Инженерная геология

1.1. Инженерная геология. К истории вопроса. Зарождение инженерной геологии правомерно отнести к истории развития и формирования человечества на Земле. В первую очередь, это было связано с тем, чтобы обезопасить свою жизнь от влияния разнообразных опасных и катастрофических явлений природы: провалы, обрушения горных массивов, наводнения, камнепады и т. д. В целом, развитие инженерно - геологических представлений - это процесс эволюционный. Еще М.В. Ломоносов в своей работе "О слоях земных" отмечал, что "строитель внимает твердости земли во рвах для оснований ". В дальнейшем, по мере увеличения объемов строительства плотин, каналов, тоннелей, городов был накоплен значительный опыт при проектировании и строительстве различных сооружений. Обобщение и анализ этих данных позволил разработать теоретические основы инженерной геологии и ее применение в практике. В нашей стране в решении этих вопросов принимали участие целый ряд исследователей. Назовем только некоторых из них: Мушкетов И. В. , Карпинский А. П. , Саваренский Ф.П. , Попов И. В. , Маслов Н. Н. , Сергеев Е.М. Гуменский В. М. , Ломтадзе В. Д. и др. Именно их работы легли в основу определения понятия "инженерная геология". Понятие термина. "Инженерная геология" -это отрасль геологии или дисциплина, которая изучает геологическое строение и динамику верхней части земной коры в связи с проектированием и строительством различных инженерных сооружений. Возводимые объекты в процессе инженерной деятельности человека вызывают соответствующие изменения природных условий, а техногенные воздействия на природную обстановку в сочетании с естественной оказывают большое влияние на условия строительства и эксплуатацию транспортных путей, линейных коммуникаций, гидротехнических сооружений, ТЭЦ, АЭС и других объектов, разрушение которых может привести к экстремальным экологическим ситуациям и нанести непоправимый вред для человечества. Таким образом, инженерная геология изучает геологические процессы и физико-механические свойства горных пород, определяющих безопасное возведение различных сооружений и направление инженерно - геологических мероприятий по обеспечению устойчивости естественных грунтов. Цель изучения дисциплины комплексная оценка устойчивости геологической среды в процессе инженерной деятельности человека и определение благоприятных мест размещения сооружений, выбор конструкций, методов строительства, прогноз неблагоприятных геологических последствий и разработка мероприятий по борьбе с ними. Задачи изучения дисциплины. Основной задачей инженерной геологии является изучение геологических процессов и физико-механических свойств горных пород, определяющих условия воздействия различных сооружений и направление инженерно-геологических мероприятий по обеспечению устойчивости естественных грунтов. Соответственно, основными задачами будущих инженеров транспорта будут следующие: - знание и свободное владение геологической, инженерно-геологической терминологией; - знание основ геологии, минералогии, петрографии, инженерной геологии, методов инженерно-геологических изысканий, вопросов охраны и рационального использования окружающей среды. - умение составлять проекты на инженерно-геологические изыскания; - свободно читать и уметь составлять геологические и гидрогеологические карты и разрезы, колонки буровых скважин, выбирать методы инженерно-геологических исследований, прогнозировать неблагоприятные инженерно-геологические процессы и выбирать методы борьбы с ними, рассчитывать экономически целесообразные мероприятия для обеспечения устойчивой эксплуатации транспортных путей; - иметь представление о внутреннем строении Земли, развитии экзогенных и эндогенных процессов и их влиянии на полотно дорог, геохронологической шкале времени и особенностях строительства в условиях повышенной сложности инженерно-геологической ситуации (сели, лавины, землетрясения, обвалы и т.д.) Для того, чтобы овладеть всеми этими знаниями необходимо иметь представление, и достаточно основательное, по целому ряду дисциплин, таких как, физика, химия, геология, геохимия, гидрогеология, историческая геология, грунтоведение, механика грунтов и т. д. Строение Земли как планеты Солнечной системы. Галактика, Солнечная система вместе со всеми своими планетами входит в Галактику, основная масса звезд, которой расположена в кольце Млечного Пути диаметром 105 световых лет (скорость света около 300 000 км/сек). Планета Земля: форма, размеры, внутреннее строение. Многие геологические и динамические процессы, происходящие в поверхностных условиях земной коры, тесно связаны с развитием Земли, как одной из составных частей Солнечной системы. Она состоит из Солнца и обращающихся вокруг неё девяти больших планет со спутниками: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Среди них Земля находится на третьей позиции и ее объем меньше объема Солнца примерно в 1300 раз. Диаметр Солнца составляет 1391000 км, а его температура варьирует от 6000 до 20000°К. Земля имеет форму геоида (сфероида) или, иначе говоря, эллипсоида вращения, длинный радиус которого равен — 6378 км, а короткий - 6357 км. Равновеликий радиус равен - 6371,1 км; масса Земли 5,975-1027 г. т.е, меньше массы Солнца в 3 · 106 раз. Скорость вращения вокруг Солнца ~20-30 км/сек. Средняя плотность - 5,5 г/см3. Температура в центре Земли от 5000 до 10000 °С Давление внутри Земли превышает 3,5 млн. атм. По данным комплексных геолого-геофизических исследований Земля и околоземное пространство состоят из ряда геосфер, среди которых выделяются: атмосфера ~ 10-15 км; гидросфера ~ 10км; биосфера ~ охватывает предыдущих две сферы и первые километры земной коры; Радиус вращения Земли ~ 3-108 км Поскольку основным объектом инженерно-геологических исследований является верхняя часть Земли, т.е. земная кора, то кратко рассмотрим ее строение: земная кора - 5-40 км; верхняя мантия - 1000 км; нижняя мантия - 2900 км; внешнее ядро -5120 км; центральное внутреннее ядро -6375 км. Строение земной коры Происхождение Земли как планеты Солнечной системы Существует несколько гипотез об образовании Земли, как одной из планет Солнечной системы. Это один их труднейших вопросов естествознания. Рассмотрим лишь только некоторые из них. Гипотеза Канта-Лапласса (холодная). Первоначально существовала огромная, вращающаяся туманность из различных каменных блоков, астероидов, космической пыли с центром вращения вокруг плотного ядра. По мере вращения создались центробежные и центростремительные силы, которые привели к расслоению туманности и созданию концентрических колец. Последние в силу физических закономерностей (центробежные и центростремительные силы), были сформированы как планеты. В дальнейшем при уплотнении вещества, происходил разогрев и его дифференциация, которые в конечном итоге привели к образованию планет, в том числе и Земли. Гипотеза О. Ю. Шмидта (горячая). Существовало Солнце и рой пылеватого облака, которое в виде отдельных частей захватывалось (притягивалось Солнцем), а затем за счет физико-химических процессов, выбрасывалось в околосолнечное пространство и там сформировались сгустки как основа планет. Существует еще целый ряд гипотез, но ни одна из них не может объяснить все теоретические вопросы Рекомендуемая литература: 1. Аллисон А. Палмер Д. Геология // М.: Мир, 1974, 568 с. 2. Горшков Г.П. Якушева А.Ф. Общая геология. //М.: 1973, 592 с. 3. Гуменский В. М. Основы инженерной геологии для строителей железных дорог. Л.: Недра, 1969. 4. Малахов А.А. Краткий курс общей геологии. М.: Высшая школа, 1969, 239с. 5. Маслов Н. Н., Котов М. Ф. Инженерная геология. // М.: Стройиздат, 1971. 6. Седенко М. В. Геология, гидрогеология и инженерная геология. // Минск:, Высшая школа ,1975. 7. Сергеев Е. М. Инженерная геология. / / М.: МГУ, 1982. 8. Чаковский Е. Г. Инженерная геология. // М.: Высшая школа, 1975. 2. Магматические горные породы. Магматизм - это совокупность явлений и процессов, связанных с тепловой энергией Земли, движущей силой которых является расплавленная огненно-жидкая магма. Она, внедряясь в твердую оболочку Земли, постепенно остывает, образуя разнообразные по форме и минеральному составу тела. Около 95% горных пород, слагающих земную кору, приходится на магматические. На осадочные и метаморфические приходится лишь 5%. Если судить о минеральном составе, то он распределяется следующим образом: ~60% приходится на полевые шпаты; ~17% - на железомагнезиальные силикаты; ~12%-на кварц; ~ 11% - на слюды кальцит, глиноземистые минералы и т.д., в том числе и осадочные породы. Магма (тесто, густая мазь) в процессе своей эволюции расщепляется и происходит ее дифференциация и раскристаллизация. Расщепление магмы происходит либо по принципу разделения по удельному весу (тяжелые молекулы и минералы оседают быстрее), либо по уровню кристаллизации, когда в первую очередь происходит выпадение из расплавов тугоплавких минералов (обычно Fе-Мg-зиальные), наиболее тяжелых с повышенным удельным весом. Остывание очага магмы начинается с контактовой зоны с окружающими горными породами. Тяжелые соединения обычно находятся в наиболее глубоких частях очагов расплавленной массы. По мере течения этого процесса оставшаяся часть очага обогащается кремнекислотой, и состав становится по своему содержанию близким к кислым магмам. По мере снижения температуры и давления происходит выпадение минералов по так называемому принципу Н. Боуэна: Оливин-»пироксены-»слюды-»плагиоклазы-»полевые шпаты-» кварц. То есть, в первую очередь образуются горные породы, обогащенные темноцветными минералами (перидотиты, габбро), ультраосновные и основные, а на последних стадиях образуются кислые и ультракислые с высоким содержанием кремнезема (пегматиты, граниты). Эта же закономерность подчеркивается (просматривается) и в списке стадий магматической деятельности очага, которые характеризуются различными физико-механическими особенностями. Выделяются: 1. Магматическая - кристаллизация минералов из магмы; 2. Пневмотолитовая - выпадение кристаллов из расплавов обогащенных газами и парами; 3. Гидротермальная - образование кристаллов из горячих растворов. Соотношение расплавов, газо- и парообразной составляющих может быть различным и это делает магматическую систему крайне чувствительной к изменению внешних условий. Пары и газы, выходящие из магматического очага, при снижении температуры и давления, переходят в растворы обогащенные различными минералами. Они обычно являются источником очень большого количества полезных ископаемых. Например, полиметаллические месторождения содержат богатейшие запасы Рb, Вi, Сu, Аs, S, Аg, Аu и т.д. Таким образом, эволюция магматического очага сопровождается кристаллизацией, расщеплением, дифференциацией и образованием разнообразных кристаллических горных пород и минеральных ассоциаций, закономерно возникающих на различных стадиях развития магматического очага. Формы залегания интрузивных тел. Магма, внедряясь в земную кору, медленно остывает и затвердевает, образуя разнообразные по форме тела интрузии (или плутоны). Их соотношение с вмещающими горными породами может быть согласным или секущим. Наиболее широко распространенными формами являются (рис. 4): Батолиты. Крупные интрузивные тела, занимающие по площади сотни и даже тысячи квадратных километров. Они обычно имеют гранитоидный состав, и секущие контакты с вмещающими горными породами. Их образование тесно связано с завершающими стадиями складкообразования (т.е. при смятии пород в складки), которое охватывает значительные промежутки времени. В тоже время это сопровождается внедрением интрузий и ассимиляцией окружающих их пород Их формирование тесно связано как с ассимиляцией (переработкой и переплавкой) вмещающих горных пород, так и с внедрением кислой магмы. В процессе кристаллизации образуются граниты, пегматиты и гранодиориты различных модификаций. Штоки- интрузивные тела неправильной формы. Их площадь на поверхности достигает 100 кв. м. Трещинные (жильные) интрузии. Они ответвляются от более крупных интрузивных тел, заполняют обычно трещины отрыва с параллельными стенками, имеющими мощность до 5-6 м и протяженность сотни метров. Межпластовые интрузии - крупные, занимающие по площади сотни и тысячи квадратных километров и достигающие мощности 3-5 км. Лополиты- согласные со складчатостью чашеобразные интрузивные тела. Их размеры в поперечнике колеблются от сотен метров до первых километров Лакколиты согласные со складчатостью караваеобразные интрузивные тела обычно площадью десятки квадратных километров. Существует еще целый ряд интрузивных тел, менее распространенных в природе, такие как, этмолит, бисмалит, факолит, гарполит и др. Вулканизм или эффузивный магматизм. Представляет собой процесс извержения магматических расплавов прорвавших земную кору и излившихся на поверхность Земли. При этом образуется на дневной поверхности такие формы, как вулканы центрального типа высотой от первых десятков метров до нескольких километров; платобазальтовые равнины, линейные вулканические гряды и потоки, достигающих длины до десятков километров. Извержение вулканов сопровождаются излиянием большого количества лавы, взрывами и выбросами газогидратных соединений, вулканических бомб, пеплов. По мере освобождения вулканического (магматического) очага и охлаждения происходит компенсационное проседание и обрушение земной коры, которые на поверхности выражены в виде кальдер площадью от нескольких десятков до сотен квадратных километров. По мере образования вулканов, в их краевых частях возникают паразитические вулканы, диатремы (диа - через, трема - дыра) или трубки взрывы, поля развития горячих источников. Весь комплекс вулканических процессов и явлений свидетельствует о высокой тектонической активности, которые обычно локализуются в узкие линейные зоны и пояса, такие как, Тихоокеанское кольцо, Среднеземноморский пояс и др. У нас в Сибири, как показатели такой активности в недалеком прошлом, в период рельефообразования, образовались вулканические поля и вулканы в Саянах, на Хамар-Дабане, Удокане, Никое и т.д. Итак, мы рассмотрели основные условия проявления магматизма: интрузивный - внедрение магмы в земную кору и ее раскристаллизация; эффузивный - излияние магмы на поверхность земной коры и ее быстрое остывание. Из этого видно, что химический состав у горных пород и минералов должен быть примерно одинаков, но различные условия их образования, обуславливают целый ряд их отличий: - интрузии, находясь в условиях высоких температур и давлений, остывают постепенно. Это обусловливает раскристаллизацию вещества и формирование отчетливо выраженной кристаллической структуры (крупно-, средне-, мелкозернистые граниты и т.д.); - эффузивные - излившиеся аналоги магматических расплавов при низких значениях температуры и давления образуют аморфные, стекловатые, в крайнем случае, мелкозернистые агрегаты). По химическому составу, интрузивные и эффузивные образования можно разделить по содержанию кремнезема: ультракислые содержание SiO2 более 75% кислые - 65-75% средние - 52-65% основные - 45-52% ультраосновные менее 45% Строительные свойства магматических пород. Значения магматических горных пород в строительстве очень велико. Они отличаются высокой прочностью (свыше 2000 кг/см2), легкой обрабатываемостью, хорошей полируемостью, разнообразием цветов и рисунков. Все эти качества позволяют их использовать для строительства фундаментов, мостов тоннелей, зданий, а также в виде монолитов, блоков, щебня в качестве насыпей, дорожных покрытий, бутового камня, наполнителей бетонов, отливки различных форм, изготовления художественных скульптур и композиций и т.д. 3. Осадочные горные породы Их происхождение тесно связано с процессами осадкообразования, которые происходят везде и повсеместно: в океанах, озерах, на суше, в речных долинах, горных районах, пустынях и т.д. и тесно связаны одним термином "выветривание". Под этим не следует понимать только силу и длительность воздействия ветра. Прежде всего, это совокупность процессов физического разрушения, химического разложения и биологического воздействия на минералы и горные породы на местах залегания. Выделяют два главных типа выветривания: 1) физическое; 2) химическое; Иногда выделяют третий тип биогенный или органогенный, но он является синтезом из первых двух типов. 1. Физическое выветривание - это разрушение горных пород под воздействием изменения температур в различных климатических условиях, в результате расклинивающего действия замерзающей воды и роста корневой системы растений, ударного (механического) действия частиц, переносимых ветром и водой. Как результат - образуются обломочные продукты разрушения различного состава от глыб и монолитов до тонкозернистых разновидностей. 2. Химическое выветривание - разрушение горных пород в результате их взаимодействия с химически активными соединениями, такими как вода, кислород, углекислота, органические кислоты, щелочи и т.д. В целом, это сводится к следующим основным химическим реакциям: окислению, гидратации, растворению и гидролизу. Характерные примеры перехода одних минералов в другие: а) FеS2 + n Н2О + mО2 → Fе ( SО4 )3 = Fе2О3 • n Н2О пирит лимонит б) СаSО4 + 2Н2О → СаSО4 • 2Н2 О ангидрит гипс в) Fе2О3 + nН2О → Fе2О3• n Н2О гематит лимонит г) К [А1 Si3 О8] → Аl(ОН)8 [SiO4О10] + кремнекислота + бикарбонат калия полевой шпат каолинит д)NаА1Si3+ (ЗН2О + 2 СО2) → каолинит+ кремнекислота + бикарбонат натрия альбит Роль организмов в процессах выветривания широка и разнообразна. В этом принимают участие микроорганизмы, микрофлора, водоросли, грибки, высокоорганизованные морские и озерные организмы, и животные. Таким образом, осадочные горные породы образуются за счет следующих процессов: а) осаждения и накопления обломочного материала, полученного из разрушенных горных пород: б) выпадения химических веществ в осадок из водных растворов; в)жизнедеятельности и отмирания организмов; Соответственно, все осадочные отложения подразделяются на: обломочные (терригенные); химические (хемогенные); органические (органогенные, биогенные). Среди обломочных выделяются такие типы как глыбовые, щебнистые, валунно-галечные, песчаные, пылеватые, глинистые и др.рыхлые породы. Они же, в сцементированном виде представлены брекчиями, конгломератами, песчаниками, аргиллитами и алевролитами. Хемогенные и биогенные отложения представлены известняками, доломитами различными солями (галит, сильвин), углями, горючими сланцами, торфами и др. Между всеми генетическими типами осадочных горных пород отсутствуют четкие границы. Между собой они обычно связаны различными взаимопереходами. Так, обломочные могут образовываться совместно с органогенными и хемогенными осадками; и лишь преобладание того или иного компонента могут определить название горной породы или минерала. Основными отличительными признаками этого типа пород являются; 1. Слоистое строение - чередование слоев различного состава, цвета, толщины, которые тесно связаны с условиями образования. Гранулометрический и минеральный состав отражают динамику процесса формирования осадочных пород. 2. Наличие отпечатков растительных и животных организмов, которые иногда слагают целые горизонты и мощные слои. 1. Внешний облик (текстура) и внутреннее строение (структура) пород. 3. Наличие в их составе характерных минералов, которые отсутствуют в магматических горных породах, таких как галит, сильвин, гипс, доломит, опал, глины и т.д. 4. Они отличаются меньшими прочностными свойствами, чем магматические горные породы. 6.Формы залегания: пласты, слои, линзы, купола, мульды (чашеобразные прогибы). Применение осадочных горных пород в строительстве широко и разнообразно: в качестве строительного камня используются сцементированные горные породы с прочным наполнителем (кремнистый); как легкий наполнитель для бетонов и в качестве строительных блоков (туфы, ракушники); сырье для изготовления керамических изделий, гидроизоляции, насыпей, уплотняющего материала; добавки при изготовлении бетонных конструкций; основная составная часть при изготовлении цементов различных марок и др. 4. Метаморфические горные породы. Образование метаморфических горных пород связано с метаморфизмом. Метаморфизм (превращение) это процесс, который обусловливает преобразование всех видов и типов горных пород (магматических, осадочных) под воздействием высоких температур, давления и разнообразных физико-химических процессов, связанных с эндогенными силами. Ведущими факторами является: • давление, • температура, • химически активные и подвижные вещества (газы, растворы). Воздействие на горные породы этих факторов приводит к их глубокому преобразованию текстурных и структурных признаков, химического и минерального состава. С глубиной в земной коре увеличивается температура и давление, а это приводит к перекристаллизации, перегруппировке элементарных химических частиц и образованию новых минералов и горных пород, имеющих существенно обновленные текстурные, структурные, физико-химические и механические свойства. В значительной мере качественная и количественная стороны метаморфических горных пород зависит от минерального состава исходных (материнских) образований и глубины проработки, связанной с различными температурами, давлением и изменением флюидного режима. Все это в значительной мере зависит от различных типов метаморфизма. Среди их выделяют такие как: региональный, динамометаморфизм, контактовый. 1. Региональный метаморфизм - изменение горных пород на обширных площадях под воздействием литостатического давления и повышенных температур, изменяющихся с глубиной. При этом возникают процессы перекристаллизации, расплющивания минералов, образование структур течения: происходят значительные изменения минерального и химического составов горных пород. Так, например, - глины при повышении температуры и давления переходят в аргиллиты, аспидные сланцы, филлиты, а на высшей стадии в гнейсы; пески - переходят в кварциты, а затем в гнейсы; известняки - переходят в мраморы; граниты, диориты, габбро - интрузивные горные породы преобразуются в гнейсы, разнообразные сланцы и т. д. Гнейсы, образовавшиеся из осадочных горных пород, называются парагнейсами, а из изверженных - ортогнейсами. 2. Динамометаморфизм или дислокационный метаморфизм, т.е. изменение горных пород под действием процессов складкообразования и разрывообразования в верхних частях земной коры при односторонних или разноориентированных напряжениях (стрессов). При этом происходит дробление, истирание, переориентировка и перекристаллизация исходного вещества с образованием таких горных пород, как: - брекчии - раздробление горных пород; - сланцы раздробленные, перетертые, и сцементированные горные породы; - милониты, диафториты, катаклазиты - продукты разрушения исходных (материнских) горных пород. Все они объединяются под общим термином тектониты. как производные разрушения горных пород в процессе складкообразования и при движениях в зонах разломов. Обычно при этом типе метаморфизма образуются мощные (по толщине и ширине) зоны рассланцевания, диафтореза, милонитизации, развальцевания, сопровождающих трансрегиональные, региональные и прочие глубинные разломы. 3. Контактовый метаморфизм - это изменение вмещающих горных пород под воздействием тепловьгх и химических преобразований при внедрении интрузивных тел. Соответственно, при взаимодействии минерального и химического составов окружающих горных пород с высокотемпературной газо-и паронасыщенной магмой происходит изменение структуры, текстуры и минерального содержания приконтактовых зон. При этом образуются такие породы как, скарны и грейзены, обогащенные рудными минералами Сu, Fе, Zn, Рb и т. д. В периферийной части интрузивных тел четко наблюдается зональность контактовых преобразований, связанная с интенсивностью изменения Т, Р и химического состава. При этом образуются роговики, слюдисто-сланцевые разновидности горных пород, филлиты, мраморы. Применение в строительстве метаморфических горных пород разнообразно и зависит, прежде всего, от их прочностных, физико-химических и декоративных свойств: • гнейсы, мрамор, кварциты - строительный материал; • тальковый сланец - огнеупорный материал; - сланцы для отсыпки и покрытия дорог и т. д. 5. Тектоника и связанные с ней процессы и явления. Тектоника - переводится как "строительство". Это отдел геологии, которой занимается изучением строения и состава того или иного участка земной коры, образование которого обусловлено историей геологического развития и деформационными процессами, происходившими в земной коре. Основным энергетическим источником этих процессов является внутренняя (или эндогенная) динамика Земли. Или, иначе говоря, тектоника это предмет или отрасль геологии, который занимается изучением складчатых и разрывных форм и дислокацией, обусловивших формирование того или иного участка земной коры. Она играет существенную роль в изучении современных форм, состава и строения горных пород. Основной ее задачей является восстановление хода развития и образования всех геологических структур, обусловивших формирование участка земной коры. Земная кора находится в состоянии постоянного движения, хотя мы этого не замечаем. Тем не менее, одни участки поднимаются, другие - опускаются, и интенсивность этого процесса различна и тесно связана с эндогенными (внутренними) процессами Земли и особенно с ее верхними мантийными горизонтами. На различных участках земной коры они протекают с различной интенсивностью, В силу их природы они подразделяются на: • колебательные (эпейрогенические), • складчатые (пликативные), • разрывные (дизъюнктивные). Колебательные (эпейрогенические) движения это долговременные, медленные, плавные тектонические движения, которые сопровождаются складчатыми и, иногда, разрывными дислокациями горных пород. Они приводят к процессам, связанным с медленными поднятиями и опусканиями земной коры и ее поверхности, с наступлением или отступлением моря на континенты, а также скоростью разрушения континентальной поверхности и осадконакопления в морских бассейнах и т.д. Об этом свидетельствуют характер отложений, формы их залегания и последовательность чередования слоев. Морские отложения по вертикали, сменяются континентальными и наоборот. Те и другие осадки насыщены либо морской, либо континентальной фауной и флорой. С этими процессами связано образование, виды и формы современных, выходящих на поверхность разнообразных геологических и выраженных в рельефе структурных форм, которые тесно взаимосвязаны с современными колебательными движениями земной коры. Современные колебательные движения- охватывают исторический и современный периоды времени. О них судят по целому ряду известных фактов, которые регистрируются по археологическим, историческим и современным инструментальным (в том числе, сейсмологическим, геодезическим и геофизическим) данным. Хорошо известны такие примеры, как поднятие полуострова Скандинавия после оледенения; в Индии, Голландии, Италии и целом ряде других регионов Мира происходят процессы опускания и погружения крупных участков земной поверхности. Судя по карте современных движений, скорости вертикальных движений составляют от 0 до 30 мм/год. Эти скорости тем выше, чем активнее тектонические процессы в различных областях. Новейшие колебательные движения - или движения, которые произошли в неоген-четвертичное время (т.е. за период около 30 млн. лет). Но основные стадии современного рельефообразования связаны с активным этапом развития Земли длительностью около 1 млн. лет. Все современные формы рельефа - горы, горные системы, впадины, моря, океаны являются результатом медленных тектонических движений, обусловленных эндогенными процессами. Трансгрессии и регрессии -- наступления и отступления моря на сушу. Медленные погружения суши в связи с различными колебательными процессами опускания вызывают наступление моря на сушу и к изменению береговой линии. Этот процесс называется трансгрессией (наступлением) моря на сушу. Соответственно, с поднятием континентальной части земной коры и опусканием дна океана происходит отступление береговой линии моря - регрессия. При этих процессах образуются различные типы осадочных горных пород, строение и состав которых может охарактеризовать тектонические условия их образования. Мелко- и тонкозернистые осадки свидетельствуют о их образовании в тектонически спокойных условиях, а крупнообломочные отложения это результат интенсивных тектонических движений. В целом, эти тектонические движения широко и крупномасштабно проявляются в пределах платформ, щитов и подвижных геосинклинальных областей. Соответственно формы залегания горных пород, которые они образуют это крупные антиклинали, синклинали и горизонтальные толщи. Складчатые тектонические процессы. По масштабам проявления они значительно уступают эпейрогеническим, но их интенсивность гораздо выше и они вызывают значительные преобразования в горных породах. При этом образуются складчатые формы, вызванные тектоническими воздействиями на горные породы. Главными процессами, образующими складки, являются напряжения (стрессы) в земной коре, которые связаны с динамикой блоковых движений, их направленностью и изменением Р-Т (давления и температуры) условий. Иначе говоря, чем глубже погружаются горные породы, тем выше их температура, напряженное состояние и скорости пластических деформаций. При этом образуются многочисленные формы складчатых дислокаций, таких как: • антиклинали (брахиантиклинали); • синклинали (брахисинклинали); • моноклинали; флексуры и т.д. Складки имеют следующие элементы строения Складка- это перегиб (изгиб) слоев земной коры. Основные виды складок: антиклиналь - складчатая форма земных слоев обращенных вершиной вверх и синклиналь - складчатая форма, обращенная прогибом вниз. Как главные элементы складчатости они имеют крылья, седло, мульду, шарнир, осевую поверхность (или ось). По форме складок различают: • нормальные симметричные или асимметричные, • лежачие, наклонные или опрокинутые, • веерообразные, • флексуры и т.д. (рис. 5). Флексуры являются складчато-разрывной формой переходного типа: от складки к разрыву. Элементы складчатого строения представляют собой фактор, который оказывает существенное влияние на проектирование и строительство подземных и наземных коммуникаций (приток и отток воды, устойчивость сводов и бортов тоннелей, образование наледей и т.д.). При достижении предела прочности в процессе складкообразования горные породы начинают разрываться и смещаться по отдельным поверхностям. При этом образуются различные генетические типы разрывных нарушений, которые подразделяются на надвиги., взбросы, сдвиги, сбросы и целый ряд комбинаций между ними (сбросо-сдвиги, взбросо-сдвиги, сдвиго-сбросы и т.д.) Рассмотрим основные тектонические разрывные формы (рис. 6) Сбросы- разрывы горных пород с вертикальным смещением одних слоев (горных пород) относительно других в условиях растяжения земной коры. Взбросы (надвиги) - разрывы и вертикальные перемещения горных пород по наклонным поверхностям в условиях сжатия земной коры. Сдвиги- горизонтальные перемещения горных пород по тектоническим разрывам без вертикальных смещений. Примеров таких тектонических процессов очень много. Озеро Байкал и байкальская рифтовая зона их образование обусловлено тектоническим напряжением растяжения. Образование забайкальских тектонических структур связано с процессами сжатия - надвиги, взбросы и др. При комбинированном участии складчатых и разрывных деформаций происходит формирование различных типов тектонических структур, таких как, впадины и прогибы, горсты и грабены, рампы и т.д. (рис. 7). Все эти тектонические формы и процессы в комбинированном или индивидуальном виде существенно влияют на выбор вариантов строительства линейных коммуникаций. 6. Сейсмические процессы Сейсмичность -- проявление землетрясений или современное отражение тектонических процессов, которые характеризуются распределением сильных и слабых землетрясений по площади, их повторяемостью, деформациями земной коры и разрушениями. Эти процессы обусловлены развитием земной коры, тектоническими напряжениями в земной коре и импульсными разрядками этих напряжений. Землетрясение - колебания Земли, вызванные процессом освобождения или разрядки энергии упругих деформаций в земной коре. Обычно это связано с образованием разрыва или системы разрывов в геологической среде при преобразовании потенциальной энергии упругих деформаций в кинетическую энергию сейсмических волн. Землетрясения имеют следующие основные характеристики, которые приняты всеми международными исследовательскими центрами. Эпицентр землетрясения (координаты) определяется по данным сети сейсмических станций различными методами. 13 целом, это проекция гипоцентра землетрясения на поверхности Земли. Гипоцентр землетрясения - точка в земной коре, в которой начинается разрушение вещества, образование разрыва и системы разрывов, которые сопровождаются сейсмическими волнами. Глубина гипоцентра - расстояние по вертикали от поверхности Земли до гипоцентра. На суше они обычно происходят обычно на глубинах до 70 км, но на переходе от континентов к океанам их глубина увеличивается, и достигает 700 км. Энергетические характеристики землетрясений. Чем длительнее процесс накопления энергии деформаций в земной коре, чем тверже (прочнее и древнее) она, тем сильнее землетрясения, которые происходят в ней. Энергия землетрясений оценивается такими параметрами как: а) Магнитуда (М) землетрясения (по шкале Ч.Рихтера) это условная величина энергии, выделившейся из очага землетрясения и она обычно не превышает 9, но в целом, она тесно связана и зависит от логарифма соотношения максимальной амплитуды (Ао) к периоду колебаний (Т) землетрясения (иногда к амплитуде стандартного землетрясения (А*), удаленного от эталонного землетрясения на 100 км). По этим данным строятся калибровочные кривые, по которым, по записям сейсмостанций можно определить энергию сейсмических волн, выделившихся из гипоцентра землетрясения. M=lgA0/T или M=A0/A* б) Энергетический класс землетрясений тесно связан с оценкой магнитуды сейсмических событий различными корреляционными соотношениями. Например, К= 1,8М + 4 и другие. в) Балльность землетрясения (J) проявление землетрясения на поверхности земли на различных расстояниях от эпицентра по описанию свидетелей, разрушениям домов, поведению людей и животных, разрушениям земной поверхности и т.д. У нас в стране на вооружение принята 12-балльная шкала МSК-64 (Медведев, Shponhoier, Карник, 1964). Упрощенная шкала сейсмической интенсивности МSК-64 1 балл. Неощутимое землетрясение. Интенсивность колебаний лежитниже предела чувствительности людей; сотрясения почвы обнаруживаются и ре­гистрируются только сейсмографами. 2 б а л л а. Едва ощутимое землетрясение. Колебания ощущаются только отдельными людьми, находящимися в покое внутри помещений, особенно на верхних этажах. 3 б а л л а. Слабое землетрясение. Землетрясение ощущается немногими людьми, находящимися внутри помещений; под открытым небом - только в бла­ гоустроенных условиях. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проез­ жающим легким грузовиком. Внимательные наблюдатели замечают легкое раска­ чивание висячих предметов, несколько более сильное на верхних этажах. 4 б а л л а. Заметное сотрясение. Землетрясение ощущается всеми людьми внутри помещений, под открытым небом - немногими. Кое-где спящие просыпа­ются, но никто не пугается. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проез­жающим тяжело нагруженным грузовиком. Дребезжание окон, дверей, посуды. Скрип полов и стен. Начинается дрожание мебели. Висячие предметы слегка рас­качиваются. Жидкость в открытых сосудах слегка колеблется. В стоящих на месте автомашинах толчок заметен. 5 баллов. Пробуждение. Землетрясение ощущается всеми людьми внутри помещений. Под открытым небом - немногими. Многие спящие просы­ паются. Немногие лица выбегают из помещений. Животные беспокоятся. Сотря­- сение зданий в целом. Висячие предметы сильно качаются. Картины сдвигаются с места. В редких случаях останавливаются маятниковые часы. Некоторые неус-­ тойчивые предметы опрокидываются или сдвигаются. Незапертые двери и окна распахиваютсяи снова захлопываются. Из наполненных открытых сосудов в не­ больших количествах выплескивается жидкость. Ощущаемые колебания схожи с колебаниями, создаваемыми при падении тяжелых предметов внутри здания. Возможны повреждения 1 степени в отдельных зданиях. В некоторых случаях меняется дебит источников. 6 баллов. Испуг. Землетрясение ощущается большинством людей как внутри помещений, так и под открытым небом. Многие люди, находящиеся в зданиях, пугаются и выбегают на улицу. Немногие лица теряют равновесие. До-­ машние животные выбегают из укрытий. В немногих случаях может разбиться посуда, другие стеклянные изделия; падают книги. Возможно движение тяжелой мебели; может быть слышен звон малых колоколов на колокольнях. 7 баллов. Повреждение здании. Большинство людей испуганы и выбе-­ гают из помещений. Многие люди с трудом удерживаются на ногах. Колебания отмечаются лицами, ведущими автомашины. Звонят большие колокола. Частич-­ ное повреждение печей. 7 баллов. Сильные повреждения зданий. Испуг и паника; испытывают беспокойство даже лица, ведущие автомашины. Кое-где обламываются ветви де­- ревьев. Сдвигается и иногда опрокидывается тяжелая мебель. Часть висячих ламп повреждается. Небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог; трещины в грунтах достигают нескольких сантиметров. Возникают новые водоемы. Иногда пересохшие колодцы наполняются водой или существующие колодцы иссякают. Во многих случаях изменяется дебит источников и уровень воды в колодцах. 9 баллов. Всеобщие повреждения зданий. Всеобщая паника; большие повреждения мебели. Животные мечутся и кричат. Трещины в грунтах достигают ширины 10 см а по склонам и берегам рек -свыше 10 см; кроме того, большое количество мелких трещин в грунтах. Склоны обваливаются; частые оползни и осыпания грунта. На поверхности воды большие волны. 10 б а л л о в. Всеобщие разрушения зданий. Трещины в грунтах шири- ной несколько дециметров и в некоторых случаях - до 1 м. Параллельно руслам вод­ных потоков появляются широкие разрывы. Осыпание рыхлых пород с крутых склонов. Возможны большие оползни на берегах рек и крутых морских побережьях. В прибрежных районах перемещаются песчаные и илистые массы; вы­плескивание воды в каналах озерах реках и т. д. Возникают новые озера. 11 баллов. Катастрофа. Серьезные повреждения даже зданий хорошей постройки мостов, плотин и железнодорожных путей; шоссейные дороги прихо­ дят в негодность; разрушение подземных трубопроводов. Значительные деформации почвы в виде широких трещин, разрывов и пе­ремещений в вертикальном и горизонтальном направлениях; многочисленные горные обвалы. Определение интенсивности (бальности) требует специального исследова­ния. 12 баллов. Изменение рельефа. Сильное разрушение или поврежде- ние практически всех наземньгх и подземных сооружений. Радикальные изменения земной поверхности. Наблюдаются значительные трещины в грунтах с обширными вертикальными и горизонтальными перемеще­ниями. Горные обвалы и обвалы берегов рек на больших площадях. Возникают озера; образуются водопады; изменяются русла рек. Определение интенсивности сотрясения (бальности) требует специального исследования. Существуют и другие шкалы для разных регионов Мира –Меркалли-Канкани, Росси-Фореля и т.д. Для региона Восточной Сибири и Дальнего Востока между магнитудой, энергетическим классом и балльностью землетрясений принято соотношение: балл J 6 7 8 9 10 11 12 машитуда M до 4,75 до 5,5 до 6,5 до 7,0 до 7,75 до 8,25 >8,25 Энергетический класс K 12 13 14 15 16 17 18 Все эти данные используются при оценки сейсмической опасности территории строительства объектов различных категорий и для расчета их экономической целесообразности. Причины землетрясений. Их происхождение разнообразное. Можно выделить различные тип подземных и даже надземных сейсмических ударов в порядке их значимости: • тектонические; • вулканические; • экзогенные; • космогенные; • техногенные и др., доля которых незначительна. Тектонические землетрясения в общей энергетике развития Земли занимают » 98% и они являются самыми разрушительными по своей силе и воздействию на земную поверхность. Тем более, они принесли и приносят самые крупные жертвы и материальные затраты. Так, землетрясение 1556 г. в Китае принесло около 830 тысяч человеческих жертв, а Таншанское землетрясение (Китай) 1976 г. • около 240 тысяч человеческих жертв. Так что Спитакское землетрясение (^25 тысяч человеческих жертв и Нефтегорское -- 2 тысячи) на этом фоне выглядят всего лишь эпизодами. Вулканические землетрясения имеют незначительные распространения и обычно связаны с извержениями вулканов (Везувий, Этна) или с их катастрофическими взрывами (г. Петрапавловск-Камчатский построен на продуктах колоссального взрыва стратовулкана). Они "записаны" в геологических слоях Земли. Экзогенные землетрясения связаны с обрушениями крупных массивов пород с вершин гор и с обрушениями в пещерах, но они по своей силе обычно не превышают 7 баллов. Космогенные землетрясения обусловлены встречей Земли с метеоритами типа Тунгуского или Сихотэ-Алинского, Аризонского. При этом, кроме сотрясений на земной поверхности, образуются структуры (воронки, серия воронок) типа "астроблем". Техногенные землетрясения обусловлены вмешательством человека в природные процессы: взрывы крупных зарядов (в том числе атомных), закачка растворов в активные зоны разломов, сооружение бункеров и взрывы в крупных подземных выработках и др. Оценка сейсмической опасности территории производится в несколько стадий: Первый -этап общая оценка сейсмической опасности по комплексу геолого-геофизических данных. Эти материалы дают основу для долговременного и перспективного планирования и строительства разных объектов. Основой является карта общего сейсмического районирования (ОСР). Второй этап является продолжением первого и связан с детализацией и уточнением исходного уровня сейсмичности на более детальных сейсмологических данных с учетом конкретных инженерно-геологических условий. При этом строится карта детального сейсмического районирования (ДСР). Третий этап исследований производится на базе инструментальных данных: уточняются и корректируются все предыдущие построения (микросейсморайонирование - МСР). Для целей микросейсморайонирования применяются в основном геофизические методы исследований, такие как, сейсморазведочные, в том числе вибрационные или по записям землетрясений (удаленных и близких), электроразведочные и др. Эти данные позволяют оценить различные, но небольшие по площади участки по принципу благоприятные (-1), нормальные и неблагоприятные ( + 1-3) балла. Что позволяет снизить, или наоборот, повысить экономическую целесообразность строительства. Обычно все стадии этих работ по определению сейсмической опасности регламенти-руются нормативными документами (СНиП-II-7-81). Строительство в сейсмических районах, В случае отсутствия инструментальных исследований микросейсиорайо-нирование может быть проведено по инженерно-геолгическим свойстам грунтов согласно табл. 1. Таблица 1 Изменение сейсмичности в зависимости от грунтовых условий (по СНиП-II-7-81) Категория грунта по сейсмическим свойствам Грунты Сейсмичность площадки строительства при сейсмичности района, баллы 7 8 9 I ] II Скальные грунты всех видов (в том числе 6 7 7 8 8 9 вечномерзлые и вечномерзлые оттаявшие) невыветрелые и слабовыветрелые; крупнообломочные грунты плотные маловлажные из магматических пород, содержащие до 30% песчано-глинистого заполнителя; выветрелые и сильно выветрелые скальные и нескальные твердомерзлые (вечномерздые) грунты при температуре минус 2°С и ниже при строительстве и эксплуатации по принципу I (сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии). Скальные грунты выветрелые и сильновыветредые, в том числе вечномерзлые кроме отнесенных к I категории; III крупнообломочные грунты, за исключением отнесенных к I категории; пески гравелистые. крупные и средней крупности плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL< 0,5 при коэффициенте пористости е < 0,9 - для глин и суглинков, и е < 0,7 - для супесей; вечномерзлые нескальные грунты пластичномерзлые или сыпучемерзлые, а также твердомерзлые при температуре выше минус 2°С при строительстве и эксплуатации по принципу I. Пески рыхлые независимо от влажности и крупности; пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности водонасыщенные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности водонасыщенные, пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем консистенции IL > 0,5; глинистые грунты с показателем консистенции IL≤ 0,5 при коэффициенте пористости е ≥ 0,9 - для глин и суглинков, и е ≥ 0,7 - для супесей; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу II (допущение оттаивания грунтов основания) основания) 8 9 >9 Примечания: 1. В случае неоднородного состава грунты площадки строительства отно­сятся к более неблагоприятной категории грунта по сейсмическим свойстам, если в пределах 10- метрового слоя грунта (считая от планировочной отметки) слой, относящийся к этой кате­гории, имеет суммарную толщину более 5 м. 2. При прогнозировании подъема уровня грунтовых вод и обводнения грунтов (в том числе просадочных) в процессе эксплуатации сооружения категорию грунта следует определять в зависимости от свойств грунта (влажности, консистенции) в замоченном состоянии. 3. При строительстве на вечномерзлых нескальных фунтах по принципу П, если зона оттаивания распространяется до подстилающего талого грунта, фунты основания следует рас­ сматривать как невечномерзлые (по фактическому состоянию их после оттаивания). 4. Для особо ответственных зданий и сооружений, строящихся в районах с сейсмично­ стью 6 баллов на площадках строительства с фунтами Ш категории по сейсмическим свойст­ вам, расчетную сейсмичность следует принимать равной 7 баллам. 5. При определении сейсмичности площадок строительства транспортных и гидротех­ нических сооружений следует учитыватьдополнительные фебования, изложенные в разделах 4и5. 6. При отсутствии данных о консистенции или влажности глинистые и песчаные грунты при положении уровня фунтовых вод выше 5 м относятся к Ш категории по сейсмическим свойствам. 7. Геологическая работа текучих вод. Деятельность текучих вод является одной из составных частей процессов денудации. Основными действующими факторами при этом являются геологическая работа воды, льда, силы тяжести, организмов, ветра, которые обусловливают разрушающие и созидательные процессы. Как результат, образуются осадочные рыхлые отложения, переходящие в дальнейшем в сцементированные горные породы. Денудация (denuadere – обнажать) снос, удаление продуктов выветривания с последующей их аккумуляцией на поверхностях, угол наклона которых меньше угла предельного откоса перемещения подвижных масс. Различают денудацию плоскостную или площадную и линейную. Как первая, так и вторая тесно связаны с работой текучих вод. В процессе круговорота воды в природе на сушу ежегодно выпадает около 110 тысяч кубических километров атмосферных осадков. Часть из них испаряется, часть стекает в виде ручьев, рек в моря и озера, а часть просачивается в верхние горизонты земной коры и затем поступает в реки, моря и океаны. Разрушительная энергия поверхностных вод зависит от массы воды и скорости ее движения (Е = mv2/2). Следовательно, чем больше объем воды и выше скорость ее перемещения, тем сильнее разрушительная способность. Скорость движения водотоков связана с углом и крутизной ложа русла рек и ручьев. В условиях горных районов уклон достигает 0,1, а в равнинных и заболоченных участках он уменьшается до 0,001 -0,0001. В процессе работы текучих вод происходит плоскостная (площадная) и линейная эрозии, которые формируются в различных физико-геологических условиях. Так, плоскостную эрозию характеризуют такие процессы как смыв и размыв. Для них характерно площадное перемещение мелких частиц и обломков грунта по склонам струйками дождя или талых вод более менее равномерно по всей поверхности. Это ведет к общему выполаживанию местности. Можно отметить и то, что значительная роль принадлежит водным процессам в формировании обломочных отложений на вершинньгх поверхностях и склонах водоразделов, а также в подножьях склонов, где мощность рыхлых отложений достигает десятки метров. В целом, схема и механизм их образования выглядит следующим образом. Элювий- продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте своего образования. Делювий склоновые и присклоновые образования рыхлых отложений. КоллювиЙ - продукты выветривания, образовавшиеся под склоном под воздействием гравитационных склоновых смещений. Все эти продукты разрушения и смыва являются результатом плоскостной (площадной) эрозии. В тоже время при интенсивной плоскостной эрозии встречаются участки горных пород, которые ослаблены либо тектонической трещиноватостью, либо их минералогическим составом, обладающим низкими прочностными свойствами. В связи с этим начинается процесс вертикального размыва, или, иначе говоря, глубиной эрозии, который всегда распространяется от подошвы склона к его вершине. Базис эрозии- нижний уровень водного потока, в пределах которого он теряет свою силу и не способен производить глубинную эрозию. Главным базисом эрозии является мировой океан. Регрессивная эрозия- размыв горных пород текучими волами идет от базиса эрозии вверх по склону, т.е. в направлении обратном течению воды (регрессивно).Иначе говоря образование любых эрозионных форм рельефа связано с пятящейся регрессивной эрозией. Она приводит к формированию таких форм рельефа как овраги, долины рек и ручьев. Овраги обычно развиты в районах распространения легко размывающихся горных пород (лессов) и представляют собой активную эрозионную форму с крутыми склонами, имеющую вершину и устье. Борьба с оврагообразованием предусматривает целый ряд мероприятий. Во-первых, применяются превентивные меры, прекращающие и предупреждающие образование и рост оврагов, среди которых необходимо отметить такие как, регулирование стока и дренаж поверхностных вод, запрещение вырубки леса и нарушения дернового покрова, а также распашки земель, укрепление бортов оврагов за счет посадки кустарников, деревьев и травянистых растений. Предусматривается строительство дамб, стенок и других сооружений, препятствующих эрозии водотоков. Сели разрушительный кратковременный катастрофический грязекаменный поток, возникающий в результате обильных дождей. Проходит с большой скоростью и в населенных районах обычно наносит большой вред. Обычно происходят в горных районах и наносят значительный ущерб, иногда связанный с человеческими жертвами. На своем пути водно-каменные селевые потоки разрушают все населенные пункты, растительность и сооружения. Они широко развиты в горных районах Сибири и Дальнего Востока. Объем массы, вынесенной селями достигает миллионов кубических метров. Различают водо-каменные, грязекаменные и водные сели. Они на выходе в широкие долины образуют конусы выносов, или, так называемые, пролювиальные отложения. При изыскании транспортных коммуникаций на участках пролювиальных конусов выноса предусматриваются целый ряд защитных мероприятий, таких как, строительство дамб, селеотводных дренажных каналов, залесение склонов долин, строительство водопропускных (селепропускных) тоннелей, эстакад, железобетонные каменные спуски и т.д. К противоселевым мероприятиям относится создание селехранилищ. Самым крупным из них является селеуловитель в районе урочища Медео (р.Алмаатинка). Создание предусматривает создание каменно-набросной плотины-швала высотой до 100 м. обеспечивает емкость селехранилища 6.2 млн. м 3. Селевые потоки зачастую вызывают сильное физическое воздействие на линейные коммуникации (шоссе, железнодорожные магистрали, линии электропередач, водоводы, газо- и нефтепроводы и т.д.). При этом наблюдается разрушение и снос насыпных полотен, их завал наносами, закупорка бетонных дренажных сооружений, разрушение мостовых опор и ферм, жилых массивов и сельскохозяйственных угодий. Работа текучих вод формирует продольный и поперечный профиль долин, рек, который стремится к выработке русла с предельным углом естественною равновесия. При этом продольный профиль и его формирование гесно связаны с главным (океан, море) и местными базисами эрозии (пороги, прочные и устойчивые к эрозии горные породы). Глубинная эрозия водотоков, в конечном итоге, ведет к выработке русла предельным углом естественного равновесия, т.е. это такой предельный профиль реки, который близок к выположенной форме плавной кривой. На смену глубинной эрозии приходит этап бокового размыва бортов долин водотоков, так называемая боковая эрозия. Это ведет к расширению долин рек. образованию излучин (меандр) и стариц, Параллельно в рыхлых и скальных горных породах идет процесс формирования террас, склонов долин и их русел, ущелий. 8. Геологическая работа ледников. Ледники в истории развития Земли играли и играют очень большую роль. С ними связано значительное изменение форм рельефа, образование, перенос и аккумуляция очень значительного количества валунно-галечных рыхлых отложений, слагающие донные, боковые, конечные и срединные морены. Ледник – это крупное естественное скопление льда (и фирна), образовавшегося из атмосферных твердых осадков в течении длительного времени выше границы снеговой линии и, главным образом, в горных районах (рис.8). Снеговая граница располагается выше линии с положительным температурным балансом в течении длительного (многогодового) периода. Выпадающий здесь снег под воздействием лучей солнца превращается в зернистый снег (фирн), переходящий в дальнейшем в плотный лед. Различают ледники горные, горно-покровные и покровные. Ледников формы выпахивания. В силу своих реологических (пластично-текучих) свойств лед из области питания (образования) начинает перемещаться из более высоких точек в более низкие. Причем скорость течения достигает 0,2-0,4 м/сутки. Когда смещаются огромные массы льда они производят разрушающее воздействие на горные породы, их перемещение и отложение. При этом образуются глубокие долины выпахивания (троговые U-образные), рытвины и котловины, борозды выпахивания, курчавые хорошо отполированные скалы, маргинальные каналы и рвы (обычно параллельные направлению движения ледника) и др. Все они относятся к экзарационным (лат.еxaratio - выпахивание) формам рельефа. Ледниковые отложения. При своем перемещении ледники транспортируют огромное количество обломочного материала от тонкозернистого до крупнообломочного, состоящего обычно из продуктов выветривания и физического разрушения горных пород движущимся ледником. Весь этот обломочный материал в процессе переноса подвергается механическим воздействиям и затем откладывается в виде морен. В зависимости от условий их образования они подразделяются на такие типы как донные, боковые, срединные и конечные, (не считая внутренних, абляционных, поверхностных и др.)- Донные морены представляют собой обломочный материал, вмерзший в подошву ледника и оставшийся на месте после абляции ледовой массы. Боковые морены формируются по бокам ледника в виде гряд и валов в процессе его полициклического развития. Иногда наблюдается до 5-7 валов, расположенных на различных уровнях по бокам долин. Срединные морены образуются либо по середине слившихся языков ледников, либо в результате вытаивания внутренней морены. Конечные морены Ледники в процессе своего передвижения переносят в своей фронтальной части очень большое количество материала, который в результате абляции разгружается из сезона в сезон и образует конечные моренные валы, иногда достигающих значительной высоты (десятки метров) и протяженности. Вверх по бокам ледника они зачастую сливаются с боковыми моренами. Флювиогляциальные отложения обязаны своим происхождением деятельности талых ледниковых вод, которые выносят и отлагают песчаный и мелкозернистый заполнитель из морен. При этом формируются обширные поля водноледниковых отложений в пониженных участках рельефа. Среди них следует отметить Тункинские бадары, Баргузинские куйтуны, Чарскую "пустыню" и т.д. Одной из разновидностей таких отложений являются зандры (как лельтовые отложения во фронтальной части ледников) и озы – линейные протяженные гряды. С формированием ледниковых отложений обычно широко связано развитие бугристо-западинного рельефа с большим количеством озер различного масштаба, в которых, в период сезонного таяния ледников, образуются многолетние ленточные глины. Зимние слои обычно темные, так как в этот период при незначительном количестве воды переносились более тонкозернистые отложения обогащенные органикой, а летом отлагались слои песчаного материала более осветленного облика, так как их образование сопровождалось большим количеством воды в период обильного снеготаяния. Сочетание летних и зимних слоев дает возможность для определения возраста и периода их накопления. Экзарационная деятельность ледников (выпахивание) ведет к образованию каров, цирков, троговых долин, маргинальных (по бокам ледника) каналов. Кары – чашеобразные (кресловидные) формы в верховьях ледниковых долин. Цирки –- системы каров в верховьях горных долин. Троговые долины – U-образные или трапециевидные формы, образовавшиеся в результате выпахивающей деятельности ледника вдоль русла рек. Количество оледенений на различных территориях земного шара разнообразно. У нас в Европейской части и Восточной Сибири их выделяется около 4. Причины оледенений. Существует несколько гипотез. Среди них следует отметить зависимость оледенений от космических причин. При этом большое значение придается периодическому изменению солнечной радиации, которая иногда становится выше или ниже из-за появления пятен. Это существенно может влиять на климат Земли, а соответственно и на накопление ледниковых масс. Не исключается возможность того, что Солнце время от времени входит в область развития космической туманности. При этом происходит похолодание климата и образование ледников. К разряду космических гипотез можно отнести и ту, которая связывает изменение климата Земли с различной ее удаленностью (изменением радиуса) от Солнца. Другая группа гипотез рассматривает оледенение как результат воздействия только земных факторов. Это; –Изменение содержания СО2 в атмосфере, увеличение которого создает парниковый эффект. Этому способствует вулканическая деятельность. Обилие растительности и ослабление вулканической деятельности ведет к понижению температуры и оледенению. – Изменение прозрачности атмосферы за счет вулканической деятельности и уменьшению солнечной радиации, которые, в конечном итоге, ведут к снижению температурь! и похолоданию. То есть, эта гипотеза противоположна предыдущей. – Связь оледенения с тектоническими движениями, образование высокогорных сооружений в неотектонический период. До настоящего времени ни одна из гипотез не дает исчерпывающего ответа на причины образования оледенений и их цикличность. Решение этой важной проблемы остается задачей для будущих поколений. Практическое значение ледниковых образований очень велико. Во-первых, это очень богатый источник строительного материала: песков, гравия глин. Во-вторых, строительство и инженерно-геологическая разведка в области развития ледниковых образований требует тщательной проверки всех явлений не только горнопроходческими работами, но и геофизическими методами исследований. 9. Геологическая работа морей Общая площадь морей и океанов составляет около 361 млн. км2. Это ≈ 71% всей площади земного шара. Созидательная роль морских вод очень велика. За многие сотни миллионов лет поверхность суши неоднократно покрывалась водами, в которых происходило накопление осадков, таких как глины, пески, известняки с мощностью слоев в несколько километров. Общая соленость океанов составляет около 3,5 % (35 г на 1 литр). Воды морей и океанов находятся в постоянном движении и их воздействие на берега производит разрушительную работу, которая связана: 1)С гидравлическим ударом самой волны. При этом сила удара может достигать 30-35 т/м2. 2) С ударами многочисленными обломками горных пород, захваченных волнами. 3) С химическим воздействием морских вод. Абразия – это разрушительное воздействие морских волн на горные породы, слагающие берег. При этом образуются волноприбоиные ниши, обрывы, кпиффы, абразионные и аккумулятивные террасы, пляжи. Скорость абразии на различных участках морей неодинакова и составляет от нескольких сантиметров до 1,5 - 3,0 м в год. Она существенно зависит от типа горньгх пород (магматические, осадочные, метаморфические), их физико-механических свойств, слоистости и элементов ее залегания. Мягкие осадочные рыхлые и сцементированные породы размываются гораздо быстрее, чем граниты, кварциты и яшмы. Абразивная деятельность морей и океанов сильно изменяет рельеф материков при трансгрессиях (наступлении моря), которые постепенно отодвигают береговую линию внутрь материка и как бы срезают все породы, находящиеся выше уровня моря. Материк медленно превращается в равнинное пологое морское дно. При отступлении моря (регрессии) на поверхности вскрываются относительно ровные, слабо наклоненные к морю поверхности тапа равнин. Морские отложения. Накопление морских осадков относится к созидательной работе морей и океанов. Значительная часть обломочного материала в процессе денудации континентальной части переносится на длительные расстояния и откладываются в водных бассейнах которые представляют собой области аккумуляции (накопления). При этом образуются различные типы осадков - терригенные, хемогенные, биогенные. Непосредственно в береговой зоне морей формируются бухты, мелководные бассейны, лагуны, береговые валы и пляжи. Пляжи являются как бы защитной полосой, предохраняющей от размыва береговые сооружения в том числе и транспортные пути. Уничтожение и выемка гравийно-песчаного материала для строительства обычно приводит к усилению абразивной деятельности воли, подмыву подпорных бетонных стен, разрушению различных волнорезов, которые не могут противостоять волноприбойной силе морей. Геологическая роль озер. Озерами называются естественные или искусственные углубления на поверхности суши, заполненные водой и не имеющие непосредственной связи с морем. Их образование, физико-химические условия и организмы, живущие в них, изучаются специальной отраслью гидрогеологии - лимнологией. Геологическое значение озер меньше, чем морей и океанов, но тем не менее их значение достаточно велико. Происхождение озерных котловин очень разнообразно. Многие из них образовались в связи с экзарационной деятельностью ледников, другие связаны с обвалами, оползнями, тектоническими процессами, вулканической Деятельностью, с карстовыми и термокарстовыми просадками грунтов и с целым рядом других причин, в том числе и техногенных. Кратко охарактеризуем их. Тектонические– возникают в результате разрывньгх и медленных складчатых деформаций земной коры с последующим образованием озер в грабенах и котловинах. К ним относятся озера Байкал, Телецкое. Севан. Ледниковые – их образование связано с выпахивающей и аккумулятивной деятельностью ледников. Широко развиты в Европейской части России, на [Кольском полуострове, в горных и предгорных районах Сибири, подвергшихся оледенению. Вулканические – образуются в кратерах вулканов, трубках взрыва и в долинах рек и ручьев, перегороженных лавовыми потоками. Карстовые и термокарстовые – формируются на участках развития карбонатных и сульфатных горных пород за счет их выщелачивания, в районах развития многолетнемерзлых пород за счет деградации мерзлоты и вытаивания льда. Обвальные и оползневые– возникают в долинах рек и ручьев, перегороженных крупными и мелкими обвалами и оползневыми телами. Пойменные и дельтовые – обусловлены деятельностью рек на равнинных пространствах и дельтах рек. Техногенные – обусловлены деятельностью человека при добыче полезных ископаемых. Разрушительная деятельность озер аналогична морям и океанам. Она может привести к значительным экономическим затратам. Так, после сооружения Иркутской ГЭС уровень воды в Байкале повысился около 1 м. Скорость переработки берегов сильно увеличилась. Отступление берега достигало 40-70 м / год, активизировались процессы разрушения берегов на водохранилище, появилась угроза подмыва железнодорожного полотна. Все это привело к строительству дорогостоящих берегоукрепительных сооружений. Созидательная работа озер. Они представляют собой естественные бассейны для накопления обломочных, глинистых, химических и биогенных осадков, таких как, гипс, каменная соль, известняки, соединения железа, горючих сланцев, каменного угля, а также разнообразных строительных материалов ( гравий, галька, песок, глины). 10. Болота и их геологическая роль. Болото представляет собой относительно ровный участок земной поверхности, для которого характерна избыточная увлажненность и развитие болотной растительности с образованием торфа. Общая площадь их развития составляет свыше 100 млн. гектар на территории России. Большая часть их развития находится в северной части Европы, Западной Сибири, Якутии и Приамурья (около 10% территории). Типы болот. В зависимости от минерального состава воды, растительного покрова и относительного положения рельефа выделяют низинные, верховые и переходные типы болот. 1. Низинные болота занимают пониженные участки рельефа и обычно имеют чашеобразную форму. Они обычно питаются грунтовой, речной, озерной, талой и дождевой водой, содержащей минеральные соли. 2. Верховые болота располагаются на водоразделах с плоскими вершинами и питаются в основном атмосферными осадками. 3. Переходные болота имеют смешанное питание водами и обычно развиты на ярусных выровненных поверхностях и террасах (морских речных, озерных). 4. Болота приморских равнин характерны для прибрежных районов морей и океанов. Заболачивание водоемов начинается с того, что по берегам активно развивается растительность. Она из года в год отмирает и падает на дно водоема и без доступа кислорода не сгнивает, а накапливается на дне, образуя залежи торфа. Соответственно, площадь водной поверхности уменьшается, а глубина озера снижается с увеличением толщины торфа и сапропеля (озерный ил). Постепенно озеро зарастает и образует торфяной покров – сплавину которая в конечном итоге, достигает нескольких метров в глубину, не достигая дна водоема. Сплавина зарастает и на ней образуются кочки. Это необходимо иметь в виду при изысканиях и строительстве транспортных путей. Так как при отсыпке полотна насыпь может провалиться, претерпеть различные деформации и не выдержать значительных нагрузок при эксплуатации. Строительная оценка болот зависит от следующих факторов. 1. Генезиса болот. На сплавинах возможно только лишь сооружение шоссейных дорог и то не всегда. На низинных болотах возможно строительство как автомобильных, так и железных дорог. 2. Глубины болот. На мелких (до 2 м ) и средних (до 4 м ) болотах возможна отсыпка полотна как на торф, так и с вырезкой торфа. При толщине торфа 4 м и более эти способы нерациональны и неэкономичны. 3. Рельефа дна болот. При крутых уклонах и расчлененности дна, а также в зависимости от геологического строения возможны очень сильные деформации транспортных путей. 4. Качества торфов и илов, которые обладают высокой влагоемкостыо (несколько сотен процентов) и при нагрузке при сооружении насыпи могут привести к значительным деформациям. Инженерно – геологические изыскания при строительстве транспортных путей. Обычно трассирование путей на таких участках с технико-экономических позиций нецелесообразно, но тем не менее, в силу необходимости следует строить в наиболее узком месте болота. При этом проводятся рекогносцировка, инженерно - геологическая съемка, горные работы, бурение скважин и составляются детальные геологические разрезы с испытанием всех грунтов в лабораторных условиях. 11. О геологическом возрасте горных пород и методах его определения. Одной из актуальнейших задач является определение возраста тех или иных горных пород и периода их образования. Существующие методы позволяют определять относительный и, в меньшей мере, абсолютный периоды формирования геологических объектов. Относительные методы широко развиты до настоящего времени, но в последние десятилетия значительно возросла роль абсолютной геохронологии. Относительные методы определения возраста горных порол. Стратиграфический- изучая последовательность образования слоев и пластов осадочных горных пород и их соотношение с магматическими горными породами можно оценить их относительный возраст образования. Палеонтологический метод. Это определение возраста горных пород по окаменевшим остаткам фауны и растительным отпечаткам флоры, захороненных в осадках. Органический мир в ходе геологической эволюции изменялся от совершенно примитивных видов, в более древние эпохи, до высокоорганизованных представителей животного и растительного мира. Каждому периоду соответствуют свои руководящие формы, по которым определяется возраст горных пород, содержащих эти типы фауны и флоры. Их отличает ограниченное распространение по вертикали, так как проживание отдельных видов недолговечно, но широкое распространение по горизонтали. Состав и строение осадочных слоев горных пород, а также органические остатки, обнаруженные в них, позволили разработать и создать геохронологическую шкалу, в которой выделяются: эры - периоды- эпохи - их индексы - возраст Кайнозойская эра (эра новой жизни) Мезозойская эра (эра средней жизни) Палеозойская эра (эра древней жизни) Протерозойская эра (эра древнейшей жизни) Архейская эра (эра первичной жизни) Кайнозойская эра (Kz) подразделяется на периоды; четвертичный (Q), возраст 1,5 - 2 млн. лет неогеновый (N), возраст 26 ± 1 млн. лет палеогеновый (Р), возраст 67 ± 3 млн. лет Общий возраст составляет 67 ± 3 млн. лет Мезозойская эра (Мг) подразделяется на периоды: меловой (К)------------------возраст 137 ±5 млн. лет юрский (I)------------------ возраст 195±5 млн. лет триасовый (Т)----------------возраст 240 ± 10 млн. лет Палеозойская эра подразделяется на периоды: пермский (Р) возраст 285 ± 10 млн. лет каменноугольный(С) возраст 340±360 млн. лет девонский(D) возраст 410± 10 млн. лет силурийский (S) возраст 4401±5 млн. лет ордовикский (О) возраст 500± 20 млн. лет кембрийский (Є) возраст 570 млн. лет Протерозойская эра (РR), возраст 2600 ±100 млн. лет Архейская эра возраст свыше 2600 млн. лет. Для каждого отрезка геологического времени характерны свои комплексы флоры и фауны. В истории развития животного мира можно выделить несколько групп организмов, имеющих очень важное значение для установления возраста пород. В палеозойскую эру (Рz) очень широко были развиты беспозвоночные животные кораллы, мшанки, медузы, черви, моллюски, аммониты, рыбы, амфибии, рептилии, насекомые. В мезозойскую эру (Мz) растительный и животный мир значительно обновился, и получили развитие крупные формы аммонитов, белемнитов, кораллов, а также животных - динозавров, рыбоящеров, крылатых ящеров и др. В кайнозойскую эру (Кz) развилось большое количество моллюсков, их которых образовались мощные толщи известняков. Быстрое развитие получили млекопитающие, в том числе человекообразные обезьяны и человек. Абсолютная геохронология Под этим подразумевается точное знание периода образования того или иного вида горных пород и длительности геологического процесса. Расчеты производятся различными способами. Так, например, если известна скорость образования прослойка в течение года, то можно определить период накопления слоя или пласта. Или, если известно, сколько соли выносят в океаны и моря реки, то, можно подсчитать какое количество времени потребовалось для концентрации соли в океане порядка 3,5%. В том и другом случаях предельные значения достигают 1,5 млрд. лет, т.е. начала палеозойской эры. Существуют и другие способы определения возраста образования горных пород и длительности процесса их накопления: по количеству прослоев в ленточных глинах ледниковых отложений, по скорости накопления известняков и др. В последние десятилетия широкое развитие получили физические и геохимические методы оценки абсолютного возраста горных пород. Среди них наибольшее распространение получили методы распада радиоактивных элементов в горных породах, которые содержат радиоактивные элементы, такие как уран (U), торий (Тh), радий (Rа), калий (К) или их изотопы. С течением времени они распадаются самопроизвольно без влияния внешних факторов и превращаются в другие элементы - свинец (Рb) и гелий (Не). При тщательном и тонком анализе горных пород устанавливается сколько в ней после ее образования появилось новых атомов Рb и Не и сколько еще неразложившихся радиоактивных элементов. Эго дает возможность определить возраст данной породы. Так, период полураспада атомов тория составляет 1,4 • 107 лет, а урана 7•108 лет. Если рассматривать минерал в качестве закрытой системы, то чем больше в нем находится продуктов распада радиоактивного элемента, тем древнее его возраст. Скорость радиоактивного распада, так же как и образование продуктов распада (Рb, Не), в геологическом исчислении времени практически постоянны. Это дает возможность достаточно точно определить геологический возраст горных пород. В целом, разработаны ряд методов радиогенного распада различных элементов. Среди них следует отметить: 1. Аргоновый – основан на том, что в породе находятся изотопы калия с атомным весом 40 (К40), который с течением времени переходит в ядра аргона (Аг40). По соотношению К40/ Аг40 определяется возраст пород и минералов. 2. Рубидиево-стронциевый метод (Rb-Sr). За счет распада рубидия образуются изотопы Sr и по их соотношению определяется период распада и геологический возраст. Период полураспада рубидия 5•1010 Углеродный метод. В атмосфере находятся радиоактивные изотопы С14 (углерод с атомным весом 14), которые поглощаются в процессе жизнедеятельности организмов. После отмирания, начинается распад углерода. Период полураспада составляет ≈ 5720 лет. Для определения возраста горной породы необходимо знать количество углерода (С14) захороненного в ней и углерода в целом. Этот метод наиболее интересен, так как позволяет определять возраст исторических и археологических захоронений (ладьи и гробы древних захоронений). Ядерные методы оценки датировки возраста позволили определить, что возраст Земли как планеты равен 4,5 млрд. лет. 12. Общие сведения о подземных водах Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород относятся к подземным водам. Они широко распространены в природе и играют важную роль при решении вопросов водоснабжения населенных пунктов, гражданских и промышленных предприятий, при строительстве ТЭС, АЭС, ТЭЦ. транспортных путей и т.д. Велика их роль в формировании оползней, обвалов, разработке месторождений полезных ископаемых и образований новых типов рудного сырья. Происхождение и классификация подземных вод. Выделяются несколько типов формирования подземных вод: инфильтрационные. конденсационные, седиментогенные и ювенильные. 1. Инфильтрационные – образуются за счет просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков, которые участвуют в кругообороте воды. Часть воды стекает по склонам и долинам рек и ручьев, часть ее испаряется, а часть просачивается в глубинные горизонты, где образует подземные бассейны и водоносные горизонты. Считается, что инфильтрация представляет собой основной источник накопления и пополнения запасов подземных вод. 2. Конденсационные – подземные воды, образовавшиеся за счет конденсации паров воды, находящейся в воздухе, которые проникают в горные породы и в связи с понижением температуры конденсируются в капелно-жидкое состояние. Затем вода перемещается на более глубокие уровни, где образует водоносные горизонты. Такой тип формирования подземных вод обычно распространен в засушливых и пустынных районах. 3. Седиментогенные (sedimentum–осадок) – образуются в период накопления осадков в озерах, морях, океанах при постепенном погружении и ди­агенезе рыхлых отложений. Подземные воды являются результатом выжимания их из осадков. 4. Юветыьные (девственные, первичные) – возникают в процессе остывания магматических очагов из парогазовых флюидов, которые, попадая в охлажденные горизонты земной коры, переходят в гидротермы и обогащают запасы подземных вод. Все типы вод между собой могут смешиваться при значительном долевом участии инфильтрационной составляющей Классификация подземных вод по условиям залегания. Выделяют: верховодку, безнапорные и напорные грунтовые воды. Верховодка – небольшие по площади и мощности водоносные горизонты, приуроченные к водоупорным прослоям в зоне аэрации хорошо проницаемых горных пород и выше уровня водоносного горизонта. Мощность верховодки зависит от времени гола, сильно подвержена изменениям. иногда, в засушливое время исчезает полностью. Грунтовые – эго воды первого от поверхности водоносного горизонта, который подстилается водоупорным (водонепроницаемым) слоем. Они обычно безнапорные и имеют слабый уклон в сторону пониженных форм рельефа, где происходит их разгрузка в виде источников (ключей). Эти воды чутко реагируют на изменение атмосферных осадков. При выпадении большого количества осадков уровень грунтовых вод повышается, а при недостаточном количестве – снижается. Колебания уровня зеркала воды носит сезонный характер и достигает иногда нескольких метров. Также следует отметить, что уровень грунтовых вод в области разгрузки может меняться в зависимости от зеркала, поверхностных вод в открытых бассейнах и реках. Во время наводнений и паводков в них происходит резкое увеличение количества воды. Соответственно, уровень грунтовых вод резко повышается в прибрежной зоне рек и озер, и наступает период поступления воды из реки, озера в водоносный горизонт. С течением времени, при снижении уровня поводковых вод естественный баланс восстанавливается. Подпитывание водоносных горизонтов за счет речных вод обычно наблюдаются в пустынных и засушливых районах (например, Амударья и Сырдарья). Безнапорные межпластовые воды отмечаются отличаются от грунтовых тем, что они формируются между двумя водонепроницаемыми горизонтами. Питание их происходит по всей площади их выхода на поверхность. Разгрузка подземных вод происходит за счет источников, родников. Таким образом, тго свободное перемещение вод по законам гравитации. Их уровень не касается верхнего водопроницаемого слоя. Напорные или артезианские подземные воды . К ним относятся такие подземные воды, которые залегают между водонепроницаемыми слоями горных пород, ниже базиса эрозии и при вскрытии водоносного слоя фонтанируют. Название "артезианские" произошло от провинции "Артезия" во Франции, где впервые были вскрыты колодцами самоизливающиеся воды. Напорные подземные воды связаны с различными геологическими структурами. Это либо мульдообразные прогибы, либо наклонные водоносные горизонты, ограниченные тектоническими разрывами. В области разгрузки артезианских вод обычно развиты источники, для которых характерно (бурление) и кипение грунта; вода как бы бьет "ключом". В целом, артезианские воды отличаются следующими признаками: 1) Границы их распространения не совпадают с участками питания. 2) Часто отсутствует область разгрузки. 3) При вскрытии их уровень поднимается выше зеркала водоносного горизонта. 4) Физико-химические свойства таких вод обычно постоянны. Артезианские бассейны широко распространены на территории Евразии и они служат долговременными источниками питания пресной водой промышленных центров и городов. Известны такие бассейны как: Московский, Северо-Украинскии, Иркугский и др. Широко распространены и такие типы вод как трещинные и карстовые. Практическое значение подземных вод для строительства транспортных сооружений и других коммуникаций очень велико: с одной стороны, это водоснабжение для бытовых и технических целей, а с другой - они отрицательно влияют на устойчивость транспортных путей, откосов котлованов и выемок, а также являются причиной искривления железнодорожного полотна и деформации зданий в период промерзания грунтов. Особенно опасны грунтовые (напорные) воды во время прохождения тоннелей и метро. Так, водно-грунтовые смеси при прохождении Северо-Муйского тоннеля, привели в катастрофическому явлению: резкий прорыв водно-грунтового кармана в горных породах, разрушению проходческого шита и человеческим жертвам. Значительные затруднения вызывают "плывуны" (водно-грунтовые смеси) при прохождении любых выработок. Это вызывает значительные экономические затраты. Физические и химические свойства подземных вод К физическим характеристикам подземных вод относятся температура, цвет, прозрачность, запах. Определение этих показателей является основой для оценок: а) пригодности воды для питья, б) пригодности воды для технических целей (паровых котлов), в) агрессивности воды к бетонным, каменным и другим конструкциям. Наиболее благоприятной считается вода без цвета (прозрачная), запаха и вкуса, со средней температурой 7-11°С. Химический состав подземных вод, связан с условиями их формирования. Фильтруясь через различные горные породы, они растворяют разнообразные химические соединения. Содержание в водах минеральных солей называется общей минерализацией, которую отражают в г/л или мг/л. В зависимости от этого показателя выделяется 4 класса вод: 1. Пресные - с содержанием солей до 1 г/л 2. Солоноватые до 1-10 г/л 3. Соленые до 10-50 г/л 4. Рассолы до >50 г/л Максимальная величина минерализации отмеченная в Иркутской области достигает 500-600 г/л. Подземные воды содержат в себе очень много химических элементов. Наиболее широко распространены: ионы Cl‾, SO42‾, НСО3Nа+,Са2,Мg2+ и др. Именно эти элементы определяют основные свойства подземных вод: щелочность, соленость и жесткость. В целом, выделяются следующие классы вод: 1) Гидрокарбонатные (НСО3‾>25 экв.-%). 2) Сульфатные (SО42‾> 25 экв.-%), 3) Хлоридные (С1 > 25 экв.-%), 4) Сложного состава. Очень широко развиты в природе различные целебные минеральные источники: углекислые, сульфидные (сероводородные), радиоактивные (обогащенные радоном). Обычно они приурочены к области активных тектонических движений. Агрессивные свойства воды зависят от химического состава. Зачастую воды содержат значительное количество сероводорода, хлористых соединений, двуокиси углерода органического и неорганического происхождений. Для всех типов вод характерно отрицательное влияние на бетонные конструкции, фундаменты и известковые камни. Они тесно связаны с оценкой питьевых качеств воды и ее агрессивным воздействием на металлические конструкции (мосты, котлы и др.). 13.Динамика и законы движения подземных вод Движение грунтовых вод подчинено законам силы тяжести и направлено в сторону пониженных форм рельефа. Они двигаются в виде грунтового потока по порам и трещинам в виде отдельных плоских горизонтов различной мощности. Скорость движения подземных вод зависит от водопроницаемости горных пород и уклона зеркала воды или гидравлического градиента. Г и д р а в л и ч е с к и й г р а д и е н т (уклон) – это относительное превышение уровня между двумя точками (Δh) зеркала воды к горизонтальному расстоянию между ними (l) J= Δh/ l Ламинарное движение воды в однородной грунтовой среде подчиняется закону Дарси, который отражает линейное параллельно-струйчатое течение грунтовых вод (ламинарное): Q = Kф ּFּJ(см3/сек). [ 1 ] При J = 1 и F = 1, получим Q = Kф. т. е. коэффициент фильтрации численно равен количеству воды, протекающему в единицу времени через сечение, равное единице. Разделив на F левую и правую половину формулы [1], получим, что скорость фильтрации (V) при градиенте равном 1 выражается уравнением: V= Kф (см / сек ). По фильтрационным способностям выделяются такие грунты, как: пески - Kф = 1-50 м/сутки; песчаники - Kф = 1-30 м/сутки; известняки - Kф = 1-100 м/сутки. При движении воды по трещинам, крупным порам, карстовым пустотам и при значительных гадиентах (уклон > 0,01) характер перемещения воды становится турбулентным (вихревым), который подчиняется нелинейному закону фильтрации –Шези - Краспопольского: Qф= КфVJ где К – коэффициент фильтрации, определяется по опытно- фильтрационным работам (м/сутки); I – гидравлический уклон; V - скорость фильтрации. Таким образом, при скоростях движения не более 100 м/сутки и ≤ 0,01 наблюдается ламинарное движение, а при больших значениях расчеты производятся по закону Шези - Краснопольского. 13.1.-Методы-определение движения грунтовых вод Выделяются прямые и косвенные методы, которые, в свою очередь, подразделяются на полевые и лабораторные. Более точные данные получают при полевом испытании грунтов, поскольку они позволяют определить коэффициент фильтрации непосредственно при работе с естественными грунтами. Метод профессора Болдырева (инфильтрации шурфа) позволяет определить коэффициент фильтрации (Кф) для горных пород в зоне аэрации и выше уровня грунтовых вод на 3-5 метров (рис. 10). В вырытый шурф наливают воду 10-15 см, ставят мерную рейку и поддерживают постоянный уровень путем добавления воды из емкости. Затем устанавливают постоянный расход воды в единицу времени (мг/супш, см3/сек). Движение воды подчиняется закону Дарси. При этом гидравлический градиент (Δh /1) равен 1. Соответственно, Кф = Q/ К, где F - площадь фильтрации, равна поперечному сечению шурфа (м2) Метод откачки воды из скважин. Проходится одна или несколько скважин. Производится опытная откачка воды и замеряется ее уровень и объем откаченной воды в емкостях или путем измерения количества движений поршня. Уровень подземной воды в скважине или шурфе измеряется металлической лентой с грузом или хлопушкой, которая издает глухой звук при касании с поверхностью воды. Определение уровня залегания грунтовых вод играет очень существенную роль при строительстве и оценке глубины заложения фундаментов, их изоляции от влияния вод, а также необходимости снижения уровня грунтовых вод путем откачки. В противном случае вымывание и суффозия грунтов может привести к деформациям зданий и других сооружений. Определение вектора движения грунтовых вод. Последовательность операций (рис. 11): 1. Закладываются три скважины на участке в форме треугольника. 2. Определяется их нивелирный уровень. 3. Замеряется уровень воды в скважинах. 4. Затем определяем изогипсу с 46 м (С) и ее положение по линии АВ. 5. Перпендикуляр к этой изогипсе (АД) показывает направление движения воды. 6. Соответственно градиент потока определяется: 49-46 170м = 0,0176 А = 49 м, высота точки Д = 46 м, уровень гидроизогипсы АД = 170 м, расстояние между высотами А и Д. Оценка притока воды в горные выработки Различают горизонтальные и вертикальные водосборные сооружения. Горизонтальные - это канавы, водосборные сооружения, штольни. Вертикальные - это скважины, шурфы, шахты. Скорость притока воды в канавы зависит от уклона (гидравлического градиента,J) и коэффициента фильтрации (Кф). Приток подземных вод в канаву с обеих сторон определяется по закону Дюпюи: Q= Кф 1 (м3 / сутки, л / сек). Если принять: Кф = 8 м/сутки; 1 = 100 м (длина канавы); Н = 4м;h = 0,5м; К = 100 м. Получим Q = 8∙100∙= 126 м3 / сутки или 1,46 л/сек В практике железнодорожного строительства, как одно их мероприятий проходят водопоглощающие колодцы и скважины для спуска излишних поверхностных вод в водоносные горизонты. Поглощающая способность таких выработок определяется по формуле Дюпюи: Q = Статический уровень дренируемого слоя должен быть выше отметки поглощающего слоя. 14. Гидродинамические и гидравлические воздействия на породы. Очень большое количество процессов и явлений, осложняющих строительство линейных и площадных объектов, связано с динамическим и химическим воздействием воды на породы. Среди них следует выделить: плывуны, суффозии, карст. Плывуны это тонкодисперсные грунты (пески, супеси, суглинки) с высоким содержанием воды, которые начинают плыть при вскрытии их какими-­либо выработками (шурфами, канавами, тоннелями, карьерами). Различают: 1. Ложные плывуны (псевдоплывуны). Породы не имеют выраженных структурных связей, частицы песка и гравия находятся во взвешенном состоянии. Трение между обломками отсутствует, и их движение подчиняется законам гидродинамики подземных вод, иногда носящих внезапный характер и приводящих к выбросу большого количества плывунного грунта. Одним из таких примеров отмечен в 1979 году при проходке Северо-Муйского тоннеля в гранитоидном массиве. Сложность инженерно-геологических условий здесь определялась широким развитием активных разрывных нарушений со следами сейсмогенных движений, высокой скоростью выветривания гранитов, повсеместным распространением неблагоприятных инженерно-геологических процессов и гидротерм. Сочетание зон тектонического дробления и термальных вод привело к образованию кармана плывунных грунтов, обогащенных дресвой, щебнем и глиной с супесью. При вскрытии этого участка проходческим щитом, произошел катастрофический выброс, который привел к человеческим жертвам и долговременной задержке работ по проходке тоннеля. 2. Истинные плывуны представляют собой пески, супеси, глины с коагуляционными (студнеобразными) связями. Переход их в плывунное состояние определяется не только гидродинамическим давлением, но и прочностью структурных связей (вязкопластичные, жесткие и пластично жесткие). Прочность связей зависит от количества и минерального состава глинистых частиц. Большую роль играет влажность; чем выше влажность, тем менее прочные будут связи. Каждой группе плывунов свойственны отличительные признаки. Так, при взмучивании истинного плывуна в дистиллированной воде образуется суспензия разных оттенков, которая не осаждается в течение ряда месяцев. При высыхании истинные плывуны сильно цементируются вследствие склеивающего действия коллоидов. Их цементация и силикатизация невозможны. У псевдоплывунов суспензия осветляется в течение 2-3 дней в слое воды толщиной 10 см. Ложные плывуны подвергаются цементации и силикатизации. Соответственно, при проходке котлованов в истинных грунтах вода обычно мутная за счет содержания коллоидных частиц, а в ложных грунтах она прозрачна или слабо мутная. Комплексные исследования плывунных грунтов показали следующее: 1. Песок плывет при наличии гидравлического градиента. 2. Чем выше пористость, тем выше подвижность грунта. 3. В статическом состоянии порода не несет внешних признаков пересыщения водой, но с началом движения и перегруппировкой частиц вода выступает на поверхности за счет уменьшения пористости. 4. Удаление воды или ее замораживание лишает плывунов подвижности. 5. Устранить плывунность грунтов у песков труднее, если они содержат гидрофильные коллоиды (истинные плывуны), так как они связывают воду. Легче устраняется вода у псевдоплвунов. 6. Проницаемость истинных плывунов низка, так же как и мала их водоотдача. Плывуны очень сильно затрудняют строительство. В зависимости от инженерно-геологической ситуации выбираются методы безопасного сооружения фундаментов: 1. При небольшой мощности плывунного горизонта вблизи к поверхности обычно производят закладку фундамента на подстилающих плывуны породах. 2. При сооружении фундаментов и опор на плывунах, после их предварительного уплотнения, основания строительных объектов делают расширенными. 3. При большой мощности плывунов и необходимости сооружения проектируемого объекта на них или в них применяют свайные фундаменты, объединенные вверху плитой-ростверком. 4. Перед строительством проводят специальную обработку плывунов. Это виброобработка, силикатизация, электрохимическое воздействие. 5. Использование опережающих крепей, опускных колодцев и проходческих колодцев. 6. Применение опережающего замораживания пород циркулирующими рассолами с температурой до -20° в специальных колоннах расположенных в скважинах. Значительное отрицательное воздействие на строительные линейные и площадные объекты зачастую оказывают просадочные явления в грунтах, возникающие за счет вымывания и выноса мелкозернистого материала. Суффозия это долговременный процесс вымывания тонкозернистых частиц (песков) из пород подземными водами и их вынос за пределы рассматриваемой территории. В результате происходит разрыхление грунтов и их осадка с образованием замкнутых котловин, западин, воронок и, в целом, полей суффозионных просадочных явлений. Диаметр таких форм составляет от первьгх метров до 1000-1500м при глубине от десятков сантиметров до 1,5-2 м. Особенно они характерны для лёссов и мелкообломочных грунтов с песчаным и супесчаным заполнителем. Основными действующими силами, регулирующими развитие суффозии, являются либо большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает частицы и размывает породы, либо возникающее гидродинамическое давление в фильтрационном потоке. Если оно велико, то это может принести в движение всю массу, т.е. привести ее в плывунное состояние, а если мало происходит вымывание только мелких частиц Меры борьбы: перехват подземных вод дренажом, строительство отводных каналов, силикатизация, цементация и др. К не менее опасным явлениям природы относятся процессы выщелачивания и растворения горных пород. Карст - комплекс своеобразных форм рельефа, возникающих в пределах развития легкорастворимых горных пород под воздействием поверхностных и подземных вод. Необходимыми условиями развития карста является одновременное существования ровной или слабонаклонной поверхности, наличие значительной мощности проницаемых и растворимых в воде горных пород (соли, гипс, известняки, доломиты) и движущейся воды, обладающей способностью к растворению. Таким образом, процесс карстообразования зависит не только от химического состава горных пород, но и от свойств растворителя и его термодинамических характеристик. Легче всего растворяются каменная и калийная соли; значительно меньше - гипс, ангидрит и менее всего известняк и доломит при прочих равных условиях. Наличие в водных растворах ионов Са2+ Мg2+, НСО3- , С1- , 8О42- в несколько раз повышает растворимость карбонатных пород. При наличии СО2 в растворах нерастворимые известняки и доломиты переходят в растворимый бикарбонат: CaCO3 +CO2+H2O→ Ca(HCO3)2; MgCO3+CO2+H2O→Mg(HCO3)2 Но с другой стороны, содержание СО2 в воде никак не влияет на растворимость сульфатов (гипса и ангидрита), а присутствие хлористого натрия повышает их растворимость в несколько раз. В целом же, следует отметить, что чем выше концентрация солей, тем ниже растворяющая способность растворов. Карстовые формы. Различают: 1. Открытые (поверхностные) – образуются при выходе карстующихся пород на поверхность. 2. Закрытые (глубинные) – карстугощиеся породы перекрыты рыхлыми отложениями различной мощности. В местах распространения открытого и закрытого карста образуются такие формы как, воронки, колодцы или шахты, карры, пещеры, подземные реки и озера. Воронки, колодцы и шахты имеют глубину от первых метров до нескольких десятков метров и диаметр пропорциональный глубине. Выделяют провальные, поверхностного выщелачивания и суффозионные. Пещеры и подземные реки с озерами достигают длины от первых километров до нескольких десятков километров (Худугунская в Прибайкалье.. Кунгурская пещеры). Карры - поверхностные формы в виде рвов и борозд различной глубины и длины на известняках. Инженерно-геологическое значение карста имеет большую практическую ценность при строительстве гидротехнических сооружений, плотин и водохранилищ, транспортных путей, разработке месторождений, сооружение тоннелей, проходка штолен и дренажных сооружений и т.д. Основная цель изучения районов развития карста - обеспечение устойчивой службы сооружений в течение необходимых промежутков времени. Это требует значительных затрат как в период изысканий и строительства, гак и в процессе эксплуатации. При проектировании железнодорожных линий в карстовых районах следует учитывать, что под действием дополнительных нагрузок от поверхностных сооружений могут активизироваться процессы оседания кровли над пещерами и пустотами с образованием провалов, воронок и одновременной деформацией железнодорожных путей. При любом виде строительства необходимо избегать районов с активным (современным) карстом. В этом смысле менее опасен палеокарст прекративший свое развитие. Как видовые различия в природе выделяются глинистый, лёссовый карсты. 15. Грунты и грунтоведение Грунт это естественные образования горных пород, слагающих верхнюю часть земной коры. Они рассматриваются с точки зрения их использования в инженерно-строительных целях. Различают скальные, полускальные, мягкие, рыхлые и др. грунты. Грунтоведение- раздел инженерной геологии, изучающий состав. текстуру, структуру и физико-механический состав различных горных пород. Общие свойства грунтов в значительной мере зависят от удельной поверхности частиц, слагающих грунты, которая влияет в целом на физико-механические характеристики и устойчивость грунтов. Удельная поверхность частиц — это суммарная поверхность всех частиц в единице объема (1см3) или веса горной породы. Это поверхность, которая является границей раздела двух различных сред (твердое вещество - вода или газ) и обладает большим запасом энергии в силу своих разнообразных поверхностных явлений и процессов. Таких как, электрокинетические или перенос воды от анода к катоду. А глинистых частиц наоборот; явления поглощения (сорбция) при фильтрации водных растворов в дисперсных породах частично поглощаются вещества содержащегося в растворах. Они разнообразны и различают физическое, химическое, биологическое и физико-химическое поглощения. Физическая поглотительная способность связана с межмолекулярными притяжениями коллоидных частиц в растворах без каких-либо химических процессов (заиление каналов, рек; кольматация стенок и бортов каналов и пор в подпорных дамбах). Физико-химическая поглотительная способность–связана с тем, что при взаимодействии дисперсных пород с водой одни поры исчезают, а другие их замещают на поверхности частиц (например, вместо Са появляется Мg2+ и Nа+). Эти процессы обычно связаны с тонко дисперсными (< 0,05 мм) фракциями обладающими высокой удельной поверхностью и поверхностной энергией. Также отмечается, что трехвалентные катионы более активны, чем одновалентные, и они образуют следующий условный ряд поглощения: (Fe, Al)3+ → (Ca, Mg)2+→ (K, Na, Li)+ Органически обогащенные почвы обладают высокой избирательной поглотительной способностью. Большое влияние на величину поглощения оказывает рН раствора, т.е. при увеличении рН среды обменная способность пород увеличивается. Значение обменно-поглотительных свойств грунтов в практике очень велико: обогащение руд, очистка ГСМ, обессоливание почв, повышение прочностных свойств грунтов, очистка растворов и т.д. Виды структурных связей в грунтах. Структурные связи в грунтах - это совокупность размера формы и характера поверхностных частиц, а также тех сил, которые развиваются в процессе формирования грунта в результате гравитации (силы тяжести) и силами возникающими на поверхности частиц. Они подразделяются на первичные, возникающие одновременно с образованием пород (магматических, метаморфических и осадочных пород) и вторичные - возникающие в процессе диагенеза породы (уплотнение, перекристаллизация, цементация и т.д.) применительно к нескальным грунтам можно говорить о вторичных структурных связях, которые подразделяются на вязко-пластичные, жесткие и жестко-пластичные Вязко-пластичные свойственны рыхлым грунтам с агрегатной структурой, т.е. глинистой, которые формируются с преимущественным влиянием сил сцепления. В целом, это водно-коллоидные смеси существующие в виде пленок между более крупными частицами. Для них характерна очень сложная электрохимическая природа. Вязкие водно-коллоидные связи сохраняют свои типические черты в пределах широкого диапазона изменения физико-химического состояния. Изменяя толщину межконтактных пленок, за счет ионного состава в сторону повышения их валентности, можно влиять на прочностные характеристики грунта. Этим явлением пользуются в современной практике фундаментостроения в процессе электрохимического закрепления грунтов. При нарушении связей между частицами коагель переходит в гидрозоль с потерей прочности. Переход геля в золь и наоборот называется тиксотропией. Жесткие связи образуются в процессе диагенеза водно-коллоидных эластичных студней и превращения их в более жесткие (прочные) составы. 'Это сопровождается уменьшением толщины водно-коллоидных пленок и увеличением их жесткости за счет нагрузок при осадкообразовании. Известно, что при влажности 94-97,3% гель кремнезема дрожит, имеет вид желе, а при 74,2% -истирается в порошок. Иначе говоря, гель превращается в раскристаллизованный цементирующий состав различного минерального и химического состава. Наиболее прочными считаются грунты с кремнистым и железистым составом цемента. Они по своим физико-механическим свойствам приравниваются к скальным. Наиболее слабыми цементами являются глинистые и известковистые, которые по своим прочностным характеристикам стоят ближе к полускальным грунтам. Жестко-пластичные связи существуют только лишь за счет трения между частицами несцементированных грунтов с раздельно-зернистой являются структурой. Причиной их возникновения гравитационные силы. Качественно эти связи не изменяются. 16. Физические свойства грунтов В строительной практике прочностные свойства горных пород (или их несущая способность) определяются по целому ряду показателей, которые отражают численные характеристики состава, строения и свойств грунтов. Эти параметры обычно унифицированы и применяются как для предварительной оценки несущей способности грунтов при сооружении наземных и подземных коммуникаций, так и для окончательного принятия решений о конструктивных особенностях фундаментов зданий. В зависимости от целевого назначения и масштаба инженерно-геологических исследований выделяют: 1. Классификационные показатели оценки физических свойств грунтов, т.е. те признаки, которые определяются непосредственно в полевых условиях визуально или с применением несложных приборов, в выработках или в естественных обнажениях. К ним можно отнести такие показатели как цвет, минеральный состав, структура, текстура, карбонатность, ожелезненность, 'шсоленность и т.д. То есть те признаки, которые позволяют провести предварительную характеристику условий строительства; 2. Косвенные показатели позволяют определять приближенные к расчетным оценки возможного поведения породы при взаимодействии с сооружением, а также для выявления корреляционных связей между косвенными и прямыми признаками. Эти данные уже используются на первых 'этапах проектирования. Среди них следует отметить удельный и объемный вес грунта, влажность, пористость, удельный вес скелета и твердых частиц грунта, пластичность, число пластичности и т.д. Эти показатели определяются в полевых и стационарных лабораториях; 3. Прямые показатели служат для окончательных расчетов в системе "грунт-фундамент-сооружение". Они обычно выявляются после многочисленных опытов и испытаний образцов в лабораторных условиях. К ним относятся: естественный объемный вес грунта и его вес под водой, коэффициент компрессии, модуль общей деформации, коэффициент относительного сжатия, коэффициент трения и угол внутреннего трения, величину линейной деформации и т.д. Безусловно, все показатели не являются, догмой при анализе инженерно-геологических условий строительства и одни и те же данные могут переходить из одной категории в другую. Для определения общих физических свойств грунтов необходимо знать гранулометрический состав, удельный вес грунта в естественном состоянии, влажность, вес скелета грунта, пластичность и ряд других показателей. Рассмотрим некоторые из них. Гранулометрический состав (гран - гранулометрия) — это относительное содержание частиц различной размерности (величины) п грунтах в процентах весовых или объемных единиц. Это один из важных факторов, от которого зависят все физико-механические свойства пород. Так, например, с уменьшением размера частиц рыхлых пород, уменьшается их водопроницаемость. У песков она очень высокая, а у глин - практически равна нулю. Методы и способы определения гранулометрического состава разнообразен. Наиболее распространены: –визуальный, –ситовой, –гидравлические, основанные на скорости выпадения частиц, на свойствах набухания грунтов, или изменениях плотности суспензий (ареометрический метод); –аэродинамические, основанные на скорости движения струи воздуха; –оптические, наиболее точные и обычно применяемые при экспертных исследованиях. Удельный вес твердых частиц грунта (γs) - это отношение веса твердых частиц грунта только к их объему. Он зависни главным образом, от минерального состава и в полевых условиях определяется пикнометром. Он варьирует в пределах 2,50-2,80 г/см3 и в среднем составляет 2,65 для песков и 2,70 - для глины. ,где g1 и V1 - вес твердых частиц и их объем. Удельный вес грунта ()- это вес единицы объема грунта в его естественном состоянии. г/см3, где g1 - вес твердых частиц, g2 - вес воды в порах. Вес воздуха в порах не учитывается, V2- объем пор. Удельный вес скелета грунта () - отношение веса высушенного грунта в некотором объеме к его объему г/см3 =1гс/см3 = 0,001кгс/см3 ≈104Н/м3 объемный (удельный) вес грунта в воде. Влажность грунта- это содержание воды в том или ином количестве. Весовая влажность- это показатель, который отображает отношение веса вод в грунте к удельному весу твердых частиц (скелета грунта). Определяется по результатам взвешивания в естественном состоянии и после высушивания при t = 105-1 10°С в течении 7-8 часов. П л а с т и ч н о с т ь грунта — способность некоторых горных пород изменять свою форму без разрыва сплопшости под воздействием внешней нагрузки и сохранять ее после прекращения воздействия. Обычно этими свойствами обладают породы, содержащие глинистую фракцию (глины, глинистые мергели, лессы и мел.) Для количественной характеристики этих пород введены понятия: WL – верхний предел пластичности (на границе текучести); WP – нижний предел пластичности (потеря пластичности, переход в твердое состояние); JP - число пластичности; разность между верхним и нижним пределами пластичности (JP= WL- WP) По этому показателю можно определить наименование грунта; Песок - не пластичен Супесь - JP< 7 Суглинок - JP = 7-17 Глина- JP >17 Пластичность тесно связана с гранулометрическим составом грунтов и их минеральным составом, формой и размером зерен, химическим составом и концентрацией солей в поровых растворах, температурой горных пород и др. По этим же данным определяется консистенция (густота, вязкость, состояние грунта в зависимости от содержания глинистой фракции) по формуле JL = Согласно СниП II-15-74 среди глин и суглинков выделяют следующие консистенции JL; Твердая JL < 0; Полутвердая 0 - 0,25; Тугопластичная 0,25 - 0,50; Мягкоп ластичная 0,50 - 0,75; Текучепластичная 0,75 - 1,00; Текучая >1,00. Среди супесей выделяют консистенции: Твердая < 1,00; Пластичная 0 -1,00; Текучая-----------------------> 1,00. 17. Экзодинамические процессы. Экзодинамика - процессы направленного смещения горных пород под действием гравитации. Они обусловлены: 1) Действием силы тяжести, вызывающей быстрое смещение горных пород в виде осыпей, обвалов, оползней, лавин, вывалов и т.д. Между ними существуют переходные формы. 2)Действием атмосферных, подземных и талых вод, которые вызывают просадочные явления в лессах, суффозию, карст. 3) Влиянием отрицательных температур, вызывающих морозное пучение и смещение грунтов под действием вечной (многолетней) мерзлоты. 4) Осыпи и курумы гравитационное перемещение на кругом склоне обломочных горных пород. Иначе говоря, это постепенное скатывание или скольжение обломочного материала вниз по склону. Осыпи - щебнисто-каменные склоновые россыпи. Курумы - обломочные и крупно-обломочные склоновые отложения. Выделяют три типа осыпей и курумов в зависимости от их динамической неустойчивости на склонах: а) Действующие осыпи и курумы, находящиеся в стадии развития и движения. На них обычно отсутствует какая-либо растителыюсп.. б) Затухающие (отмирающие) осыпи и курумы имеют частичное развитие кустарников, дерна и дернового покрова. Затухающие - обломочно-щебнистый материал полностью задернован и на нем развита растительность. Обвалы это обрушение горных пород со склонов. Объемы таких гравитационных масс составляют сотни, тысячи и даже сотни миллионов кубических метров. Очень часто они носят катастрофический характер и в районах развития неустойчивых склонов создают постоянную опасность для жизни и деятельности людей, сохранности и нормальной эксплуатации транспортных путей. Образование обвалов тесно связано с периодами обильных дождей, оттепелями заморозками и зачастую обусловлены сейсмическими и тектоническими процессами. Они приурочены обычно к горным районам. Практика показывает, что значительный ущерб внезапные гравитационные смещения наносят различным линейным коммуникациям типа железных и автомобильных дорог, линий электропередач, обводных дренажных каналов, искусственных сооружений. Известны примеры, когда обвалы на дорогах приводили к многочисленным человеческим жертвам и приносили огромные материальные убытки. Борьба с обвалами очень сложна и трудоемка. По возможности необходимо избегать строительства транспортных путей в таких районах. В случае необходимости для защиты транспортных путей строят противообвальные сооружения укрепительного и противообвального характера. Укрепительные сооружения служат для укрепления косогоров и выемок. К ним относятся каменные и подпорные стены для поддержания, укрепления и защиты от разрушения откосов и контрфорсы - сооружения, поддерживающие неустойчивые пласты пород. Как противообвальное защитное мероприятие строят улавливающие устройства перед полотном дороги и противообвальные галереи. Надежным средством зашиты является сооружение тоннелей и галерей. Вывалы представляют собой обрушение отдельных блоков горных пород с крутых или отвесных склонов без соприкосновения со склонов горными породами. Их развитие, также как и обвалов зависит от степени выветрелости, трещиноватости, текстуры и структуры горных пород. Крупнозернистые, сланцеватые, обогащенные слюдой и выветрелыми полевыми шпатами горные породы более расположены к обвалам и вывалам. Этому же способствует наличие глинистого цемента. Лавины и снежные лавины широко проявляются в горных районах при неблагоприятном сочетании большой крутизны и высоты склона с мощностью снежного покрова. Иначе говоря, это обрушение огромных масс снега с крутых склонов, из висячих распадков, подрезанных выемками и полувыемками. Образованию лавин способствуют и физические характеристики снежной толщи. Большую роль играют теплопроводность, влажность, пористость, ползучесть и другие свойства снега, определяемые погодными условиями. Разрушающая сила лавин и воздушных волн существенно возрастает при захвате ими глыбового и обломочного материала со склонов. При объемах снежных масс 50-100 тысяч м3, пропитанных водой и имеющих плотность «Ю,8 г/см3 вес лавины достигает 40-80 тыс. тонн. Значительные скорости перемещения лавин приносят большой вред линейным транспортным сооружениям, При проектировании и строительстве таких объектов необходимо применять антилавинные мероприятия, такие как, удлинение порталов тоннелей до выхода из лавиноопасной зоны, закапывание электро- и телеграфных кабелей, строительство защитах галерей и т.д. Наиболее опасными периодами схода лавин считаются весна (за счет просачивания вод) и зима ( за счет уплотнения снега и снижения его устойчивости). Скорость движения лавин варьирует в широких пределах от 2 км/час до 60-100 км/час. Ударная сила может достигать 60 т/м2. Причем, энергия удара зависит от угла наклона склона, высоты падения и массы снега. Значительные разрушения может вызвать воздушная волна. Противолавинные мероприятия: превентивные, предупредительные меры связаны со строительством заборов, щитов или посадкой полос; строительство подпорных стен, искусственных террас и свайных сооружений на склонах; - строительство лавиноотбойных стенок, лавинорезов на пути движения лавин; - искусственное обрушение лавин за счет артобстрелов. Оползни это крупные гравитационные смещения горных масс вниз по склону. При этом они захватывают толщу пород от первых метров и до первых десятков метров. Протяженность оползневых явлений достигает нескольких километров. Они существенно влияют на устойчивость транспортных путей, зданий и сооружений. Местами создается реальная угроза населенным пунктом и человеческим жизням, особенно тогда, когда они вызваны сильными сейсмическими воздействиями. Такие примеры известны в Чили, Италии. Дагестане, Крыму и др. В строении оползня выделяю! несколько элементов (рис.13) Поверхность скольжения - поверхность, по которой происходит отрыв и смещение горных пород. Оползневое тело объем сместившейся массы горных пород, ограниченный снизу поверхностного скольжения, а сверху дневной поверхностью. Тыловой шов место соприкосновения надоползневого уступа и оползневого тела. Поверхность оползня имеет бугристо-западинный рельеф с серповидно выраженными рвами и валами; сопровождаются большим количеством трещин отрыва в верхней части оползневого тела и надвиговыми дислокациями в нижней части. Во рвах и рытвинах часто образуется озерные котловины. Причины образования оползней носят комплексный характер. Проще всего, следует отметить такие как: 1. Интенсивный подмыв берегов рек и абразия моря. Это приводит к нарушению естественной устойчивости склонов и их оползанию. 2. Активное влияние атмосферных осадков на грунты и отложения склонов. 3. Изменения уровня грунтовых и подземных вод, их цикличность и влияние на пластичность, и суффозионные процессы. 4. Структурные особенности строения того или иного участка. А именно, угол падения и направление падения горных пород, степень выветривания, наличие пластичных прослоев и разрывных нарушений и т.д. 5. Техногенные воздействия на природные объекты: подрезка склонов, уничтожение пляжей, вырубка лесов, строительство различных сооружений на склонах, увеличивающих естественную нагрузку и т.д. Меры борьбы с оползнями. Противооползневые мероприятия делятся на 3 типа, которые в целом зависят от общих условий формирования оползней. Первый тип связан с тем, чтобы уменьшить усилия, сдвигающие породы. Они включают в себя выполаживание и планировку склонов, террасирование, строительство подпорных стен. Второй тип связан с изменением физического состояния горных пород, т.е. уменьшение влажности грунтов за счет сооружения дренажных каналов, покрытие склонов водонепроницаемыми материалами и сохранение растительного покрова и лесов, которые являются поглотителями вод. К этому же типу относится метод электрохимического закрепления грунтов: в тело оползня вставляют в виде катодов железные и медные трубы, а анодов -- алюминиевые, через которые пропускают постоянный электрический ток. Это вызывает уплотнение грунта и потерю способности к намоканию. Также добавляют различные электролиты, которые обладают повышенными цементирующими способностями. Третий тип - это укрепление берегов рек, морей за счет волноприбойных и подпорных стен, расширение полос пляжей. Заключая обзор экзодинамических явлений природы. Необходимо отметить, что они везде и всегда представляли большую и серьезную опасность не только для устойчивой работы транспортных путей сообщения, но и для населения. Известны многочисленные примеры гравитационного смещения горных масс, которые приводили к человеческим жертвам: - оползень-обвал в Италии разрушил платину Вайонт и привел к гибели 3000 человек; Хаитский обвал в период землетрясения прошел около 30 км и уничтожил районный центр Хаит и целый ряд кишлаков. Погибло около 30 тысяч человек; оползни в Европейской части России, нанесли значительный экономический ущерб; Чилийские, Португальские, Крымские и др. землетрясения нанесли не только экономический ущерб, но и привели к многочисленным человеческим жертвам. 18. Мерзлотные процессы и явлении. Почти вся территория нашей страны подвержена процессам, связанным с отрицательными температурами, которые в зимний период вызывают промерзание верхнего слоя земной коры, а в летнее - оттаивание. В связи с этим, вода из твердого (цементирующего) состоянии переходит в жидкое. И это повторяется из года в год, вызывая различные изменения в грунтах. Сезонное промерзание грунтов составляет от нескольких сантиметров до 3-4м. Этот горизонт носит название деятельный слой, т.е. слой сезонного промерзания (оттаивания), который оказывает большое влияние на несущие способности грунтов. Одним из существенных видов деформаций насыпного земляного полотна железных дорог являются пучины. Пучины- локальные формы, вызывающие деформации насыпного полотна железных и автомобильных дорог, в связи с увеличением объема грунтов (до 9%) в процессе промерзания. При этом происходит поднятие полотна па высоту 20-ЗОсм, в редких случаях, до 50 см. Поперечник пучин составляет от первых десятков метров до нескольких сотен метров. Профиль железнодорожного полотна становится волнообразным и аварийноопасным при высоких скоростях движения поездов. В процессе деградации сезонномерзлого слоя происходит излишнее переувлажнение грунтов, снижается их несущая способность. При воздействии дополнительных нагрузок от движущихся поездов деформируется полотно, а обводненные грунты выдавливаются или вытекают на поверхность в виде грязевых выплесков и "вулканов". Кроме того, сезонное промерзание и оттаивания пород обусловливает образование сплывов в откосах земляного полотна, которые возникают в результате переувлажнения грунтов в процессе промерзания и оттаивания, обычно на границе оттаявшего и мерзлого грунтов. В значительной мере на пучинность грунтов влияет глубина сезонного промерзания, которая зависит от; 1. Продолжительности зимнего периода; 2. Среднегодовой температуры воздуха; 3. Мощности снежного покрова; 4. Состава и степени влажности грунтов; 5. Рельефа и экспозиции склона; 6. Характера растительного покрова; 7. Техногенного воздействия на территорию. Для борьбы с пучинами устраивают отвод поверхностных, атмосферных и производственных вод за счет устройства дренажных каналов; создают прослои в полотне из фильтрующих материалов (гравий, галька, щебень и др.), проводят осушающие мероприятия для полотна, заменяют пучинистые грунты на легко- фильтрующиеся, применяют гидроизоляционные покрытия из полимерных пленок и электрохимические методы укрепления грунтов и т.д. Кроме сезонномерзлого влияния фунтов на устойчивость полотна значительные воздействия оказывают процессы, связанные с многолетней (или вечной) мерзлотой. Многолетняя мерзлота (вечная) это толща горных пород, которая постоянно имеет отрицательную или нулевую температуру. В среднем она составляет от 0° до -7°, иногда достигает -13°. Толщина (мощность) вечномерзлых пород достигает до 1000м, обычно в высокогорных районах. Общая область развития многолетнемерзлотных пород достигает 50% от всей территории страны. В этих районах широко развиты различные криогенные процессы. Геокриология наука о закономерностях развития, распространения, строения, состава мерзлых пород и процессах, происходящих в них. Иначе говоря, это учение о вечной мерзлоте. Различают следующие виды мерзлоты по площади: 1 .Сплошная занимает обширные площади (тысячи км2) и имеет мощность в несколько сотен метров. 2. Многолетняя мерзлота с таликами. Последние обычно приурочены к долинам рек. 3. Островная мерзлота распространена в виде отдельных островов среди талых пород. По вертикали различают непрерывную и слоистую многолетнюю мерзлоту. По физическому состоянию мерзлые породы подразделяются на монолитные (сцементированные льдом), сухие (несцементированные) и пластичные, свойственные для глинистых пород с небольшой отрицательной температурой (от -0,1 до -0,7°С). Лед является составной частью мерзлых пород. Выделяют: 1 .Лед-цемент; 2.Жильные льды; З.Повторножильные льды; 4.Пещерные льды; 5.Погребение льды. В районах развития многолетнемерзлотных пород широко развиты такие явления и процессы как термокарст, наледеобразование, солифлюкция (течение почвы). Т е р м о карст- это процесс вытаивания подземного льда в верхней части многолетнемерзлой зоны, который сопровождается образованием просадочных форм рельефа блюдцеобразной формы, провалов с обрушением бортов и озерных котловин. Зачастую активизацией таких процессов являются лесные пожары, пожоги, рубка леса, распахивание земель, сооружение водоемов и др. Наледи - представляют собой продукт замерзания поверхностной или подземной воды излившейся на поверхность льда, земли или в результате промерзания деятельного слоя. Наледи охватывают обширные территории до нескольких квадратных километров и толщиной до 5-6 м. Подземные наледи сопровождаются образованием бугров пучения, носящих название булгуннях или гидролакколит. Их высота может достигать 10-12 м, а диаметр - до 100 м. Борьба с наледями надмерзлотных вод предусматривает строительство мерзлотных поясов это широкие неглубокие канавы, сооружаемые поперек потока подземных вод. На этом участке происходит промерзание и перехват водного потока. С о л и ф л ю к ц и я представляет собой медленное течение переувлажненных грунтов по склонам под действием сил гравитации. Обычно этот процесс широко развит в областях развития многолетней мерзлоты и танкодисперсньгх пылевых грунтов. Периодическое оттаивание деятельного слоя приводит к переувлажнению почвы, так как вода не может проникнуть вглубь и мерзлота является для нее водоупором. При этом образуются нагорные солифлюкционные террасы на пологих склонах крутизной 3-10°. На более крутых склонах солифлюкации сопутствует образование нагорных каменных террас, курумов (каменные россыпи), каменных потоков. Строительство в условиях развития многолетней мерзлоты ведется с учетом целого ряда факторов (климата, геологического строения, гидрогеологии и т.д.). Рекомендуются следующие варианты: 1 .Строительство без учета вечномерзлого состояния пород в основании сооружений., т.е. как на талых породах. Это случаи возведения сооружений на скальных и полускальных породах или на малосжимаемых грунтах, лежащих на скальных породах. 2.Строительство с сохранением вечномерзлого состояния пород в течении всего периода службы сооружения. Этот метод рекомендуется для мерзлых пород мощностью 15-20 м и более при условии возведения неотапливаемых помещений или помещений, глубина протаивания от которых не будет превышать глубину заложения фундамента 3.Строительство оттапливаемых или тепловыделяющих сооружений при условии, что расчетные осадки не превышают допустимые нормы. Этот метод требует осуществления специальных конструктивных мероприятий и называется конструктивным. Используется в тех случаях, когда в основании фундаментов залегают обломочные породы, которые не выдавливаются под воздействием нагрузок. 4.Строительство после предварительного оттаивания мерзлых пород перед заложением фундамента, т.е. условия аналогичны строительству на талых грунтах. В целом, можно отметить, что районы развития многолетней мерзлоты имеют специфические черты. Для них характерен процессы пучения и выталкивания свайных фундаментов. Кроме процессов пучения широким развитием пользуются просадочные явления, которые приводят к деформациям зданий и сооружений. В результате нарушения естественного мерзлотного режима при строительстве железнодорожных сооружений активизируются процессы наледеобразования. Они приводят к деформациям не только железнодорожного полотна, но и мостов и мостовых переходов, труб и тоннелей. Вредное влияние мерзлотных процессов общеизвестно и при проектировании предусматривается комплексные мероприятия для исключения деформаций. Производится проходка отводных канав, дренажей, осушение грунтов и т.д. 19. Инженерно-геологические исследования на стадиях проектирования, изысканий и строительства. В процессе выбора оптимальных вариантов строительства различных линейных и площадных сооружений производится комплекс необходимых мероприятий для обоснований наиболее экономически целесообразных вариантов прокладки трассы. При этом соблюдается принцип последовательного решения целой серии инженерно-геологических вопросов с различной степенью их проработки и трудозатратами. Стадии проектирования. Объем инженерно-геологических исследований тесно связан с топогеодезическими работами, так как проектирование и строительство являются взаимозависимыми. Уже в самом начале исследований топогеодезические данные могут оказать существенное влияние на проектные решения, содержание и объемы инженерно-геологических работ, трудозатраты и финансирование. В целом, понятие "железные дороги" предусматривает собой строительство целого ряда сооружений необходимых для выполнения основной задачи. Сюда входят: отсыпка железнодорожного полотна, прокладка путей, строительство мостов и мостовых переходов, сооружение линий электросвязи, водоснабжение и канализация и, в конечном итоге, градостроительство, которые обеспечивают инфраструктуру транспортных путей. Из этого видно, что задачи инженерно-геологических изысканий очень разнообразны и для их решения привлекаются различные методы, соответствующие определенным стадиям изысканий, проектирования и строительства линейных коммуникаций. В каждом отдельном случае, инженерно-геологические исследования производятся последовательно, по стадиям, каждая из которых предусматривает определенные виды и объемы работ. Содержание, объемы и состав инженерно-геологических исследований строго индивидуальны. Это определяется сложностью инженерно-геологического строения района, категорией и особенностью проектирования и строительства сооружений Обычно предусматривается двухстадийное (иногда трехстадийное) проектирование, которые предусматривают составление технического проекта (ТЭО - технико-экономическое обоснование). Этот проект обычно основывается на данных рекогносцировочных обследований условий прокладки трассы, строительства мостов, тоннелей, эстакад и т.д. Для этих целей используются данные дистанционной съемки (космическая, аэрофото, радиолокационная, инфракрасная и т.д.) и рекогносцировочные маршрутные работы для установления природы тех или иных геологических объектов. Состав работы для составления проектного задания для обоснования выбора варианта трассы и составления проекта. Они включают следующее: 1. Камеральная обработка фондовых, архивных и опубликованных материалов, полученных в предыдущие годы исследований; 2. Инженерно-геологическая, гидрогеологическая и геофизическая съемки с учетом результатов дешифрирования космоснимков и аэрофотоснимков. 3. Проверка и разведка отдельных участков горнопроходческими работами вдоль трассы и на площадках сооружения отдельных зданий, их комплексов и месторождений строительных материалов. 4. Изучение и определение физико-механических свойств грунтов и химического состава подземных вод (грунтовых). 5. Оценка фильтрационных свойств фунтов, их гранулометрического состава, сопротивления различным механическим воздействиям типа сдвига, компрессии и т.д., с целью определения инженерно-геологических условий объекта строительства и оценки несущей способности грунтов. Все эти виды исследований производятся либо в полевых (откачка, налив, динамическое зондирование), либо в лабораторных условиях. 6. Оценка динамики подземных вод, режимные постоянные наблюдения за их уровнем и геохимическим составом. 7. Обработка и анализ всех видов исследований и полученных материалов: выдача окончательного заключения. В течение периода составления рабочих вариантов чертежей проводятся необходимые и дополнительные инженерно-геологические исследования для уточнения условий вдоль трассы железнодорожного полотна, мостовых переходов, тоннелей и т.д. Содержание и объемы исследований зависят от типа и категории проектных сооружений, природных условий (горные, низменные, карстовые и т.д.). При этом большое значение приобретают результаты дешифрирования космо- и аэрофотосъемки, инженерно-геологическое картирование и данные по геофизическим исследованиям (глубинная и поверхностная геофизика, которая включает в себя ударную и взрывную геофизику, вертикальное электрическое зондирование, глубинное строение и т.д.). Методы инженерно геологических исследований. Для решения всех задач, стоящих перед строителями железнодорожных трасс, применяются десятки методов, которые предусматривают их использование в различных инженерно-геологических условиях. Последние подразделяются на: 1.Районы с простым инженерно-геологическим строением и отсутствием различных отягчающих физико-геологических процессов типа карста, оползней, обвалов. Обычно это участки распространения равнин с однородным геологическим строением. 2.Районы средней сложности характеризуются разнообразным геологическим строением. Горные породы дислоцированы и частично осложнены разрывными нарушениями, иногда наблюдаются участки пораженные оползнями, просадками, изредка карстом в районах развития карбонатных пород и термокарстом - в районах развития многолетней мерзлоты. 3.Районы со сложными условиями. Они характеризуются разнообразием физико-механических свойств горных пород, развитием разрывных нарушений и сложных складчатых форм; рельеф расчлененный, широко развиты экзодинамические склоновые процессы (обвалы, оползни, сплывы и т.д.) и геокриологические явления. В зависимости от сложности инженерно-геологических условий для оценки их строительных качеств предусматриваются следующие методы: 1. Предварительная оценка качества грунтовых условий, на базе фондовых материалов, дешифрирования аэрофото- и космоснимков с последующей проверкой выявленных аномалий. 2. Дистанционная съемка это фотосъемка различных наземных природных объектов в различных частотных спектрах. Она включает в себя аэрофотосъемку различных масштабов и детальности: инфракрасную (тепловую), радиолокационную, радиационную, гравитационную, магнитную и др. в зависимости от решения поставленных задач. 3. Инженерно геологическое картирование (съемка) предусматрива- ет построение карт и разрезов на геологической и топографической осно- вах с выделением различных геологических комплексов в целях обоснова- ния их несущей способности и устойчивости линейных коммуникаций от воздействия различных эндогенных и экзогенных факторов. 4. Геофизические методы исследований основаны на изучении различных физических волновых полей: гравитационных, магнитных, электрических, упругих, радиоактивных., тепловых и др. Эти данные изучаются на поверхности земли на некотором удалении от ее поверхности или в горных выработках и скважинах. Различия заключаются в измерении естественных гравимагнитных, электрических, радиоактивных излучений горных пород на тех или иных участках. Наиболее информативны и широко развиты сейсмические методы, которые основаны на инструментальных исследованиях упругих волновых полей, излучаемых землетрясениями, искусственными взрывами или ударами. 5. Горнопроходческие исследования предусматривают проведение разведочных выработок шурфов, канав, скважин с целью отбора проб, образцов, проведения стационарных наблюдений и последующего анализа грунтов и грунтовых вод в лабораторных условиях для выяснения их физико- механических свойств. 6. Гидрогеологические наблюдения проводятся с целью изучения глубины залегания подземных вод, оценки их запасов, фильтрационных свойств грунтов, химического состава и агрессивного воздействия вод, динамики подземного водного потока, колебаний его уровня и т.д. 7. Газовые съемки предусматривает выявление газовых аномалий для выявления месторождений нефти (углеводородные газы), тектонически активных зон и разломов за счет повышенного содержания Rа и Не. 8. Радиационная съемка это выявление аномалий с повышенным содержанием радиоактивных горных пород с помощью специальных приборов. 9. Динамическое зондирование. Имеется целый ряд приборов, кото- рые позволяю в полевых условиях определять прочностные, и плотностные характеристики грунтов. Для этих целей используются различные приборы (пенетрометры, микропенетрометры и др.). Сущность этих приспособлений заключается в следующем. При помощи штанг конус металлического наконечника погружается на требуемую глубину в толщу грунта, а затем вручную (или механическим) путем внедряют его на глубину 10 см. Прочность грунта измеряется по количеству затраченного при этом усилия, которое измеряется с помощью устройства (типа динамометра). Либо заглубление наконечника производится с помощью копра и груза. По количеству ударов определяется плотность грунта.