Инженерная геология

https://a24.biz/order/8028597/offer/70077247/performer/210971 Инженерная геология (предмет, содержание, структура науки, история возникновения, связь с другими науками, компоненты инженерно-геологических условий, методы получения информации). Масштабы и интенсивность строительной и хозяйственной деятельности человека стремительно возрастают. Широко известны примеры создания в нашей стране таких уникальных сооружений как массивные бетонные плотины Саяно-Шушенской, Красноярской и Братской ГЭС высотой более 100м, в бывшем СССР арочная плотина Ингури ГЭС (270 м), каменнонабросная плотина Нурекской ГЭС (300 м), каналы Каракумский канал длиной более 1000 км, Иртыш-Караганда (около 450 км), грандиозные транспортные системы и объекты. Не менее интенсивна деятельность человека и в связи с добычей полезных ископаемых: в России действуют десятки железнорудных и угольных карьеров глубиной более 150м , проектируются карьеры глубиной более 600м. Объемы земляных работ при строительстве и добыче полезных ископаемых соизмеримы с геологическими процессами, протекающими на Земле. Например, только выемка грунта при гидротехническом строительстве и добыче полезных ископаемых ежегодно составляет многие миллионы кубических метров, что вполне сопоставимо с результатами деятельности такого природного процесса, как речная эрозия. В состав многих гидротехнических сооружения входят плотины и дамбы из местных материалов: каменно-земляные, намывные из песка и гравийно-песчаной смеси, насыпные из различных грунтов. Объем материала Нурекской плотины составляет 56 млн.м3. Суммарные объем грунта, образующего дамбы (их общая длина более 12,5км), входящие в напорный фронт плотины Горьковской ГЭС на р. Волге составляет 15 млн.м3. В.И.Вернадский в работе «Несколько слов о ноосфере», (ноосфера - сфера разума) в 1944 году, указывал, что с появлением человека, несомненно, возникла новая огромная геологическая сила на поверхности нашей планеты. Деятельность человека противоречива: в одних случаях она созидательна, а в других разрушительна, так как приводит к нарушению природного равновесия и вызывает развитие геологических процессов, изменяющих геологическую среду. Геологическая среда - это окружающие нас геологические условия. /В.Д.Ломтадзе/. Геологическая среда возникает и изменяется во взаимодействии с атмосферой, гидросферой и внутренними сферами Земли. Изучают геологическую среду науки геологического цикла, в том числе и инженерная геология, для которой она является объектом исследований. Инженерная геология является отраслью геологии, изучающей динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерной деятельностью человека /И.В.Попов/. Современное, более расширенное определение дает Г.К.Бондарик /1/. Инженерная геология - наука о свойствах литосферы и ее движении, обусловленном ее взаимодействиями с внешними средами (гидросферой, атмосферой, ноосферой) в том числе взаимодействиями с сооружениями или продуктами (проявлениями) человеческой деятельности. История возникновения и развития инженерной геологии. Возникновение инженерной геологии связано со строительством. Можно выделить два этапа становления науки: Первый этап. Строители самостоятельно изучали горные породы, которые служили основанием, средой и материалом сооружений от курганов и пирамид до христианских храмов. Знание инженерно-геологических условий, умение приспособить сооружение к местным ИГУ, поражает в дошедших до нас постройках. Научные исследования и обобщение накопленного материала относятся к первому десятилетию Х1Хв. В монографиях, «как строить надежно, рационально при наименьших затратах», появились главы, содержащие характеристики грунтов, залегающих в основании фундаментов и методов их изучения. Второй этап. Привлечение геологов к изучению геологических условий для строительства (20-е годы Х1Х в - 20-е годы ХХ века). В России, при строительстве железных дорог, известнейшие геологи того времени - И.В.Мушкетов, В.А.Обручев, А.В.Павлов, привлекались для консультаций. В 1903г. А.В.Павлов опубликовал работу «Оползни Симбирского и Саратовского Поволжья», которую можно рассматривать как первую крупную инженерно-геологическую монографию. В 1923 году как самостоятельное научное направление возникло грунтоведение, которое изучает состав и свойства горных пород, рассматриваемых при размещении сооружений, как грунты, то есть, как объект инженерно-строительной деятельности человека. Однако, при размещении крупных гидротехнических, промышленных сооружений в сложных условиях выяснилось, что одних данных о составе и свойствах грунтов недостаточно. Для выбора наилучшего участка строительства и объективной оценки вариантов необходимы были не только знания о грунтах, но широкий круг сведений о геологическом строении территории, физико-географических особенностях ее, о протекании геологических процессов, о гидрогеологических особенностях, а главное нужна оценка поведения природной геологической обстановки при строительстве и эксплуатации сооружения. Изучение этих вопросов взяла на себя новая наука - инженерная геология. Термин «Инженерная геология» употребляли русские геологи с начала 20-х годов ХХ века. В 1929г. на немецком языке появилось книга Редлиха, Кампе, Терцаги «Инженерная геология», но как наука инженерная геология оформилась в СССР. Одним из основоположников инженерной геологии является академик Ф.П.Саваренский (1881-1946), который считал, что инженерная геология должна «изучать геологические процессы и физико-технические свойства горных пород, определяющие условия возведения сооружений и направление инженерно-геологических мероприятий по обеспечению устойчивости земляных масс». В 1929 году была открыта кафедра инженерной геологии в ЛГИ, в 1932г. - в МГРИ, в 1938 году в МГУ. В 1937 году в свет вышли книги Ф.П.Саваренского «Инженерная геология» и «Методика инженерно-геологических исследований для гидротехнического строительства» (М.П.Семенов, Н.И.Бендиман, М.М.Гришин), которые окончательно закрепили представление об инженерной геологии, как новой отрасли геологической науки. Большое значение для развития инженерной геологии имели работы Ф.П.Саваренского, И.В.Попова, Н.Н.Маслова, В.А.Приклонского, Н.В.Коломенского, Е.М.Сергеева и других ученых, принимавших участие в широко поставленных изысканиях и исследованиях под строительство ГЭС на Волге, впервые сооружаемых на глинистых грунтах, по трассе канала Москва-Волга и других грандиозных строек социализма. После войны инженерная геология интенсивно развивалась в связи с освоением новых районов, строительством ГЭС на Волге, сибирских реках, а затем с началом освоения Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции и строительством БАМа. В 1968 году вышла в свет инженерно-геологическая карта СССР под редакцией М.В.Чуринова. В 1976-1977 годах была опубликована сводная работа «Инженерная геология СССР»в 8 томах, в подготовке которой приняли участие практически все инженеры-геологи СССР. В 1991-1992 годах вышли первые тома второго обновленного издания «Инженерная геология СССР». В СССР, а в настоящее время в РФ, сложилась практика обязательного проведения инженерно-геологических изысканий перед строительством любых сооружений. В настоящее время изданы методические руководства и рекомендации по проведению всех видов инженерно-геологических съемок и изысканий под все виды строительства. Большая часть параметров и характеристик, используемых в инженерной геологии, определяются в соответствии с государственными стандартами (ГОСТами).Требования к инженерно-геологическому изучению участков и площадок нормированы. Они должны выполняться в соответствии с главами строительных норм и правил (СНиП). Структура инженерной геологии, взаимосвязь с другими дисциплинами. Инженерная геология состоит из трех основных разделов: грунтоведение, экзогеодинамика (инженерная геодинамика), региональная инженерная геология. Схема отношений научных направлений инженерной геологии (по Г.К.Бондарику) показана на рис. 1. Рис. 1. Схема отношений научных направлений инженерной геологии /по Г.К.Бондарику/ 1. Грунтоведение направление инженерной геологии изучающее горные породы как грунты. Грунты - любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы в качестве объекта инженерной деятельности человека . П. Экзогеодинамика (динамика инженерной геологии) изучает природные экзогенные геологические процессы (ЭГП) и процессы, возникающие под влиянием инженерной деятельности человека. Последние получили название инженерно-геологические процессы. Ш. Региональная инженерная геология (статика инженерной геологии) изучает закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий в зависимости от истории геологического развития земной коры и современных физико-географических условий. На стыке разделов сформировались следующие направления: 1-3 - региональное грунтоведение, изучающее состав и свойства грунтов отдельных участков, районов и регионов; 1-2 - динамическое грунтоведение, изучающее изменение состава и свойств грунтов при протекании экзогенных геологических процессов; 2-3 - учение о пространственных закономерностях проявления ЭГП. Инженерная геология, как наука, родилась в результате потребностей строительства и горного дела и эти направления она обслуживает в первую очередь. В последние годы инженерная геология рассматривается как составная часть экологии. Научное направление «геоэкология», определяется как наука, изучающая экологические аспекты взаимодействия человека с литосферой. Инженерная геология наука геологического цикла, от других геологических наук отличается тем, что она изучает верхние слои земной коры или литосферу в процессе ее взаимодействия с другими средами и в первую очередь с искусственной средой, т.е. объектами и продуктами деятельности человека. Инженерная геология базируется на науках геологического цикла, в первую очередь таких, как общая и историческая геология, четвертичная геология, минералогия, петрография, литология и геохимия, тектоника, геоморфология, гидрогеология и геокриология. При проведении исследований и изысканий в инженерной геологии широко используются методы химии, в том числе геохимии и гидрохимии; физики, в том числе геофизики; математики; механики, в том числе механики грунтов. Связь инженерной геологии с другими науками иллюстрирует схема на рис. 2. Экология Строительство Горное дело ▲ Инженерная геология (Грунтоведение, Экзогеодинамика, Региональная инженерная геология) ◄ Математика Физика ► ◄ Механика Химия ► ◄ Информатика ▲ Геология: Петрография, литология, историческая геология, тектоника, динамическая геология, геоморфология, геофизика, гидрогеология и др. Рис. 2. Взаимосвязь инженерной геологии с другими науками Инженерно-геологические условия и компоненты инженерно-геологических условий. Воздействие человека на геологическую среду возрастает по мере развития техники. Инженерная геология должна изучать изменения, которые происходят в геологической среде (ГС) под влиянием инженерной деятельности человека, и ее основной задачей становится прогноз взаимодействия инженерного сооружения с геологической средой. Решение этих задач невозможно без оценки некоторых свойств литосферы (инженерных геологических условий). Инженерно-геологические условия (ИГУ) - такие свойства геологической среды и такие происходящие в ней процессы, которые оказывают влияние на принятие тех или иных решений, определяющих размещение сооружений, выбор их типов и конструкций, способов строительства, методов ведения горных работ, методов эксплуатации, способов оптимального управления геологической средой /1/. Иначе: ИГУ - комплекс сведений о свойствах некоторого объема литосферы, учитываемых при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружения. При инженерно-геологической оценке условий строительства, освоения территории приходится учитывать следующие свойства литосферы - компоненты инженерно-геологической условий: - геоморфологическое строение и обусловленный им рельеф определяют выбор удобных мест для размещения сооружения, способов отработки месторождений, позволяют выявлять области развития ЭГП, составлять приближенную оценку сложности геологического строения; -геологическое строение определяет условия залегания и генезис пород Залегание определяет устойчивость откосов, сдвижение пород, интенсивность развития инженерно-геологических процессов; -тектоника и трещиноватость - элементы тектоники, новейшие тектонические движения, трещиноватость, определяют подвижность массивов пород, притоки вод, вывалы блоков в откосах и подземных выработках; -минеральный и гранулометрический состав пород, их структура и физико-механические свойства оцениваются не сами по себе, а в связи с геологическим строением и со схемой приложения нагрузок, т.е. с типом, режимом и пространственной структурой взаимодействия сооружения с горными породами. Большое влияние оказывает анизотропия свойств горных пород; -гидрогеологическое строение: кроме обычных гидрогеологических вопросов надо учитывать влияние подземных вод на характер изменения свойств горных пород, возникновение ЭГП (карст, суффозия, оползни, плывуны); -экзогенно-геологические процессы (ЭГП) существенно влияют на тип и конструкцию сооружения, способы проведения строительства, условия эксплуатации сооружения. Нередко наличие активных проявлений проявлений какого-либо процесса является достаточным основанием для того, чтобы отказаться от размещения сооружения на территории, где он развит. -геокриологические условия - необходимое и обязательное изучение при работе в криолитозоне. Без знания ИГУ и их оценки невозможно грамотно составить любой проект строительства сооружения или разработки месторождения. В последнем случае нередко ИГУ определяют принципы разработки месторождения и его категорию. Необходимость детальной оценки ИГУ месторождений полезных ископаемых резко возросла в последние десятилетия в связи со следующим: 1) хорошие, удобно залегающие месторождения выработаны (примеры: железнорудные месторождения Урала г.Высокая, г.Благодать); 2) потребности превышают разведку, поэтому забалансовые руды переводятся в балансовые, в том числе и те, которые не разрабатывались из-за сложных ИГУ; 3) разведываются месторождения, расположенные в сложных условиях криолитозон Сибири и Северо-Востока; 4) резко возросли требования к охране окружающей среды в связи с резким увеличением объемов и площадей нарушаемых земель и повышением числа горных выработок. Понятие «сферы взаимодействия». Инженерно-геологическая оценка условий строительства зависит не только от перечисленных выше свойств литосферы, но и от того, какое сооружение будет строиться. Одни и те же инженерно- геологические условия могут быть пригодными и непригодными (карьер и шахта, плотина и высокая дорожная насыпь). Область литосферы, в пределах которой происходит взаимодействие между ее элементами и продуктами или орудиями человеческой деятельности, называется сферой взаимодействия («СВ»). Объем, конфигурация и структура и границы сферы взаимодействия зависит от назначения, типа и конструкции сооружения, условий его эксплуатации, характера проектируемой деятельности, и от свойств литосферы. Выделяют следующие основные типы сфер взаимодействия: 1) с наземными сооружениями; 2) с подземными сооружениями и подземными горными выработками; 3) с открытыми котлованами, карьерами; 4) со скважинами; 5) с искусственными водоемами и водотоками. Под структурой сферы взаимодействия сооружения с горными породами понимается ее строение, определяемое взаимодействием ее составных частей. Например, при подземной разработке, выделяются следующие зоны сферы взаимодействия: разгрузки, напряженного состояния, сдвижения пород над горной выработкой, изменения режима подземных вод. Методы получения инженерно-геологической информации. В инженерной геологии используются частные и комплексные методы получения информации. Частные методы можно условно разделить на две группы: общегеологические и специальные, т.е. используемые только в инженерной геологии. Из частных методов наиболее широко применяются следующие: 1.Наземные визуальные обследования по точкам или по линиям маршрутов (общегеологический метод, дополненный измерением не только условий залегания пород, но измерением трещиноватости, степени выветрелости, уровня грунтовых вод и т.д.). 2.Описание обнажений (общегеологический метод, дополненный описанием изменчивости состояния пород, детальным изучением трещиноватости и слабых прослоев). 3.Аэрокосмофотосъемка, аэровизуальные работы и дешифрирование аэрокосмофотоматериалов (общегеологический метод). 4.Горные и буровые работы (общегеологический метод): проходка и описание горных выработок (расчистки, закопушки, шурфы, шахты, штольни), бурение (ручное - мотобуры, колонковое, шнековое - с магазином, вибрационное).Особенности бурения : укороченные рейсы, сплошной отбор керна скальных грунтов, отбор образцов ненарушенного и нарушенного сложения из нескальных грунтов грунтоносами. 5.Динамическое и статическое зондирование. 6.Пенетрационно-каротажный метод. 7.Испытание грунтов статическими нагрузками в шурфах и скважинах. 8.Прессиометрия. 9.Опытные работы: испытание на срез целиков грунта, обрушение целиков, выпирание призм, раздавливание целиков. 10.Лабораторные методы получения данных о свойствах горных пород. 11.Геофизические методы (общегеологический метод). 12.Режимные наблюдения (общегеологический метод). 13.Обследование зданий и сооружений. 14.Моделирование (математическое, физическое, на эквивалентных материалах). Комплексные методы получения инженерно-геологической информации: инженерно геологическая рекогносцировка, инженерно-геологическая съемка и инженерно-геологическая разведка широко используются для оценки инженерно-геологических условий различных по площади участков. Инженерно-геологическая рекогносцировка - комплексный метод получения информации о геологических условиях строительства. Она выполняется с целью оценки качества накопленной инженерно-геологической информации о районе предполагаемого строительства и уточнения отдельных вопросов, оставшихся нерешенными; сравнительной оценки инженерно-геологических условий намеченных вариантов; предварительного прогноза изменения геологической среды, обусловленного взаимодействием с проектируемым сооружением. Инженерно-геологическая съемка - комплексный метод получения информации о наборе компонентов инженерно-геологических условий некоторой территории путем наблюдений и описания свойств геологической среды и дешифрирования аэро-космо-фотоматериалов, дополненных другими методами (горно-буровыми, геофизическими, опробованием). Съемка ведется с целью обоснования схем развития и размещения отраслей промышленности; сравнительной оценки геологических условий строительства сооружений на намеченных вариантах, специальных вопросов разработки прогноза изменения свойств геологической среды при освоении территории. В зависимости от цели инженерно-геологическую съемку проводят в среднем или крупном масштабе. Средними считается группа масштабов 1:100000- 1:500000. Крупными - крупнее 1:50000. Государственная инженерно-геологическая съемка проводилась в масштабе 1:200000. Инженерно-геологическая разведка - комплексный метод получения информации об инженерно-геологических условиях некоторой области литосферы путем проведения горно-буровых, опытных инженерно-геологических и гидрогеологических работ, опробования и лабораторных работ, документации строительных выемок и режимных инженерно-геологических наблюдений. В основном ее проводят в пределах границ выбранной для строительства площадки. Стадия проектирования определяет целевое назначение инженерно-геологической разведки. Грунтоведение Грунтоведение – раздел инженерной геологии, изучающий горные породы и почвы, которые рассматриваются как грунты. Грунт (по ГОСТ 25100-2011) – горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунты могут служить: 1. Материалом оснований зданий и сооружений; 2. Средой для размещения в них сооружений. 3. Материалом самого сооружения. Согласно ГОСТ, грунты подразделяются на природные и техногенные, к последним относятся грунты природного происхождения, закрепленные и уплотненные различными методами, насыпные и намывные грунты, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека. Грунтоведение можно определить как систему знаний о составе (химическом, минеральном, гранулометрическом, фазовом), структурно-текстурных особенностях и свойствах минеральных и органоминеральных фазовых систем – грунтов, рассматриваемых с позиций статики или динамики. Выделяют три раздела знаний о грунтах, три элемента грунтоведения: общее, региональное и динамическое. Изучение грунтов и их классифицирование выполняется общим грунтоведением, основой которого является учение о природе и закономерностях формирования вещественного состава, структурно-текстурных особенностей и физико-механических свойств грунтов в процессе литогенеза, включая также гипергенные процессы и техногенез. Это учение хорошо разработано. Выявлены общие закономерности, управляющие изменением во времени вещественного состава, структурно-текстурных особенностей и свойств грунтов. Выявлены основные тенденции изменчивости свойств грунтов по глубине, по площади и во времени. Выявлена роль минерального состава и структурно-текстурных особенностей в формировании прочностных и деформационных свойств грунтов. Разработано математическое моделирование процессов формирования физико-механических свойств грунтов. В общее грунтоведение входит теоретическая часть технической мелиорации грунтов, которая позволяет на основе знания механизма взаимодействия твердой фазы грунтов с водой и другими веществами изменять свойства грунтов. Региональное грунтоведение входит составной частью в грунтоведение и региональную инженерную геологию. Оно исследует закономерности размещения и пространственной изменчивости состава и свойств грунтов, формирование этих закономерностей и их природу. Исследование ведется на широкой естественно-исторической и физической основе, так как грунты сформировались не только в ходе геологической эволюции и под влиянием современной физико-географической обстановки, но и под влиянием хозяйственной деятельности. Описание грунтов приводится в качественной и количественной формах, определяются статистические характеристики. Составляются карты грунтовых толщ. Динамическое грунтоведение изучает изменение вещественного состава, структурно-текстурных особенностей и физико-механических свойств грунтов в физическом времени, как составной части системы знаний об экзогенных геологических процессах (ЭГП). Общее грунтоведение базируется на геолого-генетическом подходе, согласно которому состав, структурно-текстурные особенности, а отсюда и свойства грунтов формируются в процессе их генезиса и изменяются под влиянием постгенетических процессов: диагенеза, эпигенеза и гипергенеза, а также техногенеза. Пример генетического подхода: инженерно-геологические свойства (в частности, величина водопроницаемости) аллювиальных и эоловых песков определяются особенностями их генезиса. Пески аллювиальные, русловые – характеризуются преимущественно кварцевым составом, содержанием незначительного количества глинистых частиц, косой слоистостью, изменчивостью состава вниз по реке. Пески эоловые – полимиктовые по составу, тонкозернистые, хорошо отсортированные, в основном имеют окатанные частицы. Величина водопроницаемости при одинаковой дисперсности эоловых и русловых песков обычно меньше у последних. Горные породы, сформированные в одинаковых условиях, и имеющие одинаковый возраст могут существенно различаться по современному состоянию и свойствам в связи с разными постгенетическими преобразованиями. Влияние постгенетических изменений на формирование свойств породы хорошо прослеживается на примере кембрийских гидрослюдистых глин, широко развитых на северо-западе Русской платформы. В районе Вологды кембрийские глины представлены аргиллитами со следами сланцеватости, естественной влажностью 5%, пористостью 15%, а в районе Санкт-Петербурга это тугопластичные глины, с влажностью 14% и пористостью 30% /Ломтадзе, 1984/. Грунты как многокомпонентная система. В отличие от других наук геологического цикла, горные породы в грунтоведение изучаются как многокомпонентные системы, состоящие из минеральной или органо-минеральной части, воды и газообразной составляющей (паров и газов), а в криолитозоне добавляется лед. При этом вторая компонента для песчано-глинистых грунтов нередко полностью определяет прочность грунта. Твердая часть грунта. При изучении твердой составляющей грунта основное внимание уделяется тем минералам, которые составляют основную часть грунта и определяют его свойства. Это – первичные силикаты (кварц, полевые шпаты), простые соли (СаСО3, МgСО3 и т.д.), глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит), органика. Свойства минералов обуславливают в конечном итоге свойства слагаемых ими грунтов (растворимость – простые соли; гидрофильность, пластичность, водопроницаемость – глинистые минералы, которые являются наиболее активной составной частью дисперсных пород). Минеральный состав твердой компоненты грунта определяет значение одного из важнейших показателей в грунтоведении – плотность частиц грунта ρs, который характеризует массу твердых частиц в единице объема. Плотность частиц грунта зависит от состава атомов, слагающих минерал, плотности их упаковки в кристаллической решетке и не зависит от степени дробления материала. Значения средней плотности частиц грунта колеблются от 2,5 до 2,8г/см3, увеличиваясь с увеличением содержания в грунте тяжелых минералов (у основных пород ρs = 3,0-3,4г/см3). Важнейшими показателями строения грунтов, которые определяют их свойства являются: размер элементов, слагающих грунты, пористость и трещиноватость. Размер элементов, слагающих грунты, может изменяться от долей микрона до десятков сантиметров. Изменение размеров слагающих грунты элементов особенно сильно сказывается на свойствах дисперсных грунтов. Это хорошо иллюстрируется сравнением свойств песка (непластичен, не набухает, легко водопроницаем, обладает незначительным капиллярным поднятием) и глины (пластична, в воде сильно набухает, трудно водопроницаема, имеет большое капиллярное поднятие). Общая классификация гранулометрических элементов: валуны (камни) > 20см; булыжник, галька (щебень) 20-4см; гравий (дресва) 40-2мм; песок 2-0,5мм; пыль 0,05-0,001мм; глина < 0,001мм (1мкм). Пористость. Структурные элементы, слагающие грунты, при неплотном прилегании друг к другу образуют промежутки различной величины, которые называются порами. Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их величины называется общей пористостью порол. Пористость дисперсных грунтов зависит от формы и размеров минеральных зерен, их взаимного расположения, минерального состава и др. Наибольшая величина пористости у тонкодисперсных глинистых грунтов, наименьшая у крупнообломочных. Значения общей пористости изменяются в широких пределах от 20 до 90%. Трещиноватость грунтов свойственна практически всем грунтам, но в отличии от пористости, наибольшее значение она имеет для скальных грунтов, которые при пористости 1-5% могут иметь трещинную пустотность, достигающую 10-2-%. Вода в грунтах. А.Ф.Лебедев выделял следующие формы воды в грунтах. 1. Вода в форме пара. 2. Связанная вода, включающая прочносвязанную (гигроскопическая) и рыхлосвязанную. 3. Капиллярная. 4. Свободная (гравитационная). 5. Вода в твердом состоянии (лед, криогидраты). 6. Кристаллизационная и химически связанная вода (конституционная). В реальном грунте присутствуют все типы воды (кроме твердой, если нет мерзлоты). Наиболее сильно влияет на свойства дисперсных грунтов связанная вода, которая составляет 42% от всей воды содержащейся в земной коре. Газообразная фаза грунтов состоит из газов (азот, кислород, окись и двуокись углерода, метан и др.) и паров воды. Газы в порах грунтов могут находиться свободном, адсорбированном и защемленном состояниях. Наличие газовой компоненты в грунтах обуславливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых материалов, деформации и разрывы земляных насыпей. Лед – четвертая компонента, встречается в мерзлых грунтах. Лед, который хотя и имеет кристаллическое строение, рассматривается отдельно, так как он весьма неустойчив при современных температурах на земном шаре. Количество его определяется исходной влажностью и количеством незамерзшей воды, находящейся в грунте при данной температуре. Структурные связи в грунтах. Состав горных пород, размер и расположение слагающих их частиц, соотношение компонент, все это определяет структуру грунта и характер связей, существующих в нем. Связи, существующие между структурными элементами, получили название структурных. Они формируются в процессе генезиса и постгенетических преобразований и определяют прочностные и деформационные свойства грунтов. Структурные связи в грунтах подразделяются на следующие: - жесткие кристаллизационные или цементационные (самые прочные, почти не уступающие внутрикристаллическим), которые возникают в результате взаимодействия между ионами, или атомами и молекулами кристаллов минералов и цементирующего вещества породы; - нежесткие структурные связи: ионно-электростатические, молекулярные, капиллярные (существуют во всех осадочных дисперсных грунтах – пески, супеси, глины, лессы); - криогенные структурные связи – кристаллизационные связи, возникающие во влажных дисперсных и трещиноватых скальных грунтах при отрицательной температуре в результате сцементирования льдом. Современная классификация грунтов. «ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация» подразделяет грунты по следующим группам признаков: Класс – по общему характеру структурных связей. Группа – по характеру структурных связей (с учетом их прочности). Подгруппы – по происхождению и условиям образования. Типы – по вещественному составу. Виды – по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств). Разновидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов. Выделяют три класса грунтов. Класс скальных грунтов. К классу скальных грунтов относят грунты, обладающие жесткими структурными связями (кристаллизационными и/или цементационными). По генезису и вещественному составу в классе скальных грунтов выделяют соответственно: типы (подтипы), виды и подвиды. Разновидности скальных грунтов выделяют по количественным показателям их вещественного состава, строения, состояния и свойств (см. ГОСТ раздел Б.1 приложения Б и раздел В.1 приложения В). Классификация массивов скальных грунтов приведена в приложении Г. Класс дисперсных грунтов. К классу дисперсных грунтов относят грунты, обладающие физическими, физико-химическими или механическими структурными связями. Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс связных грунтов. По генезису и вещественному составу в классе дисперсных грунтов выделяют соответственно типы и подтипы, виды и подвиды. Разновидности дисперсных грунтов выделяют по количественным показателям их вещественного состава, строения, состояния и свойств (см. ГОСТ раздел Б.2 приложения Б и раздел В.2 приложения В). Класс мерзлых грунтов. К классу мерзлых грунтов относят грунты, обладающие наряду со структурными связями немерзлых грунтов криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными, кристаллизационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными, физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями - в подкласс ледяных грунтов. По генезису и вещественному составу в классе мерзлых грунтов выделяют соответственно типы и подтипы, виды и подвиды. Разновидности природных мерзлых грунтов выделяют по количественным показателям их вещественного состава, строения, состояния и свойств (см. ГОСТ раздел Б.3 приложения Б). Согласно ГОСТ выделяются следующие основные разновидности этих грунтов. Грунт мерзлый - грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями. Грунт морозный - грунт, имеющий отрицательную температуру не сцементированный льдом. Грунт сыпучемерзлый (синоним - сухая мерзлота) - крупнообломочный и песчаный грунт, имеющий отрицательную температуру, но не сцементированный льдом. Грунт твердомерзлый - дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой. Грунт пластичномерзлый - дисперсный грунт, сцементированный льдом, обладающий вязко-пластичными свойствами и сжимаемостью под внешней нагрузкой. В предыдущем ГОСТе 25100-95 выделялось четыре класса – скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные. В действующем ГОСТе техногенные грунты помещены в три основных класса (по их генезису). Среди природных (не техногенных) грунтов особенно выделяют илы, сапропели, торф и заторфованные грунты, лессовые грунты, почвы. Это так называемые специфические грунты. Ил – водонасыщенный современный осадок, преимущественно морских акваторий, образовавшийся при наличии микробиологических процессов, содержащий органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса. Обычно имеет влажность, превышающую влажность на границе текучести и коэффициент пористости е ≥ 0,9. Сапропель – пресноводный ил, образовавшийся при саморазложении органических (преимущественно растительных) остатков на дне застойных водоемов и содержащий более 10% органических веществ, имеет коэффициент пористости, как правило, более 3, показатель текучести более 1, содержание частиц размером крупнее 0,25мм не превышает 5%. Торф – органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50% и более органических веществ. Грунты заторфованные – песчаные, пылеватые и глинистые грунты, содержащие в своем составе от 10 до 50% (по массе) органических веществ. Грунт лессовый – пылевато-глинистый грунт, содержащий по гранулометрическому составу более 50% пылеватых (размером 0,05-0,005мм) частиц, легко- и среднерастворимые соли и карбонаты кальция, однородный, преимущественно макропористый; в маловлажном состоянии способен держать вертикальный откос; при замачивании маловлажный лессовый грунт дает просадку, легко размокает и размывается, а при полном водонасыщении может переходить в плывунное состояние. Лессовые грунты делятся на виды по пористости; коэффициент пористости е < 0,8 – низкопористые, е > 0,8 – высокопористые. Почва – поверхностный плодородный слой дисперсного грунта, образованный под влиянием биогенного и атмосферного факторов. Почвы подразделяются на типы по составу материнской породы. Песчаные и крупнообломочные почвы делятся по гранулометрическому составу. Пылеватые и глинистые почвы по числу пластичности. Физико-механические свойства грунтов. Свойства, которые определяют физическое состояние грунтов, их отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости называются физико-механическими. Свойства выражают и оценивают с помощью определенных показателей, число которых очень велико и состав показателей для пород различных классов различен. Физические свойства характеризуют физическое состояние грунтов, то есть качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, консистенции, трещиноватости, выветрелости. Данные о физических свойствах позволяют качественно оценивать их прочность и устойчивость. Водные свойства грунтов проявляются в их способности поглощать, удерживать и фильтровать воду, изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Механические свойства определяют поведение горных пород привоздействии на них внешних усилий – нагрузок, проявляются в сопротивлении грунтов разрушению и деформации. Показатели физических свойств рассматриваются подробно на практических занятиях. Показатели механических свойств. Механические свойства выражают и оценивают прочностными и деформационными показателями. Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические и определяются только при разрушении грунта. Прочность скальных грунтов определяется путем их раздавливания в условиях свободного бокового расширения (одноосное сжатие). Показатель – предел прочности грунта на одноосное сжатие Rc – отношение нагрузки при которой происходит разрушение образца к площади первоначального поперечного сечения. В классе скальных грунтов к наиболее прочным относятся магматические и метаморфические породы. Прочность их в образце может превышать 120МПа и они могут быть использованы для строительства любых сооружений. Очень часто массивы скальных грунтов разбиты трещинами разного генезиса: тектоническими, трещинами выветривания, разуплотнения, которые значительно ослабляют устойчивость массива. Вследствие этого, при изучении скальных пород основное внимание уделяется изучению их трещиноватости, ее качественной и количественной характеристике. Для анализа структуры трещин и выявления системы трещин строят круговые диаграммы, на которых показывают азимут и угол падения, ширину трещин. Выявляется происхождение трещин и их заполнитель. Показателем степени трещиноватости является коэффициент трещинной пустотности Ктр (табл.1). Вычисляется коэффициент трещинной пустотности по формуле: Ктр = Sтр / S ∙ 100%, где Sтр – площадь пространства, занимаемого трещинами; S – площадь поверхности пород, в пределах которых измеряются трещины. Таблица 1 Степень трещиноватости Характер трещин коэффициент трещинной пустотности Ктр% Слаботрещиноватые Развиты волосные и тонкие трещины до 1мм, средних и крупных трещин нет < 2 Среднетрещиноватые Тонкие и мелкие трещины шириной 2-5мм, отдельные средние трещины до 5-20мм 2-5 Сильнотрещиноватые Мелкие и средние трещины, а также крупные с шириной раскрытия до 20-100мм 5-10 Очень сильнотрещиноватые Наряду с мелкими, присутствуют крупные и очень крупные трещины с шириной раскрытия 20-100мм и более ˃ 10 Прочность осадочных, сцементированных пород, их физико-механические свойства, определяются крупностью сцементированных обломков и характером цемента. Прочность их убывает при смене цемента (кварцевый – железистый – карбонатный - глинистый) и при уменьшении размеров сцементированных обломков (конгломераты – песчаники и туффиты – алевролиты - аргиллиты). Карбонатные породы, как правило, имеют довольно высокую прочность. Существенным недостатком их является то, что они растворимы воде. Для оценки прочности дисперсных грунтов применяют показатели сопротивления сдвигу – угол внутреннего трения (φ), коэффициент внутреннего трения и общее сцепление (С). Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта, связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других, грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение массива грунта происходит в виде перемещения одной части массива относительно другой. Сопротивление грунтов сдвигу может быть выражено линейной зависимостью установленной К.Кулоном: τ = σtgφ + C, где τ – предельное сдвигающее напряжение; σ – нормальное давление. Прочность дисперсных грунтов меняется в очень широком диапазоне. К наиболее прочным дисперсным грунтам относятся крупнообломочные и песчаные грунты, среди песков особенно крупнозернистые. Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические, не приводящими к его разрушению. Основными показателями деформационных свойств дисперсных грунтов являются коэффициент сжимаемости (а) и модуль общей деформации (Е). Модулем общей деформации называется коэффициент пропорциональности между напряжением (σ) и соответствующей ему относительной деформацией грунта (λ). σ = Еλ Модуль общей деформации имеет размерность напряжения (МПа) и определяется путем специальных полевых и лабораторных испытаний. Коэффициент сжимаемости (уплотнения) пород выражает отношение разности коэффициентов пористости и разности соответствующих им давлений. , МПа-1 В зависимости от величины коэффициента сжимаемости, породы делятся на три вида по степени сжимаемости: при а ≤ 0,01 – слабосжимаемые, при а = 0,01-0,06 – среднесжимаемые, при а ≥ 0,06 – сильносжимаемые. В отличии от скальных грунтов дисперсные грунты сжимаются под нагрузкой, дают осадку при возведении сооружения. Прочность и деформационные свойства песков и особенно пылеватых и глинистых грунтов определяются их влажностью. Прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов. Мерзлые грунты, особенно твердомерзлые, обладают довольно высокой прочностью, которая возрастает при понижении температуры. При повышении температуры и переходе ее через ноль, льдоцементационные связи исчезают и прочность грунта резко снижается. При большой льдистости грунт может терять прочность полностью, переходя в текучее состояние. Кроме того, мерзлые льдистые грунты при оттаивании дают осадку без нагрузки. Для определения показателей механических, физических и воднофизических свойств грунтов проводятся лабораторные и опытные работы в специальных (грунтоведческих) лабораториях и в полевых условиях. Для определения механических свойств грунтов в лаборатории используются специальные приборы: сдвиговые (срезные), сжатия (одноосного, трехосного - стабилометры), компрессионные. Для определения воднофизических свойств используются приборы, определяющие фильтрационные характеристики грунта и поровое давление. Для определения свойств грунтов в поле применяют полевые лаборатории и проводят полевые испытания: штамповые, сдвиговые, срез целика, а также испытания, моделирующие характер взаимодействия фундамента сооружения с грунтами основания. Экзогеодинамика ( инженерная геодинамика) Экзогеодинамика - раздел инженерной геологии, изучающий экзогенные геологические процессы (ЭГП). Экзогеодинамика исследует формы движения геологической материи в пределах ее приповерхностной части в физическом времени в связи с осуществляемой и планируемой деятельностью человека./ 1 /. Экзогеодинамика выросла из динамической геологии, изучающей геологические процессы, эндогенные и экзогенные. Эндогенные процессы связаны с внутренними силами Земли, их действие выражается в тектонических движения, в сейсмических и вулканических явлениях. ЭГП - движение приповерхностной области литосферы в физическом времени, процесс изменения структуры и свойств горных пород, слагающих литосферу, проявляющийся в результате взаимодействия литосферы с другими сферами (гидросфера, атмосфера) или между элементами литосферы. ЭГП, обусловленные взаимодействием литосферы с объектами или продуктами человеческой деятельности, называются инженерно-геологическими процессами (ИГП). Отличаются от других ЭГП - причиной возникновения, большей интенсивностью, большей скоростью протекания, большим разнообразием. Процессы проявляются на поверхности раздела сред в виде явлений (физико-геологических явлений). Динамическая геология изучает геологические процессы, протекающие независимо от деятельности человека и не оценивает влияние этих процессов на эту деятельность. Она изучает их для решения проблем обще-геологического характера. Экзогеодинамика изучает геологические процессы в связи с деятельностью человека, изучает возможность влияния развития процессов на объекты техногенной деятельности, для того чтобы не допустить возникновения нежелательных для человека геологических процессов, по возможности изменить их ход в желательном направлении. Динамическая геология и экзогеодинамика дополняют и обогащают друг друга. Экзогеодинамика состоит из трех частей. В первой части рассматривается учение о движении геологической среды в физическом времени, обусловленное ее взаимодействием с внешними средами (общая Экзогеодинамика). Второй частью является учение о пространственных закономерностях проявления ЭГП (региональная Экзогеодинамика). Третья часть – учение об изменении свойств грунтов в физическом времени (динамическое грунтоведение). Характер, набор и интенсивность взаимодействий геологической среды, в ходе которых реализуются ЭГП зависят не только от ее структуры и свойств, но и от свойств внешних сред, от характера деятельности человека. Характер инженерно-хозяйственной деятельности человека определяет набор, интенсивность и скорость инженерно-геологических процессов. Одним из самых распространенных и крупномасштабных видов инженерно-хозяйственной деятельности человека является добыча полезных ископаемых. Последствия инженерно - хозяйственного воздействия на геологическую среду при добыче полезных ископаемых представлены в таблице 2. Таблица 2 Влияние горно-технических факторов на геологическую среду Вид деятельности Воздействие ИГП Открытые горные выработки (Н до 500 м ) 1. Изменение ландшафта. 2. Изменение напряженного состояния массивов г.п. 3. Создание отвалов пустой породы. 4. Изменение режима ПВ 1. Деформации в бортах карьеров. 2. Деформации откосов отвалов. 3. Фильтрационное уплотнение грунтов. 4. Активизация карстовых и суффозионных процессов. Подземная шахтная разработка Н до 4000 м 1.Изменение напряженного состояния массива г.п. 2. Изменение режима и состава ПВ. 3. Изменение Т поля 1. Оседание земной поверхности (мульды проседания) 2. Деформации сводов в горных выработках. 3. Прорывы плывунов. 4. Активизация физико-химических процессов окисления, выщелачивания Условия и причины возникновения ЭГП, цели и методы их изучения. При характеристике любого ЭГП необходимо выявить условия его развития и причины возникновения. По Г.К.Бондарику /1/, под условиями ЭГП следует понимать фиксированный для конкретного процесса набор структур и свойств геологической среды, необходимый, но недостаточный для его возникновения и развития. Как правило, для развития ЭГП нужно не какое-нибудь одно условие, а комплекс условий. Причины ЭГП разделяются на внешние и внутренние. Внешние причины ЭГП – это всегда другие процессы, развивающиеся во внешней среде – например: движение воздушных масс, выпадение атмосферных осадков, движение вод поверхностных водотоков, процессы жизнедеятельности организмов и преобразование органических остатков и т.п. Внутренние причины ЭГП - это другие процессы, развивающиеся внутри геологической среды, например движение подземных вод, миграция влаги, снижение напряжений вблизи поверхности, обусловливающее разуплотнение геологической среды и др. Главные цели изучения ЭГП: 1. Учет наличия и оценка активности процессов и распространенности созданных ими форм для общей оценки инженерно-геологической обстановки; 2. Прогноз развития процессов, возможности возникновения новых проявлений процессов, скорости и конечные результаты. 3. Обоснование и выбор мероприятий по предупреждению процессов или по борьбе с их негативным влиянием Методы изучения ЭГП (общие). 1. Разовое обследование. Инженерно-геологическая съемка с применением аэро- и космоснимков. 2. Стационарные (режимные) наблюдения. 3. Моделирование. 4. Полевое экспериментирование. Классификация ЭГП. При оценке инженерно-геологических условий территории будущего строительства инженер-геолог должен в обязательном порядке дать характеристику, протекающих в этом районе ЭГП и по возможности прогноз их развития в связи с будущим строительством, а также спрогнозировать возникновение инженерно-геологических процессов при данном виде освоения территории. Для решения этой задачи необходимо иметь классификацию ЭГП. К настоящему времени предложено большое число общих и частных классификаций, касающихся всех процессов или одного из них ( так для оползневого процесса предложено около 100 классификаций). Общих классификаций предложено не очень много, наиболее известные следующие: классификация Ф.П. Саваренского, дополненная Н.В.Коломенским, классификации И.В.Попова и Г.К. Бондарика. Рассмотрим классификацию Ф.П.Саваренского, дополненную Н.В.Коломенским в 1956 г. В ней выделены геологические процессы по основным причинам их возникновения. Таблица 3 Классификация экзогенных геологических процессов Основные причины возникновения и развития процессов Процессы 1. Деятельность агентов выветривания Выветривание 2. Деятельность поверхностных вод (рек, морей, озер, водохранилищ) Речная эрозия Морская абразия Переработка берегов водохранилищ. 3. Деятельность поверхностных и подземных вод. Заболачивание Просадки Карст 4. Деятельность подземных вод Суффозия. Плывуны. 5.Деятельность подземных и поверхностных вод на склонах. Осыпи. Обвалы. Оползни. 6. Промерзание и оттаивание грунта Пучение Термокарст Наледи 7. Действие внутренних сил Земли Сейсмические явления 8. Инженерная деятельность человека Осадка. Поверхностные и подземные деформации. Выветривание. Выветривание горных пород -геологический процесс взаимодействия горных пород, слагающих приповерхностную часть земной коры, с атмосферой, биосферой, искусственными компонентами природной среды в результате которого изменяются строение , состав, структурно-текстурные особенности и свойства горных пород, состав подземных вод и газов зоны гипергенеза. Протекает всегда на протяжение всей геологической истории на всей поверхности Земли. В ходе взаимодействия происходит механическое разрушение, химическое разложение пород субстрата, псевдоморфное замещение, метасоматоз, и др. процессы, приводящие к возникновению новой минеральной ассоциации, устойчивой в данной термодинамической обстановке земной поверхности. Состав комплекса процессов выветривания зависит от региональных, зональных и техногенных факторов. Зональные факторы, прежде всего климатические, определяют механизм выветривания и его особенности. Породы субстрата в значительной степени предопределяют состав и строение продукта выветривания Факторы физического выветривания - колебания Т0, промерзание- оттаивание, гидратация- дегидратация. Химическое выветривание происходит в результате гидролиза, выщелачивания, основным фактором является вода. Большое влияние на процесс выветривания в верхних слоях оказывает биохимический фактор. Вследствие выветривания формируется элювиальные грунты (продукт процесса), слагающие кору выветривания -особые геологические тела, комплекс горных пород, образовавшихся в континентальных субаэральных условиях в результате физического и химического изменения исходных (материнских) пород верхней части литосферы. Коры выветривания различаются по возрасту образования: современные, древние, по конфигурации: линейные, площадные. Главные особенности коры выветривания: • невыдержанное ни в латеральной плоскости, ни по мощности зональное строение без четко выраженных геологических границ с постепенным замещением одних горных пород другими с иным составом, структурой, текстурой; • постепенное отмирание генетических признаков материнской породы и накопление черт, присущих осадочным горным породам. • присутствие в пределах сравнительного небольшого по мощности интервала разреза горных пород полного спектра образований - от трещинных скальных до глин. По степени дезинтеграции и изменения физико-механических свойств скальных грунтов в коре выветривания выделяют три зоны: А, Б, В. Зона А - разрушенные, сильно выветрелые и разуплотненные породы. При легком ударе распадаются на мелкие обломки, щебень. Коэффициент выветрелости (отношение плотности образца выветрелой породы к плотности той же породы в невыветрелом состоянии) К < 0,8. Породы поддаются разработке простыми механическими способами, плохо укрепляются инъекциями. Зона Б - среднесохраненные, отчасти выветрелые и разуплотненные массивы породы с отдельными расширенными трещинами, полностью или частично заполненными мелкоземом. К = 0,8-0,9. Поддаются укреплению инъекцией Зона В - относительно сохранные, слабовыветрелые массивы г.п. К =0,9-1.0. Практические инженерно-геологические задачи, решаемые при изучении кор выветривания: • определение мощности выветрелых пород, подлежащих снятию при проектировании горных сооружений; • выбор наиболее благоприятных участков для размещения сооружений; • оценка устойчивости выветрелых пород на склонах, откосах; • прогноз развития техногенного выветривания в бортах карьера; • определение категорий разрабатываемости пород, условий и способов их вскрытия. Пример техногенного выветривания - эксплуатация Березовского карьера строительного камня для Саратовской ГЭС в котором производилась разработка доломитов. При разведке было установлено, что породы высокой прочности, слабо трещиноватые. Откосы карьера были заданы вертикальными. При разработке выяснилось - толща неоднородна по прочности, присутствуют прослои мучнистых доломитов. При вскрытии карьера применялись взрывные работы, в результате этого произошло ослабление массива. Через пять лет после начала эксплуатации наблюдалось значительное нарушение устойчивости откосов, формирование осыпей у подножия склонов, что повлекло перепрофилирование бортов карьера и значительное удорожание разработки камня. Процессы, связанные с деятельностью поверхностных вод. Выделяют две группы процессов, связанных с деятельностью поверхностных вод. Первая группа обусловлена поступательным движением воды ( течением) и носит название эрозии (от лат. erodere - «разъедать»). Вторая группа обусловлена волновым движением воды - абразия. Эрозионные процессы. Неорганизованные сток струек воды по склону приводит к плоскостной эрозии или эрозии почв. Следствие процесса резкое ухудшение плодородия почв в связи с разрушением гумусового горизонта почв. При формировании организованных потоков, хотя и временных возникает линейная эрозия, которая приводит к образованию новых форм рельефа -рытвин, оврагов, ложбин стока. Овраг - форма рельефа, образовавшаяся на склоне или водоразделе, представляющая собой относительно глубокий, вытянуты в длину, извилистый или ветвящийся размыв (врез), который образует своеобразную долину временных потоков. Длина оврагов изменяется в широких пределах (от первых десятков метров до многих десятков километров), так же как и их глубина (от первых метров до 20-30м). В отдельных районах Центрально - Чернозёмной области бросовые земли, занятые действующими оврагами, составляют более 20-25% от общей площади земель этих районов. При наличии постоянного водотока идет речная эрозия, в результате действия которой вместе с транспортировкой рыхлого материала и его аккумуляцией формируются речные долины. Речная эрозия представлена в двух формах. Донная эрозия проявляется в размыве русла реки, во врезании речного потока на глубину, боковая эрозия - в подмыве и разрушении берегов и в разработке долины в ширину. Донная эрозия в конечном итоге приводит к выработке нормального профиля равновесия реки - к образованию плавной кривой поверхности дна русла, круто наклонной в верховьях и почти горизонтальной к устью при приближении к базису эрозии. Абразионные процессы. Процесс изменения очертания берегов морей и озер в результате их разрушения главным образом волноприбоя называется абразией. Формирование берегов водохранилищ, искусственно созданных в результате техногенной деятельности называется переработкой берегов водохранилищ и представляет собой инженерно-геологический процесс. Абразия изменяет профиль берега в его надводной и подводной частях: происходит разрушение пород, слагающих берег, и накопление продуктов разрушения. Основные элементами берега являются: береговой уступ, абразионная и аккумулятивная террасы, пляж и отмель. Схема строения берега по В.П.Зенковичу приведена на рис.3. Рис. 3 Схема строения берега (по В.П.Зенковичу, Е.М. Сергееву) Основные условия, определяющие формирование берегов водоемов. ​ Геологические (минеральный и вещественный состав горных пород, определяющий их размываемость, степень трещиноватости, условия залегания, и пр.). ​ Геоморфологические (рельеф берегового склона и побережья, форма береговой линии). ​ Гидрологические (размеры водной поверхности, уровенный режим водоема, течения и др.) ​ Техногенные условия, обусловленные деятельностью человека ( строительство сооружений в береговой зоне, подработка склонов, судоходство и пр.) Проблема переработки берегов искусственных водохранилищ является одной из важнейших в инженерной геологии, что определяется колоссальной протяженностью их береговой линии (более 200 тысяч км), большим народнохозяйственным значением и тем, что в отличие от морей и озер заполнение водохранилищ происходит быстро, а в масштабе геологического времени - мгновенно. Для оценки величины и интенсивности переработки берегов водохранилищ применяют расчетные методы, из которых важнейшими являются: метод аналогий (ЗолотаревГ.С.); метод учета энергии волны и размываемости пород (Качугин Е.Г., Кондратьев Н.Е.) метод статистического учета зависимости хода переработки от совокупности природных и искусственных факторов ( Розовский Л.Б.). Заболачивание территории. Один из самых широко распространенных процессов, происходящих на поверхности. Причинами процесса является деятельность поверхностных и подземных вод, процессы жизнедеятельности организмов и преобразование органических остатков, в результате чего образуются болота. Болото- избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа мощностью не менее 50 см. Если мощность торфа меньше - то это заболоченные земли - участки поверхности, на которых в течение всего года наблюдается избыток влаги, насыщающий почву и выступающий наружу и которые покрыты влаголюбивой растительностью. Если мощность торфа достигает больше 0,7 м, то это уже торфяник - торфяное месторождение. Возраст торфяных массивов, залегающих с поверхности, определяется как голоценовый и составляет 10-12 тыс. лет. Заболоченные земли и болота занимают около 10 % территории России главным образом в зонах избыточного увлажнения, там, где количество выпадающих осадков превышает их испарение. Распространение болот неравномерное. В центральной части Западной Сибири заболоченность достигает 40% территории, в зоне тундры она еще выше и на некоторых территориях достигает 90-100%. Освоение Западной Сибири в связи с разведкой и разработкой месторождений природного газа и нефти заставляет детально изучать процесс заболачивания и характеризовать его с инженерно-геологических позиций. Условия возникновения процесса: * годовое количество осадков больше испарения с поверхности и стока ; * равнинность территории и слабая расчлененность рельефа; * неглубокое залегание уровня грунтовых вод. Классификация болот по условиям питания. Согласно К.А.Веберу все болота делятся на: 1) верховые, олиготрофные, с растительностью малотребовательной к питательным веществам (сосна, багульник, сфагновые (белые) мхи); 2) низинные, эвтрофные с растительностью очень требовательной к питательным веществам (береза, ива, различные типы осок, гипновые (зеленые) мхи); 3) переходные, мезотрофные, с растительностью, занимающей промежуточное положение. Торфы и заторфованные породы, как генетический тип болотных отложений, имеют высокую естественную влажность, малую плотность, большую влагоемкость и значительную и неравномерную деформируемость - сжимаемость. Перечисленные особенности определяют их как отложения слабые, малопригодные для строительства на них. При строительстве на заболоченных территориях необходимо изучить строение болот и определить следующие главные особенности: * мощность болотных отложений, особенно линз, слоев прослоев торфа; * состав, условия залегания консистенция торфа и болотных отложений; * рельеф минерального дна болота. При строительстве на заболоченных территориях применяются следующие методы: предварительное осушение (мелиорация земель) территории, планировка отсыпкой или намывом песчано-гравийно-галечниковых пород, специальные конструктивно-строительные решения, увеличивающие жесткость конструкций, выторфовывание. Подтопление территории. Подтопление - инженерно-геологический, полигенный, многофакторный процесс, в котором комплекс факторов его вызывающий изменяется в зависимости от естественных инженерно-геологических условий и от техногенной деятельности человека, процесс, являющийся аналогом заболачиванию. Признаки процесса: происходит поднятие уровня грунтовых вод, изменяется гидрогеологический режим зоны аэрации, увеличивается естественная влажность горных пород, в связи с чем изменяются их прочностные и деформационные свойства. К техногенным причинам, вызывающим процесс подтопления относятся: * устройство водохранилищ, каналов, прудов; * нерегулируемые утечки воды из инженерных сетей; * искусственные поливы; * уничтожение естественных дрен (оврагов, балок); * покрытие водопаронепроницаемыми покрытиями значительной части городской поверхности. В настоящее время подтопление территорий происходит практически по всех городах России. Просадки лессовых пород. Просадки - вертикальные смещения поверхности, возникающие в результате процесса уплотнения грунтов при их замачивании. Наблюдаются в лессовых и лессовидных породах. Лессовые толщи широко распространены на территории нашей страны, главным образом в зоне степей и лесостепей, их мощность изменяется от 5-10 до 70-80 м. Возраст отложений определяется как голоценовый и верхнеплейстоценовый. В природных условиях просадки в лессовых породах часто хорошо выражены в рельефе в виде блюдцеообразных понижений, западин, ложбин (Украина, Красноярский край), диаметр которых достигает 50 м, глубина составляет 2-3м. В обжитых и освоенных местах просадки лессовых пород приводят к значительным деформациям сооружений (деформации промышленных корпусов на заводе Атоммаш в Волгодонске, деформации памятников Астраханского кремля, Одесского театра оперы и балета). Причинами развития процесса являются выпадение атмосферных осадков и искусственное увлажнение пород. Под воздействием воды в лессовых породах разрушаются структурные связи, происходит оплывание макропор и резкое доуплотнение породы, (под действием собственного веса, либо под воздействием нагрузки от сооружения). Условия процесса: наличие просадочных пород и источников увлажнения. Общая величина просадки и ее неравномерность зависят от суммарной мощности просадочных пород в сфере взаимодействия сооружения и геологической среды, условий и длительности их замачивания. Общая величина просадки возрастает с увеличением мощности лессовых пород, а ее неравномерность увеличивается при локальном и длительном замачивании. Опыт проектирования и строительства показывает, что нарушение устойчивости сооружений происходит в результате случайного и неизбежного замачивания лессовых пород. Неизбежное замачивание происходит при орошении земель, строительстве каналов и водохранилищ. Случайное замачивание происходит в результате отсутствии или нарушении поверхностного стока, гидроизоляции, от утечек воды из коммуникаций, при местном подтоплении в связи с подъемом уровня грунтовых вод, неорганизованном сбросе производственных вод и многих других причин. Случайное замачивание вначале обычно происходит на локальном участке, а затем распространяется как по площади, так и на глубину. В начальный момент оно вызывает резкую неравномерную просадку, которая впоследствии увеличивается медленнее с ростом общей средней просадки. Такой характер процесса составляет большую опасность для устойчивости и сохранности сооружений. Карстовый процесс. Карст (по Ф.П.Саваренскому) - это явления, связанные с деятельностью подземных вод, выражающиеся в выщелачивании горных пород (известняков, доломитов, гипсов) и образовании пустот, сопровождающихся часто провалами и оседаниями кровли и образованием воронок и других впадин на земной поверхности. Карст широко развит в нашей стране. На Русской платформе нет ни одного бассейна крупной реки, в пределах которой не был бы развит карст. Карст проявляется в образовании как разнообразных форма рельефа на поверхности земли (поверхностных - карры, воронки, слепые балки, овраги, котловины), так и различных пустот, каналов, пещер и других форм в толще горных пород на той или иной глубине по поверхности (глубинных). Причины процесса: действия поверхностных и подземных вод на растворимые горные породы. Условия образования карста: * наличие растворимых горных пород; * водопроницаемость массива горных пород; * присутствие движущейся в породе воды; * растворяющая способность воды. Сочетание этих условий вызывает нарушение химического равновесия в системе растворимые горные породы - вода, что неизбежно ведет к возникновению и развитию процесса и образование карста. Различают несколько типов карста. Классификация карста по литологическому составу приведена в таблице. Таблица 4 Типовая классификация карста по литологическому составу Группа Тип Подтип 1. В труднорастворимых породах 1.Карбонатный Известняковый Доломитовый Меловой 2.Сульфатный (гипсовый) 3. Сульфатно-карбонатный 2. В легкорастворимых породах 4. Соляной Методы оценки закарстованности территории и скорости развития карста. 1. Определение закарстованности территории путем подсчета количества воронок, карстовых озер и других характерных проявлений карста, приходящихся на единицу площади. 2. Определение объема пустот (при естественной сработке, шахтном водоотливе - объем пустот равен объему вытекающей воды). 3. Определение трещиноватости и закарстованности пород по замерам трещин и пустот в обнажениях, стенках карьеров, кернах скважин. 4. Учет потерь промывочных вод при бурении. 5. Учет выхода керна при бурении. 6. Путем проведения специальных гидрогеологических работ и наблюдений за режимом подземных вод . При разведке месторождений оценивается степень уже имеющейся закарстованности пород. При инженерно-геологическом изучении месторождения освещаются следующие вопросы: * степень закарстованности массива пород; * структура закарстованного массива (закономерности расположения отдельных карстовых полостей или закарстованных зон в пространстве); * наличие заполнителя в карстовых полостях, его состав и физико-механические свойства; Суффозия. Суффозией называется процесс вымывания мелких частиц из горных пород фильтрующейся водой, часто сопровождающийся оседанием вышележащих пород, образованием воронок, провалов и пр. Суффозия является причиной различных видов деформации поверхности земли над подземными коммуникациями и тоннелями, она приводит к нарушению нормальной работы дренажей, фильтров водозахватывающих скважин. Причины процесса: движение подземных вод, вызывающее разуплотнение песчано-глинистых пород в результате выноса их частиц. Условия процесса: определенная неоднородность породы, значительные градиенты фильтрационного потока, наличие области выноса. Различают механическую и химическую суффозию. Механическая суффозия происходит за счет выноса частиц породы фильтрующейся водой, а химическая - за счет выноса в виде раствора растворимой части породы. Встречается смешанный химико-механический тип суффозии. Так, в разнозернистом песчанике может растворяться цементирующее вещество и механически могут выноситься мелкие частицы породы. Плывуны. Плывунность - способность водонасыщенных дисперсных пород переходить в текучее состояние. Разжиженная порода, образовавшаяся при этом называется плывуном. Плывуны при вскрытии их котлованами или горными выработками плывут в одних случаях медленно, в других быстро в виде прорыва, резко нарушая устойчивость склонов и подземных выработок, вызывая на поверхности образование мульд проседания. Истинные плывуны - особый тип пород, плывунные свойства которых обусловлены наличием в породах органно-минеральных, коллоидных микроорганизмов ( силикатные бактерии). Псевдоплывуны - дисперсные горные породы, плывунность которых обеспечивается гидродинамическим давлением. Обычно это тонкодисперсные пески, находящиеся во взвешенном состоянии, хорошо отдающие воду, теряющие подвижность, легко переходящие в устойчивое состояние. Гравитационные процессы. Обвал - отделение от склона более или менее крупной массы горных пород, их опрокидывание и обрушение вниз частично путем свободного падения, частично путем ударения о склон и отскакивания, перекатывания по склону. Осыпание (образование осыпей) - отделение от склона более или менее мелких (дресва, щебень) обломков горных пород, их падение или скатывание по склону; осыпь - накопление продуктов осыпания у подошвы склона. Лавина - скольжение и обрушение снежных масс. Оползни. Оползень - смещение части горных пород, слагающих склон, нередко также его основание и территорию за его бровкой, в виде скользящего движения без потери контакта между смещающейся и неподвижной частью склона ( а также форма рельефа и результат оползания). Имеют повсеместное, широкое распространение по берегам рек, побережью озер, морей, откосам искусственного происхождения в карьерах, выемках, терриконах. Размеры оползневых явлений изменяются от нескольких кубических метров до сотни тысяч кубических метров. Оползневые процессы представляют угрозу для всех видов инженерных сооружений. В отдельных случаях оползневые смещения носили катастрофический характер, что приводило к человеческим жертвам ( катастрофа на реке Вайонт (Италия), в г. Аберфен (Англия). Морфологические особенности оползневых участков очень характерны. Оползни резко выделяются в рельефе, им присущи специфические особенности, трещиноватость пород, нарушение растительного покрова, пьяный лес, различные формы водопроявлений в виде родников, мочажин, заболачивания, деформации инженерных сооружений, находящихся в сфере действия оползня. В результате возникновения оползня формируются характерные геоморфологические формы - оползневые цирки. Оползневые цирки- формы рельефа, формирующиеся на склонах, представляющих собой как бы выемку в склоне, имеющую вид амфитеатра. Главные элементы строения оползня приводятся на рис. 4. Рис. 4. Элементы оползня /по Е.М.Сергееву/ 1- оползневое тело; 2 – поверхность скольжения; 3- бровка срыва; 4 – оползневые террасы; 5 – вал выпирания с трещинами; 6- подошва оползня; 7 – положение склона до оползня; 8 – коренной массив пород. Поверхностью скольжения называют поверхность, по которой происходит отрыв и движение сползающего массива пород. Она имеет часто сложную форму, которая определяется геологическим строением склона. Место выхода поверхности скольжения на дневную поверхность в основании склона или откоса называют подошвой оползня, а в верхней части склона - вершиной. Главные причины образования оползней – деятельность поверхностных и подземных вод на склонах. Оползни возникают тогда, когда склон неустойчив. Степень устойчивости склона или откоса оценивается величиною отношения действующих в толще склона сил сопротивления перемещению масс (SN) к активным сдвигающим силам ( ST ), или: ; ( 5 ) В зависимости от величины этого соотношения все склоны или откосы могут быть подразделены на три группы: 1. Склоны или откосы в состоянии предельного равновесия, в этом случае: SN=ST и h=1; 2. То же в условиях обеспеченной устойчивости: SN>ST и h>1; 3. То же в неустойчивом состоянии: SN