слабо выветрелые, выветрелые и сильно выветрелые, или рухляки). Для грунтов, которые способны растворяться в воде (известняки, гипс, каменные соли и т.п.), еще устанавливается степень растворимости. Нескальные грунты (без жестких структурных связей) разделяются на крупнообломочные, песчаные и глинистые; а также на связные горные породы (глины, суглинки, супеси) и несвязные, сыпучие или раздельнозернистые породы (пески, галечники). Крупнообломочные и песчаные грунты подразделяются на основе крупности их зернового состава и степени влажности. Пески, кроме того, разделяются по плотности сложения, а крупнообломочные грунты – по значению степени выветрелости. Глинистые грунты по числу пластичности делятся на супеси, суглинки и глины; по показателю консистенции на твердые, пластичные, текучие. Среди глинистых грунтов в связи со специфическими свойствами в особые группы выделяются илы, просадочные лессовые грунты и набухающие грунты. Общая характеристика групп нескальных грунтов 1. Крупнообломочные грунты. Наибольшую прочность грунтов дают магматические горные породы, меньшую – выветрелые и осадочные горные породы. Под нагрузками – практически не уплотняются, обладают большой водонепроницаемостью, при полном заполнении пустот водой слабо сопротивляются воздействию сейсмических явлений. 47 2. Песчаные грунты - лишены структурных связей. При увлажнении пески приобретают небольшую связность. Свободная поверхность сухих песков (откос) имеет некоторый уклон, называемый углом естественного откоса. Под водой этот угол значительно меньше, чем у сухого песка. Песчаные грунты могут быть в рыхлом и плотном состоянии. Плотность их оценивается по величине коэффициента пористости (е). Чем ниже значение е , тем плотнее песчаный грунт. Рыхлые пески легко переводятся в плотное состояние с помощью вибрации, а также в результате фильтрующей воды. Пески капиллярно поднимают воду на высоту 0,9-1,0 метр при мелкозернистых песках, на 0,4- 0,5м – среднезернистых и на 0,1-0,2м – при крупнозернистых песках. Под давлением пески незначительно уплотняются, интенсивность их уплотнения почти не зависит от влажности. Пески относятся к устойчивым и надежным основаниям для инженерных сооружений. При проектировании оснований гидротехнических сооружений – определяют степень неоднородности (U) зернового состава крупнообломочных и песчаных грунтов: U=d60/d10 (неоднородны, если U > 3) 3. Глинистые грунты. Составными частями являются глинистые и пылеватые частицы. Содержание глинистых минералов с их огромной удельной поверхностью обусловливает особый тип связей между частицами. Основная связь осуществляется через пленки воды. Свойства глинистых грунтов зависят от влажности. Если содержится только прочносвязанная (гигроскопическая) вода, грунт имеет свойства твердого тела, при наличии рыхлосвязанной (пленочной) - пластичен, при наличии свободной воды переходит в текучее состояние. Глинистые грунты – это наиболее распространенные основания зданий и сооружений. Возведение инженерных сооружений – строительство осуществляется либо в самом поверхностном слое земли, и тогда этот слой служит основанием сооружения, либо производится под поверхностью земли, и тогда грунт является средой для сооружения. В обоих случаях горная порода изучается в ненарушенном сложении. Однако грунт может служить также и материалом для сооружения (земляные плотины, насыпи, дамбы). Грунтами следует считать любые горные породы, залегающие в поверхностной части земной коры. Геолого-генетические типы грунтов: магматические, метаморфические и осадочные. По генезису и свойствам осадочные отложения (грунты) разделены на шесть групп: 1. Глинистые и пылеватые. 2. Обломочные несцементированные. 3. Обломочные сцементированные. 4. Осадочные биогенные и хемогенные. 5. Отложения особого состава, состояния и свойств. 6. Техногенные накопления. Среди приведенных выше групп осадочных грунтов наиболее широко распространены грунты 1 и 2 групп, относящиеся по времени образования к отложениям четвертичного периода. Среди них выделяют девять генетических типов, существенно отличающихся по свойствам и составу. 1. Элювиальные грунты. Образуются как продукт выветривания коренных пород и остаются на месте своего образования, обычно на плато или пологих склонах. Представляют собой в зависимости от вида коренной породы дресву кристаллических пород либо глинистую или известковистую массу, образующуюся при выветривании сланцев, глин, известняков и мергелей. Эти грунты обладают большой неоднородностью состава и часто подлежат удалению при строительстве. 2. Делювиальные грунты. Образуются в результате смыва с водораздела или верхней части склона более легких компонентов грунта (глинистые и пылеватые частицы, мелкий песок) и отложения их на склоне или у его подножия. Соответственно мощность 48 этих грунтов увеличивается в нижней части склона. Глинистые делювиальные грунты, неоднородные по составу, часто бывают обводнены и недостаточно устойчивы (в них могут возникать оползни). 3. Коллювиальные грунты. Это рыхлые накопления осыпей и обвалов, возникающие как результат склоновых гравитационных процессов. Характер сортировки материала по крупности различен у обвалов и осыпей. Мощность коллювия обычно невелика. Глинистые разности часто обводнены, так как к ним приурочены спорадические водоносные горизонты или линзы грунтовых вод. 4. Пролювиальные грунты. Образуются в результате смыва и переноса поверхностных отложений временными дождевыми и снеговыми потоками. К ним относятся также селевые накопления. 5. Аллювиальные грунты. Представляют собой продукты переноса и отложения наносов рекой. Их состав и свойства различны для горных и равнинных рек. Аллювий горный рек состоит из валунно-галечникового, хорошо окатанного и отсортированного материала; аллювий равнинных рек содержит кроме гравия и песка, наиболее часто встречающихся в разрезе террас, глинистые, суглинистые и илистые отложения (пойма и надпойменная терраса, приустьевые части рек). Поэтому аллювий в зависимости от условий образования может быть как хорошо промытым и отсортированным, так и неодродным, содержащим в слое песка или гравия линзы суглинков, глин, торфа, ила. 6. Грунты ледникового происхождения. Имеют широкое распространение в северных районах страны. Выделяют три геолого-генетические разновидности: морена, вводно-ледниковые и озерно-ледниковые отложения. Морена характеризуется наличием тонкоистертого материала (супесь, суглинок, глина) с большим или меньшим количеством валунно-галечниковых образований и гравия. Обладает высокой естественной уплотненностью и малой водопроницаемостью. Вводно-ледниковые (флювиогляциальные) грунты представляют собой отложения водных потоков, образовавшихся в результате таяния ледников и напоминающих аллювиальные грунты. Отсортированы и могут быть представлены как песками, так и супесчано-суглинистыми разностями. Озерно-ледниковые грунты – это отложения ледниковых озер. Они характеризуются слоистостью и разнообразием состава. Типичным представителем являются ленточные глины Карелии. 7. Грунты озерно-болотного происхождения. Распространены в районах избыточного увлажнения, относятся к биогенным грунтам и представлены торфом, сапропелем, заторфованными и торфо-илистыми разностями, болотным мергелем. Общей чертой этих грунтов являются их высокая влажность, большая влагоемкость и малая несущая способность. 8. Грунты эолового происхождения – это барханные пески пустынь, дюнные пески побережий озер и морей и некоторые виды лессовых отложений. Характеризуются невысокой связностью, легким или пылеватым гранулометрическим составом, большой однородностью, а пески – хорошей отсортированностью. Лессовые грунты могут обладать просадочными свойствами. 9. Грунты морского и лагунного происхождения. Прибрежные отложения представлены песчано-галечниковыми грунтами, хорошо окатанными и отсортированными волноприбойной деятельностью. Лагунные отложения возникли в результате аккумуляции осадков, привносимых реками в мелководные, частично отделенные от моря бассейны. Здесь отсутствуют сильные течения и волноприбойная деятельность, а поэтому осаждение твердого стока рек происходит в условиях, способствующих накоплению тонкого материала, возникновению засоления, существованию биогенных процессов. Характерные грунты здесь – глины, суглинки, илы с прослойками солей. Грунты как дисперсные системы 49 Процессы физического, химического и биологического выветривания, приводящие к распаду скальных грунтов, обусловливают постепенное накопление в их толще все более мелких частиц, вплоть до коллоидно- раздробленных, в результате чего такие грунты приобретают свойства дисперсных систем. Промежутки между отдельными твердыми частицами грунта (грунтовые поры) в большей или меньшей степени бывают заполнены водой. Глинистые грунты, по внешнему виду находящиеся в сухом состоянии, содержат воду в форме тончайших пленок на поверхности минеральных частиц. При значительном увлажнении поры грунта полностью заполняются водой и представляют собой дисперсную систему, где дисперсной средой является вода, в объеме которой распределены твердые минеральные частицы грунта – дисперсная фаза. В мелких песчаных и особенно в глинистых грунтах благодаря наличию большого количества частиц в единице объема грунта общая поверхность раздела между твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой может быть очень велика. Дисперсность (степень раздробленности) придает веществу ряд новых важных свойств. Эти свойства бывают выражены тем сильнее, чем больше дисперсность вещества, т.е. чем мельче частицы, из которых оно состоит. Дисперсный грунт, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух (реже смесь газов), представляет собой многофазную (трехфазную или двухфазную) систему. Для свойств многофазной дисперсной системы большое значение имеет степень дисперсности. Дисперсные грунты состоят обычно из частиц разной крупности и разного минерального состава, поэтому они представляют собой полидисперсные полиминеральные системы. Особенно значительное влияние на свойства грунтов оказывает наличие в них коллоидной и глинистой (тонкодисперсной) частей. Увеличение содержания в грунте тонкодисперсных частиц ведет к значительному увеличению их суммарной поверхности, а следовательно, и к увеличению поверхности раздела между твердой, жидкой и газообразной фазами в грунте. Это обусловливает развитие сложных явлений взаимодействия между этими фазами. Характеристикой степени дисперсности грунта является его удельная поверхность отношение величины суммарной поверхности частиц к занимаемому ими объему. Частицы, имеющие поперечный размер менее 0,2 мкм, принять называть коллоидными, а присущие им особые свойства, обусловленные малым размером частиц, коллоидными свойствами. Частицы коллоидных размеров могут содержаться в различных грунтах. Очень часто они как бы чехлом покрывают поверхность более крупных частиц. Поэтому примерной границей, начиная с которой коллоидные свойства частиц грунта оказываются выраженными уже более или менее отчетливо, можно считать 1 мкм, т.е. коллоидными свойствами обладает вся глинисто-коллоидная часть грунта. Состав минеральной и органической частей грунтов Состав минеральной части грунтов. Различные горные породы и почвы, используемые в строительных целях, состоят из множества минералов. Минеральный состав оказывает значительное влияние на многие физические свойства и степень устойчивости грунта в инженерных сооружениях. Крупнообломочные грунты складываются из обломков наиболее стойких и прочных горных пород, обычно из групп минералов. С увеличением степени раздробленности частицы грунта превращаются в отдельные стойкие минералы, например кварц (преобладание кварца наиболее характерно для песчаных грунтов). В глинистых грунтах минеральный состав существенно изменяется в результате накопления в них глинистых минералов и других новообразований. 50 Большинство минералов имеют кристаллическое строение. Если минералы не имеют внешних признаков правильного строения, их называют некристаллическими или аморфными (кремень). Классификация минералов по химическому составу: Класс 1 Наименование Распространенные представители Силикаты (85% -1/3 всех ми- Полевые шпаты, роговые обманки, слюды, вторичные алюмосиликаты Кальцит Кварц, гематит Лимонит, гидроокись алюминия Пирит, марказит Гипс, ангидрит, мирабилит Галит, флюорит Фосфорит Графит, золото и др. нералов) 2 3 4 5 6 7 8 9 и 10 Карбонаты Окислы Гидроокислы Сульфиды Сульфаты Галоиды Фосфаты Вольфраматы и самородные элементы 6,7,8 класс – минералы имеют вторичное происхождение, растворимы в воде. Выделяют следующие четыре основные группы минералов: 1 группа – первичные минералы, не растворимые в воде (кварц, полевые шпаты, роговая обманка, авгит, слюды и другие первичные минералы, возникшие как продукты физического выветривания скальных горных пород. Полевые шпаты – сравнительно прочные минералы – твердость 6, практически нерастворимые в воде, совершенная спайность, стеклянный блеск. Различают два основных вида полевых шпатов: калиево-натриевые (ортоклазы) и кальциево-натриевые (плагиоклазы). Ортоклазы входят в состав гранитов, гнейсов, сиенитов и других пород, часто в весьма больших количествах. При выветривании полевых шпатов в условиях медленного выноса из них щелочных элементов могут образовываться гидрослюды. Слюды – сложные кислоты алюмосиликатов, в состав которых входят железо, магний и калий. Различают два основных их вида: биотит (черная слюда) и мусковит (белая слюда). Кварц- один из главных и наиболее прочных минералов многих магматических пород. В метаморфических породах (например, кварцитах) и в рыхлых обломочных (кварцевых песках) содержание этого минерала доходит почти до 100%. В чистом виде кварц встречается иногда в форме жил среди других горных пород. В физическом и химическом отношении является весьма устойчивым минералом. Прозрачную кристаллическую разновидность кварца называют горным хрусталем. Бурый железняк, или лимонит (2Fе2О3 ·3Н2О), представляет собой минерал ноздреватого землистого сложения; цвет буровато-желтый, красно-бурый, коричневый; твердость 1,0…5,5; образуется как вторичный минерал путем разложения магнитного железняка или же выпадения из грунтовых вод в местах выхода их на «дневную» поверхность (болотная руда). Весьма широко распространен в виде самостоятельных скоплений или в виде примеси в горных породах. Присутствие лимонита придает характерную красноватобурую или желтую окраску содержащим его горным породам. 51 Влияние первичных минералов на физико-технические свойства наиболее отчетливо видно в раздельнозернистых несвязных грунтах (пески и крупнообломочные грунты). В.В. Охотин сделал выводы: 1. при размерах фракций слюд и кварца менее 0,002 мм последний в противоположность слюдам пластичными свойствами не обладает. Наибольшая пластичность отмечается у биотита; 2. гигроскопичность и поглотительная способность частиц биотита и мусковита размером менее 0,01 мм оказываются большими у мусковита; 3. высота капиллярного поднятия для частиц менее 0,5 мм будет наибольшей у слюды, несколько меньшей у окатанного кварца, еще меньшей у полевого шпата и, наконец, наименьшая у остроугольного кварца; 4. коэффициент фильтрации наиболее высокий для фракций окатанного кварца размером от 2 до 0,01 мм; несколько ниже – для полевого шпата, еще ниже – для фракций остроугольного кварца размером 2 – 0,5 мм. 2 группа – относятся глинистые минералы (вторичные минералы, не растворимы в воде) – продукты химического изменения первичных минералов, не растворимые в воде, тонкодиспергированные коллоидные системы, придающие грунтам особые свойства. Минералы этой группы, в свою очередь, подразделяются на три группы – каолинита, монтмориллонита и гидрослюд. Все глинистые минералы отличаются следующими специфическими особенностями: - встречаются в виде тончайших коллоидных частиц (менее 0,001 мм) - имеют пластинчатую, чешуйчатую или игольчатую форму - несут на себе электрический заряд - имеют слоистое строение, состоящее из двух, трех или четырех слоев, входящих в пакет и образующих кристаллическую решетку, что сообщает частице значительную подвижность - по химическому составу представляют собой алюмо- или ферросиликаты. По степени активности взаимодействия с водой, обменной способности, способности к набуханию глинистые минералы различны. В группу каолинита входят каолинит, галлуазит, диккит и накрит. Характерным для этих минералов является одинаковый состав, прочная и относительно малоподвижная кристаллическая решетка, незначительное набухание при увлажнении и невысокая обменная способность. Каолинит – водный силикат алюминия – встречается в виде землистой массы в двух разностях: первичный каолинит и переотложенный, или вторичный. К группе монтмориллонита относятся монтмориллонит (трехслойный глинистый минерал), нонтронит и др. Монтмориллонит более дисперсный. Разновидности отличаются составом катионов в кристаллической решетке. Особенностью строения кристаллической решетки монтмориллонита является более слабая связь между пакетами, что обусловливает значительно большую его гидрофильность и набухаемость по сравнению с каолинитом. Кристаллическая решетка его при увлажнении может расширяться в результате раздвижки слоев. В группу гидрослюд (трехслойные глинистые минералы) входят продукты различной степени гидратации слюд (иллит, глауконит, гидромусковит, гидробиотит и др.). Минералы этой группы отличаются от двух предыдущих изменчивостью химического состава и по своим свойствам занимают промежуточное положение между группами каолинита и мотмориллонита. Межпакетная вода в иллитах обычно отсутствует. 3 группа – относятся водорастворимые соли (вторичные минералы, не растворимые в воде) – хлориды, сульфаты, карбонаты. Из них наиболее распространены в грунтах галит, гипс, ангидрит, кальцит. Гипс (СаSО4 * 2Н2О) – сульфаты. Заметно растворим (2…7 г/л) В песчано-глинистых грунтах упомянутые выше минералы могут встречаться в виде прослоев, 52 пропластков, стяжений, конкрений, или быть рассеянными по всему объему грунта. В случае, если в грунте содержится по массе более 0,3% растворимых солей, он считается засоленным и по своим свойствам относится к классу грунтов особого состава, состояния и свойств. 4 группа – относятся органические (от молодого слаборазложившегося торфа до полностью разложившегося органического вещества – гумуса, состоящего из гуминовой, ульминовой, кремниевой и других кислот) и органно-минеральные соединения, часто встречающиеся в грунтах, находящихся в условиях избыточной влажности (озерноболотные, пойменные, старичные, лиманные и другие отложения). Органические остатки, встречающиеся в грунтах, в большинстве случаев растительного происхождения. Они присутствуют в виде примесей, прослойков, примазок и могут иметь различную степень разложения: от молодого слаборазложившегося торфа до полностью разложившегося органического вещества – гумуса, состоящего из ряда органических соединений: гуминовой, ульминовой, кремниевой и других кислот. Органические вещества влияют на физико-технические свойства песчано-глинистых грунтов, придавая им большую гидрофильность, которая обусловливает их высокую влагоемкость, пластичность, липкость, сильное набухание, большую сжимаемость, малую прочность и низкую несущую способность, замедленное размокание и большую длительность осадки грунта под нагрузкой. В случае значительного содержания в песчано-глинистых грунтах растительных остатков (свыше 10%) их свойства изменяются настолько, что такие грунты принято относить к грунтам особого состава, состояния и свойств. Органические вещества, находящиеся в почве (в грунтах), являются существенной ее частью и важнейшим фактором, обусловливающим – ее плодородие. Это важное качество почвы строители используют при создании вдоль дорог снегозащитных полос из древесной и кустарниковой растительности, а также при укреплении откосов земляного полотна и обочин травяным покровом. Однако чрезмерная влагоемкость и пластичность часто являются отрицательными при возведении земляного полотна. При объективной оценке грунтов для целей строительства нельзя ограничиваться лишь визуальным описанием слоя или образца породы. В дополнение к обычным традиционным методам, применяемым при геологической съемке, используются специальные инженерно-геологические методы исследования (полевые или лабораторные). Структура и текстура дисперсных грунтов Под структурой понимают размеры, форму, характер поверхности и взаимоотношение отдельных частиц скелета, а также наличие внутренних связей, действующих между ними. Структура грунта складывается в процессе его формирования. Нарушение структуры сказывается на физико-технических свойствах грунта. Структура позволяет судить о степени дисперсности, глинистости, плотности, однородности грунта и косвенно о некоторых его строительных свойствах. Само понятие структуры неоднозначно для связных и несвязных грунтов. В несвязных (обломочных несцементированных и песчаных) грунтах различают рыхлую и плотную раздельнозернистую структуру. Структуру песков принято называть псаммитовой; крупнообломочных грунтов – псефитовой; если в основной массе пылеватых фракций содержатся в количестве нескольких процентов глинистых и песчаных частиц – алевролитовая; пелитовая структура характерна грунтам морского, лагунного, озерного происхождения, почти полностью состоит из глинистых (пылеватых) частиц. В зависимости от размера частиц псаммитовые структуры разделяются на грубо-, крупно-, средне-, мелко- и тонкозернистые, а псефитовые структуры – на крупные, средние и мелкие (валуны, галечники). 53 При содержании в песке определенного процента глинистой фракции структура называется пелитопсаммитовой, а при значительном содержании пылеватой фракции – алевропсаммитовой. Глинистые грунты обладают агрегатной структурой ввиду того, что в них твердая фаза скелета состоит обычно не из отдельных частиц, а из агрегатов частиц различной крупности. В зависимости от крупности агрегатов различают макро-, мезо- и микроагрегатами действуют внутренние связи. В глинистых грунтах различают следующие типы структур: пелитовую, алевролитовую, псаммопелитовую, фитопелитовую, алевритовую, конгломератовидную (брекчиевидную), сферопелитовую, оолитовую, реликтовую. Часто встречающимися являются: - пелитовая – характеризует грунты в основном морского, лагунного, озерного происхождения; состоит почти полностью из глинистых частиц (менее 0,001 мм); - алевропелитовая – характеризует большинство тяжелых разностей глинистых грунтов, в пелитовой массе до 50% алевролитовых (пылеватых) частиц; - псаммопелитовая – характеризует неоднородные по гранулометрическому составу глинистые континентальные отложения; в пелитовой массе находятся алевритовые и песчаные (до 50%) частицы; - алевритовая – характерна для лессовидных, делювиальных, пролювиальных отложений; в основной массе пылеватых фракций содержатся в количестве нескольких процентов глинистые и песчаные частицы. В раздельнозернистых структурах прочность грунта определяется прочностью минералов, из которых он состоит, так как никаких внутренних сил между частицами, кроме сил трения, нет. Дисперсные грунты с раздельнозернистой структурой обладают способностью уплотняться от динамической нагрузки, разжижаться в случае малой плотности и наличия небольшого количества коллоидных частиц, хорошо пропускать и впитывать воду. В отличие от раздельнозернистых грунты с агрегатными структурами обладают упругими свойствами, сильнее и дольше сжимаются под статическими нагрузками, мало реагируют на динамические нагрузки, являются, в большинстве случаев слабоводопроницаемыми, имеют плохую водоотдачу. Текстура – совокупность признаков, характеризующих неоднородность породы в пласте; определяется взаимным расположением и соотношением участков породы разных минерального состава и структуры. В отличие от структуры, изучаемой в образце, текстура изучается обязательно в слое, пласте. Она характеризует неоднородность грунта в пространстве, позволяет выделить инженерно-геологические элементы в основании сооружения, судить об анизотропности грунтов, находить в слое наиболее «слабые» прослойки; кроме того, текстура позволяет судить о генезисе грунта. В полевых условиях принято определять макротекстуру грунта в основном визуально. Д. Ломтадзе выделяет следующие типы текстур песчано-глинистых грунтов: 1. связанные с условиями отложения: слоистые (тонко-, толсто-, косо-, неправильнослоистые, ленточные, линзовидные и др.) и массивные; 2. связанные с диагенетическими изменениями: массивные для субаквальных осадков и макропористые для субаэральных, в частности лессовидных, грунтов; 3. связанные с процессами метаморфизма – сланцеватые; 4. связанные с высыханием осадка – усадочные, сетчатые; 5. связанные с оползневыми явлениями – плойчатые; 6. связанные с эоловыми явлениями – гребенчатые и кавернозные; 7. связанные с суффозионными явлениями – дырчатые и провальные. Степень сохранности структуры и текстуры грунта в его природном залегании называется 54 сложением грунта. Гранулометрический состав осадочных грунтов Дисперсные грунты состоят из твердой фазы и пор, заполненных воздухом и водой с растворимыми в ней солями. Размеры твердых частиц изменяются в широком диапазоне от долей миллиметра до десятков сантиметров. Под гранулометрическим составом понимают относительное содержание в грунте фракций различного размера, выраженное в процентах к массе абсолютно сухого грунта. Фракция – это группа частиц (или обломков) грунта определенного интервала размеров. Каждая фракция имеет свое название: Частицы окатанные угловатые размер, мм Валуны (камни)………..800 – 200 Галька (щебень)………200 – 20 Гравий (дресва)……….20 – 2 Песчаная………………………………2 – 0,05 Пылеватая…………………………….0,05 – 0,005 Глинистая ……………………………менее 0,005 Первые три фракции обычно называют грубообломочными, а песчаную, пылеватую и глинистую – мелкообломочными, или мелкими, фракциями. Грунты, в которых преобладают или которые целиком состоят из крупнообломочных фракций (валуны, галька, гравий), представляют собой гравитационные, аллювиальные, ледниковые или морские отложения. Они слагают каменные осыпи, россыпи, пляжи и заполняют русла горных рек. В большинстве случаев эти отложения лишены мелкого песчано-глинистого заполнителя. Наоборот, мелкие фракции составляют скелетную основу всех рыхлых песчано-глинистых грунтов самого различного генезиса. Песчаные фракции состоят в основном из окатанных и угловатых обломков кварца, полевого шпата и других пород. По размеру они условно разделяются на гравелистые (2-1 мм), крупные (1- 0,5 мм), средние (0,5- 0,25 мм), мелкие (0,25 – 0,10 мм) и тонкие (0,10 – 0,05 мм). Внутренние связи между частицами отсутствуют. Пылеватые фракции состоят преимущественно из тонкодисперсного кварца и аморфной кремниевой кислоты. Разделяются на крупнопылеватые (0,05- 0,01 мм) и мелкопылеватые (0,01 – 0,005 мм). Связи между частицами в сухом состоянии практически отсутствуют; во влажном состоянии появляется липкость. Глинистые фракции состоят из вторичных минералов – монтмориллонита, каолинита, иллита, гидратов окислов железа и марганца, гуматов. По своим размерам это предколлоидные и коллоидные частицы (d=0,005-0,0001 мм), несущие на себе электрический заряд и обладающие рядом особых свойств. Классификация песчано-глинистых и грубообломочных грунтов по гранулометрическому составу Наиболее часто при проведении инженерно-геологических изысканий используют трехчленную классификацию песчано-глинистых грунтов по гранулометрическому составу. По этой классификации все грунты в зависимости от содержания глинистой фракции разделяются на четыре основные вида: глина (содержание глинистой фракции более 30%), суглинки (30-10 %), супеси (10-3 %) и пески (менее 3%). В случае, когда содержание пылеватых частиц больше, чем песчаных, грунту дополнительно дается название «пылеватый». Например, если из трех основных фракций 55 грунта содержание глинистой фракции составляет 25%, пылеватой – 60%, а песчаной – 15%, то такой грунт следует называть суглинком тяжелым пылеватым. Для деления на виды раздельнозернистых грубообломочных и песчаных грунтов служит классификация СНиП II-15 – 74. Для выражения гранулометрического состава грунтов существует ряд способов. Наиболее распространен в производственной практике громоздкий и не всегда удобный табличный способ. Вид грунта Содержание фракций, % Глинистых (<0,005 мм) Глина Более 30 Глина пылеватая Более 30 Суглинок тяжелый 30-20 Суглинок тяжелый пылеватый 30-20 Суглинок средний 20-15 Суглинок средний пылеватый 20-15 Пылеватых (0,005 – 0,05 Песчаных (0,05 – 2 мм) мм) Больше, чем пылеватых Больше, чем песчаных Больше, чем пылеватых Больше, чем песчаных Больше, чем песчаных Больше, чем пылеватых Больше, чем песчаных Суглинок легкий 15-10 Суглинок легкий пылеватый 15-10 Супесь 10-3 Супесь пылеватая 10-3 Песок Больше, чем пылеватых Больше, чем песчаных Больше, чем пылеватых менее 3 Широкое распространение имеет способ суммарной или интегральной кривой. В простом или полулогарифмическом масштабе строят график, на горизонтальной оси которого откладывают диаметр фракций (или логарифмы диаметров), а на вертикальной – суммарное содержание фракций. На каждый график может быть нанесено несколько кривых, изображающих гранулометрический состав исследованных образцов, причем характер кривой говорит об однородности грунта: чем круче кривая, тем однороднее грунт по гранулометрическому составу, и наоборот. 56 Суммарное содержание фракций, % Су мма рно е содер жание фра кци й, % 80 60 80 40 60 20 40 020 0,001 0,01 0,1 1,0 10 Диаметр фракций (lg) Кроме того, суммарная кривая позволяет находить некоторые величины, характеризующие состав грунта или необходимые для эмпирических расчетов. Это – эффективный диаметр (Д=10), средний диаметр (Д=60) и коэффициент неоднородности грунта. Эффективный диаметр – это такой размер частиц, мельче которого в грунте содержится 10% фракций. Эта величина применяется при расчетах коэффициента фильтрации. Средний диаметр – это такой размер частиц, мельче которого в грунте содержится 60 % фракций. Коэффициент неоднородности грунта (Кн) – это отношение Д=60 / Д=10. Если для песков Кн≥3, то они считаются неоднородными. Пески, содержащие фракцию 0,1 -0,25 мм в количестве более 90%, являются мелкими однородными и имеют Кн<3. Однородными могут быть также крупно- и среднезернистые пески. Виды воды в грунтах Дисперсные грунты вследствие особенностей своего строения имеют непосредственную связь с внешней средой – атмосферой, гидросферой и биосферой. Верхняя толща грунтов, доступная проникновению в нее воздуха и атмосферных осадков, называется зоной аэрации. Вода находится в грунтах в различных видах и состояниях. Это обусловливает изменение свойств грунтов при изменении содержания в них влаги (глина, в сухом состоянии – твердое тело, при увлажнении – пластична, то есть изменяет форму без разрыва сплошности под действием внешней нагрузки, в состоянии переувлажнения – теряет связность и начинает течь). 57 Классификация форм и видов воды в грунтах: Вода в форме пара находится в порах, перемещается из мест с большей в места с меньшей упругостью пара, конденсируется в жидкую воду при понижен температуры, а при повышении последней вновь переходит в парообразное состояние; может переходить также в другие виды, в частности в связанную воду. Связанная вода по своим свойствам резко отличается от свободной воды. Выделяют прочносвязанную и рыхлосвязанную воду. Количество связанной воды зависит от гидрофильности минералов, степени дисперсности грунта и наличия растворимых солей. Прочносвязанная вода удерживается на поверхности частиц с силой в несколько мегапаскалей. Ее свойства резко отличны от свойств свободной воды и напоминают свойства твердого тела. Плотность ее изменяется в пределах 1,2 -1,4 г/см3; температура замерзания -780С; неэлектропроводна, малотеплопроводна; не обладает смачиванием; не выщелачивает солей; не может свободно передвигаться, так как силы молекулярных связей превышают силы тяжести. В присутствии прочносвязанной воды глинистые грунты не пластичны, имеют твердую консистенцию. Рыхлосвязанная вода образует на поверхности частиц значительно более толстые пленки, чем прочносвязанная. По своим свойствам данный вид связанной воды также заметно отличается от свободной: не подчиняется законам тяжести, не растворяет, замерзает при температуре ниже 00с, имеет высокую плотность. Тем не менее эта вода менее прочно связана с поверхностью частиц и при известных условиях может переходить в свободную воду. В присутствии рыхлосвязанной воды грунт может набухать. Капиллярной водой называется вода, заполняющая мелкие поры – капилляры. Бывает трех видов: воды углов пор, подвешенная и собственно капиллярная. Находится под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения. Вода углов пор – капельная форма влаги, занимающей ограниченный объем пор. Подвешенная вода заполняет капилляры, но не имеет связи с водоносным горизонтом. Собственно капиллярная вода связана с уровнем грунтовых вод и образует так называемую капиллярную кайму, мощность которой зависит от высоты капиллярного поднятия и изменяется для супесей от 1 до 1,5 м, а в суглинках и глинах от 3 до 8 м. Свободная, или гравитационная, вода – это вода, находящаяся в жидком состоянии, подчиняющаяся силе тяжести, передвигающаяся в порах под действием разности напоров, обладающая смачивающей, растворяющей и выщелачивающей способностью. По характеру движения она может разделяться на просачивающуюся воду (находящуюся в зоне аэрации, движется сверху вниз под действием силы тяжести) и воду грунтового потока (движется в горизонтальном направлении в зоне полного водонасыщения). 58 Вода в твердом состоянии. При отрицательной температуре вода замерзает и превращается в лед, находящийся в грунтах в виде прослойков, линз, кристаллов. Кристаллизационная и химически связанная вода разделяется на воду, входящую в состав минералов и адсорбированную на поверхности минералов. Эти виды воды влияют на свойства грунтов лишь косвенно, приобретая значение при исследовании минерального состава пород. Изменение количества воды в грунте или переход из одного ее состояния в другое ведет к изменению свойств грунта. Воздух и газы в грунтах Содержание воздуха и газов в грунтах называется газовой составляющей грунта. Воздух и газы в грунтах могут быть атмосферного, органического и химического происхождения. В количественном отношении газовая составляющая наиболее предпочтительна в зоне аэрации. Содержание воздуха в зоне насыщения, то есть ниже уровня грунтовых вод, невелико, а значительное содержание растворимых в воде газов наблюдается лишь в минерализованных подземных водах. Воздух и газы в грунтах встречаются в следующих состояниях: свободном – в макропорах, трещинах, пустотах; защемленном – в глинистых грунтах, в виде пузырьков в тонких порах; растворенном – в воде, заполняющей поры грунта; адсорбированном – на поверхности твердых частиц. Наличие в грунте защемленного или адсорбированного воздуха и газов ведет: а) к увеличению упругости дисперсного грунта, что повышает его прочность, уменьшает сжимаемость, понижает водопроницаемость; б) к неравномерности замачивания, увлажнения и водонасыщения грунта в массиве; в) к выщелачиванию и суффозионному выносу из грунта легкорастворимых солей, гипса, карбонатов и образованию карстовых пустот; г) к возникновению химических реакций с образованием цементирующих растворов и литификации грунта. Воздух и газы в молодых озерно-болотных или заболоченных аллювиальных отложениях часто приводят к разуплотнению, разрыхлению, нарушению их структуры и, их подвижности или текучести. Высокая газопроницаемость таких грунтов обусловливает выделение из них газов типа метана, сероводорода и других, что представляет опасность при проходке горных выработок. Физические свойства дисперсных грунтов и их характеристики 2. Физические свойства грунта – это вещественный состав, плотность, пористость и влажность грунта. Плотность грунта – отношение массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему. m  mв M  т  Vт  Vп V , mт – масса твердых частиц, г; mв – масса воды в грунте, г; Vт – объем твердых частиц, см3; Vв – объем пор, см3; М – масса грунта, г; V – объем грунта, см3. Для большей части дисперсных грунтов (исключая илы, торфы и некоторые другие) значения плотности грунта колеблются в пределах 1,5 – 2,2 г/см3. Наиболее распространенными способами определения плотности связных песчаноглинистых грунтов являются метод режущего кольца и метод парафинирования. Для глинистых грунтов с большим количеством крупных обломков гальки, щебня, валунов 59 определение плотности грунта ненарушенного сложения производится в полевых условиях методом шурфиков. Плотность сухого грунта – отношение массы сухого грунта с ненарушенной структурой (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (с сохранением пор). Плотность сухого грунта равна отношению массы твердых частиц к объему всего грунта d  m   т 1  V Плотность сухого грунта характеризует концентрацию частиц в единице объема грунта, находящегося в ненарушенном сложении, значение плотности сухого грунта для большинства грунтовых разностей изменяются в пределах от 1,3 до 1,85 г/см3. Плотность частиц грунта – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта. s  mт т Плотность частиц косвенно характеризует минеральный состав грунта. Для большинства песчано-глинистых грунтов она колеблется в пределах 2,5 – 2,8 г/см3. Высокие значения ее связаны с содержанием в грунте тяжелых глинистых минералов типа каолинита и монтмориллонита; низкие значения обусловлены наличием органических примесей (торф, гумус). На величину плотности частиц влияют также растворимые соли, содержащиеся в грунтах. Пески – 2,65; супеси – 2,67; суглинки – 2,70; глины – 2,75; лессы – 2,68; торф – 0,60 3 г/см . Пористость характеризует объем всех пустот в грунте. Различают макро- и микропористость. Пористость зависит от минерального и гранулометрического состава, а также от условий формирования грунтов. К макропорам относят пустоты больших размеров: корнеходы, кротовины и др. В понимании структуры грунта макропористостью называют видимую невооруженным глазом пористость лессовидных грунтов, напоминающую булавочные уколы. Число макропор на 1 см2 площади грунта является косвенной характеристикой степени разуплотнения лессовых грунтов и склонности их к просадкам. Для различных грунтов она колеблется в значительных пределах и зависит от степени дисперсности грунта: чем более дисперсный грунт, тем у него больший объем пустот. Представления о размерах пустот показатели пористости не дают. Абсолютная пористость(n) – это отношение объема пор к объему всего грунта, выраженное в процентах. Коэффициент пористости (е) - это отношение объема пор к объему твердых частиц в долях единицы. Обозначив объем твердых частиц Vc, а объем пор Vn, получим физическое выражение абсолютной пористости и коэффициента пористости n Vn  100 , Vn  Vc 60 е Vп Vc Пористость раздельнозернистых грунтов можно определить экспериментально методом водонасыщения. Пористость связных грунтов вследствие невозможности вычислить объем пор получают расчетным путем с помощью показателей плотности сухого грунта (ρd) и плотности частиц (ρs). Так как Vп + Vc = 1, то Vп = 1 - Vc Где Vп - объем пор в единице объема, или пористость (n). Выражая Vc через ρd и ρs , получим d Vc=  s После всех преобразований получаем следующую формулу для величины абсолютной пористости: s  d 100 n= d s  d Аналогично для коэффициента пористости е=  d Как уже указывалось, приведенные формулы являются расчетными. Для преобразования же одного показателя в другой служат формулы пересчета е n 100 n= е= 1 е 1 n СНиП II-15-74 рекомендует классифицировать пески по плотности их сложения в зависимости от величины коэффициента пористости е, полученного в лаборатории на образцах ненарушенного сложения. Классификация песков по плотности Коэффициент пористости е для песков Вид песка Пески гравелистые, крупные и средние Пески мелкие Пески пылеватые плотных Средней плотности рыхлые <0,55 0,55-0,70 >0,70 <0,60 <0,60 0,60-0,75 0,60-0,80 >0,75 >0,80 С увеличением размера пор в песках и величины пористости в глинистых грунтах увеличивается их водопроницаемость. Сжимаемость грунтов будет тем больше, чем выше значение их пористости. Это хорошо видно на примере торфо-илистых отложений, имеющих высокую пористость. Показатели прочности (сопротивлению сдвигу) тем выше, чем выше плотность грунта. Поэтому, например, рыхлые пески малоустойчивы в откосах и легко выдавливаются при приложении к ним нагрузки, то есть имеют малое сопротивление сдвигу. 61 Влажность грунта – количество воды, содержащееся в грунте, выражается в % или в долях единицы от массы сухого грунта или в виде отношения объема воды, содержащейся в порах, к объему сухого грунта. Естественная (или природная) влажность w– это все количество воды, которое содержится в порах грунта в его природном состоянии. Она может изменяться в зависимости от климатических и гидрогеологических условий, колебаться на протяжении года или даже суток в известных пределах, но при этом всегда остается характерной для данного генетического вида грунта. Весовая (или абсолютная) влажность – отношение массы воды к массе абсолютно сухого грунта, выраженное в процентах. Весовая влажность = масса воды 100 Масса сухого грунта Полная влагоемкость wп– это такая влажность, при которой все поры заполнены водой (справедливо лишь для раздельнозернистых грунтов). Влажность в зоне аэрации непостоянна. Влажность в зоне водонасыщения практически не меняется и количественно соответствует пористости грунта. Эта влажность и называется полной влагоемкостью, а грунт, имеющий такую влажность, водонасыщенным. е Полная влагоемкость может быть определена как  п =  , s где е – коэффициент пористости, ρs – плотность частиц грунта. Относительная влажность, или степень влажности, G показывает, какую часть объема пор в грунте занимает вода, то есть характеризует соотношение фаз в грунте. Относительная влажность равна отношению естественной влажности к полной влагоемкости  G=  п Степень влажности рассчитывается по одной из следующих формул:  s  d  s  1  n    G= , во всех случаях влажность  и пористость n составе n n ляют доли единицы. В соответсвии со СНиП существует следующая классификация грунтов по степени влажности: Состояние влажности грунта Слабовлажные Влажные Водонасыщенные Степень влажности, G 0-0,5 0,5-0,8 0,8-1,0 Свойства и состояние песчано-глинистых грунтов при взаимодействии с водой К водно-физическим свойствам относятся пластичность, липкость, усадка, размокание, набухание. Собственно водные свойства – это способность грунта содержать, отдавать и пропускать через себя воду. К ним относятся: водоотдача, водонасыщение, водопроницаемость. 62 Пластичностью называют способность глинистого грунта под действием внешних усилий менять свою форму без разрыва сплошности, а после прекращения действия усилия сохранять полученную форму. Пластичность – свойство, противоположное упругости. Пластичными свойствами грунты обладают в определенном диапазоне влажностей. Эти влажности называются пределами пластичности. Верхним пределом пластичности, или границей текучести,  L называется такая влажность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние. Нижним пределом пластичности, или границей раскатывания,  р называется такая влажность, при которой грунт переходит из пластичного в полутвердое или твердое состояние. Консистенцией называют степень подвижности глинистых частиц, связанную с определенной для данного грунта влажностью (формы консистенции глинистых грунтов: текучая, текучепластичная, мягкопластичная, тугопластичная, полутвердая и твердая). В первых трех формах вследствие ослабления эластичных вводно-коллоидных связей подвижность частиц большая, что придает грунтам свойства вязких жидкостей или паст. Три другие формы консистенции характерны для грунтов, находящихся в состоянии твердого тела или близком к нему. В основу классификации положено число пластичности. Число пластичности – интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии и определяется как разность между границей текучести (влажность при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние) и границей раскатывания (влажность, при которой грунт переходит из пластичного в полутвердое или твердое состояние) данного грунта. Ip =  L   p , где  L - влажность границы текучести (верхний предел пластичности),  р - влажность границы раскатывания (нижний предел пластичности). Дисперсные грунты принять разделять по числу пластичности: Грунт Число пластичности Ip Граница текучести, % Значение  мax , % Песок Менее 7 Супесь 0,01-0,07 26-16 7-15 Суглинок 0,07-0,17 42-26 15-25 Глина >0,17 Более 42 более 25 С инженерно-геологической точки зрения консистенция грунта косвенно связана с его механическими свойствами. Один и тот же грунт в твердой консистенции обладает меньшей сжимаемостью, чем в пластичной консистенции. При влажностях в диапазоне от текучепластичной до мягкопластичной консистенции грунт обладает липкостью и его труднее разрабатывать механизмами. В текучепластичной и текучей консистенции его прочность падает до нуля. 63 В процессе исследований очень важно определить, в каком состоянии находится грунт в условиях естественного залегания. Для этого достаточно сравнить природную влажность грунта с влажностью того же грунта на границах текучести и пластичности. Очевидно, что при влажности  <  р грунт будет находиться в твердом состоянии, при  р <  <  L – в пластичном состоянии, при    L – в текучем состоянии. Консистенция грунта характеризуется показателем консистенции (IL)  р IL =    , L p Где  - естественная влажность,  р – влажность на границе раскатывания,  L – влажность на границе текучести, Ip – число пластичности. В зависимости от показателя консистенции глинистые грунты разделяют: Вид и состояние грунта Показатель консистенции Ip Суглинки и глины: Твердые Полутвердые Тугопластичные Мягкопластичные Текучепластичные Текучие Супеси: Твердые Пластичные Текучие <0,00 0,00-0,25 0,25-0,50 0,50-0,75 0,75-1,0 >1,0 <0,00 0,00-1,0 >1,0 Липкость – способность связного грунта при определенной влажности налипать на различные предметы, приходящие в соприкосновение с грунтом. Липкость обусловлена силами отрыва, возникающими на границе раздела «грунт постороннее тело», т.е. между частицами грунта, одетыми гидратными оболочками, и поверхностью постороннего тела. Выражается липкость в паскалях. Величина липкости зависит от гранулометрического и химикоминерального состава грунтов, а также от их влажности. Наиболее сильно липкость проявляется в глинистых и пылеватых грунтах. Чаще всего это солонцеватые, а также гумусированные грунты. Максимальной величины для данного грунта липкость достигает при влажности, соответствующей пределу липкости, который лежит между границей текучести и границей раскатывания. Усадка – уменьшение объема и линейных размеров образца грунта при высыхании. Явление усадки свойственно глинистым и органогенным грунтам. Оно сопровождается неравномерной деформацией грунта при высыхании, появлением в нем трещин, увеличением его водопроницаемости. Этот процесс часто наблюдается в откосах оросительных и осушительных каналов, в глинистых и заторфованных грунтах после удаления из них воды. Усадка ведет к переходу глинистого грунта из пластичного состояния в полутвердое и твердое, причем объем массы грунта уменьшается до определенного предела, после которого остается постоянным. Влажность, соответствующая постоянному объему грунта, называется пределом усадки (  у). Усадку принято характеризовать тремя показателями: относительной линейной, относительной объемной и пределом усадки (влажностью усадки), которые определяются лабораторным путем. 64 Набухание – свойство глинистых грунтов увеличиваться в объеме при взаимодействии с водой, сопровождается увеличением пористости и влажности грунта; при этом консистенция его становиться более мягкой (грунт переходит из твердого состояния в полутвердое, тугопластичное и даже пластичное). Набухание обусловлено наличием в грунте гидрофильных минералов (группы монтмориллонита), значительным содержанием глинистой фракции, высокой удельной поверхностью. Набухание – процесс, обратный усадке; он приводит к ослаблению внутренних связей в грунте, уменьшению его прочности, увеличению сжимаемости, уменьшению водопроницаемости. При переменном увлажнении, которое имеет место, например, в откосах земляных каналов или гидротехнических насыпей, явления усадки и набухания сменяют друг друга, в результате чего грунт теряет свою прочность: внутренние связи ослабляются, грунт частично отслаивается, частично оползает, что приводит к потере формы и деформациям поперечного сечения каналов. Набухание характеризуется двумя показателями: свободным набуханием и давлением набухания. Свободное набухание обусловлено приращением объема набухающего грунта по отношению к первоначальному объему. Косвенно этот показатель дает представление о содержании глинистой и коллоидной фракций. Давление набухания развивается в глинистом грунте как реакция внешней нагрузке, передаваемой на грунт от сооружения или веса вышележащей толщи грунта. Это давление может достигать величины 0,6 – 0,8 МПа и возникает в основании гидротехнических сооружений после пуска в них воды, что приводит к деформациям этих сооружений вследствие неравномерного поднятия разных участков фундамента. Размокание- это потеря сплошности и прочности грунта в результате ослабления или разрушения внутренних связей при взаимодействии с водой. Размокание обусловлено свойством некоторых грунтов размокать и характеризует степень водоустойчивости грунтов. Инженерно-геологическое значение это явление приобретает в каналах, гидротехнических насыпях и других гидротехнических сооружениях, причем конечным результатом размокания является потеря грунтом прочности, отслаивание и оплывание его на откосах. Как и другие вводно-физические свойства, размокание зависит от минерального состава, состава поглощенного комплекса, характера внутренних связей, а также от начальной влажности грунта. К грунтам, подверженным быстрому размоканию, относятся лессы и лессовидные суглинки, солонцы, пылеватые грунты. Многие грунты перед размоканием предварительно набухают, после чего теряют сплошность, превращаясь в бесструктурную массу. Некоторые грунты при размокании растрескиваются и расслаиваются на отдельные чешуйки. Косвенно размокание характеризует невысокую уплотненность, склонность к просадочности или низкую прочность внутренних связей (например, в лессовых грунтах); выражается скоростью (временем) размокания, влажностью размокшего образца и характером распада образца в воде. Водонасыщение – свойство дисперсных грунтов впитывать и удерживать в себе свободную воду. Этим свойством обладают как глинистые, так и раздельнозернистые грунты, так как те и другие имеют поры, в которых удерживается влага, однако характер водонасыщения, его скорость, количество удерживаемой воды зависят от ряда факторов, из которых основными являются: величина удельной поверхности, гидрофильность, гранулометрический состав, пористость. 65 Водонасыщение связано с величиной удельной поверхности: скорость водонасыщения тем большая, чем меньше удельная поверхность (пески насыщаются значительно быстрее, чем глины). Количество удерживаемой воды зависит, с одной стороны, от пористости грунта, с другой – от его гидрофильности. Так, пески впитывают большое количество влаги, которая содержится в них в свободном состоянии, однако ее количество легко изменяется либо вследствие водоотдачи, либо в результате испарения. Гидрофильные глинистые грунты активно поглощают воду, однако наряду со свободной влагой в них содержится и связанная вода. Водонасыщение грунта wВ можно выразить m В  В , mc mВ – масса поглощенной грунтом воды, mc – масса абсолютно сухого грунта. Принято говорить также о дефиците водонасыщения D, под которым понимают разность между полной влагоемкостью  п и естественной влажностью грунта  D=  п -  Водоотдача – способность грунтов свободно отдавать воду под действием силы тяжести. Раздельнозернистые грунты обладают хорошей воотдачей, численно равной объему их пор. Глинистые грунты имеют плохую водоотдачу, так как значительная часть влаги остается в них в виде связанной воды. Если взять две трубки, одну из которых заполнить песком, а другую – глиной, затем водонасытить оба грунта до состояния полной влагоемкости, после чего дать воде спокойно стечь, то количество возвращенной воды в первой трубке составит 96 – 98%, а во второй – только несколько процентов. Величина водоотдачи играет большую роль при осушении грунтов. Некоторые грунты обладают малой водоотдачей. Так, например, истинные плывуны практически имеют водоотдачу, равную нулю, и их можно заставить отдавать воду только с помощью электроосмотического осушения. Водоотдачу чистых крупных песков приблизительно можно считать равной их пористости. Водопроницаемость - способность грунта пропускать через себя воду (водопроницаемые и водонепроницаемые). Вода в различных горных породах может проходить по порам, трещинам, кавернам и другого рода пустотам. В зависимости от вида и размера этих пустот характер движения воды может быть либо спокойным параллелеструйным (ламинарным), либо вихреобразным (турбулетным). Показателем водопроницаемости в гидрогеологии и инженерной геологии служит коэффициент фильтрации – Кф. В соответствии с законом Дарси расход воды при фильтрации Q = Кф ·F ·I, Q – расход воды, протекающей через грунт за единицу времени, м3/с; Кф – коэффициент фильтрации, или кажущаяся скорость фильтрации при градиенте, равном единице, м/сут; F – площадь сечения грунта, через которую проходит вода, м2; I – гидравлический градиент (безразмерная величина). Q Кф = FI Приклонский приводит усредненные значения коэффициентов фильтрации различных грунтов, которые дают представление о диапазоне изменения этого показателя для грунтов различного гранулометрического состава. 66 Грунт Галечник чистый Галечник с песчаным заполнителем Пески чистые разной крупности Пески глинистые, супеси Суглинки Глины Усредненные значения Кф, м/сут Более 100 100-200 50-2 2-0,1 менее 0,1 менее 0,001 Для связных пород вследствие их анизотропности коэффициенты фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях могут существенно отличаться. Такие явления отмечены в грунтах, неоднородных по своему строению, - лессовых суглинках, ленточных глинах, торфах. При исследовании таких грунтов необходимо определять их водопроницаемость как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Глинистые грунты и их свойства Глины и суглинки до 75% состоят из тонкодисперсных и коллоидных частиц (диаметр менее 0,00001 мм), которые имеют электрическую природу. Все это обусловило наличие в глинистых грунтах электрокинетических свойств, которые объясняют многие особенности поведения грунтов в сооружениях и позволяют эффективно воздействовать на свойства грунтов при их технической мелиорации. Поглотительная способность (адсорбция) обусловлена поглощением тонкодисперсной частью грунта различных веществ, находящихся в водной или газовой частях среды. Коагуляция (свертывание частиц) – в определенных условиях в грунтовой суспензии наступает порог коагуляции (частицы, покрытые гидратными оболочками, имеют заряд, между ними действуют силы отталкивания), при котором частицы сближаются, соединяются в агрегаты и в виде хлопьев выпадают из раствора. Пептизация. Под этим термином подразумевается разукрупнение, разрушение агрегатов и переход геля в золь (гель – студнеобразный осадок, возникающий в суспензии в результате образования более крупных агрегатов из элементарных частиц; золь – частицы твердой фазы, тонкодиспергированные в водной среде и находящиеся во взвешенном состоянии). Это – явление, обратное коагуляции. Тиксотропность. Тиксотропностью называется способность дисперсных грунтов, содержащих коллоиды, переходить при действии динамических нагрузок (удар, встряхивание, вибрация) из более твердой в более мягкую консистенцию, то есть разжижаться или размягчаться, а после прекращения действия нагрузки возвращаться в свое прежнее состояние. Грунты особого состава, состояния и свойств Общим для грунтов этой группы является то, что любой генетический и петрографический вид грунта, входящий в группу, отличается специфическими свойствами, часто неблагоприятными со строительной точки зрения и вследствие этого требующими особых методов исследования, индивидуальной оценки или проведения специальных мероприятий при возведении сооружений. В настоящее время не существует единого мнения по вопросу о том, что следует подразумевать под термином «особые» грунты и какие виды осадочных отложений следует относить к ним. Однако в эту группу входят все грунты, которые отличаются от прочих дисперсных грунтов составом, могут резко изменять свои свойства под влиянием того или 67 иного природного фактора или находится в состоянии низкой прочности, малой несущей способности, избыточного увлажнения и высокой пористости. Наиболее часто принято относить к особым грунтам илы, торфы и заторфованные грунты, многолетнемерзлые осадочные отложения, соли и засоленные отложения, антропогенные, или техногенные, образования, то есть насыпные, намывные и искусственно улучшенные грунты, почвы. К грунтам особого состава относят мел, плывуны, растворимые породы, лессовидные просадочные грунты. Илы К илам относят супесчано-глинистые отложения в начальной стадии своего формирования, образовавшиеся как структурный осадок в водном бассейне при наличии микробиологических процессов. Их диагностическими признаками являются темная окраска, гнилостный запах, жидко-текучая консистенция, высокая пористость, наличие органических веществ. Отличительными признаками ила в естественном состоянии являются высокая влажность, большой коэффициент пористости и наличие гумуса – полностью разложившегося органического вещества в количестве до 10%. По составу илы могут быть супесчаными, суглинистыми, глинистыми. Вследствие указанных причин илы относятся к слабым грунтам, строительство на которых возможно лишь с применением методов технической мелиорации (обезвоживание и уплотнение вертикальными дренами, применение песчаных подушек, свайных оснований и др.). Торфы и заторфованные грунты Представляют собой грунты органогенного происхождения, образовавшиеся в болотах в результате накопления и разложения в основном растительных остатков и содеожащие минеральные примеси (песок, глинистые минералы). В зависимости от степени разложения торфы представляют собой темно-коричневую или черную массу землистой, волокнистой или однородно-вязкой структуры, в которой могут различаться компоненты породообразующего материала: мох, листья, стебли и др. Диагностическими признаками торфа являются темная окраска, способность мазаться, большая влагоемкость, содержание от 10 до 60% и более растительных остатков, большая сжимаемость и высокая водоотдача. В зависимости от растительного состава компонентов, из которых состоит торф, различают несколько его разновидностей: моховой, осоковый, тростниковый и кустарниковый. В зависимости от тиа болот, в которых происходило торфообразование, торф может быть зольным (низкие болота) или малозольным (верховые болота, где затруднен привнос терригенного материала). Зольность торфа – это его несгораемая минеральная часть, состоящая из кварца и глинистых минералов. Заторфованными грунтами называются такие образования, в которых содержание органических остатков менее 60%. Абсолютная влажность торфа может достигать 800 -1000%, что указывает на его исключительно высокую влагоемкость. Плотность частиц от 1,4 до 1,8 г/см3, плотность грунта от 0,7 до 1,4 г/см3. В сухом состоянии торф может плавать на поверхности воды, так как плотность сухого грунта составляет 0,2 – 0,4 г/см3. Торф обладает очень большой сжимаемостью, поэтому несущая способность у торфа низкая. Он не пригоден для строительства. Засоленные грунты К ним относятся песчано-глинистые осадочные отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования как результат проникновения солей в грунт 68 и отложения их там в различных формах: в виде отдельных кристаллов, их скоплений, друз или в тонкорассеянном состоянии по всему объему породы. Факторами, способствующими засолению грунтов, являются: 1) бессточный рельеф; 2) недостаточное увлажнение в результате преобладания испарения над осадками; 3) наличие в геологическом разрезе или в поверхностных водах повышенного количества солей; 4) малая водопроницаемость грунтов или наличие водоупорных прослоек; 5) наличие капиллярного поднятия грунтовых вод. Засоление происходит при наличии в источнике привноса (грунтовые или поверхностные воды) легко- и среднерастворимых солей. К легкорастворимым солям относятся хлориды, сульфаты, кислые соли угольной кислоты, к среднерастворимым – гипс и ангидрит. Карбонаты растворяются трудно и медленно и поэтому особого влияния на свойства грунтов не оказывают, однако могут способствовать созданию горизонтов агрессивных вод, которые оказывают разрушающее действие на подземные бетонные и железобетонные сооружения. Опыт строительства показывает, что даже небольшое (более 0,3 %) количество водорастворимых солей существенно сказывается на свойствах засоленных грунтов по сравнению с незасоленными или выщелоченными, причем это влияние ощущается тем сильнее, чем больший процент глинистых фракций содержит грунт. Наоборот, при наличии песчаных и грубых фракций в хорошо дренируемых грунтах изменение свойств наступает при значительно большем содержании солей. Основными типами засоленных грунтов являются солончаки (в пониженных формах рельефа: дельты рек, соленые озера, лиманы), солонцы (на более высоких отметках), такыры (значительные площади глинистых грунтов с малой влажностью, твердой консистенцией и сеткой трещин усадочного происхождения). Засоленные грунты не всегда могут быть использованы при строительстве. Так, например, отсыпка напорных насыпей из грунта с содержанием более 6% солей недопустима или требует специального обоснования. Устройство земляного дорожного полотна производится из грунтов, содержащих не более 8 % солей по массе. В ряде случаев засоленные грунты при строительстве подлежат улучшению методами технической мелиорации. Мерзлые грунты - являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед. Специфичность этих грунтов в том, что при переходе воды в лед грунты приобретают свойства твердых пород. Их прочность увеличивается, деформируемость уменьшается. В ряде случаев вследствие увеличения объема воды в порах грунтах при его замерзании возникает морозное пучение. Наоборот, при оттаивании мерзлого грунта прочность его резко падает, и он переходит в текучую консистенцию (солифлюкция). Важнейшей особенностью мерзлых пород является содержание в них льда. Количество льда и формы, в которых он содержится в грунтах, существенно влияют на прочность грунта и другие его свойства. Лед может быть в грунте цементом, связывающим отдельные зерна или частицы, а также содержаться в виде включений: зерен, линз, прослойков, пропластков, жил. В мерзлых породах присутствует также незамерзшая вода, что придает мерзлым грунтам свойства вязкости, пластического течения, длительной сжимаемости. Важным показателем физических свойств мерзлых грунтов является их льдистость,характеризующая цементирующее действие льда. Из механических свойств имеет значение величина относительного сжатия при переходе мерзлого грунта в талое состояние (деформация при оттаивании) и предел прочности на сжатие. 69 Лессовые грунты Литологически они представлены супесями, суглинками и глинами со значительным содержанием пылеватой фракции. В ряде случаев среди лессовых грунтов выделяют собственно лесс как первичное образование преимущественно эолового происхождения. Лессовые грунты занимают предгорные и горные равнины Средней Азии, Карпат,Кавказа и Алтая и низменности юга европейской части РСФСР, Западной Сибири, Башкирии, Северного Прикаспия, покрывая около 15% территории нашей страны. Лессовидные отложения залегают плащеобразно на сформированных ранее элементах рельефа и имеют различную мощность: от нескольких до десятков метров. Литологически л ё с с о в ы е г р у н т ы представлены супесями, суглинками и глинами со значительным содержанием пылеватой фракции. В ряде случаев среди лёссовых грунтов выделяют собственно лесс как первичное образование преимущественно эолового происхождения. Вне зависимости от условий происхождения и района распространения лессовым грунтам свойственны характерные признаки, определяющие их внешний облик, которые можно рассматривать как диагностические. К таким признакам следует относить: цвет — от желтовато-серого до светло-бурого; сложение — рыхлое вследствие природной недоуплотненности; отдельность — вертикальная, столбчатая; текстура — однородная, изредка со следами слоистости, прерываемая четко выраженными прослойками погребенной почвы; влажность — невысокая или средняя; распространение — площадное вне зависимости от орографии и гипсометрии местности; содержание карбонатов и сульфатов — значительное; гранулометрический состав и состав минералов — не связаны с таковыми в подстилающих породах, что говорит о различных условиях происхождения; устойчивость в откосах в сухом или слабовлажном состоянии; легкая размываемость и размокаемость, следствием которых является потеря связности; избыточная увлажненность — ведущая к доуплотнению, что вызывает просадки; водопроницаемость — имеет анизотропный характер: в вертикальном направлении коэффициенты фильтрации выше, чем в горизонтальном. Основной особенностью лессовых грунтов с точки зрения их инженерногеологической оценки является просадочность — дополнительная осадка лессового грунта, возникающая в результате его замачивания в природно-напряженном состоянии под действием собственного веса или совместного давления от собственного веса и внешней нагрузки. Среди лессовых грунтов существуют просадочные и непросадочные разности. Просадочность — явление неблагоприятное, так как в результате естествейного (дождевые воды, снеготаяние, подъем уровня грунтовых вод) или искусственного (аварии водопровода, канализации) замачивания лессовых грунтов в них возникают просадочные явления, или просадки [1]. В результате просадок происходит опускание поверхности земли на величину от нескольких до десятков сантиметров. Это, в свою очередь, приводит к деформациям сооружений, для которых просадочный грунт служит основанием. 70 Раздел 5. Геодинамические процессы и явления. Процессы, связанные с деятельностью поверхностных вод: плоскостной смыв, струйчатая эрозия и оврагообразование. Геологическая деятельность рек: образование наносов; речные долины. Снежные лавины. Озера и озерные отложения. Переработка берегов водохранилищ. Болота и заболоченные земли. Геологическая деятельность морей. Сели. Процессы связанные с деятельностью подземных вод: суффозия. Процессы, связанные с совместной деятельностью поверхностных и подземных вод: плывуны; просадочность лессовых грунтов; карст. Процессы, связанные с совместным действием воды и силы тяжести на склонах: оползни; обвалы, камнепады и осыпи. Инженерно-геологические процессы и явления Деформация грунтов в основании сооружений. 1. Деформация грунта основания в результате уплотнения нагрузкой от сооружения носит название осадки и выражается в изменении отметок поверхности земли под сооружением или в изменении мощности активной зоны. Осадка представляет собой внешнюю сторону процесса уплотнения и является результатом сближения частиц и уменьшения объема пор в дисперсном грунте, не сопровождающегося коренным изменением его структуры. 2. Деформация грунта основания в результате уплотнения под действием собственной массы внешней нагрузки и таких сопутствующих явлений, как просадка, усадка, набухание, морозное пучение. Эти деформации носят в основном характер вертикальных перемещений точек основания сооружения положительного или отрицательного знака. Они приводят к коренному нарушению структуры грунта. В случае замачивания лессовых грунтов под сооружением, а также в случае протаивания мерзлых грунтов наблюдается уплотнение грунта, сопровождающееся осадкой основания. Это явление получило название просадки. 3. Деформации выпора грунтов основания из-под сооружения. Этот процесс протекает очень быстро, сооружение дает внезапную осадку, как бы проваливается, наклоняется, грунт из-под фундамента в виде вала выпирает в стороны. Происходит полная потеря прочности основания и устойчивости сооружения. Нагрузка, при которой возникает это явление, называется несущей способностью грунта основания. Превышение несущей способности приводит к разрушению основания. Геологические карты и разрезы Геологическая карта строиться на топографической основе и отображает с помощью условных знаков возраст, состав и условия залегания выступающих на земную поверхность горных пород. В зависимости от того, какие особенности строения хотят отразить на геологических картах, их делят на несколько типов. 1. Карты полезных ископаемых. На них изображаются присутствующие в горных породах месторождения минерального сырья и отражаются закономерности их распространения. 2. Петрографические и литологические карты. Это карты с изображением состава пород 71 3. Тектонические карты. Указывают на основные структурные элементы земной коры, деформации пород и условия их геологического развития. 4. Гидрогеологические карты. Они характеризуют распространение и условия залегания подземных вод. 5. Геоморфологические карты. На них изображаются основные элементы рельефа земной коры. 6. и другие. ПРОЦЕССЫ, связанные с деятельностью поверхностных вод Ежегодно на поверхность земли в виде осадков выпадает 112 тыс. км3 воды. Она стекает в реки и моря, частично испаряется, частично проникает в толщу горных пород, пополняя запысы подземных вод. Выпавшая на поверхность суши вода совершает громадную геологическую работу. Определяющим фактором этой работы является кинетическая энергия движущейся воды. Вода, стекая по склону, захватывает и смывает мелкие частицы почвы; попадая в реки и ручьи, размывает их берега или подрезает крутые склоны; обрушивается в виде волн на берега озер и морей, разрушая их и изменяя очертания береговой линии; насыщает рыхлые породы на склонах гор и стекает в долины в виде грязекаменных потоков. Эти процессы обусловлены движением поверхностных вод, а интенсивность их протекания и геологические последствия этой работы зависят от величины кинетической энергии движущейся воды, которая выражается формулой: Кк = mv2/2, Где Кк –кинетическая энергия, Дж, m- масса воды, кг v- скорость движения воды, м/с. Процессы отличаются по характеру и месту возникновения, масштабам и бедствиям, которые они вызывают. Плоскостной смыв, струйчатая эрозия и оврагообразование Эти три процесса следует рассматривать как последующие этапы, или циклы, эрозии. Эрозией принять называть размыв и разрушение поверхности земли энергией текучей воды. При выпадении атмосферных осадков каждая капля производит работу – отрывает от почвы или грунта (особенно если он не защищен растительностью) элементарно малый объем и во взвешенном состоянии несет его по склону вниз. Все выпавшее на поверхность количество воды растекается по ней тонким слоем, увлекая и смывая поверхностный слой грунта. Это явление носит название плоскостного смыва (приводит к потерям плодородных земель). С геологической точки зрения плоскостной смыв ведет к образованию делювиальнопролювиальных отложений. На крутых склонах, сложенных рыхлым элювием или делювием, отдельные струи соединяются в ручейки или даже в бурные потоки, стекающие по линии максимального уклона. Увеличение массы воды и ее скорости ведет к образованию рытвин, промоин и желобов. Такое же явление можно наблюдать на свежеотсыпанных откосах земляных плотин и оросительных каналов. Это второй этап эрозии – струйчатая эрозия. В ряде случаев струйчатая эрозия может привести к обмелению или запруживанию рек и к смыву растительного покрова на склонах. Основная же ее опасность заключается в 72 том, что струйчатая эрозия предшествует оврагообразованию и часто является его непосредственной причиной. Оврагообразование – это экзогенный процесс размыва горных пород на склоне с образованием единичных, вытянутых вдоль склона депрессий или целой системы отрицательных форм рельефа – оврагов. Факторы способствующие развитию оврагов: Влияние климата довольно противоречиво. Большое количество осадков далеко не всегда способствует интенсивности размыва, так как во влажном климате склоны защищены быстро развивающейся растительностью. Поэтому наиболее интенсивно оврагообразование проявляется в полупустынных местностях с редкими, но сильными ливнями, со слабой задернованностью склонов, которая не препятствует быстрому и бурному стоку атмосферных вод, приводящему к интенсивному размыву поверхности. Влияние рельефа. Интенсивность размыва пропорциональна живой силе движущегося потока, которая при больших уклонах резко возрастает. Наличие растительности замедляет рост оврагов. Геолого-гидрогеологические условия (строение и литологический состав грунтов). Если на поверхность земли выходят рыхлые легкоразмываемые песчано-глинистые отложения значительной мощности, то скорость роста оврагов будет измеряться десятками метров в год при большой глубине вреза. В этом случае происходит интенсивная площадная эрозия: от основного оврага ответвляются так называемые отвершки и вся поверхность склона покрывается густой изрезанной сетью оврагов. Наиболее густая овражнобалочная сеть возникает на склонах, сложенных лессовыми породами (супеси, суглинки и глины со значительным содержаением пылеватой фракции). Наоборот, местность, сложенная плотными элювиальными суглинками и глинами (моренными, сыртовыми) или полускальными породами, мало подвержена овражной эрозии. Выходы грунтовых вод, дренируемых оврагом, ускоряют рост оврагов вследствие проявления суффозионных, оползневых и других сопутсвующих процессов. В строении оврага различают следующие элементы: вершину – точку на склоне или водоразделе, до которого дошел овраг в своем развитии; ложе – углубление, по которому стекает вода и выше которого круто вверх поднимаются склоны; наиболее низкие отметки ложа приурочены к тальвегу; устье – место начала оврага, расположенное в нижней части 73 склона, в котором начался размыв; базис эрозии – отметка, совпадающая с уровнем реки, озера, ручья или другого выхода водотока. В период своего развития овраг имеет сравнительно небольшую ширину при большой глубине, обрывистые без растительности борта. Это – активный овраг. Со временем рост оврага затухает и он превращается в балку, у которой ширина превосходит глубину, а склоны задерновываются, покрываются кустарником. Размывающая деятельность приводит к образованию овражного пролювия, который накапливается при выходе из устья в виде конуса выноса. Четыре стадии развития оврага: 1. Стадия рытвины – это углубление треугольного или трапецеидального сечения небольшой 2. протяженности и глубины. 3. Стадия вреза оврага вершиной – активная стадия роста оврага. В вершине образуется уступ вследствие размыва стекающей водой. Склоны крутые, почти отвесные; устье находится значительно выше базиса эрозии; уклоны дна значительные, и по дну в большинстве случаев течет ручей. Овраг разветвляется, в устье образуется конус выноса. 4. Стадия профиля равновесия, на которой овраг своей вершиной достигает водораздела, а устьем – базиса эрозии. Площадь его водосбора и уклоны дна перестают увеличиваться. 5. Стадия балки, на которой овраг, полностью прекращает свою эрозионную деятельность: склоны 6. пологие, заросшие травой, кустарником и деревьями; ширина большая, уклоны дна малые. Мероприятия по борьбе с водной эрозией и образованием оврагов: К профилактическим мероприятиям, применяемым на первой стадии оврагообразования, относятся: запрещение вырубки леса, продольной распашки склонов и производства земляных работ на склоне; запрет выпаса скота и неорганизованного сброса поверхностных вод вниз по склону. На второй и третьей стадиях производится полный комплекс инженерных мероприятий – агротехнических и гидротехнических. С этой целью на водоразделах и в верхней части склона отсыпают водозадерживающие валики и устраивают водоперехватывающие канавы. В отвершках оврагов строиться комплекс водоотводящих гидротехнических сооружений для организованного сброса атмосферных вод на дно оврага и гашения энергии размыва. По дну оврага устраивается система запруд с целью задержания твердого стока и прекращения размыва дна. Все эти работы сопровождаются фитомелиоративными мероприятиями, заключающимися в одерновке склонов, посадке кустарников и деревьев, посеве трав. Образование наносов Продукты выветривания горных пород (элювий) плоскостными потоками смываются с возвышенностей на склоны и к подножию. В зависимости от силы потоков и крутизны склонов в перемещении принимают участие глинистые, пылеватые и песчаные частицы. Постепенно на склонах и в понижениях рельефа накапливаются наносы: 74 1) На склонах и у их подошвы – делювий. Делювий имеет всегда широкое распространение и отсутствует лишь на очень крутых или обрывистых склонах. По своему составу он разнообразен. В горных и предгорных районах это суглинки, супеси и пески с включениями щебня и более крупных обломков скальных пород. На равнинах широко распространены суглинки и супеси, реже глины. Особенно большое распространение имеют делювиальные суглинки в лессовых районах, где их называют лессовидными суглинками. Мощность делювия возрастает к основанию склонов, достигая в горных районах иногда нескольких десятков метров, а на равнинах – несколько метров. Делювиальные отложения часто служат основанием для зданий и сооружениям. Способны сползать вниз по склонам. 2) В понижениях, примыкающих к склонам, - пролювий. Неоднородный состав. В толщах пролювия суглинки и супеси могут переслаиваться с более крупнозернистым материалом (песок и др.). Пролювий в виде отложений конусов выноса в больших количествах накапливается у выходов из ущелий и оврагов, у подножья гор или образует единую полосу наносов, окаймляющую подошву гор (предгорные шлейфы). Значительное количество пролювия образуется за счет селей. Снежные лавины Снежные лавины – обрушения больших масс снега с крутых склонов гор, где они постоянно накапливаются. Снежные лавины бывают сухие (скорость обрушения 100 км/ч) и мокрые (20-50 км/ч). Лавины перед собой образуют воздушную волну, которая обладает разрушительной силой. Меры по предупреждению: -склоны террасируют -производят посадку леса -ставят подпорные стенки -строят дамбы -обрушают скопления снега Речные долины Площадь, с которой к реке стекает вода, называют бассейном реки. Речные долины – корытообразные углубления. Максимальное углубление долин зависит от базиса эрозии, под которым понимают уровень моря или каких-либо других бассейнов, куда впадает река. В горных реках преобладает донная эрозия (углубление), в степных – боковая эрозия (разлив берегов, расширение долин). Влияет на реки производственная деятельность человека: усиление аккумуляции обломочного материала – вызвано интенсивным разбором воды для водоснабжения городов и орошения полей, или увеличением поступления твердых частиц за счет сброса отходов 75 горнорудной промышленности. Сброс в реки большого количества вод с орошаемых территорий может привести к усилению эрозионной деятельности. Строительство водохранилищ влияет на положение базиса эрозии всей реки или ее части. Выше плотин уменьшаются скорости течения, растет аккумуляция наносов, ниже плотин возрастает донная эрозия. Строение речных долин Долины бывают симметричные и асимметричные. Речная долина состоит из русла, поймы и террас. Все они располагаются в корытообразном углублении, которое река вырабатывает река вырабатывает в коренных породах. Русло – часть долины, занятая водным потоком. Поперечный разрез потока называют живым сечением. Положение русла в долинах непостоянно. Пойменная терраса – часть долины, заливаемая водой в период паводка. Поймы бывают низкие, заливаемые ежегодно, и высокие, - один раз в 10 – 15 лет. Ширина пойм может быть от десятков метров до десятков километров. Уровни воды: 1) Расчетный горизонт высоких вод, отвечающий средним из наибольших уровней реки. Наблюдавшихся в течение многих лет; 76 2) Наивысший горизонт высоких вод, выше этого уровня по многолетним наблюдениям вода не поднималась; 3) Меженный горизонт – низкий уровень воды. Поверхность поймы содержит протоки, старицы, озера. Террасы – уступы в долинах рек, бывают поперечные (располагаются поперек долины и порождают водопады) и продольные (вдоль склонов долин в виде практически горизонтальных площадок – надпойменные - при паводках заливаются). Каждая надпойменная терраса в определенный период развития долины была пойменной террасой. Отсчет надпойменным террасам ведется снизу вверх. В долинах равнин таких террас бывает 3 – 5, в долинах горных рек до 10 – 15. Эрозионные террасы – вымываются рекой в коренных породах долины. Когда эрозионные террасы перекрыты маломощным аллювием, их называют цокольными. Аккумулятивные террасы – сложены из аллювиального материала и наиболее типичны долинам рек равнин. Аккумулятивные террасы бывают – вложенные и наложенные. Наиболее благоприятными для строительства – эрозионные террасы, сложными аккумулятивные. 77 Геологическая деятельность рек Геологическая работа реки: 1) размыв, или собственно эрозия; 2) перенос, или транспортировка; 3) отложение и аккумуляция. По протяженности река имеет три участка: верхнее, среднее и нижнее течение. Верхний участок, начинающийся от истока, имеет максимальный уклон и прямолинейное очертание в плане. На этом участке скорость течения значительная, вследствие чего река обладает большой живой силой, и здесь происходит размыв дна русла реки – донная эрозия. Ниже по течению расположен второй участок реки, ее среднее течение. На этом участке уклоны дна заметно уменьшаются, что ведет к уменьшению скорости течения реки, а значит, и ее живой силы. Здесь река уже не прямолинейна, она делает повороты и изгибы, а это, в свою очередь, ведет к интенсивному развитию боковой эрозии. Боковая эрозия приводит к обрушению подмытых берегов и, следовательно, к расширению долины реки. Этому же способствует и подмыв реками своих правых берегов ( по закону Бе78 ра). Таким образом, на втором участке река расширяет свою долину, а ее воды захватывают, переносят и частично откладывают продукты размыва. На третьем участке уклоны дна становятся минимальными, вследствие чего река прекращает размыв и на смену ему приходит отложение наносов. Здесь река обладает очень малыми скоростями течения. Она меандрирует среди собственных наносов, образует старицы. Механизм размыва русла и отложения наносов (аллювия) хорошо понятен из схемы работы реки на ее среднем участке. Вода, обладающая запасом кинетической энергии, ударяет в вогнутый берег, совершая работу размыва. Под этим берегом (1-1, 3-3) образуется углубление – плес, в результате чего берег обрушается и отступает в глубь суши. Потерявшая запас энергии струя воды откладывает внизу по течению и на выпуклых берегах продукты размыва. Так образуются побочни и перекаты – наиболее мелкие места в русле реки. Течение воды в реке – турбулентное, винтообразное по всему живому сечению реки. Аллювиальные отложения Большую часть обломочного материала реки выносят к морю и откладывают в бассейне дельт, которые представляют собой конусы выноса. Значительная часть отложений скапливается в руслах рек и на поймах. В состав аллювия входят глыбы, валуны, галечник, гравий, пески, суглинки, глины, илы, органический материал. Течение сильное (горные реки) – крупнообломочный материал. Равнинные реки – пески и более дисперсные осадки. По месту накопления речные отложения разделяются на дельтовые, русловые, пойменные и старичные. В дельтах накапливаются песчано-глинистые осадки. В руслах рек – пески, галечник, гравий, валуны – русловый аллювий. Пойменный аллювий откладывается в период паводка и представляет собой суглинки, супеси, глины и мелкозернистые пески с органическим материалом. Старичный аллювий – ил богатый органическим веществом. Древний пойменный аллювий в виде суглинков и глин твердой консистенции является хорошим основанием. Современный пойменный аллювий обладает высокой влажностью, имеет низкую несущую способность. Меры борьбы с неблагоприятными последствиями работы рек можно разделить на две части: 1) в основу выправительных работ положено использование транспортирующей способности потока при создании повышенных скоростей. Например, стеснение русла с помощью продольных или поперечных дамб приводит к резкому увеличению скорости движения воды на выпрямляемом участке, однако на выходе из него размытые наносы вновь могут отлагаться в русле реки, вследствие чего задача решается только частично. Струенаправляющие и защитные сооружения рассчитаны на использование гидравлических особенностей потока: на вогнутых берегах это обычно продольные дамбы, плетневые, фашинные или бетонные берегоукрепительные сооружения; на выпуклых берегах это полузапруды – буны, задерживающие наносы и способствующие наращиванию размытого берега. В черте городов, промышленных центров, гидротехнических сооружений строятся набережные. 2) землечерпательные работы имеют ограниченное по объему значение и заключаются в углублении дна, устройстве прорезей на перекатах с помощью различного вида земснарядов. С боковой эрозией борются укреплением берегов (набережные) с регулированием течения воды. 79 Подводную часть берега ниже меженного горизонта укрепляют каменной наброской и фашинными тюфяками, загруженными камнем; надпойменная часть крепится бетонными армированными плитами, подпорными стенками, камнем в плетневых клетках. Озера и озерные отложения По происхождению:1) тектонические – во впадинах тектонического происхождения, например озеро Байкал; 2) эрозионные – в котловинах размыва; 3) карстовые – в заполненных водой карстовых воронках; 4) плотинные и запрудные, образовавшиеся запруживанием рек в результате обвалов и т.д. Разрушительная работа озер определяется волнами, которые прибоем подмывают берега. Так создаются озерные абразионные террасы, выработанные в коренных берегах, и аккумулятивные террасы, сложенные озерными осадками. Высотное положение озерных террас находится в тесной зависимости от положения уровня воды озера. Борьба с разрушительной работой озер проводится с помощью подпорных и волноотбойных стенок, а также волноломов и других сооружений. Озерные осадки представлены комплексом накоплений обломочного, химического и органогенного происхождения. Вдоль побережий навевают дюны, откладываются грубые обломки и пески, а на дне – глинистые осадки и соли (хлориды, сульфаты и др.). В озерах формируются образования, свойственные только озерам сапропель, торф, мергели, иногда мел, трепел. Мелководные озера могут переходить в болота. Переработка берегов водохранилищ В водохранилищах наблюдается интенсивная абразионная работа вод. Разрушение и переработка берегов начинается сразу вслед за заполнением водохранилища – сложный процесс (волны, течения, колебание уровня воды в водохранилище). В нижней части водохранилища, у плотины, в связи с отсутствием уклонов водной поверхности, течения не возникают – за счет волн и колебания уровня действует абразия. В средней части – паводковые течения (переработка берегов – за счет эрозионной деятельности). В верхней части – речная эрозия. Большое разрушающее действие на берега водохранилища оказывает волноприбой, возникающий в результате колебаний уровня. Существенное влияние на переработку берегов оказывает морфология, геолого-литологическое строение склонов, свойства пород. Наиболее сильно разрушаются крутые берега, береговая линия при этом отступает. Скорость переработки берегов зависит от высоты берегового откоса и устойчивости пород против размыва. При средней высоте откоса 2 – 4 м скорость разрушения береговой полосы за один сезон бывает: 1) для лессовых пород – до 8 м и более; 2) при различных песках – 2 м; 3) в глинистых породах – до 1 м. Водохранилища создают подпор грунтовым водам, в результате происходит резкое увеличение гидродинамического давления и подземные воды оказывают дополнительное воздействие на склоны – оползни, обвалы, осыпи. Для строительства зданий и сооружений инженерно-геологические исследования должны давать прогноз по переработке берегов водохранилища: 1) ширина полосы возможного размыва берега; 2) ширина береговой полосы, которая будет размыта за 1 год, 10 лет, 20 лет и т.д. 80 Болота и заболоченные земли Болота – избыточно увлажненные участки земной поверхности с развитой на них болотной растительностью и покрытые торфяниками. Когда избыточно увлажненные участки земли не имеют слоя торфа или его слой не превышает 30 см – заболоченные земли. Болота бывают: Низинные болота питаются грунтовой, речной или озерной водой, а также дождевыми и талыми водами. Верховые болота - за счет атмосферных осадков и талых вод. В соответствии с условиями питания низинные болота образуются заторфованием водоемов, а верховые – заболачиванием участков земли. Отмирая, растения падают на дно водоема, где из-за недостатка кислорода они не сгнивают, а скапливаются и образуют залежи торфа. Водоем постепенно мелеет, открытая водная поверхность сужается и, наконец, полностью заторфовывается. Под торфом лежит сапропель, то есть гнилостный ил. Заторфовывание водоема может происходить другим путем – образованием сплавины, то есть растительного ковра на поверхности воды. Сплавина состоит из мхов. Зарастание идет от берегов к середине, на дне отлагается сапропель. Болота часто образуются в местах выхода на поверхность подземных вод, где отсутствует возможность оттока воды – ключевые болота. Болота речных долин – пойменные. Заболоченные земли формируются на участках земной поверхности, где близко к ней залегают водоупорные слои, на данном участке имеют чашеобразный прогиб. На заболоченных землях грунтовые воды постоянно имеют высокий уровень, который почти сливается с поверхностью земли. Вода обычно застойная, без движения. Заболоченные земли наиболее типичны районам многолетней мерзлоты. Болота являются неблагоприятными местами для строительства. На заболоченных землях вопросы строительства решаются легче, так как эти неблагоприятные грунты мож81 но полностью убрать до прочного дна. Для определения возможности строительства важно знать происхождение болота и его основные характеристики (глубина, рельеф дна, площадь). Наиболее осушаются верховые болота. По глубине болота бывают: мелкие – до 2 м; средние – 2-4 м и глубокие – более 4 м. При строительстве на мелких болотах, когда фундамент будет опираться на твердое дно, наибольшее значение имеет рельеф дна болота. Наиболее благоприятный – случай с ровным, горизонтальным дном. При значительных уклонах дна может произойти сползание фундамента. Болотные отложения – торф под которым залегает сапропель – это требует устройства искусственных оснований (песчаные и гравийные подушки). Нередко приходится толщину болотных отложений прорезать сваями. Среди болотных отложений распространены илы, а среди них сапропель в виде студневидной массы. Сапропель при передаче на него давления вытекает из-под фундамента или отжимается в стороны, если давление передается через слой торфа. Растекаемость сапропеля зависит от его влажности. При высыхании сапропель сильно сокращается в объеме, твердеет и не размокает в воде. Геологическая деятельность морей Волновые процессы неблагоприятно влияют на сохранность береговых сооружений. Разрушительная деятельность моря – абразия приводит к отступанию бровки берега в сторону суши, обрушению огромных блоков породы, разрушению защитных сооружений и возникновению вторичных явлений – обвалов и оползней. Трансгрессия – наступление, регрессия – отступление моря. Факторы, порождающие абразивную деятельность морей: 1) ветровые и приливные волны; твердый обломочный материал, переносимый волной; морские течения; 2) литологический состав и условия залегания горных пород в береговой полосе (склоны, сложенные рыхлыми песчано-глинистыми отложениями – разрушаются интенсивнее); водопрочность пород; форма очертания берегового склона. Основным разрушительным фактором в процессе абразии является ударная сила волны. Очень большое значение в абразионном процессе играют форма очертания и крутизна берегового склона. По форме очертания различают берега приглубого и отмелого профилей. У приглубых берегов волна подходит к отвесному берегу, полностью сохраняя свою живую силу, и ударяется о него всем фронтом. На отмелых берегах по мере приближения к надводной части берега волна деформируется, распластыапется, наклоняется, вследствие чего сила удара резко уменьшается. Откат волны происходит медленно из-за малого уклона дна у берега, в результате чего скопившиеся массы воды тормозят следующую набегающую волну. В этом случае аккумуляция наносов будет превалировать над разрушением берега. 82 Профиль абразионного берега – над уровнем моря возвышается береговой уступ, в нижней части которого расположена волноприбойная ниша. При ее дальнейшей обработке происходит обрушение уступа и отступание берега в глубь материка. Далее, в сторону моря вдоль берега развита слабонаклонная полоса различной ширины (пляж), сложенная крупным обломочным материалом – продуктами дробления глыб берегового уступа. Ниже находится подводная абразивная терраса, прикрытая также обломочным материалом, к которой прислонена идущая в глубину аккумулятивная терраса. Аккумулятивный тип берега всегда более пологий и равнинный. Формирование береговых террас происходит путем осаждения твердого материала в верхней части пляжа при очень пологих берегах. Образование береговых валов происходит в том случае, когда направление волн или течения перпендикулярны к берегу. В случае движения волн или воды под углом к берегу образуются бары, подводные валы, косы и т.д. Специальные защитные гидротехнические сооружения в зоне волноприбойной деятельности: 1-пассивные: волноотбойные стенки, или набережные, каменная наброска из глыб, тетраподы. Это массивные сооружения, выполненные из бетона, железобетона или камня и непосредственно защищающие береговой откос, или бровку, от разрушения волной. 2- активные: молы и волноломы (массивные гравитационные сооружения, предназначенные для гашения кинетической энергии удара волны на некотором расстоянии от берега), буны (сооружения, опирающиеся одним концом о берег и выдвинутые перпендикулярно или под углом к берегу в акваторию) и бетонные пляжи (широкая железобетонная плита типа рисбермы). Сели- горные потоки, формирующиеся в некоторых водосборных бассейнах преимущественно при ливневых осадках или снеготаяния и насыщенные твердым материалом. Они обладают значительными скоростями движения, большой разрушительной силой и создают характерные для них отложения. Для формирования селей необходимы следующие условия: 1. наличие рыхлого выветрелого песчано-глинистого или обломлчного материала элювиального, делювиального, ледникового или коллювиального происхождения, 2. наличие крутых уклонов местности, русла горного потока, ложбин стока и других продольно вытянутых отрицательных элементов рельефа, 3. выпадение интенсивных атмосферных осадков или снеготаяние, сосредоточенный расход воды, возникающий при прорыве озер или искусственных водоемов. Под связными следует понимать сели, в состав которых входит до 30% глинистого материала, что придает им значительную вязкость и относительно медленное движение. 83 Они имеют большую плотность (1,6 –1,9 т/м3), вследствие чего обладают большой разрушительной силой. В случае замедления движения при встрече препятствия они не разгружаются, как несвязные сели, а застывают в виде бетоноподобной массы. Такие сели чаще всего возникают в низкогорных и предгорных зонах с широким развитием пород лессовой формации. Несвязные сели формируются в основном из обломочного материала скальных пород и валунов твердых осадочных пород, гравийно-галечникового материала. Они имеют различное соотношение воды и твердой фазы. В случае, когда помимо крупных обломков в селе содержится до 15% мелкозема, что придает ему некоторую вязкость, мы относим его к грязекаменным селям. Они имеют значительную плотность (до 1,5 т/м3) и могут переносить во взвешенном состоянии глыбы и валуны объемом в десятки кубических метров. Водокаменные сели, наоборот, практически не содержат мелкозема и насыщены крупнообломочным материалом. В результате транспортировки этого материала дно русла сильно углубляется. Отличительной чертой водокаменных селей является характер их движения. Доходя до какого-либо препятствия, они разгружаются, то есть оставляют возле него часть твердого материала. Процесс разгрузки длится до тех пор, пока сель либо не прорвет образовавшуюся запруду, либо не перехлестнет через нее. Поэтому движение селя носит толчкообразный пульсирующий характер. Селевой поток имеет три области: 1. область питания- находится на наиболее высоких отметках. Она представляет собой котловину или верхнюю часть водосборного бассейна, имеющую крутые склоны в состоянии предельного равновесия, обнаженные или слабо заросшие. 2. область транзита – путь движения селя (скорость максимальна). 3. область разгрузки представляет собой нижнюю часть долины реки или выход на предгорную равнину. Здесь сель резко замедляет свое движение: происходит разгрузка принесенного материала с образованием конуса выноса, площадь которого зависит от объема селя или многократного его повторения. Борьба с селями может быть эффективной только в том случае, когда она ведется на всех стадиях и во всех зонах формирования селей, в едином комплексе заранее намеченных мероприятий. 1. В зоне питания: а) повышение устойчивости склонов, покрытых рыхлыми накоплениями (срезка, планировка, террасирование); б) организованный перехват и отвод поверхностных вод с помощью водозадерживающих валиков, ливнестоков, быстротоков, дренажей; в0 устройство подпорных стенок и берм; г) фитомелиорация; д) режим наблюдения за скоростью осадконакопления и метеорологические наблюдения за осадками. 2. В зоне транзита: уменьшение живой силы селевого потока путем снижения его скорости и частичной разгрузки. Это достигается устройством полузапруд, селеуловителей, которые уменьшают уклон дна потока и его разрушительную силу. 3. В зоне разгрузки: а) устройство сооружений для задерживания и аккумуляции масс селя; Б) отвод селя от сооружений или пропуск выше или ниже сооружения. С этой целью при выходе селя на равнину в непосредственной близости от объекта устраиваются селеотводящие каналы, селенаправляющие стенки. Процессы связанные с деятельностью подземных вод Часть атмосферных вод в результате инфильтрации попадает в грунт, заполняет поры и может находиться, либо в состоянии покоя, либо в состоянии движения. В первом случае в соответствии с законом Архимеда вода создает взвешивающее гидростатическое давление, направленное снизу вверх. 84 Если грунтовая вода будет находиться в состоянии движения, то есть если мы будем иметь дело с грунтовым потоком, то частицы грунта кроме гидростатического давления, будут испытывать еще и гидродинамическое давление D. D= pв I n I- напорный градиент, n- пористость, pв – плотность воды, г/см3. Направление гидродинамического давления имеет большое значение. Если вектор давления направлен снизу вверх, то наблюдается разрыхление грунта и вынос частиц током воды. При обратном направлении вектора давления имеет место уплотнение грунта. Напорный градиент, при котором частицы грунта находятся во взвешенном состоянии, называется критическим напорным градиентом. Явления, связанные с движением подземных вод, относятся к разряду гидродинамических. Они обусловливаются перемещением, вымывом и выносом частиц грунта фильтрационным потоком вследствие больших скоростей движения воды или в результате возникновения гидродинамического давления. К таким явлениям относятся: суффозия и плывуны. Суффозия Суффозией называют процесс выноса частиц грунта током подземной воды с образованием пустот, воронок или провалов, в ряде случаев сопровождающихся оседанием поверхности земли. Выделяют различные виды суффозии – это все близкие по характеру проявления одного и того же процесса, вызывающие различные по форме деформации поверхности земли. Механическая суффозия происходит в рыхлых песчаных грунтах неоднородного гранулометрического состава, иногда наблюдается также и в связных пылеватых грунтах и в глинах. Суффозия может возникнуть только при наличии ряда условий, обеспечивающих в водонасыщенном грунте гидродинамический напор и одновременно свободное продвижение частиц в порах: 1. Гидравлический градиент больше 5. Наличие такого градиента придает грунтовому потоку турбулентный характер движения, при котором возникают критические скорости, приводящие к выносу отдельных частиц из слоя. С увеличением диаметра частиц возрастают критические скорости: для 0,001 мм – 0,02 см/с; для 0,01 мм – 0,5 см/с; для 0,1 мм – 3,0 см/с и т. д. 2. Соотношение размеров наиболее крупных и наиболее мелких частиц в грунте должно быть не менее 20, то есть dmax /dmin >=20. 3. Соотношение диаметра пор (D) и диаметра преобладающей в грунте фракции (d) должно отвечать условию D / d >= 8. 85 4. Соотношение коэффициентов фильтрации двух смежных контактных слоев должно отвечать условию Кс / Кп > 2, где Кс – коэффициент фильтрации суффозионного слоя, Кп – коэффициент фильтрации подстилающего слоя. Таким образом, механическая суффозия возникает лишь при условии неоднородного гранулометрического состава грунтов, их значительной пористости и турбулентного движения грунтового потока. Химическая суффозия является начальным этапом суффозии засоленных грунтов. При наличии в грунтах водорастворимых солей последние сначала начинают растворяться, а затем вымываться из грунта. Это приводит к размягчению и ослаблению солевых связей, в результате чего отдельные частицы грунта отрываются и выносяться; происходит увеличение пористости, возникают турбулентное движение воды и повышенные градиенты. Химическая суффозия проявляется либо в образовании пустот в грунте, либо в виде суффозионной осадки слоя грунта. Суффозионная осадка, возникающая как результат вымыва и выноса частиц в слое грунта, - это оседание слоя, которое является следствием повышения его пористости и увеличения давления вышележащего грунта. Она представляет опасность для гидротехнических сооружений и может привести к недопустимым деформациям основания. Лессовый карст наблюдается в пылеватых лессовидных грунтах, залегающих на крутых склонах берегов рек или оврагов. Эти грунты часто сильнокарбонатные или содержат в большом количестве гипс. Плащеобразное залегание, гипсометрическое положение, структура и пылеватый гранулометрический состав грунтов способствует созданию условий для суффозионного выноса частиц, в результате чего на бровках обрывистых склонов и в откосах оврагов образуются суффозионные воронки, поноры и другие формы суффозии, получившие название лессового, или глиняного, карста. Суффозионные оползни возникают как результат суффозионного выноса частиц грунта на контакте двух слоев. Обычно подстилающий слой представляет собой маловодопроницаемый глинистый грунт, а вышележащий состоит из рыхлых слабосвязных или несвязных грунтов и является водовмещающим. Основные средства борьбы с суффозией – это перехват и отведение вод грунтового потока. В большинстве случаев это достигается устройством различного вида дренажей. Плывуны Плывунами называются песчано-глинистые водонасыщенные грунты, ведущие себя наподобие вязких жидкостей. При вскрытии их выемкой они разжижаются, приходят в движение, заполняют подземные выработки и котлованы, засасывают тяжелые предметы; в свободном состоянии не обладают несущей способностью. 86 По своему составу и свойствам плывуны бывают двух видов: Ложные плывуны (псевдоплывуны) представляют собой обычные несвязные раздельнозернистые грунты, которые переходят в плывунное состояние в результате полного водонасыщения и возникновения в них гидродинамического давления движущегося грунтового потока. Истинные плывуны, которые сегодня еще недостаточно изучены, могут быть разнообразными по своему гранулометрическому составу – от песков до суглинков. В этих грунтах существуют структурные связи коллоидного характера; они обладают высокой гидрофильностью и малой прочностью. При ударах, сотрясениях, вибрациях часть связанной воды высвобождается, структура грунта разрушается, и он разжижается. Такое разжижение называют тиксотропным. Свойства истинных плывунов объясняются их природой, то есть содержанием в их составе не только гидрофильных минералов типа монтмориллонита и гидрослюд, но и микроорганизмов, особого вида бактерий, влияющих на формирование плывунных свойств. Гидродинамическое давление наблюдается как у ложных, так и у истинных плывунов, однако в остальном их свойства настолько различны, что для борьбы с этими двумя разновидностями плывунов требуется и различный подход. Установить вид плывуна помогают следующие диагностические признаки. Ложные плывуны – это обычные несвязные грунты в состоянии водонасыщения. Они содержат в порах свободную воду, обладают водоотдачей и водопроницаемостью, открытой пористостью, сравнительно невысокой плотностью и не имеют каких-либо цементирующих компонентов. Такие грунты легко поддаются осушению, закреплению шпунтовыми ограждениями и замораживанию. Наоборот, истинные плывуны ведут себя как глинистые грунты: обладают некоторой связностью и совершенно не отдают воду при обычных способах водопонижения. Сотрясение и вибрация при производстве подземных работ или в котлованах ведут к тиксотропному разжижению. Все это требует особого подхода при проведении работ в истинных плывунах: взрывные работы при проходке не допускаются; проходка производится с надежным креплением выработок; водопонижение осуществляется только с помощью электроосмотического метода. Закрепление ложных плывунов, если оно необходимо, осуществляется методом двухрастворной силикатизации. Истинные плывуны в силу своей малой водопроницаемости могут быть закреплены лишь временно; с этой целью применяется метод замораживания. Процессы, связанные с совместной деятельностью поверхностных и подземных вод. Просадочность лессовых грунтов Особые свойства лессовых грунтов, и, в частности, склонность к просадочности объясняются их природной недоуплотненностью. Другой особенностью лессовых грунтов являются их значительная карбонатность и большое содержание водорастворимых солей – сульфатов, хлоридов. Сочетание природной разуплотненности и значительной засоленности лессовых грунтов обусловливает их склонность к просадке, часто не заканчивающейся этапом уплотнения грунта при замачивании, а увеличивающейся с течением времени за счет химической суффозии водорастворимых солей (послепросадочный этап). 87 Морфологическими признаками территории, на которых возможно проявление просадок в лессовых грунтах, являются такие специфические формы рельефа, как поды и просадочные блюдца на террасах и водоразделах, промоины, поноры и суффозионнопросадочные воронки вдоль берегов рек. Карст Процесс выщелачивания растворимых пород движущимися поверхностными и подземными водами, сопровождающийся образованием воронок, провалов и других пустот,а также оседанием кровли, называется карстообразованием, или карстопроявлением. Главными условиями карстообразования являются?: 1. наличие растворимых горных пород (известняков, доломитов, соленосных толщ, мела, мергеля) при условии залегания их выше базиса эрозии; 2. корродирующая деятельность поверхностных и подземных вод, скорость их движения, гидродинамический напор и химический состав. С этой точки зрения карст нельзя смешивать с химической суффозией, которая, как известно, происходит в засоленных, преимущественно песчано-глинистых отложениях и отличается от карста условиями возникновения и развития процесса, площадью пораженности и размерами возникающих пустот. Типы и формы карстопроявления. открытый карст, здесь карстующиеся породы выходят на поверхность и непосредственно подвергаются размыву поверхностными водами с последующим их проникновением в глубину. Скрытый карст наблюдается в том случае, когда карстующиеся породы, залегающие на некоторой глубине, перекрыты с поверхности толщей нерастворимых, но водопроницаемых пород. Естественно, что процесс растворения, его скорость, формы карстопроявления каждого из приведенных типов будут различны. Разрушение растворимых пород, выходящих на дневную поверхность, происходит в несколько этапов: 1. растворение породы дождевыми или снеговыми водами; 2. снос продуктов растворения водой в пониженные формы рельефа – воронки, провалы; 3. дробление твердых растворимых пород на мелкие обломки в результате выветривания; 4. обрушение верхней части свода карстовых пещер, сопровождающееся образованием провалов или воронок. Как результат такого разрушения возникают разнообразные формы поверхностного карста. Карры и карровые поля – участки, покрытые чередующимися гребнями и углублениями округлой, зигзагообразной или угловатой формы. Воронки- углубления первоначально конусовидной формы, округлые или овальные в плане, самых различных размеров, разной глубины, симметричные или асимметричные в разрезе, с крутыми или пологими склонами, открывающиеся в подземную полость или глухие. Со временем некоторые из воронок превращаются в озера, другие объединяются в вытянутые понижения – полья. Кроме перечисленных форм карстообразования можно назвать открытые вертикальные отверстия небольшого диаметра – поноры, карстовые желоба, карстовые останцы. Очень разнообразны формы плдземного карста. Они отличаются очертанием, размерами, характером поверхности пород, подвергшихся растворению. 1. Каверны – пустоты округлой или неправильной формы небольших размеров. 2. Каналы – более крупные желообразные или трубчатые пустоты, образовавшиеся вследствие расширения трещин в растворимых породах. 88 3. Галереи – крупные продольные пустоты круглого сечения, больших размеров, идущие в различных направлениях. 4. Пещеры, залы, гроты – полости размером в десятки метров и объемом в сотни и тысячи кубических метров, имеющие сводчатый или куполообразный потолок и большую высоту. 5. Подземные реки и озера – углубления в дне пещер, заполненные проточной водой. 6. Сталактиты и сталагмиты – натечные формы, образовавшиеся в результате медленного стекания и капежа раствора солей. Факторы карстообразования. Карстообразование – процесс длительный и протекающий с различной интенсивностью. Он может находиться в состоянии активного роста и относительно быстрого развития, но может и полностью прекратится. Основной причиной этого является положение пластов карстующихся пород по отношению к современному базису эрозии, которым служат, как правило, реки и другие водотоки. С этой точки зрения процесс карстообразования называется современным, если базис коррозии (уровень, по отношению к которому развивается карст) находится выше базиса эрозии, или древним, если карстующиеся породы находятся глубже базиса эрозии. Карстообразованию способствуют: водопроницаемость растворимых пород, скорость водообмена и химический состав подземных вод, рельеф и тектоника, растительный покров и климат. Скорость процесса карстообразования зависит от степени трещиноватости пород, так как трещиноватость и раздробленность способствует проникновению воды в глубь массива и турбулентности ее движения, что усиливает выщелачивание. Важным фактором является водообмен, так как соли в составе пород обладают разной растворимостью. Для полного выщелачивания средне- и труднорастворимых солей и перехода их в водный раствор необходим многократный обмен воды, который может быть обеспечен только при высоких скоростях фильтрации. Присутствие в подземных водах СО2 придает этим водам агрессивные свойства и способствует интенсивному выщелачиванию пород. При пересеченном горном рельефе толща покровных отложений имеет меньшую мощность, чем на равнинах, что улучшает условия проникновения атмосферных вод в глубь массива. С другой стороны, тектонические движения в горно-складчатых районах оставили свои следы в виде зон смятий и нарушений, в которых водообмен и выщелачивание будут проходить интенсивнее, чем в плотных породах. Интенсивность развития карста различна для районов с жарким сухим климатом и районов с избыточным увлажнением. Малое количество осадков и бедный растительный покров сводят к минимуму количество воды, попадающей под землю и производящей коррозионную работу. В местностях с влажным климатом густая растительность задерживает поверхностный сток, увеличивая долю подземного стока, улучшает условия пополнения грунтовых вод и обогащения их углекислотой за счет биогенных процессов, что создает хорошие условия для интенсивного развития карста. Инженерно-геологическая оценка карста и меры борьбы с карстом. 89 Карст представляет опасность для существующих сооружений с нескольких точек зрения. Во-первых, не всегда возможно точно определить границы распространения подземного карста, вследствие чего он может оказаться в зоне строительства или эксплуатации сооружений. Во-вторых, трудно установить скорость карстообразования, вследствие чего невожможно прогнозировать развитие процесса и нарастания угрозы карста во времени. Оценка интенсивности выщелачивания растворимых пород производится по внешним признакам, например по количеству образовавшихся провалов или по приблизительным подсчетам объема выщелоченных солей. Противокарстовые мероприятия: 1. планировка территории, 2. отвод поверхностных вод, 3. каптаж или дренаж подземных вод, 4. устройство противофильтрационных завес, 5. закрепление закарстованных пород методами технической мелиорации. Процессы, связанные с совместным действием воды и силы тяжести на склонах Экзогенные процессы и явления – оползни, обвалы и осыпи; все они приводят к перемещению горных пород по склону под действием силы тяжести. Во многих случаях им предшествуют такие экзогенные процессы, как выветривание, почти повсеместно сопутствующим фактором их возникновения являются поверхностные или грунтовые воды. Несмотря на эти общие черты, каждое явление имеет свои особенности, которые заключаются в характере перемещения пород (внезапное, быстрое, сползающее, медленное), в объемах, формах и видах перемещение и, наконец, в тои материальном ущербе, который может нанести данное явление. Инженерно-геологическая оценка всех явлений заключается в изучении последствий и степени угрозы для инженерных сооружений, которые могут возникнуть в местах развития названных явлений и вызывают необходимость мероприятий по борьбе с ними. Оползни. Под оползнем следует понимать перемещение масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести, связанное в ряде случаев с деятельностью поверхностных и подземных вод и носящее характер скольжения или сдвижения пород на склоне. Строение оползней и их классификация Оползень представляет собой нарушение прочности, устойчивости природного склона или искусственного откоса и с этой точки зрения ведет к изменению сложившихся форм рельефа. Элементы оползня: 1. надоползневой уступ – примыкающая к оползню площадка, расположенная выше бровки склона, не подверженная оползанию; 2. стенка срыва – верхняя часть поверхности скольжения, образовавшаяся в результате смещения вниз оползневого тела; 3. оползневые террасы – ряд уступов, расположенных один ниже другого и ориентированных параллельно бровке склона; 90 4. поверхность скольжения – поверхность, по которой происходит смещение оползня. В зависимости от геологического строения и литологии пород она может быть плоской или круглоцилиндрической, гладкой или бугристой; 5. тело оползня – вся масса сползающего по склону грунта, ограниченная на глубине поверхностью скольжения. Поверхность тела оползня, представляющую в большинстве случаев циркообразное понижение, рассеченное трещинами, стенками срыва, террасолвидными уступами и локальными понижениями, заполненными водой, называют также депрессией оползня; 6. вал выпора – возвышение, образующееся в основании склона и состоящее из нарушенных и перемятых грунтов. 91 Место выхода поверхности скольжения на дневную поверхность в верхней части склона называют вершиной оползня, а в основании склона – подошвой оползня. Вал выпора образуется тогда, когда подошва оползня залегает ниже поверхности земли; если же она залегает на отметке поверхности или несколько выше подножия склона, то образуются так называемые оползневые накопления. Тело оползня покрыто трещинами. Оползни возникают в результате действия суммы факторов, среди которых постоянным и определяющим фактором является сила тяжести. Остальные факторы могут изменяться как во времени, так и по интенсивности. Одни из них действуют в течение длительного времени и как бы подготовляют почву для возникновения оползня. Можно наметить три группы таких факторов, обусловленные следующими характеристиками: 1. уменьшение прочности грунтов вследствие изменения их состояния и свойств при набухании, усадке, разуплотнении, растрескивании и дроблении под действием выветривания; 2. возникновением гидростатических и гидродинамических сил при водонасыщении грунтов, порождающих суффозию, выпор, переход в плывунное состояние и приводящих к потере устойчивости склона; 3. подработкой основания склона в результате морской абразии или речной эрозии, искусственной подрезкой и планировкой откосов при проведении строительных работ, приводящих к увеличению крутизны склона и потере его устройчивости. К факторам внезапного действия относятся из природных – сейсмические толчки, из искусственных – взрывы, движение транспорта или пригрузка верхней части склона инженерными сооружениями. Природные условия, влияющие на геологическую обстановку района развития оползней: 1. климат, 2. рельеф, 3. гидрогеологический режим и формирование поверхностного стока, 4. геологическое строение и литологический состав пород, 5. свойства пород, 6. условия залегания пород на присклоновом участке, 7. сопутствующие экзогенные и эндогенные процессы и явления. 8. Все эти условия могут ускорять или замедлять развитие оползневых процессов, способствовать их активному проявлению или, наоборот, медленному вялому течению. Типы оползней по наиболее характерным признакам: 92 1. по месту их образования (на склонах речных долин, на морских побережьях, в городах), 2. по объему оползших пород (малые – до 1000 м3, средние – до 100 000 м3 и большие – свыше 100 000 м3.). 3. по форме в плане: вытянутые в длину (глетчерные), вытянутые в ширину при небольшой длине (фронтальные), округлые, лунообразные или циркообразные. 4. по степени активности (действующие или замершие). 5. по непосредственной причине возникновения или потере устойчивости: консистентные (оползни-потоки), суффозионные, структурные, 6. по типу движения: толкающие, или детрузивные, возникающие в верхней части склона вследствие толчка оторвавшейся и давящей сверху массы породы; соскальзывающие, или деляпсивные, начинающиеся в нижней части склона в результате его подрыва, 7. по характеру движения: сплывание (оползни-потоки), медленное скольжение (большинство обычных оползней в рыхлых породах), быстрый сдвиг (оползни- обвалы), 8. по положению поверхности скольжения, то есть по строению оползневого склона: оползен в однородных породах, оползень на контакте двух различных пород, оползень поперек напластования, когда поверхность скольжения сечет поверхность напластования, 9. по глубине залегания поверхности скольжения: поверхностные и глубокие, 10. по числу поверхностей скольжения, Принцип оценки устойчивости оползневого склона Оползень представляет собой нарушение равновесия сдвигающих и удерживающих сил, действующих в породах склона. К первым относится сила тяжести, которая зависит от массы породы, ее плогности, влажности. Ко вторым относятся силы внутреннего трения и сцепления в грунтах, которые зависят от свойств грунта, его состава и состояния, формы поверхности скольжения и угла ее наклона к горизонту. Степень устойчивости оползневого склона оценивается величиной отношения суммы удерживающих сил к сумме сдвигающих сил. Это название носит название коэффициента устойчивости склона или откоса. Мероприятия по борьбе с оползнями К профилактическим мероприятиям относятся наблюдения за нормальной работой существующих сооружений для отвода поверхностных и подземных вод, уход за лесонасаждениями на склонах и запрещение их вырубки, надзор за проведением земляных работ на территории оползня и т. д. К инженерным мероприятиям относится осуществление комплекса работ: 1. устройство сооружений для отвода поверхностных вод, 2. строительство дренажей для отвода подземных вод, 3. планировочные работы – срезка верхней части склона и пригрузка нижней части для увеличения его устойчивости, 4. устройство подпорных стенок и набережных, 5. устройство свай-шпилек для закрепления отдельных участков оползневого склона. 93 Обвалы, камнепады и осыпи. Обусловлены гравитационным фактором (сила тяжести). Обвалы – это внезапное обрушение больших массивов пород горных склонов, сопровождающееся опрокидыванием и дроблением и возникшее в результате ослабления внутренних связей вследствие выветривания и увлажнения пород. По составу обрушающихся пород обвалы делятся на каменные, земляные и смешанные. Рассматривая причины возникновения обвалов, необходимо отметить, что основной причиной являются крутизна склонов, а также сила тяжести, стремящаяся переместить часть пород сверху вниз. Обвалы только внешне носят характер внезапного обрушения пород. В действительности обвалу предшествует подготовительный период, в течение которого происходят рост напряжений, ослабление сил сопротивления сдвигу в массиве и возникновение скрытых деформаций. Камнепадами, или вывалами, называют падение со склонов отдельных камней или глыб. Размер этих обломков может варьировать от нескольких сантиметров до нескольких метров в поперечнике. Механизм этого явления заключается сначала в подготовке к падению блока породы, отделенного от массива трещиной или удерживающим его глинистым заполнителем. Причиной камнепадов чаще всего являются атмосферные осадки, приводящие к увеличению силы тяжести на склоне и уменьшению сил трения и сцепления. Осыпями называется скопление глыбового или обломочного материала на склоне и у его основания. Осыпь образуется в результате падения со склона выветрелых обломков или рыхлого песчано-глинистого материала, подвергающегося гравитационной сортировке: наиболее крупные частицы скатываются вниз к подножию, более мелкие располагаются на склоне. 94 Мощность отложений увеличивается книзу, часто образуя у подножия склона шлейф значительной мощности и ширины. Угол, образованный осыпью с горизонтальной плоскостью, называется углом естественного откоса и зависит от крупности и степени окатанности частиц. К действующим относятся обнаженные свежие, все время пополняющиеся осыпи, которые легко приходят в движение от динамического сотрясения или увеличения массы при увлажнении атмосферными водами. К затухающим осыпям относятся уплотненные осыпи, частично покрытые растительностью. Неподвижные осыпи полностью задернованы и залесены. Меры борьбы с обвалами и осыпями. Профилактические – надзор за состоянием склонов, обрушением отдельных камней или каменных карнизов, наблюдение за скоростью движения осыпей, замеры углов естественного откоса и поверхностей осыпей. Инженерные мероприятия – для осыпей: посадки растительности, защитные железобетонные галереи или тоннели. Для курумов (крупнообломочный материал у подножия склона в виде шлейфа с пологим уклоном) – осушение глинистой подстилки, на которой они лежат. Для борьбы с камнепадами и обвалами применяют устройство улавливающих площадок или стенок, а на горном склоне – траншей и водосборных гидротехнических сооружений для отвода поверхностных вод. В скальных породах применяют тампонаж и цементация трещиноватых пород. Советом Министров СССР принято постановление «О мерах по улучшению защиты населенных пунктов, предприятий и других объектов и земель от селевых потоков, снежных лавин, оползней и обвалов». Раздел 6. Инженерно-геологические изыскания. Инженерно-геологические исследования при проектировании и строительстве различных сооружений. Основы инженерно-геологического районирования территорий при планировании городов. Инженерно-геологические работы: инженерно-геологическая съемка; геологическая документация буровых работ; проходка шурфов и других горных выработок; бурение скважин; геофизические исследования с поверхности земли; опытные полевые работы. Инженерно-геологические исследования при проектировании и строительстве различных сооружений 95 Проектирование и строительство городов и поселков. Непрерывный рост численности населения городов наблюдается почти во всех странах мира. Поэтому появляется необходимость реконструкции и расширения существующих городов, строительство новых и соответственно развитие разнообразных видов городского строительства. Теперь в крупных городах важно рационально использовать не только наземное, но и подземное пространство. Сложную задачу составляют проектирование и строительство городов в особых инженерно-геологических условиях – в условиях развития карста, оползней, просадочных и слабых неустойчивых пород, затопления и подтопления, высокой сейсмической активности, распространения многолетней мерзлоты, на территориях, подрабатываемых подземными выработками и др. Наконец, при планировании и строительстве городов необходимо в полной мере решать вопросы охраны окружающей природы и геологической среды. В связи со всем перечисленным перед инженерной геологией возникла новая сложная проблема – инженерная геология городов. Проектирование городов производится в определенной последовательности. Главным исходным градостроительным документом является генеральный план, который определяет размещение (компоновку) всех видов жилищного, общественного, промышленного строительства, расположение транспортных магистралей и других элементов городского хозяйства. Генплан – план использования территории в пределах проектируемых границ города (обычно в масштабе 1:10 000 – 1: 25 000), составляемый в соответствии с планами развития народного хозяйства, социального развития города и НТП (научнотехнического прогресса) страны. Генплан городов с проектной численностью населения 500 тыс. человек и более разрабатываются в два этапа: 1) технико-экономическое обоснование развития города с эскизом генерального плана (ТЭО) и 2) генеральный план города. Генпланы остальных городов разрабатываются в одну стадию. Для городов с численностью населения 250 тыс. человек и более, а также городов-курортов одновременно с разработкой генплана разрабатываются проект планировки пригородной зоны в масштабе 1: 25 000 – 1 : 50 000. При составлении каждого генерального плана обычно разрабатывают проект размещения первой очереди в масштабе 1 : 50 000 – 1 : 10 000, причем если генеральный план составляют на 25 – 30 лет, то проект строительства первой очереди – на каждую пятилетку. Рациональное использование территории города и перспективы его развития в значительной степени обосновываются данными, характеризующими инженерногеологические условия этой территории в целом и отдельных ее частей. Для получения этих данных выполняют инженерные изыскания для обоснования проектов планировки города и размещения строительства первой очереди. На первой стадии инженерных изысканий (рекогносцировочной) должны решаться задачи: изучение и оценка инженерно-геологических условий территорий города с целью рационального размещения всех видов застройки и использования без учета конструктивных особенностей отдельных зданий и сооружений. Генплан города является основой для выполнения второй стадии проектирования – составления проектов детальной планировки города и его промышленных районов. Эти проекты разрабатываются либо на отдельные части территории города – жилые районы, либо на микрорайоны. Материалы этой стадии изысканий должны обосновывать проект строительства намечаемого комплекса зданий и сооружений на данном участке, обеспечивать сопоставление и выбор возможных вариантов естественных оснований и фундаментов для них и служить обоснованием проекта организации производства строительных работ. Третьим этапом проектирования городов является проект застройки нового или реконструкции существующего города. В проекте застройки окончательно определяют гра96 ницы участков строительства, планировочные отметки и уклоны поверхности земли, типы зданий и сооружений, их фундаментов и организацию производства работ по каждому из них. Этот проект обычно разрабатывают в две стадии: технический проект и рабочие чертежи. Общая схема инженерно-геологических исследований. Стадии инженерно-геологических исследований ТЭО Технический проект Рабочие чертежи Рекогносцирочные исследования Предварительные исследования Детальные исследования Дополнительные исследования Главные вопросы инженерной геологии при проектировании и строительстве городов. 1. региональное инженерно-геологическое изучение территорий и их районирование с целью обоснования проектов планировки городов и пригодных зон, 2. инженерно-геологическая типизация территорий с целью установления принципов строительства разных групп зданий и сооружений, видов естественных оснований, типов фундаментов и схем их расчетов, комплексов защитных инженерных мероприятий, 3. обоснование проектов фундаментов зданий и сооружений на горных породах, относящихся к различным группам и видам, их устойчивости и нормальных условий эксплуатации, 4. изучение, оценка и прогноз геологических процессов и явлений, влияющих на условия строительства, сохранность территорий, зданий и сооружений и угрожающих жизни и деятельности людей, 5. обоснование проектов разнообразных специальных сооружений – мостов, метрополитенов, аэропортов и многих других, 6. выполнение поисков, разведки и промышленной оценки месторождений естественных минеральных строительных материалов и источников питьевого и технического водоснабжения, 7. обоснование проектов различных инженерных работ по благоустройству территорий, охране природы и геологической среды. 97 Основы инженерно-геологического районирования территорий при планировании городов. Основой регионального изучения территорий является инженерно-геологическая съемка с сопровождающими ее другими видами геологических работ. Основная задача съемки состоит в изучении и изображении тех или иных территорий, то есть геологических условий рационального использования территорий и их охраны, строительства различных сооружений, производства строительных, горных и других инженерных работ. Конечным итогом инженерно-геологической съемки является составление инженерногеологической карты, описания, характеристики и оценки инженерно-геологических условий заснятой территории. Чем объективнее и точнее будут изображаться на карте в процессе съемки инженерно-геологические условия, тем большее практическое значение будет иметь ее результат. Материалы съемки необходимы для правильной постановки других видов геологических работ (разведочных, опытных, стационарных наблюдений и др.), позволяющих с достаточной полнотой на той или иной стадии изысканий осветить инженерно-геологические условия. Основными этапами организации съемки являются подготовительный, полевой и камеральный. Главные задачи первого этапа: а) изучение фондовых и литературных материалов, их обобщение, определение методики полевых исследований и порядка сочетания различных видов геологических работ, б) составление программы – проекта и календарного графика полевых работ, в) подбор топографических, аэрофотосъемочных и геофизических материалов, г) укомплектование партии, отрядов кадрами, оборудованием и снаряжением. При инженерно-геологической съемке в первую очередь необходимо выявлять и отражать на картах закономерности размещения в земной коре горных пород, обладающих различными свойствами. Съемка заключается в изучении, описании и объективном изображении на карте инженерно-геологических условий тех или иных территорий. Основными точками наблюдений при инженерно-геологической съемке являются: характерные особенности рельефа, естественные или искусственные обнажения, выходы подземных вод на поверхность и т. д. Выполнив инженерно-геологическую съемку территории города (обычно в масштабе 1 : 10 000 – 1 : 25 000) и его пригородной зоны ( в масштабе 1 : 25 000 – 1 : 50 000) и составив соответствующую карту, мы получим полную, но общую характеристику и оценку инженерно-геологических условий территории. Для планирования городов этих данных бывает недостаточно и их приходится дополнять специальной оценкой отдельных частей рассматриваемой территории с учетом требований массовых видов строительства или, конкретнее, с учетом геологических условий строительства фундаментов. Так возникает необходимость в выполнении на основе регионального инженерногеологического изучения территории города и его пригородной зоны специального инженерно-геологического районирования. При районировании четко выделяют все те особые условия, которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве зданий и сооружений города. Районирование дает информацию о планировочных ограничениях по инженерно-геологическим условиям. Районирование необходимо также в связи с неоднородностью и изменчивостью инженерно-геологических условий территорий, проявляющихся в рельефе, геологическом строении, распространении тех или иных групп и видов горных пород, подземных вод и геологических процессов. В основе инженерно-геологического районирования, то есть разделения территории на части по степени сходства и различия инженерно-геологических условий, должны лежать определенные признаки и критерии. Так, например, при планировании городов и других населенных пунктов производят районирование территории по степени ее пригодности для такого вида строительства (пригодные, ограниченно пригодные, непригодные). 98 Для планирования городов и других населенных пунктов, то есть для массового жилищного, общественного и промышленного строительства, принято проводить районирование территорий по степени их пригодности (благоприятности условий) для таких видов строительства. При этом учитывается влияние на их оценку важнейших элементов инженерно-геологических условий. При таком районировании, как показывает опыт, целесообразно использовать геоморфологический метод, в соответствии с которым в первую очередь выделяют элементы рельефа первого порядка (водоразделы, склоны, террасы и др.) и затем их подразделяют на части по морфометрическим особенностям, геологическому строению, распространению подземных вод, геологических процессов и явлений. В результате такого расчленения вся рассматриваемая территория города получает сравнительную оценку по степени пригодности – благоприятности в наглядной форме, с совершенно однозначной характеристикой ее инженерно-геологических условий для строительства и хозяйственного освоения. Римскими цифрами на карте и в сопровождающей ее таблице полезно обозначать такую сравнительную оценку, а индексами а, б, в и другими дополнять ее указаниями на то, какой или какие из элементов инженерногеологических условий существенно ее определяют. Такое специальное инженерно-геологическое районирование территории подытоживает ее региональное изучение и оценку и в совокупности с материалами инженерногеологической съемки и других сопровождающих ее видов геологических работ вполне обосновывает проект планировки города и его пригородной зоны. В состав этого вида работ входят комплексное инженерно-геологическое изучение территории, ее оценка, прогноз возможных геологических изменений и составление практических рекомендаций по условиям застройки и использования территории в целом или первоочередных ее районов. Для дальнейшей конкретизации материалов инженерных изысканий, особенно при разработке проектов детальной планировки и проектов планировки городских промышленных районов, полезно производить типизацию территорий по инженерногеологическим условиям. Она должна служить основой для уточнения размещения (компоновки) зданий и сооружений в пределах тех или иных районов, микрорайонов или кварталов, сравнения возможных вариантов естественных оснований и фундаментов для них и организации производства строительных работ. Типизация – выявление главного, существенного, обобщающего оценку их инженерно-геологических условий. Для одних из них таким главным отличием могут служить особенности геологического строения, для других – распространение слабых горных пород, для третьих – неглубокое залегание подземных вод и т. д. Подытоживая, таким образом, результаты инженерно-геологических исследований территории города и его пригородной зоны, мы получаем возможность конкретно выражать оценку инженерно-геологических условий отдельных ее районов, производить некоторую генерализацию и обобщение, схематизацию этих условий, чтобы показать все главное и существенное. Такое целесообразное обобщение для территории города и его микрорайонов, кварталов и участков представляет собой типизацию, а для строительной площадки конкретного здания или сооружения – построение расчетной схемы. При планировании городов, их расширении и реконструкции часто приходится сталкиваться с необходимостью освоения неудобных, полностью или частично непригодных, неблагоприятных территорий. Несмотря на то, что такие территории неудобны для размещения городов, их приходится осваивать, так как не хватает других, более благоприятных площадей для застройки, либо в связи с необходимостью их благоустройства с целью охраны природы и геологической среды, либо в связи с тем, что их освоение более рационально, чем сокращение уже освоенных территорий – парков, заповедников, сельскохозяйственных земель и др. Освоение неудобных территорий обычно связано с выполнением разнообразных инженерных мелиоративных работ по их улучшению. К числу таких работ относятся: 99 1. планировка территорий – срезка неровностей рельефа и подсыпка масс горных пород на пониженные участки, засыпка рвов, воронок, провалов, оврагов и придание рельефу на отдельных площадях форм и уклонов, благоприятных для застройки и хозяйственного использования, 2. намыв и отсыпка масс горных пород на низких заболоченных и затопляемых поймах и равнинах и создание новых площадей, пригодных для застройки и освоения. 3. возведение дамб, валов и других ограждений для защиты территорий от затопления при разливах рек и водохранилищ, 4. регуляция стока дождевых и талых вод для защиты территории от избыточного увлажнения, заболачивания и развития других геологических явлений, 5. дренирование водоносных горизонтов с целью предупреждения подтопления территорий и защиты от переувлажнения верхних горизонтов горных пород, их слагающих, заболачивания и других геологических явлений, 6. осуществление инженерных мероприятий для защиты территорий от подмыва и размыва, образования оврагов, селевых выносов, оползней и других явлений, 7. благоустройство участков старых карьеров, строительство на их месте спортивных арен, плавательных бассейнов, прудов и других сооружений или их засыпка. Все это показывает, что освоение неудобных территорий, преобразование геологической среды в нужном для человека направлении и ее охрана требуют определенного подхода. Состав и методика инженерных изысканий для обоснования проектов планировки городов. Как показывает практика, для того чтобы изучить и оценить инженерногеологические условия территории города и отдельных ее частей с целью рационального размещения на них всех видов застройки и их хозяйственного использования, при инженерных изысканиях необходимо выполнять следующие геологические работы: 1) инженерно-геологическую съемку, 2)разведочные работы в небольшом объеме), 3) опытные работы, 4) стационарные режимные наблюдения, 5) лабораторные работы. Выполнению этих работ должны предшествовать сбор, обработка и обобщение имеющихся геологических, климатических, гидрогеологических материалов и данных, отражающих опыт строительства зданий и сооружений. Полевые работы должны завершаться камеральной обработкой материалов – оформлением инженерно-геологической карты, составлением карты инженерно-геологического районирования, схем типизации территории, типичных разрезов по характерным направлениям по каждому из выделенных районов, обработкой данных опытных работ и др. В пояснительной записке – полно, с необходимой детальностью должен обосновываться генеральный план развития города и района первоочередной застройки. Пояснительная записка должна завершаться заключением об инженерногеологических условиях территории города, ее оценкой и практическими рекомендациями по использованию отдельных ее частей. Разведочные работы при инженерно-геологических исследованиях. Это комплекс видов геологических работ, выполняемых с помощью определенных технических средств (геофизических, бурения скважин, проходки горных выработок) для изучения инженерно-геологических условий того или иного участка до необходимой глубины. Разведочные работы позволяют с той или иной степенью детальности в любой необходимой точке площадки устанавливать геологический разрез, состав горных пород, их строение, физическое состояние и обводненность и др. Разведочные работы сопровождаются специальными наблюдениями, отбором образцов и проб горных пород, а буровые 100 скважины и горные выработки, кроме того, могут быть использованы для выполнения опытных работ и режимных наблюдений. Геофизической разведкой называется один из видов геологических работ, выполняемых с помощью геофизических приборов для изучения геологических условий территорий, некоторых геологических процессов и явлений и свойств горных пород. Геофизические методы разведки – электрические, сейсмические, гравиметрические, магнитометрические и ядерные, нонаибольшее применение пока получили методы электрические (электроразведка), сейсмические (сейсморазведка) и ядерные. Из электроразведочных методов в практике инженерных изысканий наиболее часто применяют методы, основанные на различной способности горных пород проводить постоянный электрический ток: вертикальное электрическое зондирование, электрическое профилирование и изучение горных пород в буровых скважинах методом сопротивлений – электрический каротаж. Параметрами, определяющими распространение постоянного тока в горных породах, являются их удельное электрическое сопротивление (однородные породы) и кажущееся удельное электрическое сопротивление (неоднородные и анизотропные породы). Основой сейсморазведочных методов является скорость распространения упругих волн, возбуждаемых в горных породах взрывами, ударами или вибрационными установками. Поэтому основным параметром свойств горных пород, определяющим применение сейсморазведки, является их способность распространять с определенной скоростью упругие волны: продольные, поперечные, поверхностные. В зависимости от используемых диапазонов частот упругих волн различают методы: сейсмические (<200 –300 гц), акустические ( от 200 –300 до 10 000 – 20 000 гц) и ультразвуковые (>10 000 – 20 000 гц). Сейсморазведка применяется главным образом для решения двух групп задач: для изучения геологического строения территорий (глубины залегания коренных пород, выявление тектонических нарушений и др.) и для изучения физического состояния и физикомеханических свойств горных пород (плотность, динамический модуль упругости и модуль общей деформации и др.) Ядерные методы разведки подразделяются на две группы: 1. методы, основанные на изучении естественной радиоактивности горных пород, подземных и поверхностных вод и воздуха. Естественная радиоактивность горных пород обусловлена наличием в составе их породообразующих минералов примесей, включений и других минеральных и органических образований радиоактивных элементов – урана, тория, продуктов их распада а также калия и др. Спонтанный распад ядер таких элементов сопровождается излучением особого рода частиц, образующих альфа, бета и гамма излучение. Гамма-частицы по сравнению с другими обладают большей проникающей способностью, поэтому именно гамма – излучение чаще используется при решении геологических задач ядерными методами. Различные горные породы обладают различной радиоактивностью и соответственно гамма-излучением, что дает возможность при изучении геологического разреза разделять горные породы на толщи, слои. 2. методы, в которых используются явления, возникающие в результате искусственного облучения горных пород нейтронами (элементарные частицы ядра, не имеющие электрического заряда), или гамма-излучением. При облучении горных пород радиоактивным источником нейтроны с высокими скоростями и энергией при столкновении с ядрами тяжелых элементов рассеиваются, при столкновении с ядрами легких элементов движение их замедляется, а энергия понижается. В практике инженерных изысканий бурение разведочных скважин производят разными диаметрами – от 36 мм (зондировочные ) до 156 – 205 мм, а специальные скважины 101 от 600 до 1500 мм (скважины-шахты) и на разную глубину – от первых метров до 100 – 150м и более. Из всех наиболее распространенных способов бурения скважин – колонкового, ударно-канатного кольцевым забоем, вибрационного, медленновращательного, шнекового и ручного ударно-вращательного – первые два наиболее эффективны. Колонковый способ бурения скважин применим в любых горных породах и практически на любую глубину. Для получения керна, образцов и проб горных пород лучшей сохранности естественного сложения при бурении скважин необходимо обращать внимание на выбор длины рейсов. Как правило, чем слабее породы (малая плотность и т. д.), тем меньшей длины рейсами (до 20-40 см) следует вести бурение. Горные выработки позволяют получать наиболее точные и достоверные геологические данные. На начальных стадиях изысканий наиболее часто делают закопушки, расчистки, канавы, проходят неглубокие шурфы и дудки. На стадиях детальных изысканий проходят более глубокие шурфы и др. В открытых горных выработках (расчистках, канавах, шурфах, штольнях, котлованах и др.) монолиты отбирают из зачищенных забоев, почвы или стенок путем вырезания или выпиливания из пород или др. Инженерно-геологические работы. - проводят для обоснования проектирования различных видов строительства, разведки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а также осуществления других инженерных мероприятий. Основные задачи: изучение геоструктурных, геоморфологических и гидрогеологических условий, современных геологических процессов, определение состава, состояния и свойств горный пород, обосновывающих рентабельное проектирование строительства и нормальную эксплуатацию инженерных сооружений. При проектировании сооружений необходимо пользоваться инженерногеологическими данными, для того чтобы обосновать: 10 выбор места, 2) тип конструкций и методов работ, 3)мероприятия, которые могут улучшить инженерно-геологическое использование местности. Инженерно-геологическая съемка. Инженерно-геологическая съемка – это комплекс работ, проводимый с целью общей оценки инженерно-геологических условий территории, предназначенной для строительства сооружений или осуществления других мероприятий. Под инженерно-геологическими условиями понимается совокупность геологической обстановки, оказывающей влияние на строительство и эксплуатацию сооружений. Состав работ Состав работ при инженерно-геологической съемке и ее масштаб определяются программой работ с учетом сложности инженерно-геологических условий, видов строительства и типа проектируемых сооружений. Все работы выполняются в соответствии с нормативными документами, утвержденными для данного вида строительства. 102 Категории сложности инженерно-геологических условий при обосновании объемов работ при производстве инженерно-геологических съемок крупного масштаба или инженерно-геологической разведки устанавливаются на основе существующих таблиц. В состав инженерно-геологической съемки входят: 1. сбор, систематизация и анализ материалов изысканий прежних лет; 2. дешифрирование аэрофотоснимков; 3. составление предварительных инженерно-геологических карт на основе изученных материалов; 4. разбивка маршрутов и описание местности по маршрутам; 5. геофизические работы; 6. буровые и горнопроходческие работы; 7. полевые опытные работы (статическое и динамическое зондирование, вращательный срез, откачки, наливы, нагнетания и др.); 8. лабораторные исследования; 9. стационарные наблюдения; 10. обследование состояния зданий и сооружений, находящихся на территории съемки; 11. специальные виды исследований, предусмотренные программой; 12. камеральная обработка материалов и составление отчета с графическими и текстовыми приложениями. Следует иметь в виду, что состав работ при инженерно-геологической съемке может существенно меняться в зависимости от вида строительства и природных условий территории. Детальность инженерно-геологической съемки зависит от ее масштаба, который определяется стадией проектирования, категорией сложности инженерно-геологических условий, видом строительства и характером проектируемых сооружений. Инженерно-геологические съемки в зависимости от масштаба подразделяются на мелкомасштабные – от 1:500 000 и мельче, среднемасштабные – от 1:200 000 до 1 : 25000 и крупномасштабные – от 1: 10 000 и крупнее. Соответственно масштабу съемки и детальности содержания составляются карты: 1.обзорные мелкомасштабные – 1 : 2500 000 – 1 : 500 000; 2.обзорные среднемасштабные – 1 : 200 000 – 1 : 100 000; 3.среднемасштабные – 1 : 50 000 – 1 : 25 000; 4.крупномасштабные, детальные – 1 : 10 000 и крупнее. Инженерно-геологической картой называется обобщенное изображение на плоскости природных факторов, охарактеризованных в соответствии с требованиями проектирования и строительства инженерных сооружений. Существует несколько типов инженерно-геологических карт, которые объединяются в две группы: аналитические и синтетические. Производство съемочных работ Все виды работ по проведению инженерно-геологической съемки выполняются в три периода: подготовительный, полевой и камеральный. Подготовительный период В подготовительный период должна быть намечена общая схема производства съемочных работ. 1. Получение технического задания и анализ предварительных проектных решений. 2. Сбор и систематизация материалов предыдущих исследований с дешифрированием аэрофотоматериалов. 103 3. Сопоставление предварительных проектных решений с данными, полученными по результатам сбора материалов. 4. Определение основных задач для проведения полевых работ, определение площади съемки и глубины изучения толщи пород. 5. Выбор методов проведения полевых работ и их рационального комплексного применения. Разработка требований к технологии производства полевых работ. 6. Составление программы, сметно-финансовых расчетов, графиков проведения работ, разработка организационно-технических мероприятий по обеспечению работ. 7. Выполнение организационно-технических мероприятий. Полевой период В полевой период описываются и изучаются все элементы геологической среды, влияющие на оценку инженерно-геологических условий территории строительства. Съемочные работы начинаются с описания местности по маршрутам, направленным по возможности вкрест простирания слоев и основных структурно-тектонических линий. Это позволяет выявить особенности тектонического строения и характерные черты геологического разреза. Маршруты должны также пересекать основные геоморфологические элементы. Камеральный период Камеральная обработка материалов выполняется в течение всего процесса съемочных работ. Это так называемая текущая обработка материалов. После окончания полевых работ обрабатываются полевые и лабораторные данные. Составляются инженерно- геологические карты, строятся разрезы и колонки выработок, графики взаимосвязи показателей свойств грунтов, обрабатываются фотоматериалы и т. д. Камеральный период завершается составлением отчета о выполненных инженерногеологических исследованиях. Геологическая документация буровых работ Основным геологическим документом разведочных работ является буровой журнал и журнал горных выработок. В журнале по мере бурения скважин и проходки шурфов подробно описывают состав и состояние вскрываемых пород, указывают глубину отбора проб породы и воды, приводят результаты наблюдений за появлением уровней подземных вод, выходом керна, качеством изоляции водоносных горизонтов и т. д. По данным буровых и горных журналов составляют разрезы (колонки) отдельных скважин и шурфов, а также развертки шурфов. Данные нескольких разрезов (колонок) объединяют в инженерно-геологические или гидрогеологические профили (разрезы). При построении профилей вначале выбирают линию разреза. Ее располагают так, чтобы можно было получить наиболее полное представление об инженерногеологических и гидрогеологических условиях территории с учетом размещения будущего сооружения или отдельных его частей. По выбранной линии разреза строится топографический профиль поверхности земли. На профиль переносится топографический профиль поверхности земли. На профиль переносят точки, отражающие места заложения скважин и шурфов, а также все данные о составе, состоянии и свойствах пород и уровня подземных вод. Каждый разрез соответствующим образом оформляют – указывают масштаб, наносят стратиграфические индексы, приводят условные обозначения. Разрезы (профили) имеют важное значение при общей геологической оценке районов строительства и отдельных их участков, выборе слоев в качестве несущих оснований, изучении водоносных горизонтов и т. д. 104 Проходка шурфов и других горных выработок Буровые скважины и горнопроходческие выработки проходят для изучения геологического разреза, отбора образцов грунта на лабораторные испытания и для постановки опытных работ. По назначению скважины подразделяются на зондировочные и разведочные. Зондировочные скважины проходятся для изучения геологического разреза. Назначение разведочных скважин заключается в детальном изучении геологического разреза и в опробовании горных работ и подземных вод. Начальный диаметр скважин обусловлен их целевым назначением, глубиной и характером геологического разреза и в опробовании горных работ и подземных вод. Начальный диаметр скважин обусловлен их целевым назначением, глубиной и характером геологического разреза. Для зондировочных скважин конечный диаметр должен быть не менее 30 мм; для разведочных – 108 мм. Предпочтительными способами бурения являются: колонковый «всухую», ударноканатный кольцевым забоем, ударно-вибрационный. Самую высокую производительность обеспечивает ударно-вибрационный способ (до 70 м в смену). При инженерно-геологических исследованиях проходятся следующие виды горных выработок: расчистки, закопушки, канавы, шурфы и штольни. Наиболее распространенным видом горных выработок являются шурфы. Последние проходятся для детального и точного изучения геологического разреза, отбора качественных образцов ненарушенного сложения и постановки различных опытных работ. Шурфы бывают круглого и прямоугольного сечения. Круглые шурфы могут проходиться специализированными шурфопроходческими установками либо буровыми станками. Диаметр шурфов круглого сечения должен быть не менее 0,7 м. Прямоугольные шурфы должны иметь сечение не менее 1,25 *1 м. Для отбора монолитов из скважин необходимо применять грунтоносы. Отбор монолитов из породоразрушающего инструмента, которым углубляется скважина, не допускается. Бурение скважин. Бурение скважин является основным видом разведочных работ при инженерногеологических и гидрогеологических исследованиях. Буровая скважина – цилиндрическая вертикальная выработка (реже наклонная) малого диаметра, выполняемая специальным буровым инструментом. В буровых скважинах различают устье, стенки и забой или дно. Сущность бурения заключается в постепенном и последовательном разрушении (или обуривании) породы на забое и извлечении ее на поверхность. Образцы породы, извлекаемые из скважин, называют керном. К преимуществам бурения относят: высокую скорость проходки скважин, возможность достижения больших глубин, механизацию спуско-подъемных операций, мобильных буровых установок. Бурение имеет и недостатки: невозможность осмотра стенок скважины ввиду малого ее диаметра, небольшой размер образцов, необходимость промывки скважин при бурении и др. Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических изысканий, обычно находится в пределах 33 – 219 мм. Для гидрогеологических целей бурят скважины большего диаметра. Глубина скважин определяется задачами исследований и для инженерных сооружений водопровода и канализации редко превышает 30 м. При поисках и разведке подземных вод для водоснабжения глубина скважин может достигать 800 м и более. Бурение скважин производят буровым наконечником, который, соединяясь с бурильными трубами (штангами), создает буровой снаряд. Удары или вращение этого снаряда и 105 передачу на него давления осуществляют буровыми станками, приводимыми в действие различными двигателями. При инженерно-геологических исследованиях применяют следующие виды бурения скважин: ручное ударно-вращательное, вращательно-колонковое и вибрационное. Другие виды бурения, с помощью которых трудно отобрать керн, при инженерно-геологических работах применения не находят. Ручное ударно-вращательное бурение из-за низкой производительности и высокой трудоемкости применяется в крайне ограниченном объеме (труднодоступная местность, малый объем работ и др.) Ручным способом бурят скважины в рыхлых грунтах на глубину до 10-15 м, реже 30 м. Вращательно-колонковое бурение позволяет бурить скважины почти во всех разновидностях пород, включая и скальные, глубиной до 100 м и более. Буровой снаряд состоит из пустотелой колонковой трубы длиной 0,5-4,5 м с коронкой и колонной бурильных штанг. При вращении бурового снаряда коронка колонковой трубы с зачеканенными в ней зубьями из твердых сплавов прорезает кольцевой канал в породе, то есть выбуривает столбик породы –керн. Используются также дробовые и алмазные коронки. После заполнения колонковой трубы керном буровой снаряд отрывают от забоя и поднимают на поверхность. Затем отвинчивают коронку и извлекают керн из колонковой трубы. В глинистых породах для отбора проб грунта ненарушенной структуры (монолитов) используют наконечники специальной конструкции – грунтоносы, диаметром не менее 100125 мм. При колонковом бурении через бурильные трубы на забой подается глинистый раствор, вода или сжатый воздух. Буровой инструмент при этом охлаждается, а измельченная порода (шлам) выноситься на поверхность в специальные отстойники. Одним из наиболее производительных способов бурения является виброуплотнение, при котором буровой снаряд погружается в породу благодаря вибрационным колебаниям. При помощи вибратора глинистые и песчаные обводненные породы проходят на глубину до 15-20 м. Следует помнить, что под влиянием вибрации глинистые изменяют свою структуру и уплотняются. Шнековое бурение характеризуется высокой механической скоростью при проходке скважин в песчано-глинистых грунтах на глубину до 30 м. Разрушение пород производится вращающимся долотом, а подъем их – шнеками, то есть трубами, на поверхность которых приварена стальная спираль. При этом способе бурения качественное геологическое описание затруднительно. Бурение скважин в неустойчивых и водонасыщенных породах осложняется вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обсадные трубы, которые опускают в скважину, после чего продолжают бурение наконечником уже меньшего диаметра. По окончании бурения обсадные трубы извлекают, а скважину ликвидируют. При гидрогеологических исследованиях бурят скважины разведочные, опытные, наблюдательные и разведочно-эксплуатационные. Скважины, предназначенные для забора воды, называют скважинами на воду, они отличаются от других большим диаметром, что связано со значительными размерами погружных водоподъемных средств. Бурение скважин на воду осуществляется в основном роторным и ударно-канатным способом. Вращательно-колонковое бурение из-за малого диаметра скважины применяют в ограниченном объеме, в основном в скальных породах при глубине скважин до 200 м. Роторный способ – это вращательное бурение сплошным забоем, с промывкой или продувкой воздухом, с вращателем (ротором) на поверхности. Ударно-канатное бурение рекомендуется в районах с недостаточной гидрогеологической изученностью, так как позволяет вести тщательное геологическое и гидрогеологическое описание. В практике гидрогеологических изысканий широко применяют также комбинированный способ бурения (ударно-канатный и роторный). 106 Скважины очень большого диаметра (до 1000 мм и более) и глубиной не менее 200 м бурят реактивно-турбинным способом с вращателем на забое. Для водоснабжения важно получить максимально возможный дебит из пробуренных скважин. Геофизические исследования с поверхности земли Электроразведка основана на исследовании искусственно создаваемого в массивах пород электрического поля. Каждая порода в зависимости от состава, состояния, водоносности характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением. Чем больше разнятся эти удельные сопротивления между собой, тем точнее результаты электроразведки. Электороразведка с поверхности земли применяется в двух модификациях: электрозондирование и электропрофилирование. При методе вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) приемные электроды с включенным в их цепь потенциометром остаются неподвижными, а питающие электроды последовательно перемещаются от центра зондирования. Чем больше расстояние между питающими электродами, тем на большую глубину проникают токовые линии. Измеряя силу тока между питающими электродами и разность потенциалов между приемными электродами, определяют удельное сопротивление горных пород. Метод ВЭЗ широко используется для определения глубины залегания и мощности водоносных горизонтов, включая и глубокозалегающие артезианские воды. При электропрофилировании (ЭП) по профилю перемещаются одновременно четыре электрода при неизменном расстоянии между ними. Это дает возможность изучить геологическое строение участка в горизонтальном направлении вдоль линии профиля. Методом ЭП определяют границы слоев горных пород и водоносных горизонтов, обнаруживают карстовые полости, обводненные трещиноватые зоны, линзы пресных вод среди соленых и др. Сейсмические методы основаны на измерении скорости распространения упругих колебаний, искусственно возбуждаемых в горных породах (взрывами, ударами). Замерив время пробега упругой волны от точки возбуждения до сейсмоприемника, вычерчивают кривую – годограф, по которому рассчитывают скорость распространения волн в исследованных породах и строят сейсмогеологический разрез. С помощью микросейсмических установок, применяемых для малых глубин исследования, устанавливают глубину залегания скальных пород под насосами, выявляют погребенные речные долины, карстовые пустоты, уровень подземных вод, мощность талых пород в вечной мерзлоте и т. Д. В сложных сейсмических условиях этот метод недостаточно точен. При изучении основных изверженных пород, обладающих аномальными магнитными свойствами, выявлении зон тектонических нарушений как вспомогательный метод применяют магниторазведку. Этот метод успешно применялся при изысканиях трассы БАМа. Для определения объемной массы и влажности пород в условиях естественного залегания, а также литологического расчленения толщи песчано-глинистых отложений используют радиоактивные методы. Геофизические исследования в буровых скважинах (шурфах и др.), проводимые для изучения геологического разреза горных пород, их водоносности и температуры воды, называют каротажем. Каротаж скважин особенно важен при бурении скважин на воду, а если для их проходки использовался роторный способ, он совершенно обязателен. Как известно, при использовании роторного способа бурения качественная геологическая документация затруднительна, поэтому состав, мощность и водопроницаемость пород, пройденных скважиной, устанавливают в основном с помощью геофизических методов. Различают электрический, радиоактивный, резистивиметрический и другие виды каротажа. 107 Электрический каротаж основан на измерении вдоль ствола скважины кажущегося электрического сопротивления пород (метод КС) и потенциала естественного поля (метод ПС). Для этого один электрод перемещается по скважине, а второй располагают на поверхности; в образовавшейся электрической цепи измеряют силу тока. Этими методами расчленяют толщу пород по литологическим признакам, выделяют пласты, насыщенные водой, и т.д. Радиоактивным каротажем вдоль всего разреза скважины измеряют интенсивность естественного гамма-излучения горных пород (гамма-каротаж ГК) и вторичного гаммаизлучения, возникающего в породах при их облучении нейтронами из источника, перемещаемого вдоль ствола скважины (нейтронный гамма-каротаж НГК). С помощью радиоактивного каротажа можно определить состав и состояние пород, а также некоторые их свойства: объемный вес, влажность, объемный вес скелета. Резистивиметрический каротаж применяют для обнаружения мест притока (или поглощения) воды в скважине, определения скорости ее движения и др. После промывки и заполнения скважины раствором поваренной соли с помощью специального прибора резистивиметра, опускаемого в скважину, следят за изменением удельного электрического сопротивления раствора. Места притока воды в скважину обнаруживают по увеличению величины сопротивления, так как подземные воды менее соленые, чем раствор поваренной соли, а следовательно, должны обладать большим электрическим сопротивлением. Скорость движения подземных вод определяется по интенсивности возрастания электрического сопротивления в процессе замещения солевого раствора подземными водами. С помощью других геофизических методов в скважинах определяют также производительность водоносных горизонтов, минерализацию подземных вод, направление и скорость их движения, качество изоляции водоносных горизонтов и др. (расходометрия, метод повторных боковых каротажных зондирований, метод заряженного тела и т.д.). Опытные полевые работы Опытные работы подразделяются на полевые испытания грунтов и опытнофильтрационные исследования. Первые применяют при инженерно-геологических исследованиях. Полевые испытания грунтов: 1.Опытные нагрузки в шурфах и скважинах проводят при проектиронии ответственных сооружений для получения надежных характеристик сжимаемости грунтов. На жесткий штамп, устанавливаемый на дне шурфа (или скважины), передают различное удельное давление с помощью домкратов или тарированных грузов. На основании наблюдений строят графики зависимости осадки штампа от нагрузки S=f(Р) и по этим данным оценивают степень сжимаемости грунтов. Разновидностью штамповых испытаний является метод прессиометрии. Сущность этого скоростного (в отличие от длительных опытных нагрузок) метода состоит в обжатии и деформировании грунта в стенках скважины.По величине этих деформаций определяют показатели сжимаемости грунтов. Прессиометр имеет вес, транспортабелен и широко используется для определения сжимаемости слабых грунтов (илистых, мягкопластичных и др.). Зондирование (или пенетрацию) выполняют для изучения состава и свойств песчаноглинистых пород на глубину 15-20 м и более без бурения скважин. Сущность метода заключается в определении сопротивления проникновению в грунт металлического наконечника (зонда). Зондирование дает представление о плотности и прочности грунтов на той или иной глубине и характеризует изменение их в вертикальном разрезе. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое. При динамическом зондировании зонд погружают ударами стандартного груза, па108 дающего с определенной высоты. Плотность и прочность грунтов характеризуется числом ударов, необходимых для забивки зонда на определенную глубину, или глубиной погружения конуса (S, см) от определенного числа ударов. При статическом зондировании фиксируют усилие, необходимое для задавливания зонда. По этим данным строят кривые, наглядно показывающие, из каких слоев по плотности и прочности сложены изучаемые толщи пород. В практике изысканий широкое распространение получил скоростной пенетрационнокаротажный метод (статическое зондирование, совмещенное с радиоактивным каротажем). По величине сопротивления грунта погружению конуса и замерам радиоактивности пород судят об их плотности, влажности, степени глинистости, глубине залегания грунтовых вод. В иловатых и мягкопластичных глинистых породах сопротивление сдвигу определяют сдвигомером – крыльчаткой (лопастные испытания). Прибор состоит из четырехлопастной крыльчатки, штанг и измерительного устройства. Крыльчатка штангой вдавливается в грунт, а затем поворачивается. Механические свойства грунтов оценивают по изменению приложенного крутящего момента М. В полевых условиях проводят также опытные исследования коррозионной активности грунтов (почвенная коррозия) и коррозионности от блуждающих токов (электрокоррозия). 2.Опытно-фильтрационные исследования. Важнейшей составной частью гидрогеологических работ являются опытнофильтрационные исследования. С их помощью определяют удельные дебиты скважин, водопроницаемость горных пород, взаимосвязь водоносных горизонтов, направление и скорость движения подземных вод. В состав опытных работ входят: откачки, нагнетания в скважины, наливы в шурфы, определения направления и скорости движения подземных вод. Полевые опытно-фильтрационные работы дают наиболее достоверные результаты (в сравнении с лабораторными), так как приток или отток воды изучается непосредственно в массиве горных пород, в условиях их естественного залегания. 109 110 111