Основы общей геологии

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время объемы промышленного и гражданского строительства увеличиваются, а также усложняются объекты строительства, повышается высотность зданий, расширяется подземное строительство. Часто строительство приходится вести в пределах уже существующей застройки, проводить реконструкцию старых зданий, которая требует дополнительного исследования основания сооружения, и на ранее неиспользуемых землях ввиду сложных инженерно-геологических условий. В связи с этим возрастает необходимость точного и экономически обоснованного проектирования, невозможного без грамотного применения инженерно-геологических исследований природных условий территорий будущего строительства. При подготовке бакалавров по основным образовательным программам, составленным в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 08.03.01 «Строительство» дисциплина «Геология» изучается в рамках модуля «Инженерное обеспечение строительства». В соответствии с учебными планами подготовки бакалавров по образовательным траекториям «Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций», «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», «Городское строительство и хозяйство», «Проектирование зданий», «Проектирование и эксплуатация систем теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования», «Проектирование, изготовление и монтаж конструкций зданий и сооружений», «Теплоснабжение и вентиляция», «Технология и организация промышленного и гражданского строительства», «Проектирование и возведение объектов промышленного и гражданского строительства», «Экспертиза и управление недвижимостью», «Экспертиза инвестиционно-строительного проекта и управление недвижимостью», «Водоснабжение и водоотведение», «Гидропневмосистемы в строительстве и промышленности», «Стоимостной инжиниринг в строительстве» рабочая программа дисциплины «Геология» предусматривает 18 часов лекций, 18 часов лабораторных работ, две контрольные работы и расчетно-графическую работу. В результате изучения дисциплины «Геология» студенты должны: – знать основные требования нормативной документации в строительстве в области проектирования и градостроительства; способы и методы инженерно-геологических изысканий; законы геологии, гидрогеологии; генезис и классификацию пород и грунтов; – уметь анализировать воздействие окружающей среды на материал в конструкции; применять нормативную документацию для разработки технических заданий на проектирование и инженерные изыскания; решать простейшие задачи инженерной геологии; читать геологическую графику; – демонстрировать навыки диагностики породообразующих минералов и горных пород, построения геологической графики. Самостоятельная работа студентов по данной дисциплине складывается из следующих составляющих: – изучение отдельных тем разделов программы дисциплины; – подготовка к лекционным занятиям (мини-тест по каждому разделу дисциплины); – подготовка к выполнению лабораторных работ; – подготовка к контрольным работам (решение простых задач по инженерной геологии, работа с коллекциями минералов и горных пород на кафедре); – выполнение расчетно-графической работы; – подготовка к сдаче зачета. 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «ГЕОЛОГИЯ» Дисциплина «Геология» является комплексным курсом, объединяющим основные сведения из области общей геологии, гидрогеологии, грунтоведения, геодинамики, методики инженерно-геологических изысканий и другими геологическими дисциплинами, которые в той или иной мере связаны с вопросами строительства: – общая геология – наука, изучающая состав, строение Земли; – историческая геология, – наука, изучающая историю и закономерности развития земной коры; – минералогия и петрография – науки о минералах и горных породах; – геоморфология – наука, изучающая развитие рельефа поверхности земной коры, его происхождение и связи с геологическим строением; – геодинамика – наука, изучающая процессы, протекающие в недрах Земли и на ее поверхности; – грунтоведение – наука, изучающая физические и физико-механические свойства грунтов; – механика грунтов – наука, изучающая деформации и напряжения, возникающие в горных породах под действием внешних и внутренних сил; – гидрогеология – наука о подземных водах их составе, свойствах, происхождении; – геокриология – наука, предметом изучения которой является зона многолетней мерзлоты в земной коре и все процессы и явления этой зоны, осложняющие строительное производство; Горные породы (грунты) служат строительными материалами, средой для строительства и основанием зданий и сооружений. От взаимодействия сооружений с окружающей геологической средой зависит их долговечность и надежность. 1.1. Основы общей геологии 1.1.1. Строение Земли и земной коры Форма Земли – геоид. Трехосный эллипсоид вращения с полярным сжатием. Rэ=6378,16 км, Rп=6356,78 км; М=6х1024 кг; g=9,8 м/с2. Магнитное поле Земли – ассиметрично под действием солнечного ветра. Форма его меняется, образуя сферу, которая защищает планету от жесткого излучения. Оболочки Земли подразделяются на внутренние и внешние, К внешним оболочкам Земли относятся атмосфера, гидросфера и биосфера. В состав атмосферы входит: – тропосфера, высотой в полярных широтах до 10 км, до 12 км в умеренных и 18 км в тропических широтах. Содержит 80 % всей массы атмосферного воздуха и 90 % водяного пара. Характеризуется возникновением облаков, развитием циклонов и антициклонов; − стратосфера (до 55 км), у верхней границы зоны находится озоновый слой, являющийся защитой Земли от ультрафиолетового излучения Солнца; − мезосфера (до 80 км), находятся свободные радикалы возбуждённых молекул, которые обусловливают свечение атмосферы (северное сияние); − термосфера (до 700 км), температура до высоты 200−300 км возрастает до 150 ºК; − экзосфера (выше 700 км) − сфера рассеивания. Химический состав атмосферы, %: 78,084 N2, 20,946 O2, 0,934 Ar, 0,035 СО2, 0,002 все остальные газы и водяной пар. Гидросфера по площади занимает 71 % поверхности Земли, в ее составе: мировой океан, подземные воды, реки, моря, ледники и др.; 98 % – соленые воды, пресные – 2 %. Биосфера – область распространения живых организмов и включает в себя земную кору, атмосферу и гидросферу. К внутренним оболочкам Земли относятся ядро, мантия и земная кора. Ядро состоит из внутреннего твердого ядра, которое вращается, имеет железо-никелевый состав и радиус 1216 км и внешнего жидкого ядра, состоящего из железа с радиусом ~ 3400 км. Температура ядра 4000–6000 ºС, плотность до 14000 кг/м3, во внешнем ядре ‒ 9500–12300 кг/м3. Мантия занимает основной объем Земли (мощность до 2900 км). Делится на верхнюю (~900 км) и нижнюю (~2000 км). Мантия состоит из тяжелых минералов, богатых Fe и Mg. Они образуют соединения с SiO2, силикаты (дуниты – породы ультраосновного состава). Плотность мантии 3300–5000 кг/м3, температура 600–700 ºС до 1500–1800 ºС. Мантийное вещество находится в твердом состоянии, но в геологическом времени может обладать пластичностью, способностью к течению. Тепло передается от более нагретых частей к менее нагретым частям, т. е. внутри Земли происходит передача тепла от горячего ядра к приповерхностной зоне. Земная кора – внешняя оболочка земли, ее мощность от 5 км под океанами и до 70 км – под континентами. Нижняя граница (по сейсмическим данным здесь наблюдается скачкообразное увеличение скорости распространения упругих волн) называется слой Мохоровичича или Мохо. Существует два типа земной коры океаническая и континентальная. Континентальная кора состоит из трех геологических слоев: осадочного чехла, «гранитного» слоя (породы гранитного состава) и базальтового (породы основного состава), мощность ее колеблется от 20 км (островные дуги) до 70 км (складчатые пояса). Океаническая кора имеет два слоя: осадочный чехол и базальтовый слой, мощность 5−6 км. Земная кора имеет алюмо-силикатный состав, представленный, в основном, легкоплавкими соединениями. Химический состав Земной коры, %: – О – 46,6; Si – 27; Al – 8,7; Fe – 5,1; Ca – 3,6; Na – 2,6; K – 2,6; Mg – 2,1; другие – 1,2. Литосфера – жесткая внешняя оболочка земли, которая включает в себя земную кору и литосферную часть мантии (обладают одинаковыми физическими свойствами), подстилается астеносферой. Астеносфера – пластичная оболочка мантии, где преобладают высокие температуры и появляются первые проценты расплава; в геологическом времени обладает свойствами очень вязкой жидкости. Литосфера состоит из нескольких литосферных плит, которые движутся друг относительно друга по астеносфере за счет конвективных течений в мантии. Это перемещение называется тектоникой плит, в результате которой происходит непрерывное изменение земной коры – горные породы непрерывно разрушаются и формируются вновь. Для изучения глубинных слоев земли применяют геофизические методы, основанные на разнице скоростей сейсмических волн при прохождении разных по плотности сред, где происходит преломление и частичное отражение волн. Верхняя часть земной коры изучается бурением сверхглубоких скважин (12,6 км на Кольском полуострове). Земная кора имеет два источника тепла: Солнце и распад радиоактивных веществ на границе с мантией. В земной коре выделяют три температурные зоны. I – зона переменных температур до глубины 30 м, определяется климатом местности, в зимний период образуется подзона промерзания, которая зависит от климата и типа горной породы и определяется по карте в СНиП, по формулам или по многолетним наблюдениям, ее величина учитывается при расчете глубины заложения фундамента. II – зона постоянных температур распространяется до глубины (15−40 м) и равняется среднегодовой температуре местности. III – зона нарастания температур, в которой температура возрастает с глубиной в зависимости от геотермического градиента. Геотермический градиент – величина возрастания температуры на каждые 100 м глубины. Геотермическая ступень – глубина, при которой температура повышается на 1 ºС. Теоретически, средняя величина этой ступени составляет 33 м. Вопросы для самопроверки. 1. Форма Земли, характеристика магнитного поля. 2. Строение Земли, характеристика внешних и внутренних оболочек, методы изучения. 3. Как называется огненно-жидкий силикатный расплав в недрах Земли? 4. Как называется оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии? 5. Как называется нижний слой атмосферы? 6. Тепловой режим земной коры (зона переменных, постоянных и нарастающих температур). В какой зоне изменение температур зависит от климата? 7. Для чего необходимо знание величины промерзания грунтов? 8. Геотермический градиент, геотермическая ступень. 1.1.2. Породообразующие минералы и горные породы Земная кора сложена горными породами, которые состоят из минералов. Изучением минералов занимается наука минералогия. Минерал (лат. minera – руда) – химическое соединение, образующееся в результате естественных физико-химических и геологических процессов в земной коре или на ее поверхности. В земной коре содержится несколько тысяч минералов и их разновидностей, но только около сотни из них наиболее часто встречаются и в больших количествах входят в состав горных пород. Эти минералы называются породообразующими. Минералы, содержание которых в породах незначительно (менее 5 %) называются акцессорными. По способу образования минералы могут быть объединены в две группы: – эндогенные минералы, образующиеся на различных глубинах за счет внутренней энергии Земли в результате кристаллизации магмы и преобразования первичных минералов в условиях высоких давлений и температур; – экзогенные минералы, образующиеся за счет внешней (солнечной) энергии в результате процессов выветривания (воздействие атмосферы, гидросферы, биосферы) разнообразных пород. Каждый минерал обладает определенным химическим составом и определенной кристаллической структурой, т. е. закономерным расположением в пространстве элементарных частиц (молекул, атомов, ионов). В зависимости от особенностей химического состава и кристаллической структуры минералы образуют многогранники различной формы, называемые кристаллами. Эти характеристики минералов обусловливают все физические свойства, такие как цвет, блеск, твердость и т. д. Полиморфными модификациями называются минералы, имеющие одинаковый химический состав, но различное внутреннее строение, структуру. Например, графит и алмаз – С; кальцит и арогонит – СаСО3 их относят к различным минеральным видам. Изоморфизмом (от греч. isos – равный и morphe – форма) называется свойство различных, но родственных по химическому составу веществ кри­сталлизоваться в одинаковых структурах при одном типе химической связи. Минералы с переменным составом могут объединяться в один минеральный вид, если непрерывно изменение состава минерала от одного крайнего члена к другому. Иногда минералы имеют неупорядоченное строение, когда атомы и ионы, их составляющие, располагаются беспорядочно, хаотично. Минералы с таким строением называются аморфными. Наиболее часто встречающимися формами выделения минералов в природе являются минеральные агрегаты – беспорядочные скопления минералов. Минеральные агрегаты бывают мономинеральными (греч. monos – один) и полиминеральными (греч. polys – многочисленный). При описании минеральных агрегатов отмечают размер отдельных зерен и их форму. По размеру слагающих их кристаллов агрегаты могут подразделяться на гигантозернистые – слагающие кристаллы более 3 см; крупнозернистые 3–1 см; среднезернистые от 1до 0,3 см; мелкозернистые – менее 0,3 см, выделяются также скрытокристаллические агрегаты, отдельные зерна которых не видны невооруженным глазом. Формы кристаллов, слагающих минеральный агрегат, могут быть: изометричные, таблитчатые, дисковидные, уплощенные, листоватые, пластинчатые, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые и т. д. Физические свойства минералов Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам: цвету, блеску, форме и другим свойствам. Все физические свойства минералов находятся в прямой зависимости от их химического состава и кристаллической структуры, Для того чтобы распознать минералы в полевых условиях, не прибегая к специальным методам минералогического исследования и оборудованию, необходимо знать и уметь определить их основные физические свойства, которые можно использовать как диагностические признаки. Оптические свойства Прозрачность – свойство минерала пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности минералы подразделяются: прозрачные (горный хрусталь, топаз, исландский шпат), полупрозрачные (флюорит, сильвин) и непрозрачные (пирит, магнетит). Цвет. А. Е. Ферсман выделял следующие типы окраски минералов, обусловленные разными причинами: – идиохроматическая (от греч. idios — свой собственный и chroa – цвет) окраска обусловлена внутренними свойствами минерала – особенностями строения кристаллической решетки. Некоторые минералы имеют определенный цвет, по которому его можно практически безошибочно определить. Например, пирит – латунно-желтый, магнетит – черный, малахит – зеленый, родонит – красный, азурит – синий. – аллохроматическая (от греч. alios – другой, чужой) окраска связана с присутствием в минералах либо элементов-хромофоров (Cr, V, Ti, Mn, Fe, Al, Ni, Со, Cu, U, Мо), либо тонко рассеянных механических примесей. Такие минералы называются полихромными (от греч.polys – многочисленный и chroma – цвет, краска). Кроме того, анизотропные минералы могут обладать плеохроизмом (от греч. pleon – более и chroa – цвет), т. е. обнаруживать разную окраску при рассматривании их в разных направлениях. Например, даже незначительная примесь Сг2О3 (0,1 %) окрашивает бесцветный минерал корунд в густой ярко красный цвет, прозрачная разновидность которого называется рубином. – псевдохроматическая окраска (от греч. pseudos – ложь) связана с различными оптическими эффектами: рассеянием и отражением света, интерференцией световых волн. Например, вспыхивающие на черном фоне ярко-синие пятна на поверхности полевого шпата лабрадора, обусловленные интерференцией (явление иризации) (от греч. iridos – радуга). Для рудных минералов (халькопирит) характерна возникающая на его поверхности в результате окисления разноцветная пленка – побежалость. Цвет черты. Это цвет тонкого порошка минерала, который легко получить, если провести испытуемым минералом черту на матовой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пластинки, называемой бисквитом. Цвет минерала в порошке может быть таким, как его цвет в кристаллическом агрегате, но может и значительно отличаться. Для темноцветных и непрозрачных минералов цвет минерала в порошке – важный диагностический признак. Блеск – это способность минералов отражать от своей поверхности световой поток. Установлено, что блеск зависит от показателя преломления минерала, т. е. величины, характеризующей разницу в скорости света при переходе его из воздушной среды в кристаллическую среду. Механические свойства Спайностью называется свойство минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям, обусловленным строением их кристаллических решеток, образуя при этом ровные площадки – плоскости спайности. Разрушение происходит предпочтительно по тем направлениям, по которым в кристаллической решетке существуют наиболее слабые связи. Это свойство минералов связано исключительно с их внутренним строением и не зависит от внешней формы кристаллов. Плоскость спайности отличается от естественной грани кристалла тем, что естественную грань можно отбить, и она больше не повторится, а плоскости спайности можно получать многократно. На естественных гранях кристаллов часто наблюдается штриховка или следы растворения, плоскости спайности более гладкие и совершенные. Аморфные минералы также не обладают спайностью. Изломом называют характер поверхности раскола. Твердость – степень сопротивления внешним механическим воздействиям – царапанию, резанию, вдавливанию. В минералогической практике применяется наиболее простой способ определения твердости – царапанье одного минерала другим, т. е. устанавливается относительная твердость минерала. Для оценки относительной твердости австрийским минералогом Ф. Моосом была предложена шкала, состоящая из десяти минералов. Каждый последующий минерал этой шкалы царапает предыдущий, черта, полученная при этом, не стирается и остается в виде царапины. Более мягкие минералы оставляют на твердых минералах черту в виде порошка, которая легко стирается. Твердость минералов-эталонов в шкале условно обозначена целыми числами, несоответствующими их действительной твердости. Шкала Мооса представлена следующими минералами: 1 Тальк Mg3[Si4Ol0](OH)2. 2. Гипс CaS04.2H20. 3. Кальцит СаСО3. 4. Флюорит CaF2. 5. Апатит Ca5[P04]3(F,Cl). 6. Ортоклаз K[AlSi308]. 7. Кварц Si02. 8. Toпаз Al2[Si04l(F,OH)2. 9. Корунд А1203. 10. Алмаз С. Хрупкость – свойство минерала крошиться под давлением или при ударе. Ковкость – свойство вещества под давлением расплющиваться в тонкую пластинку. Прочие свойства Плотность для различных минералов колеблется от 0,9 до 21 г/см3. Все минералы по плотности можно разделить на три группы: – легкие, с плотностью меньше 3 (галит, гипс, кварц и др.); – средние, с плотностью порядка 3–5 (апатит, корунд, пирит и др.); – тяжелые, с плотностью больше 5 (магнетит, золото и др.). Специфические свойства. Некоторые минералы обладают особыми, характерными только для них свойствами. Магнитность определяется по способности минерала отклонять магнитную стрелку компаса (магнетит, пирротин). Реакция с соляной кислотой некоторых минералов класса карбонатов сопровождается выделением углекислого газа. Двойное лучепреломление (раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропные кристаллы) характерно для прозрачной разности кальцита, называемой исландским шпатом. Если через исландский шпат рассматривать, например, печатный текст, то возникает двойное изображение. Физиологические свойства. Соленым вкусом обладает галит (каменная соль), горько-соленым – сильвин. Специфическим запахом обладает сера. Выделения арсенопирита при трении издают запах чеснока. Классификация минералов В основу современной классификации минералов положены кри­сталлохимические принципы, учитывающие химический состав и кристаллическую структуру минералов. Единицей такой классификации является минеральный вид. Сходные по составу и структуре минеральные виды объединяют в группы, подклассы и классы. Крупнейшим систематическим подразделением является тип. Выделяют пять типов: простые вещества, сульфиды, оксиды и гидроксиды, соли кислородных кислот и галогениды. Тип простых веществ делится на металлы и неметаллы, тип сульфидов – на собственно сульфиды, теллуриды и арсениды. Наибольшее число классов насчитывается в типе солей кислородных кислот. Минералы этого типа классифицируются по комплексным анионам. В программе дисциплины «Геология» рассматриваются следующие классы: – самородные элементы – простые вещества в свободном состоянии; – сульфиды – соли сероводородной кислоты Н2S; – галогениды – соли соляной кислоты НСl (хлориды) и соли плавиковой кислоты НF (фториды); – оксиды и гидроокислы – соединения металлов и неметаллов с кислородом и водой; – карбонаты – соли угольной кислоты Н2СО3; – сульфаты – соли серной кислоты Н2SО4; – фосфаты – соли ортофосфорной кислоты Н3РО4; – силикаты – соединения, содержащие SiO2 (основа кристаллической решетки – скелет из кремнекислородных тетраэдров [SiO4]4). Горные породы Горные породы – это природная совокупность минералов постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Наука, занимающаяся изучением горных пород, называется петрографией. Горные породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными (кварцит, известняк, каменная соль), состоящие из нескольких минералов – полиминеральными (гранит, глина). Строение горной породы характеризуется структурой и текстурой. Структура характеризует внутреннее строение породы, связанное со степенью ее кристалличности, абсолютным и относительным размером зерен или обломков, их формой. Текстура характеризует особенность внешнего сложения горной породы, обусловленную размещением минеральных зерен в пространстве, их ориентировкой и окраской. По условиям образования (генезису) горные породы условно делятся на три типа: – магматические горные породы, возникающие путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри Земли и на ее поверхности; – осадочные горные породы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности и отмирания живых организмов или выпадения осадков из пересыщенных растворов, или, образовавшиеся в поверхностной части земной коры, в результате выветривания любых ранее существовавших пород; – метаморфические горные породы, образовавшиеся путем коренного преобразования любых ранее существовавших пород под влиянием высоких температур и давления, а также гидротермальных растворов. Магматические горные породы возникают путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри земной коры или на ее поверхности и подразделяются на три класса: – класс плутонических (интрузивных), т. е. полнокристаллических пород, происхождение которых связано с длительной кристаллизацией магматического расплава в земной коре; – класс вулканических (эффузивных), т. е. порфировых или афировых пород с микрокристаллической или стекловатой основной массой, являющихся продуктами кристаллизации магмы, вышедшей на земную поверхность по вулканическим каналам и застывшей в течение короткого промежутка времени; – класс гипабиссальных (жильных) пород, которые формируются на небольших глубинах и занимают по условиям залегания и структурам промежуточное положение между глубинными (плутоническими) и излившимися (вулканическими) породами и проявляются в виде малых интрузий (даек, силлов, штоков). Формы залегания магматических тел Батолит – крупный интрузивный массив, гигантская линза глубиной до 15 км и площадью от 100 до десятков тысяч км. Шток – несогласная интрузия, в вертикальном разрезе имеющая форму колонны. В плане форма неправильная. От батолитов отличаются меньшими размерами. Лополит – согласная, межпластовая интрузия блюдцеобразной формы. Лакколит – согласная межпластовая интрузия, имеющая в разрезе грибообразную или куполообразную форму кровли и плоскую подошву. Силлы – пластообразные тела, внедряющиеся между слоями вмещающих пород. Дайка – несогласная интрузия небольших размеров (имеет секущие контакты с вмещающими породами). Купол – сводообразные формы вулканических пород. Лавовый покров – образуется в результате растекания магмы по поверхности Земли. Потоки – вытянутые формы, возникающие при излиянии магмы из вулканов. Химический состав магматических пород принято представлять в виде процентного содержания главных петрогенных оксидов: SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, TiO2, СаО, Na2O, K2O и H2O. В классификации магматических пород по химическому составу используют процентное содержание кремнезема (SiO2) и (или) суммы щелочей (Na2O + K2O). Плутонические и вулканические магматические породы могут возникнуть из магмы одного и того же химического состава, поэтому почти каждая плутоническая магматическая порода имеет излившийся аналог, тождественный ей по химическому составу, но минеральный состав пород при этом может быть разным. Эти различия связаны с условиями формирования пород. Все магматические горные породы разделяются по содержанию кремнезема (SiО2) на группы: кислые (более 65 %), средние (52–65 %), основные (45–52 %), ультраосновные (меньше 45 %). Осадочные горные породы Осадочные породы представляют собой скопления минерального или органического вещества, которые образуются в результате экзогенных процессов в пределах земной поверхности – на дне водоёмов или на поверхности суши. Составляя всего 5 % объема земной коры, осадочные породы покрывают около 75 % поверхности Земли, и чаще всего являются основаниями фундаментов сооружений. Образование осадочных пород (литогенез) представляет собой совокупность ряда последовательных стадий: – выветривание (физическое разрушение, дробление пород и последующее химическое разложение до состояния глин), которое приводит к разрушению верхней части всей континентальной коры; – перенос преимущественно речными потоками, а также ветром, ледниками, временными водотоками. Продукты выветривания при этом продолжают измельчаться, истираться, сортироваться; – отложение или седиментация рыхлых осадков в водных бассейнах с проявлением процессов дифференциации; – диагенез включает в себя процессы уплотнения осадка, его дегидратацию (удаление воды) и цементацию вследствие постепенного погружения на большие глубины, увеличения лито- и гидростатической нагрузки, а также повышения температур за счет геотермического градиента. В результате диагенеза песок превращается в песчаник, глина в аргиллит, гравий и галька в конгломерат. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные (терригенные), химического происхождения (хемогенные) и органогенные – продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Многие породы имеют смешанное происхождение, примером могут служить мергели, известковистые песчаники и др. К осадочным горным породам также относят: пирокластические породы (продукты извержения вулканов – пепел и песок), осевшие на поверхности земли, и со временем преобразовавшиеся в туфы и туфобрекчии. Классификация обломочных (терригенных) пород основана на различии по крупности зерен, по степени окатанности и сцементированности. Хемогенные породы образуются при химическом разрушении и растворении минералов материнских пород и последующим выпадением новых минералов в осадок из пересыщенных растворов. Органогенные образования представляют собой продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Сюда относятся известняки – продукты отмирания организмов, извлекающих из среды обитания СаСО3, опоки, имеющие состав SiO2 nH2O и угли, представляющие собой различные углеродистые соединения. При классификации органогенных и хемогенных пород определяющим является их химический состав. Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков. Слоистая текстура обусловлена чередованием слоев нескольких разностей осадочных пород и может быть вызвана резким изменением размеров обломочных частиц и вещественного состава пород, либо ориентировкой осадочного материала. Слои осадочных пород представляют собой тела относительно небольшой толщины, но занимающие большие площади. В слоистой толще каждый слой отделен от другого границей – поверхностью напластования. Поверхность, ограничивающая слой снизу, называется подошвой, сверху – кровлей. Кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой называют его истинной мощностью. Истинная мощность слоев осадочных пород колеблется в широких пределах – от долей сантиметра до десятков метров. Метаморфические горные породы Метаморфизм – процесс преобразования любых исходных пород под воздействием изменившихся физико-химических условий среды путем перекристаллизации породы без существенного расплавления. Факторами метаморфизма или причинами преобразования пород являются давление, температура, а также растворы и газы (флюиды), проникающие в толщи исходных пород. По особенностям пространственного размещения и размаху процессов различают локальный и региональный типы метаморфизма. Локальный метаморфизм контролируется конкретными структурными элементами земной коры, а региональный, охватывая значительные объемы горных пород. Локальные метаморфические изменения горных пород обычно возникают при взаимодействии внедряющейся магмы с вмещающими горными породами (контактовый метаморфизм) либо при перемещениях крупных блоков геологической среды по зонам разрывных тектонических нарушений (дислокационный или динамометаморфизм). При контактовом метаморфизме основным фактором изменений пород служит тепловое воздействие магматических расплавов на относительно холодные вмещающие породы, данный тип метаморфизма иногда называют термальным. Зона образования метаморфических пород вдоль контакта с магматическим телом называется контактовым ореолом. Ширина его колеблется от нескольких сантиметров до первых километров и определяется глубиной формирования, формой и объемом магматического тела, составом внедряющейся магмы. Метасоматозом (от греческого «замещение», «вытеснение») называется контактово-метаморфическое преобразование вмещающих пород, когда кроме температурного воздействия магмы, на них влияют химически агрессивные, отделяющиеся от магмы во флюидном состоянии летучие компоненты. Изменение искомых горных пород становится более сложным и глубоким. Обменные реакции между вмещающей породой и проникающими в нее газами приводят к возникновению пород, совершенно новых по химическому и минералогическому составу. Динамометаморфические изменения горных пород протекают одновременно с образованием тектонических разрывов, когда величина ориентированного давления превышает предел прочности геологических тел. Смещения блоков по разрывным нарушениям часто сопровождаются механическим дроблением (катаклазом) и перетиранием пород. Региональный метаморфизм. Движения в земной коре, захватывающие большие пространства, как это происходит при горообразовательных процессах, совместно с давлением вышележащих толщ пород и возрастающей с увеличением глубины погружения температурой обуславливают регионально-метаморфические преобразования пород. В зависимости от давления и температуры наблюдаются изменения более слабой или более сильной степени, которые отличаются характерными минеральными новообразованиями и называются метаморфическими фациями. Подробное описание минералов, горных пород, их структурных и текстурных признаков дано в [1]. Вопросы для самопроверки. 1. Что называется минералом и горной породой? Какая разница между минералами и горными породами? 2. Дайте схематическую классификацию минералов по их химическому составу. 3. Физические свойства минералов. Форма минеральных агрегатов. 4. Как классифицируются горные породы по условиям образования? 5. Как подразделяются магматические породы по условиям образования? Каковы формы залегания магматических пород? 6. Как образуются осадочные породы? Каковы формы залегания осадочных пород? 7. Как образуются метаморфические горные породы? Назовите основные факторы и типы метаморфизма. 1.1.3. Геохронология Историю и общие закономерности развития и образования земной коры изучает историческая геология. Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и определения положения среди других пород. Различают относительный и абсолютный возраст горных пород. Методы определения относительного возраста: – стратиграфический, – палеонтологический, – петрографический. Стратиграфический метод основан на том, что если породы не испытали сложных деформаций, то вышележащий слой всегда моложе нижележащего. «При ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя» – этот принцип последовательности накопления осадков слой за слоем был сформулирован в 1669 г. Н. Стено (Н. Стенсен). При контакте интрузии с осадочными горными породами − интрузия моложе тех пород, которые она пересекает. Жилы, секущие магматическое тело моложе его. Палеонтологический метод позволяет определить возраст осадочных пород независимо от характера залегания слоев, основан на изучении осадочных толщ, содержащих окаменелые остатки животных и растений. Животный и растительный мир развиваются последовательно и необратимо. Каждой геологической эпохе соответствует свой комплекс животных и растений. В пластах одного возраста присутствуют одинаковые формы. Петрографический метод основан на определении скорости накопления осадков в дельтах рек и на дне океанов. В дельтах рек слой мощностью 1 мм образуется за 3–10 лет. На дне океана – 0,1–0,01 мм в год. Итогом изучения относительного возраста горных пород явилась международная стратиграфическая (геохронологическая) шкала. Она была принята на второй сессии Международного геологического конгресса в 1881 г. Названия стратиграфических подразделений соответствуют географическим названиям тех местностей, где они были впервые выделены (кембрийская, девонская, юрская, пермская), от названий древних племен (силурийская, ордовикская), от преобладающего состава пород (каменноугольная, меловая) или отражают характер строения отложений (триасовая). В приложении 1 в сокращенном виде без ярусов (веков), приводится международная (общая) стратиграфическая (геохронологическая) шкала. Исключение составляет стратиграфическая шкала докембрия. Общепринятой международной схемы расчленения докембрийских отложений пока не создано, поэтому в России пользуются своей стратиграфической шкалой докембрия, утвержденной в 1991 г. Международная шкала включает основные стратиграфические и соответствующие им геохронологические подразделения соподчиненных рангов. Эонотема – это отложения, образовавшиеся в течение зона (греч. – длительный промежуток времени) – самой крупной геохронологической единицы. Выделяют три эонотемы – архейскую (от греч. «археос» – древний), протерозойскую (от греч. «протерос» – первый) и фанерозойскую (от греч. «фанерос» – явный). Отрезок геологического времени (более 3,5 млрд. лет) и комплексы пород, соответствующие архею и протерозою, часто объединяют под общим названием докембрий, или криптозой (от греч. «криптос» – скрытый, тайный). Термины «криптозой» – время скрытой жизни – были введены для разделения докембрия, в котором отсутствуют скелетные организмы, и «фанерозой» – время явной жизни, где они появляются в большом количестве. Эратема или группа систем составляет часть эонотемы и объединяет отложения, образовавшиеся в течение эры. В фанерозое выделяют три эратемы: палеозойскую (от греч. «палеос» – древний), мезозойскую (от греч. «мезос» – средний) и кайнозойскую (от греч. «кайнос» – новый). Протерозой в международной шкале разделен на нижний, средний и верхний. Для архея общепринятого разделения пока нет. Система составляет часть эратемы и объединяет отложения, образовавшиеся в течение периода. В настоящее время выделяют 12 систем: кембрийскую, ордовикскую, силурийскую, девонскую, каменноугольную, пермскую, триасовую, юрскую, меловую, палеогеновую, неогеновую и четвертичную (антропогеновую). Практически все они имеют планетарное распространение. Отдел составляет часть системы и характеризует отложения, образовавшиеся в течение одной эпохи. Обычно система включает 2–3 отдела, которые в зависимости от их положения в разрезе системы называются нижний и верхний, или нижний, средний и верхний. Некоторые отделы имеют собственные названия. Так, в палеогеновой системе выделяются палеоцен, эоцен и олигоцен, в неогеновой – миоцен и плиоцен. Эпохи как временные подразделения, соответствующие нижнему и верхнему или нижнему, среднему и верхнему отделам, необходимо называть ранняя и поздняя или ранняя, средняя и поздняя с прибавлением назва­ния периода. Для обозначения возраста пород на геологической графике существует общепризнанная цветовая шкала, где каждой системе присвоен определенный цвет (прил. 1). Например, отложения триасовой системы на геологических картах красят в фиолетовый цвет, юрской – в синий и т. д. Более дробные стратиграфические подразделения каждой системы (например, отделы) закрашивают оттенками основного цвета системы, при этом более древние подразделения – темными, а более молодые – светлыми тонами соответствующего цвета. Дополнительными условными обозначениями возраста служат индексы – буквенные и цифровые обозначения возрастной принадлежности тех или иных горных пород. Они представляют собой начальные латинские буквы названия эратемы или системы. Для обозначения отдела к буквенному индексу внизу справа прибавляется арабская цифра. Так, индекс триасовой системы – Т, индекс ее нижнего отдела – Т1, среднего – Т2, верхнего – Т3. Абсолютный возраст горной породы – продолжительность существования породы (в годах). В основе изотопно-геохронологических методов определения абсолютного возраста горных пород лежит закон радиоактивного распада. Сущность метода – при образовании кристаллических решеток минералов, содержащих радиоактивные элементы, образуется закрытая система, в которой в течение геологического времени накапливаются дочерние продукты радиоактивного распада материнских радиоактивных изотопов (U, K, Rb). Период полураспада 238U=4,5 млрд. лет, 14С=5568 лет. Уран-торий-свинцовый метод – превращение изотопа 235U в стабильные изотопы свинца Рb. Зная, какое количество Pb образуется из 1 г U в течение года, определяется их содержание в минерале (точность определения – сотни миллионов лет). К–Аr –изотоп 40K превращается в ходе распада в изотоп 40Ar (точность – до 1 млн. лет). Поскольку калий является весьма распространенным элементом, К-Ar метод получил широкое применение для датирования почти всех типов горных пород. Особенно большая роль этому методу (в отличие от других) отводится при датировании осадочных пород позднего докембрия по калийсодержащему минералу – глаукониту. Радиоуглеродный метод применяется для датирования молодых объектов, содержащих углерод, возрастом не более 70 тыс. лет. Изотоп углерода 14C непрерывно образуется в атмосфере из 14N под действием космической радиации. Свободные атомы 14C входят в молекулы 14CО2 и усваивается живыми организмами. Умершие организмы не получают СО2 и концентрация 14C убывает в костном органическом веществе по определенному закону. Вопросы для самопроверки. 1. Относительные геохронологические методы и их сущность. 2. На чем основан палеонтологический метод? 3. На каком физическом явлении основаны методы определения абсолютного возраста пород? Назовите основные методы. 4. Как на геологических картах и разрезах обозначается возраст горных пород? 1.1.4. Глобальная геотектоника В настоящее время в верхней оболочке Земли выделяют восемь крупных, десятки средних и множество мелких плит, которые перемещаются друг относительно друга, границы плит – зоны повышенной сейсмичности. Существуют следующие типы тектонических структур: – платформа (Русская, Сибирская) – кристаллический фундамент перекрытый чехлом горизонтально залегающих осадочных пород – устойчивая малоподвижная структура. Для платформ характерны колебательные движения – медленные поднятия (Скандинавия) и опускания (Голландия) отдельных участков земной коры без нарушения первоначального залегания слоев, изменение береговой линии и базиса эрозии (до 6 см/год). Замеряется изменение высот геодезическими приборами высокой точности; – щит – кристаллический фундамент, вышедший на поверхность (Балтийский, Скандинавский); – геосинклиналь – подвижный участок земной коры между платформами. Согласным называется такое залегание, где каждый вышележащий слой повторяет залегание слоев, лежащих ниже, и образует с ним разрез, в котором относительный возраст пород плавно изменяется снизу вверх в соответствии с подразделениями геохронологической шкалы. Все отклонения от такого залегания называют несогласиями. Стратиграфическим несогласием называют залегание пород, при котором из стратиграфического разреза выпадают слои пород того или иного возрастного интервала, свидетельствующие об отсутствии в этот период осадконакопления. Параллельное стратиграфическое несогласие проявляется в случае перерыва в осадконакоплении пород. При параллельном несогласии слои разновозрастных пород контактируют по неровной поверхности. Угловым несогласием называются непараллельные между собой ниже- и вышележащие слои. Слои, отложившиеся до перерыва в осадконакоплении, находятся в нарушенном залегании, а залегание пород, сформировавшихся после перерыва, является ненарушенным (горизонтальным). В результате движений и деформаций земной коры первичное горизонтальное залегание слоев горных пород часто бывает нарушено. Вторичные формы залегания пород, образующиеся под действием тектонических сил, также называют тектоническими нарушениями. Наиболее распространенными являются три типа таких нарушений: наклонное залегание слоев, складчатое залегание слоев и залегание слоев, нарушенное тектоническими разрывами. В геологии наклонное залегание слоев горных пород называют моноклинальным, а структурные формы, образованные такими слоями, – моноклиналями. Ступенчатый изгиб слоев называется флексурой. Складчатые (пликативные) нарушения – смятие горизонтальных пластов в складки без разрыва сплошности пород. Антиклиналь – складка, обращенная вершиной (выпуклостью) вверх. Синклиналь – складка, обращенная вершиной (выпуклостью) вниз. Существуют следующие элементы складок: – крылья – наклоненные в разные стороны поверхности слоев, образующих складку. – замок складки – область резкого перегиба слоев, соединяющая крылья. – угол складки – это угол, образованный плоскостями крыльев, мысленно продолженными до их пересечения. – шарнир складки – линия, проходящая через точки максимального перегиба какого-либо одного слоя в замке складки. – ось поверхности складки – поверхность, проходящая через шарниры складки, проведенные по разным составляющим ее слоям. – ось складки – это проекция шарнира на горизонтальную плоскость. – ядро складки – внутренняя часть складки, выделяющаяся условно относительно какого-либо слоя. Ядра синклиналей сложены самыми молодыми породами, а по направлению к крыльям возраст слагающих складку слоев становится более древним. В антиклиналях соотношение возрастов пород в ядрах и на крыльях прямо противоположное. Разрывные (дизъюнктивные) нарушения представляют собой поверхности, или зоны, по которым произошли значительные смещения горных пород. Различают следующие структурные элементы разрывных нарушений: – сместитель – поверхность, или зона, по которой произошло относительное перемещение блоков горных пород; – крылья разрыва – относительно перемещенные блоки пород, располагающиеся по обе стороны от сместителя; – амплитуда смещения – расстояние, на которое смещены крылья одно относительно другого. – сброс и взброс – разрывные нарушения, характеризующиеся вертикальным перемещением крыльев. Если сместитель располагается вертикально, тогда к разрыву можно применять оба эти названия, но гораздо чаще сместитель бывает наклонным. При вертикальном перемещении пород по разрыву одно из крыльев оказывается приподнятым, а второе – опущенным. В случае, когда сместитель отклоняется от вертикали, крыло, лежащее над ним, называется висячим, а под ним – лежачим, вне зависимости от положения блоков, поднятые они или опущенные. Сброс – разрывная деформация, возникающая в результате опускание одного блока толщи относительно другой в результате сил растяжения с линией наклона разрыва (сместителя) в сторону опущенных пород. Взброс – разрывная деформация, возникающая в результате поднятия одной части толщи относительно другой в результате сжимающих сил с линией крутого наклона разрыва (сместителя) в сторону поднятых пород. Надвигами называют взбросы при пологом положении сместителя (угол менее 60°). Сдвиг – тектоническое нарушение со смещением блоков пород в горизонтальном направлении по вертикальному, или круто наклоненному, сместителю. Более сложные разрывные структуры возникают в случае, когда сместители субпараллельных сбросов или взбросов оказываются наклоненными в разные стороны. Грабенами называются структуры, когда центральный блок опущен между двумя боковыми блоками. Горсты – структуры, в которых центральный блок приподнят между двумя боковыми блоками. Наличие деформаций усложняет проектирование и строительство: – нарушается однородность грунтов основания сооружения; – образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов; – по трещинам разрывов происходят смещения, циркулируют подземные воды. Вопросы для самопроверки. 1. Как называется относительно устойчивая, жесткая, малоподвижная струк-тура земной коры? 2. Различия в характере тектонических движений и магматизме в различных структурах земной коры (платформах и геосинклиналях). 3. К каким типам тектонических движений относятся сброс, взброс, горст, грабен? 4. К каким типам тектонических движений относятся моноклиналь, флексура, синклиналь и антиклиналь? 5. Чем опасно наличие дислокаций в геологическом строении строительных площадок? 1.1.5. Вулканизм и сейсмические явления Землетрясения происходят только в районах геосинклиналей, где литосферные плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся, наращивая образование новой океанической коры. Ежегодно регистрируются сотни тысяч землетрясений, но только около 100 из них можно отнести к разрушительным. Причины: извержение вулканов, обрушение пород над горными выработками, в результате искусственных взрывов и тектонические. Тектонические землетрясения – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород. Деформация пород происходит скачкообразно с образованием упругих волн. Объем горных пород, подвергшийся разрыву, определяет силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию. Цунами – возникновение пологих волн (L = 150 км, Н = 20–40 м) в результате подводного землетрясения. Гипоцентр – очаг зарождения землетрясения, различают (поверхностные – гипоцентр находится от 1–10 км от поверхности земли, коровые от 30 до 50 км и плутонические – более 100 км). Эпицентр – проекция гипоцентра на поверхность Земли. В зависимости от глубины гипоцентра различают землетрясения: – мелкофокусные – до 70 км (встречаются чаще всего на глубине 10–30 км, т. е. в нижней части литосферы); – среднефокусные – 70–300 км, – глубокофокусные – 300–700 км. Упругие колебания в виде продольных и поперечных волн распространяются во всех направлениях от гипоцентра землетрясения. Продольные волны называются Р-волнами (primary – первые, т. к. они первыми достигают поверхности земли). Продольные волны вызывают сжатие и растяжение среды в направлении их движения и распространяются в любой среде. Скорость зависит от свойств веществ (в песках – 0,7–1,6 км/сек, в гранитах – 1,5–5,6 км/сек, в воде – 1,5 км/сек). Поперечные волны сдвигают частицы перпендикулярно к направлению своего движения. Они распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформацию сдвига и не распространяются в жидкостях и газах, т. к. их модуль сдвига равен 0. Скорость поперечных волн (Vs) в 1,7 раза меньше скорости продольных (Vр). Период распространения волн варьирует от долей сек до 5 сек. Поверхностные сейсмические волны (L) наблюдаются на поверхности земли, скорость их в 2 раза ниже поперечных волн (Vs). Они быстрее затухают на расстоянии, но не менее опасны. Оценка силы землетрясения производится при помощи сейсмографов. В сейсмических районах выполняются дополнительные работы, согласно СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. и СП 11.105–97 «Инженерные изыскания для строительства». Территории с силой землетрясений меньше 7 баллов – проектируют без учета сейсмичности, с расчетной сейсмичностью 7,8,9 баллов – проектирование по СП 14.13330-2011 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81. Корректировка баллов по сейсмическим картам производится следующим образом. Исходный балл увеличивается на 1 – для участков, сложенными дисперсными (рыхлыми) грунтами, при высоком уроне залегания грунтовых вод (3–4 м). Балл не изменяют – для участков сложенных твердыми и полутвердыми пластичными и обломочными грунтами, при УГВ более 8 м. Исходный балл уменьшаем на 1 для участков сложенных скальными и полускальными породами при глубине залегания УГВ более 15 м. Вулканы образуются, в случае прорыва магматического расплава, образовавшегося во внутренней части Земли (астеносфере) на поверхность. Магма образуется в результате частичного плавления горных пород, либо в верхней части мантии, либо в нижней части земной коры. Плотность магматического расплава меньше плотности горных пород, поэтому сформировавшаяся магма поднимается на поверхность. Лава – излившаяся на поверхность магма. Вязкость магматического расплава – мера сопротивления течению, зависит от химического состава расплава; температуры (чем меньше температура, тем больше вязкость); от содержания газов (при большом количестве газов – вязкость ниже). Низкой вязкостью обладает магма базальтового (основного) состава, скорость течения которой от 30 км/час до 50 км/час. Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) – взрывные извержения, эксплозивный вулканизм. Продукты извержения вулканов – расплав и твердый материал. В случае, когда магма (расплав) кристаллизуется на поверхности, образуется риолит или базальт, под водой – обсидиан. Твердый материал извержения: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации преобразуется в вулканический туф, крупный материал – в вулканические брекчии. Вопросы для самопроверки. 1. Как называется очаг зарождения землетрясения? Как различаются землетрясения в зависимости от глубины зарождения очага? 2. Какие виды сейсмических (упругих) волн различают? 3. Где располагается эпицентр землетрясения? 4. Влияние рельефа местности, состава пород, условий залегания пород и грунтовых вод на силу землетрясения. 5. Как определяют сейсмическое ускорение, балл землетрясения и коэффициент сейсмичности? 6. Как будет происходить извержение вулканов при основном и при кислом составе магмы? 1.2. Основы грунтоведения Грунтоведение – наука о грунтах, исследующая состав, состояние, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-строительной деятельностью человека. Грунтами называют любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды. Грунты могут служить: – материалом оснований сооружений, – материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин), – средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др. В соответствии с ГОСТ 25100-2011 классификация грунтов распространяется на все грунты и устанавливает их классификацию, применяемую при производстве инженерных изысканий, проектировании и строительстве зданий и сооружений. Грунты подразделяются на классы: скальные, дисперсные и мерзлые. Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков: – класс (подкласс) – по природе структурных связей; – тип (подтип) – по генезису; – вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или литологическому составу; – разновидность – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов. Скальные грунты обладают жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными). Дисперсные грунты характеризуются 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. Мерзлые грунты, наряду с другими структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными и одновременно с кристализационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями – в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяют в подкласс ледяных грунтов. Физические свойства грунтов Плотность ρ – масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогического состава. Для дисперсных грунтов – ρ=1,3–2,0 г /см3, для скальных – ρ=2,5–3,3 г /см3. Плотность частиц грунта ρs – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρs=2,2–3,2 г /см3. Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при температуре 105–107 ºС в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы. Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц. Значения плотности применяются для характеристики физических свойств грунта как основания или строительного материала, а также для расчетов при динамических нагрузках. Водно-физические свойства грунтов Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость. Полная влагоемкость (WП.В, д. е.)– максимальное содержание воды, содержащееся в породе,. Коэффициент водонасыщения грунта, степень влажности, (Sr, д. е.) – степень заполнения объема пор водой Критерии физического состояния глинистых грунтов – число пластичности (Jp;), показатель текучести (JL,). Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси. Пластичность – свойство грунтов изменять под действием внешних сил (давление) свою форму и размеры без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после снятия нагрузки. Влажности, при которых грунт обладает пластичными свойствами, называют верхним и нижним пределом пластичности: – верхний предел пластичности (WL) – граница текучести соответствует влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём). – нижний предел пластичности (Wp) – граница раскатывания соответствует влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём). Число пластичности – разность между влажностью на границей текучести и влажностью на границей раскатывания. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины (прил. 2). Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы. Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа и зависит: – от гранулометрического состава, – минералогического состава, – структуры и текстуры пород. Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяется только при разрушении грунта. Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа. Для скальных грунтов прочность характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие Rс (МПа). Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки), характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки esw, – отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2). Набухание грунтов зависит: – от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава, – от химического состава воды, взаимодействующей с породой (бентонитовая глина увеличивается в объеме на 80 %, каолиновая на 25 %). Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании и характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки esw, – отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2). Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05–0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость более 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями. Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности. Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности. Коррозионные свойства глин возникают в результате электролиза, начинающегося при воздействии блуждающих электрических токов (трамваи, троллейбусы в городах), в результате чего происходит разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов. Ил – водонасыщенный современный или древний нелитифицированный морской или пресноводный органо-минеральный осадок, содержащий более 3 % (по массе) органического вещества текучей консистенции, коэффициент пористости е ≥ 0,9 и содержание частиц менее 0,01 мм более 30%. Илы не выдерживают даже минимальные нагрузки, в результате которых выдавливаются, а при динамическом воздействии разжижаются. При устройстве оснований сооружений ил заменяют на другой грунт, используют свайные основания, опирающиеся на прочные грунты, выполняют наброску камня или намывают слой песка. Заторфованные грунты – песчаные или глинистые грунты, содержащие в своем составе торф (от 3 % для песка и от 5% для глинистого грунта до 50% по массе). Торф – органический грунт, содержащий в своем составе более 50% (по массе) органического вещества, характеризующийся высокой влажностью, сильной сжимаемостью, неравномерными осадками. При строительстве применяются свайные основания, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин. Классификационные показатели скальных грунтов приведены в приложении 3, обломочных грунтов – в приложении 4. Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами. Предел прочности скальных грунтов на одноосное сжатие Rc, (МПа) – отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения. Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, Кwr,, как отношение плотности выветрелого грунта ρв к плотности невыветрелого грунта ρнв. Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости Кsof, – отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии. Степень растворимости в воде qsr, г/л, – величина, отражающая способность грунта растворяться в воде при нормальных условиях за счет растворения неорганических и органических веществ, определяемая при соотношения грунта и воды 1:5 и равная концентрации образующегося равновесного раствора. Вопросы для самопроверки. 1. Определите класс, группу, подгруппу, тип для гнейса и алевролита по ГОСТ 25100-2011. 2. Дайте понятие плотности и пористости грунта. 3. Что такое пластичность и какие грунты обладают пластичностью? 4. Деформационные свойства грунтов, основные показатели? 5. Прочностные свойства грунтов, основные показатели. 6. В каких грунтах может возникнуть процесс набухания, в каких грунтах могут возникнуть просадки? 7. Что такое торф? Особенности строительства на заторфованных грунтах. 1.3. Подземные воды 1.3.1. Классификация подземных вод Подземные воды – воды, находящиеся в верхней части земной коры. Наука о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией. Для строителей подземные воды в первом случае – источник водоснабжения, во втором – фактор, затрудняющий производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод в котлованы и горные выработки. Подземные воды вызывают разрушение материалов, используемых для строительства подземных частей сооружений (фундаментов). В результате взаимодействия подземных вод и горных пород в основании сооружений происходит изменение физико-механических свойств пород, как правило, приводящее к уменьшению прочности. Подземные воды являются одной из причин, вызывающих такие геологические процессы, как просадки лёссовых пород, пучение, оползни, карст, суффозию и другие. В природе наблюдается малый и большой круговорот воды. Малый круговорот происходит по схеме: море – атмосфера − море; большой круговорот: море – атмосфера – суша − море. Осадки, выпавшие на сушу, делятся на три части: испарение, сток и просачивание (инфильтрация) в почву. Образование подземных вод Инфильтрация – просачивание по порам и трещинам горных пород атмосферных осадков, речных и др. вод под действием силы гравитации (верхняя часть земной коры.). Конденсация водяных паров – в пустынях и под фундаментами зданий. Ювенильные воды – пар, горячие источники при вулканической деятельности (при остывании и дегазации магмы). Седиментационные – соленые воды в зонах замедленного водообмена (при уплотнении древних морских осадков). Вода в горных породах существует в двух основных видах – связанная и свободная. Связанная вода подразделяется: – на кристаллизационную, которая находится в кристаллической решетке минералов; – цеалитную, занимающую свободное пространство в кристаллической решетке минералов (SiO2 – кварц, а с nН2О – опал); – конституционную – в виде иона ОН-. Свободная вода подразделяется: − на водяной пар, который занимает все поры, свободные от жидкой воды и образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации. − гигроскопичная – это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием; − пленочная – слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости – способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии); − капиллярная вода – защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами горных пород; − гравитационная – свободная вода, движется под влиянием гравитационных сил (силы тяжести); − лед – в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты). Основные гидрогеологические понятия Водопроницаемые породы – горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения. Водоупорные породы − это горные породы, задерживающие фильтрацию воды (монолитные скальные породы, мерзлые породы, глины). Водоносные породы – горные породы , дающие возможность движения воды в порах и пустотах. Водоносный горизонт − водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт. Уровень грунтовых вод – это граница между зоной аэрации и зоной насыщения. Главные водно-физические свойства горных пород Влажность (W) – отношение массы воды в порах к массе сухого грунта (высушивание при t =105 ºС). Пористость (отношение объема пор к объему грунта) – обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре. Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории: – весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки), – слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески), – невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок). Водоотдача – характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м3 породы путем свободного стока. Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако водонепроницаемы, а песок, с пористостью 30 % – хорошо водопроницаем. По степени водопроницаемости горные породы подразделяют: – на хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст), кф = 3–30, – водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески), кф = 0,3–3, – слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф), кф = 0,005–0,3, – непроницаемые (водоупорные) – мерзлые породы, монолитные породы, глины, кф < 0,005. Коэффициент фильтрации кф (м/час, м/сутки) – скорость движения подземных вод через породу при гидравлическом градиенте I = 1. Основные физические свойства подземных вод (органолептические): температура, цвет, прозрачность, вкус, запах. Химический состав подземных вод Вода является сложным соединением. В природе не существует воды, тем более, подземной, которая не содержала бы в своем составе солей и газов. Часть из них присутствует в виде элементарных и сложных ионов (катионов и анионов), а часть в виде молекул и сложных веществ. В молекулярном и коллоидальном состоянии в подземных водах содержатся органические вещества и кремнекислота – SiO2Н2О. В коллоидальном состоянии могут находиться гидроокись [Fe(OН)3] и окись железа (Fe2O34Н2О), окись алюминия (Al2O3Н2О). В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: двуокись углерода (СО2), сероводород (Н2S), азот (N2), метан (СН4), кислород (О2). Иногда повышенные содержания радиоактивных веществ. Все особенности химического состава подземных вод определяются геологическими условиями и климатическими факторами. Важнейшими ионами, определяющими минерализацию (химический состав) воды являются: анионы – Сl-, SO42- и НСО3-, катионы – Na+, Са2+, Мg2+. Общая минерализация (М, г/л) – сухой остаток после выпаривания 1 л воды (до 1 – пресная, 1–10 – солоноватая, 10–35 – соленая, более 35 – рассолы). Все подземные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСO3-), сульфатные (SO42-) и хлоридные (Сl-). Каждый класс, по преобладающему катиону, делится на три группы: кальциевые (Са2+), натриевые (Na+) и магниевые (Мg2+). Жесткость воды – свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са2+ и Мg2+, и способностью их образовывать плотный нерастворимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется для появления пены. Жесткие воды непригодны для многих производств – бумажного, сахарного, кожевенного и т. д. Выражается в мг-экв, (1 мг-экв жесткости – в 1 л воды содержится 20,4 мг катионов Са и 12,6 мг катионов Мg). Концентрация водородных ионов (рН). Показатель важен для правильного определения химического состава воды. При нейтральной реакции – рН = 7, при кислой – рН < 7,0, при щелочной – рН >7,0. Определяют лакмусовой бумажкой (допустимо 6,5–8,0) Агрессивность подземных вод – свойство подземных вод разрушать горные породы и стройматериалы, в результате соприкосновения. Агрессивность зависит от кислотности подземных вод и скорости их движения. В песчаных грунтах агрессивность проявляется при рН < 7, в глинистых грунтах – при рН < 5. По отношению к бетону различают агрессивности: − углекислая агрессивность проявляется при содержании в воде Н2СО3 высокой концентрации. Показатель агрессивная углекислота – то количество Н2СО3, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение карбоната кальция (карбонатные породы – известняки, мергели). − выщелачивающая агрессивность – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО3-, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО3-. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами. − общекислотная агрессивность – зависит от рН, особенно активна кислая среда (рН<5) – активный растворитель для вмещающих пород (солей, карбонатов), опасна для железобетонных конструкций. − сульфатная агрессивность определяется наличием в водах иона SO42-. Соли серной кислоты обладают опасным свойством притягивать к себе nH2O. Переход ангидрида в гипс дает увеличение объема в 2 раза. При соединении алюмосиликатов с такими водами в результате гидратации на цементе образуется соль Деваля, или цементная бацилла (наросты, вспучивание, крошится бетон). − магнезиальная агрессивность – определяется наличием ионов Mg++, которые легко вступают в соединения, образуя соли, легко растворимые в воде, опасна для железных конструкций. Свободный кислород, рН, SO4-- – приводят к активному действию воды на железные конструкции – коррозия и растворение металлов. Меры борьбы: при общекислотной агрессивности допускается подщелачивание воды при условии малых движений подземных вод, при выявлении сульфатной агрессивности применяют специальные виды цемента. Железные конструкций заменяются другими материалами (чугун, пластмассы и пр.). Применяются различного рода гидроизоляционные материалы. Классификация подземных вод по степени заполнения пористого пространства Подземные воды принято делить на две зоны, неравномерные по мощности: − зона аэрации – это промежуточный слой между атмосферой и подземной гидросферой, пустоты, трещины и поры проницаемых пород не всегда и не везде заполнены водой. Здесь происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или поверхностных вод, и могут возникать скопления временных или сезонных вод: почвенные воды, верховодка. − зона насыщения – все поры в породе заполнены водами, которые подразделяются по гидродинамическому признаку на безнапорные (грунтовые) и напорные (артезианские). Верховодка – это временный водоносный горизонт, возникающий наиболее близко к земной поверхности в зоне аэрации на небольших по площади водоупорных слоях (линзах) при условии обильного питания подземных вод. Особенности: площадь верховодки редко превышает 300 м2, летом, испаряются или инфильтруются на глубину, зимой промерзает, легко загрязняема бытовыми отходами. Безнапорные (грунтовые) воды – это свободные гравитационные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, заключенных в рыхлых четвертичных отложениях или в верхней части коренных пород и развитого на первом от поверхности региональном водоупорном слое. Особенности грунтовых водоносных горизонтов: − имеют свободную поверхность (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному); − при вскрытии грунтовых вод искусственными выработками уровень воды устанавливается на той же самой глубине, на которой появляется; питание грунтовых вод происходит по всей площади их распространения за счет атмосферных осадков, за счет инфильтрации вод из рек и водоемов, поступление подземных напорных вод из более глубоких горизонтов; − дренирование (разгрузка) грунтовых вод осуществляется в основном эрозионной сетью на участках пересечения уровня грунтовых вод с понижениями рельефа, на которых образуются выходы подземных вод на поверхность в виде источников, родников, а также под водой (подводная, подрусловая разгрузка); − тесная взаимосвязь с речными водами, которые могут являться областью дренирования, а также областью питания в период паводков. По условиям залегания безнапорные (грунтовые воды) образуют: грунтовые потоки, бассейны и межпластовые безнапорные воды. Грунтовые потоки – движение грунтовых вод по уклону от области питания к области дренажа. Зеркало грунтовых вод имеет уклон от участков с большим гидростатическим напором к меньшим. Гидростатический напор (H) – абсолютная отметка уровня грунтовых вод в данной точке (высота от уровня мирового океана). Грунтовый бассейн возникает в случае образования водоупорным ложем мульды (впадины). Часто грунтовый бассейн бывает частью грунтового потока. Межпластовые безнапорные воды – водоносный горизонт, расположенный между двумя водоупорами со свободной водной поверхностью. Для грунтовых вод характерен неустановившийся режим (резкие колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года, значительное влияние температуры воздуха на температуру грунтовых вод и изменения химического состава (минерализации) в период межени и паводка). Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками подземных вод, строятся при одновременном замере уровней в колодцах и скважинах и проводятся, как правило, через 0,5, 1, 2, 5, 10 м. Карты гидроизогипс в частности, позволяют выявить взаимосвязь поверхностных и подземных вод. Артезианские (напорные) воды – это подземные воды, залегающие водоносных пластах в виде синклиналей или моноклиналей, между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии и имеющие напор. В отличие от грунтовых (безнапорных) вод артезианские воды ограничены водоупорной кровлей пласта. Особенности артезианских вод: – заполняют водоносный пласт на всю его мощность; – залегают глубже грунтовых вод; – приурочены к водоносным горизонтам, ограниченным слоями водоупорных пород – область питания, как правило, не совпадает с областью их распространения; – находятся в первично сжатом состоянии и при вскрытии их искусственными выработками образуют напор. Установившийся уровень называют пьезометрическим уровнем; – характеризуются более стабильным режимом в отличие от грунтовых вод; – образуют артезианские бассейны и сложные водонапорные системы до 10 горизонтов. Артезианские бассейны – определяются синклинальным залеганием пластов и геологическими структурами (мульды, впадины), образующими понижения в рельефе водоносного горизонта. В каждом артезианском бассейне можно выделить: область питания; область развития напора; область разгрузки. Область питания – область, в которой артезианский водоносный горизонт выходит на поверхность, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и не отличаются от грунтовых вод. По мере погружения под водоупорные породы воды приобретают упругий режим и становятся напорными. Область развития напора – условная линия соединяющая область питания и область разгрузки водоносного горизонта. При вскрытии (искусственными выработками) под влиянием упругого режима вода поднимается вверх на высоту пьезометрического напора. Область разгрузки (дренажа) – область выхода артезианского бассейна на поверхность земли или под толщу аллювиальных или делювиальных отложений на абсолютных отметках ниже абсолютных отметок области питания в виде восходящих источников. Высотное положение области питания и области разгрузки контролирует положение пьезометрического уровня данного водоносного горизонта. Линии, соединяющие равные абсолютные отметки пьезометрических уровней – гидроизопьезы. Карты гидроизопьез помогают определить направление движения потока, участки самоизлива, определяют гидравлическую связь с поверхностными водами. По условиям залегания подземные воды классифицируются: – на поровые воды (собственно поровые и пластово-поровые); – трещинные воды (пластово-трещинные, трещинные, трещинно-жильные); – карстовые (трещинно-карстовые); – воды зоны многолетней мерзлоты (надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные). Классификация подземных вод по характеру их использования – хозяйственно-питьевые; – технические – в производственных процессах и сельском хозяйстве; – промышленные – содержат в растворе полезные ископаемые в промышленном значении (J, Br, Сu и др.); – минеральные – повышенное содержание биологически активных веществ; – термальные – температура более 37 ºС, для теплофикации городов. Вопросы для самопроверки. 1. В какой зоне водообмена располагаются пресные подземные воды? 2. Какая теория объясняет образование подземных вод просачиванием вглубь Земли атмосферных осадков и поверхностных вод? 3. Какие горные породы (грунты) являются водопроницаемыми при коэффициенте фильтрации Кф >1 м/сут.? 4. Какие горные породы (грунты) являются водонепроницаемыми при коэффициенте фильтрации Кф < 0,005 м/сут.? 5. Как называется свойство подземной воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция Са2+ и магния Мg2+? 6. Как называется агрессивность подземных вод по отношению к бетону при повышенном содержании диоксида углерода СО2? 7. Как называется вода, заполняющая поры грунта и передвигающаяся под влиянием силы тяжести, т. е. под влиянием разности напоров? 8. Для каких водоносных горизонтов характерна свободная поверхность, питание по всей площади распространения, нестабильный режим? 9. Как называется уровень, который характеризует линия, соединяющая края наклонного или складчатого водоносного слоя, залегающего между двумя водоупорами и определяющая напор воды? 10. Какие полезные ископаемые добывают из промышленных вод? 1.3.2. Законы движения подземных вод Раздел гидрогеологии, изучающий движения подземных вод, называется динамикой подземных вод. Подземные воды в горных породах движутся путем инфильтрации (зона аэрации) и в виде фильтрационного потока. Характер движения фильтрационного потока может быть ламинарным (грунтовые потоки и трещинные воды при V< 500 м/сут.) и турбулентным (крупные разломы, карст). Различают режимы движения подземных вод: установившийся (скорость, расход, направление – соnst) и неустановившийся, а так же напорный и безнапорный. Подземные воды движутся согласно определенным законам, которые учитываются при гидрогеологических расчетах для устройства водозаборов или для понижения уровня грунтовых вод на строительных площадках. Безнапорные подземные воды перемещаются в зоне насыщения при наличии разности гидравлических напоров. Гидравлический (напорный) градиент I = ∆ Н /L Закон Дарси (для ламинарного движения): Q = кф ∆Н F / L (м3/сут; л/с), Q – расход воды (количество фильтрующейся воды в единицу времени), F – площадь поперечного сечения потока, ∆Н − разность напоров, L – длина пути фильтрации, кф – коэффициент фильтрации, зависящий от физических свойств породы и жидкости (м/сут). Величина кф равна скорости фильтрации при напорном градиенте равном единице. Действительная скорость Vд = Q/Fn, где n – пористость. Формы движения потоков: плоские, радиальные (сходящиеся и расходящиеся), криволинейные. Направление потока можно определить: по карте гидроизогипс − перпендикуляр к двум смежным гидроизогипсам, от более высоких отметок уровня к более низким; методом трех скважин; методом красителей. Типы водозаборов Типы водозаборов: Водозаборами называются сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод. Различают следующие типы водозаборов: – вертикальные – буровые скважины, колодцы; – горизонтальные – галереи, канавы, траншеи; – лучевые – колодцы с водоприемными лучами-фильтрами; – одиночные – состоящие из одной скважины; – групповые – состоящие из нескольких скважин; – совершенные − вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность (до водоупора); – несовершенные − вскрывающие водоносный горизонт не на полную мощность; – строительный водозабор − снижение уровня только на период строительства (временно); – дренаж – снижение уровня на весь период эксплуатации объекта. В результате откачки вода движется к скважине в виде радиального сходящегося потока, из-за трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня (депрессионная воронка), в плане форма круга. В вертикальной плоскости воронка ограничивается кривыми депрессии. Радиус депрессионной воронки (R влияния) и крутизна кривых депрессии зависят от водопроницаемости пород. Необходимость установления радиуса депрессионной воронки необходимо для определения kф водовмещающих пород, при выделении зон санитарной охраны, для определения осушаемых площадей и расстояния между соседними водозаборами. Величина R определяется по аналогии с действующими водозаборами, бурением скважин или по формулам (Кусакина и Зихарда). Производительность скважины определяется дебитом – объемом воды в единицу времени при постоянном уровне (Q, м3/сут). Для решения вопросов водоснабжения расстояние между водозаборами (скважинами), обеспечивающее каждому постоянный дебит должно быть больше двух депрессионных радиусов (> 2R). В случае необходимости понижения уровня грунтовых вод на строительной площадке расстояния между точками водопонижения (скважинами, канавами) не должно превышать 2R, т. е. депрессионные воронки должны пересекаться. Способы водопонижение на строительных площадках: – самотек грунтовых вод – зависит от рельефа местности (откосные дренажные системы, подземные галереи); – принудительная откачка, осуществляемая насосами, иглофильтровыми установками (тонкие металлические трубы 7–9 м, с фильтром на конце), эжекторными иглофильтрами (вакуумное понижение) – пески, супеси с кф – 0,01−1,0 м/сут. Дренаж фундамента – целое инженерное сооружение, представляющее собой систему труб, уложенных в канавы на песчано-гравийную подушку. Траншеи нужной глубины выкапывают под определенным уклоном, соответствующим расчетному, на 20−30 см ниже уровня укладки предполагаемых труб. На дно траншеи укладывают геотекстиль, затем несколько слоев песка и щебня или гравия. Проведенные дренажные трубы засыпают гравием, накрывают геотекстилем и засыпают слоем грунта, после чего можно приступать к строительству фундамента здания или сооружения. Существуют следующие системы дренажей: – линейная схема – поток подземных вод перерезается выше объекта, для понижения уровня на необходимую глубину; – береговой дренаж перехватывает подземные воды вдоль берега со стороны водоема; – систематический дренаж (многолинейная схема применятся при малой мощности водоносного слоя для длительного осушения большой площади); – кольцевой дренаж защищает подвальные помещения отдельных зданий с глубоким фундаментом. Кольцевая дренажная система располагается по контуру защищаемого здания или участка. Действие кольцевого дренажа основано на понижении уровня грунтовых вод внутри защищаемого контура, что обеспечивает защиту от подтопления подземных сооружений и частей зданий. Глубина этого понижения зависит от заглубления труб, галерей или фильтрующей части скважин относительно зеркала грунтовых вод, а также от размеров защищаемого контура. Кольцевые дрены располагаются на некотором удалении от сооружения, благодаря чему они могут быть установлены после его возведения. Кольцевой дренаж выгодно отличается от пластового, который может быть установлен только одновременно со строительством сооружения; – пластовый дренаж служит для защиты сооружений от подтопления грунтовыми водами, укладывается в основании защищаемого сооружения непосредственно на водоносный грунт, гидравлически связан трубчатой дреной со смотровыми колодцами, из которых производится откачка. – пристенная дренажная система состоит из дренажных труб (с фильтрующей обсыпкой), уложенных на водоупорный грунт с наружной стороны сооружения и применяется, в случаях, когда основание сооружения находится на водоупорном грунте. Охрана подземных вод от истощения и загрязнения Под истощением запасов подземных вод подразумевается сработка в процессе отбора вод без восполнения (прогрессирующее понижение динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта). Причиной истощения служит чрезмерный отбор подземных вод крупными водозаборами при необеспеченности питанием эксплуатируемого горизонта. Для борьбы с истощением пресных подземных вод применяются методы регулирования режима водозаборов, рациональное их размещение и др. Загрязнение подземных вод – изменение качества (общей минерализации, органолептических свойств, превышение допустимых компонентов). Выделяют следующие типы загрязнения подземных вод: естественное (минерализованные подземные или морские воды попадают в вышележащие водоносные горизонты), химическое (органическое и неорганическое), бактериальное, радиоактивное, механическое (песок, шлак из сточных вод), тепловое (смешивание с нагретыми технологическими сточными водами). Меры борьбы с загрязнениями подземных вод: очистка сточных вод, создание безотходных производств, перехват профильтровавшихся стоков дренажем, экранирование чаш бассейнов; расположение водозаборов выше по потоку источников загрязнения, устройство зон санитарной охраны. Зоны санитарной охраны (ЗСО) – территории с особым режимом, исключающим загрязнение подземных вод, организуются в составе трёх поясов (СанПиН 2.1.4.1110-02): – первый пояс ЗСО (зона строгого режима) представляет собой окружность, центр которой находится в точке расположения источника водоснабжения при недостаточно защищенном водоносном горизонте радиусом 50 м и 30 м при защищенном. − второй пояс − зона бактериологического загрязнения. − третий пояс − зона химического загрязнения. Размер второго и третьего пояса определяется гидродинамическим расчетным путем Вопросы для самопроверки. 1. Как называется движение подземного потока, при котором струйки воды передвигаются без завихрения, параллельно друг другу? 2. Как называются линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками поверхности (зеркала) подземных вод? 3. Как называется изменение во времени уровня, химического состава, температуры и расхода подземных вод? 4. При каком движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени или эти изменения настолько малы, что для практических целей ими можно пренебречь? 5. Как называется объем воды, выдаваемый скважиной или другим водозаборным сооружением в единицу времени? 6. При каком режиме движения фильтрация подземных вод в полностью водонасыщенных грунтах подчиняется закону Дарси: Q = KфFI (м/сут.). 7. Как называются сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территории строительства? 8. Как называются водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность? 9. Как называют разность между статическим и динамическим уровнем подземных вод в скважине, т. е. величину на которую понижается уровень воды? 10. Как называется загрязнение, характеризуемое попаданием в подземные воды различных примесей, содержащихся в сточных водах (песок, шлак и пр.), преимущественно по крупным трещинам и пустотам? 11. Какие колодцы называются поглощающими и с какой целью их применяют? 1.4. Природные геологические и инженерно-геологические процессы. 1.4.1. Экзогенные процессы и вызванные ими явления Выветриванием называются процессы разрушения и изменения состава горных пород, происходящие под воздействием воздуха, воды, льда, колебаний температуры, жизнедеятельности живых организмов. Выветриванию подвергаются не только природные горные породы и минералы, но и искусственные строительные материалы – стены и фундаменты зданий, подземные и наземные строительные конструкции, коммуникации, трубопроводы и т. д. Наиболее активно процессы выветривания наблюдаются в верхней части земной коры, на контакте с атмосферой (газы, дождь, снег, лед, колебания температуры). В зависимости от характера агентов выветривания выделяют: физическое (механическое), химическое и биологическое выветривание. Физическое выветривание – это механическое разрушение горных пород без изменения их минералогического состава. Его главными причинами являются: резкие изменения температуры, механическое действие замерзающей воды, механическая сила ветра, в том числе с ударами песчинок, переносимых ветром, кристаллизация солей в капиллярах. В результате этих воздействий монолитная порода превращается в глыбы, щебень, дресву, песок. Химическое выветривание – это разрушение и изменение минералогического состава горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических и минеральных кислот. Различают следующие процессы химического выветривания: растворение солей; гидратацию – присоединение воды (переход ангидрита в гипс сопровождается увеличение объема до 30 %); окисление (наиболее интенсивно идет выше уровня грунтовых вод, т. е. в зоне аэрации); гидролиз – преобразование полевых шпатов в глины. По устойчивости к выветриванию различают три типа минералов: высокоустойчивые, среднеустойчивые и неустойчивые (прил. 5). Биологическое выветривание проявляется в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений (разрушение горных пород корнями растений, моллюсками-сверлильщиками, а также лишайниками, и мхами, поглощающими из горных пород различные элементы и концентрирующих их в своей биомассе). Скорость выветривания зависит: – от климатического пояса; – от размера зерен (крупнозернистые выветриваются быстрее, чем мелкозернистые); – от состава, слагающих породу минералов (полиминеральные быстрее, чем мономинеральные); – от генезиса пород (наиболее устойчивы: интрузивные – граниты, диориты, габбро, ультраосновные). Менее устойчивы эффузивные, метаморфические и осадочные породы. Самые мощные коры развиваются по тектоническим нарушениям. Элювий – несмещенные продукты выветривания, накапливаются на выровненных поверхностях, и на водоразделах (еQ). Коэффициент выветрелости рассчитывается по формуле: Кwr = ρв /ρнв), (1) где ρв – плотность выветрелого грунта; ρнв – плотность невыветрелого грунта. Скальные грунты в соответствии с ГОСТ 25100-2011 подразделяют: Кwr ≤ 0,9 – слабовыветрелые, Кwr ≤ 0,8–0,9 – средневыветрелые, Кwr < 0,8 – сильновыветрелые. Коры выветривания – надежные основания для строительства (за счет остаточных связей в минералах). Однако быстро теряют свои свойства при промерзании-оттаивании и при обводнении (элювиальные глины набухают при увлажнении и происходит усадка при высыхании). При производстве строительных работ и эксплуатации объекта следует соблюдать следующие меры борьбы: не допускать простоя котлованов; защитные покрытия на поверхности горных пород (гудрон, бетон, цемент, глина); пропитка различными материалами (жидкое стекло для укрепления песков, гудрон – для щебня, глина для песков); нейтрализация химической активности воды, отвод воды; не доводят котлованы до проектной отметки, выветрившийся слой снимают непосредственно перед укладкой фундамента. Агрессивное воздействие грунтовых вод и коррозионная активность грунтов (выше УГВ в зоне аэрации) на фундаменты и подземные коммуникации нейтрализуют применением сульфатустойчивых цементов и гидроизоляцией их поверхностей, различного вида покрытиями. Геологическая деятельность ветра Разрушительная работа ветра заключается в процессе корразии и дефляции. Корразия (сдирание) – процесс механической эрозии, обтачивания, истирания, шлифования и высверливания массивов горных пород движущимися массами обломочного абразивного материала, перемещаемого ветром. Песчинки, переносимые ветром разрушают горные породы, в результате чего образуются останцы в виде столбов, грибообразные формы, качающиеся камни. Дефляция (выдувание) – ветровой снос рыхлых продуктов. Ветер переносит частицы во взвешенном состоянии глинистые, пылеватые, тонкие пески. Песчаные частицы переносятся ветром по поверхности перекатыванием. Перенос песков и их аккумуляция образует дюны, барханы (подвижные пески). Усиление деятельности ветра возникает вследствие вырубок леса, кустарников, нарушения почвенно-растительного слоя. Борьба с подвижными песками заключается в закреплении склонов растительностью и химическими методами (битуминизация, цементация и пр.), установке щитов и заборов от заносов (зимой вдоль дорог от снега), планировке территорий, проектировании «безаккумулятивных» форм сооружений, пропускающих движущийся песок. Нагрузка ветра влияет на высотные сооружения – раскачивание. Геологическая деятельность атмосферных осадков В деятельности текучих вод различают три этапа: разрушение (размыв), перенос продуктов разрушения, переотложение (аккумуляцию). Движущаяся вниз по склону вода производит разрушение горных пород, которое называется эрозией (лат. – размываю, разрушаю). Различают два вида эрозии: площадной (плоскостной) смыв, и линейную эрозию, при которой происходит врезание в глубину. Площадный смыв (площадная эрозия) – происходит перемещение элювиальных осадков вниз по склону и их переотложение на склоне (возникновение делювиальных отложений). Делювий (dQ) – продукты выветривания, перемещенные водными потоками, накапливающиеся на склонах и у их подножия, состав – суглинки со щебнем и дресвой. Цвет – бурый, коричневато–бурый. Пролювий (рQ) слагает конуса выноса (понижения, примыкающие к склонам), часто за счет селей. Овраг – вытянутое понижение рельефа на склоне, образованное струйчатой эрозией (долина для временных водотоков). Условия образования: ливневые осадки, наличие толщи легко размывающихся пород (песчано-глинистые грунты), отсутствие растительного покрова. В овраге различают устье, ложе и вершину. Овраг растет вершиной вверх по склону. Предельная отметка, до которой возможен размыв – местный базис эрозии (река, в которую впадает временный водоток). Длина оврагов – от первых метров до десятков километров, глубина – до 20–30 м. По мере врезания, сечение оврага вначале имеет V-образную форму, а при достижении профиля равновесия, его сечение приобретает U-образную форму. В дальнейшем размыв засыхает, дно оврага становится плоским, овраг зарастает и превращается в балку. Для замедления или прекращения процесса оврагообразования проводятся: – лесомелиоративные мероприятия (лесозащитные полосы, регулирующие поверхностный сток); – посев трав на склонах оврагов; – строительство водорегулирующих сооружений; – укрепление участков активного размыва – бетонирование, засыпка и др; – распашка только параллельно склонам. Сель – кратковременный разрушительный поток, перегруженный грязекаменным материалом. Объем массы достигает десятков миллионов куб. м. Различают зоны селей: площадь водосбора, канал стока и район конуса выноса. Различают грязекаменные, грязевые и водно-каменные потоки. Причинами возникновения селей являются ливневые дожди, бурное снеготаяние, спуск горных озёр, землетрясения и деятельность человека (подрезка склонов). Предупреждающими мерами борьбы с селями являются наблюдение, прогнозирование, отвод воды, укрепление склонов растительностью. Защитные противоселевые мероприятия – устройство селерегулирующих и селенаправляющих сооружений (пропуск в обход или вдоль защищаемого объекта), селеотстойников (дамбы). Снежные лавины – обрушение массы снега с горных склонов с крутизной от 15о до 50о (падающие и соскальзывающие). Подразделяются на мокрые (снег с водой в весенний период) – скорость 20–50 км/час, и сухие (временное потепление, образование наста и дальнейшее накопление снежных масс) – скорость – 100 км/час. Сопровождаются образованием разрушительной воздушной волны. По характеру движения снежные лавины подразделяются: осовые – снежные оползни на склонах южной экспозиции большой площадью; лотковые – сходят узкой полосой; прыгающие – падают с обрыва в долину. Причины возникновения лавин – накопление осадков, разница температур, землетрясения, звуковые колебания, горнолыжники. Защитные мероприятия: террасирование склонов, посадка леса, направляющие подпорные стенки, дороги в галереи, обстрел козырьков. Геологическая деятельность рек Река – постоянный водоток, в который стекаются все временные ручьи. Бассейн реки – площадь, с которой стекает вода к данной реке. Основные этапы геологической деятельности реки: эрозия (разрушение), перенос продуктов разрушения, переотложение (аккумуляция). Разрушительная работа текучих вод зависит от массы воды и скорости ее течение, которое прямо пропорционально крутизне ее ложа. Движение воды может быть ламинарным или турбулентным. В руслах молодых рек оно всегда турбулентно, эти завихрения, вращения создают подъемную силу, которая переносит мелкие и тонкие частицы, крупные перемещаются по дну, часть вещества переносится в растворенном виде. Продольный профиль реки имеет три участка: в верхней части преобладает донная эрозия, в средней части происходит разрушение берегов (боковая эрозия) и перенос материала, в нижней части – аккумуляция осадков. Профиль равновесия – это нижняя граница, до которой может идти врезание долины при данных геологических условиях, данном гидрогеологическом режиме потока и при данном положении общего базиса эрозии. При уменьшении скорости водного потока донная эрозия уменьшается, и река начинает размывать берега (боковая эрозия). Базис эрозии – уровень моря, или другой бассейн, куда впадает река. Речные долины по форме берегов подразделяются на симметричные и ассиметричные. Формы речных долин: каньоны (ущелья), U-образная, V-образная, корытообразная. Долина реки имеет следующие элементы: русло, дно, пойма, террасы, старицы, тальвег. Русло – часть долины, занятая водным потоком; Пойма – часть долины, заливаемая водой во время весеннего паводка (низкая – ежегодно, высокая – раз в 10 лет); Надпойменные террасы – уступы на склоне долины реки (продольные вдоль склонов долин в виде горизонтальных площадок, поперечные – порождают водопады). По слагаемому материалу террасы делятся: эрозионные (характерны для горных рек), цокольные (покрытые небольшим слоем аллювия) и аккумулятивные или аллювиальные (вложенные и наложенные); Старица – изолированная часть русла реки; Дно – низшая часть долины. Тальвег – условная линия, соединяющая самые глубокие точки дна. При изысканиях для проектирования сооружений одним из обязательных условий является определение уровней воды: – расчетный горизонт высоких вод – средний из наибольших уровней по многолетним наблюдениям; – наивысший горизонт – выше не поднимался 10–15 лет; – меженный – самый низкий горизонт. Кроме донной и боковой эрозии (разрушения) река производит переотложение материала – аккумуляцию (накопление). Аллювиальные отложения (аQ) – отложения, сформированные постоянными водными потоками (реками). В руслах рек накапливаются пески, гравий, галечник, валуны (русловой аллювий); в пойме – суглинки, супесь во время половодий (пойменный аллювий); в старице – глины, торф, илы с растительными остатками (старичный аллювий); в дельтах рек – песчано-глинистые осадки (дельтовый аллювий). Строительные свойства аллювиальных отложений Русловой аллювий – хорошие основания для тяжелых сооружений и мостов. Древний пойменный аллювий обладает просадочными свойствами. Современный пойменный аллювий (высокая влажность) обладает низкой несущей способностью. Старичный аллювий представляют слабые грунты, при строительстве рекомендуются песчаные подушки, сваи. Особенность аллювиальных отложений – неоднородность толщ, наличие линз (грунты с различной сжимаемостью). Основная опасность боковой эрозии, подмыв и обрушение берегов, появление обвалов и оползней. Методы борьбы с боковой эрозией заключаются в укрепление берегов (набережные, подпорные стенки, каменная наброска, укладка железобетонных плит); струенаправляющие стенки, регулирующие направление течения реки. В случае опасности донной эрозии опоры мостов должны опираться на коренные породы, в крайнем случае, на русловой аллювий и иметь достаточное заглубление. Защита от весенних паводков – строительство земляных дамб. Геологическая деятельность моря Морями и океанами постоянно совершается разрушительная и созидательная работа. Геологическая работа моря заключается в разрушении горных пород берегов и дна, переработке привнесенного с континентов реками материала, их перемещение и отложение, формировании огромных толщ различных осадочных пород. Процесс изменения (разрушения) очертания берегов морей, океанов, озер называется абразия (соскабливание), а формирование береговой линии – переработкой берегов. Основные причины абразии: – различные течения – горизонтальные перемещения огромных масс воды (прибрежные, донные, – за счет разницы температур, солености, плотности, ветров); – приливы и отливы – периодические колебания уровня воды (12 час. 16 мин.) за счет притягивающего влияния Луны и Солнца на Землю; – морской прибой – волнообразные колебания (основная разрушительная работа). – химическое воздействие воды (растворение пород и строительных материалов); – разрушительное воздействие морских организмов (планктон, нарастающий на подводных строительных конструкциях). На скорость размыва берегов влияет: – геологическое строение (скальные грунты – разрушаются труднее, дисперсные – легче); – характер напластования горных пород при прочих равных условиях (пологий угол падения от моря – быстрый размыв, пологий угол падения в сторону моря – медленнее, горизонтальное залегание – средний); – наличие пляжей до 20 м – волны гасятся. В результате абразии образуются волноприбойные террасы. Защитными мерами от разрушительного действия абразии являются: сохранение пляжей (даже небольшая полоса пляжа 10 м предохраняет берег от разрушения), волноотбойные стенки (гашение волн), тетраподы (фигуры из бетона с 4 ответвлениями – хорошо закрепляются на берегу за счет конструкции), увеличение пляжей при помощи бунов (задерживают наносы, поперечные железобетонные стены, устанавливаются перпендикулярно или под углом к берегу) и строительство волноломов (на глубине 3–4 м, на расстоянии 30–40 м от берега параллельно береговой линии), Трансгрессия – наступление моря, регрессия – отступление. Причины трансгрессий и регрессий морей и океанов – климатические (атмосферные осадки, таяние ледников) и общегеологические – опускание или поднятие дна океанов и морей или отдельных блоков берега. При невыработанном профиле равновесия происходят мощные процессы формирования берегов и разрушение прибрежных сооружений (молы в портах, причальные стенки, набережные). По мере удаления от береговой линии наблюдается дифференциация обломочного материала от крупных фракций к мелким и формируются морские отложения осадков (mQ): – зона шельфа (глубина – 0–200 м) – пески различной крупности, органогенные и химические осадки; – материковый склон (200 – 2000 м) – органогенные осадки; – океанической ложе (2000–6000 м) – глубоководные илы и глины; – глубоководные впадины (более 6000 м) – глубоководные красные глины. Морские отложения являются хорошими основаниями сооружений (кроме современных прибрежных илов). Геологическая деятельность озер, болот и водохранилищ Озеро – замкнутый водный бассейн, не связанный с морем. По генезису озера подразделяют: – тектонические (грабены, заполненные водой), – вулканические (кратеры вулканов, заполненные водой), – эрозионные – образуются в котловинах размыва; – карстовые – заполненные водой карстовые воронки; – запрудные – запруживание рек в результате обвалов (озеро Рица); – искусственные (плотинные) – водохранилища. Питание озер может осуществляться за счет атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод. Различают бессточные озера (Арал) и проточные (с переменным режимом). По химическому составу различают пресные, солоноватые и соленые озера. Абразионная деятельность озер имеет тот же характер, что и моря. В водохранилищах размыв береговой линии (абразия) неизмеримо более интенсивен, поскольку происходит образование нового профиля равновесия, отличного от прежнего (выработанного рекой), вследствие заполнения всей долины водой. Абразия зависит от колебаний уровня, связанного с наполнением чаши водохранилища и спуска воды гидроэлектростанциями. Переработка берегов постепенно замедляется. Озерные отложения (lQ) представлены вдоль берегов обломочным материалом различной крупности, на дне накапливаются глинистые осадки, илы и пески; в соленых озерах – химические осадки. В озерах формируются специфические образования – сапропель, особые озерные мергели, мел, трепел. Озера в наших широтных условиях часто переходят в стадию болот. Меры борьбы с абразивной деятельностью озер и водохранилищ: – геологические обоснования проектов (изучение, прогноз, рекомендации). – профилактические мероприятия – сохранение и охрана пляжей. – строительство сооружений – молы, дамбы, волноломы, буны. Болото – избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа не менее 30 см в неосушенном виде и не менее 20 см в осушенном. Все остальные избыточно увлажненные площади, не имеющие торфа, а покрытые болотной растительностью (осока, хвощ и пр.) называют заболоченными. Заболачивание – это начальная стадия образования болот. Торф – в той или иной мере разложившиеся растительные остатки. По условиям образования (питания) болота различают: верховые – за счет атмосферных осадков (заболачивание суши), низинные – за счет грунтовых, частично речных и озерных вод (заторфовывание водоемов), переходные – смешанное питание, ключевые болота – за счет выхода грунтовых вод, при отсутствии стока, висячие – находящиеся на склоне. По глубине болота подразделяются: мелкие (до 2 м), средние (2–4 м) и глубокие (более 4 м). Основные характеристики – глубина, рельеф минерального дна, площадь. Болотные отложения, торф (hQ) – это грунты особого состава, состояния и свойств. Болота и заболоченные территории составляют более 10% всей территории России (более 60% мировых запасов торфа). Причины образования болот: – уменьшение водопроницаемости грунтов и распространение водонепроницаемых пород (глины, суглинки); – количество осадков превышает испарение; – отсутствие поверхностного стока и подземного дренирования. Торф – слабый, сильно сжимаемый грунт. При строительстве используют свайные фундаменты или производят полностью или частично выемку торфа (выторфовка). Болота – это природная экосистема. Осушение болот (мелиоративные работы) часто приводят к пожарам торфяников. Геологическая деятельность ледников Ледник – это крупное естественное скопление льда и фирна, образовавшегося из твердых атмосферных осадков в течение длительного времени выше границы снеговой линии. Снеговая граница располагается выше линии с положительным температурным балансом в течение многих лет. Фирн – плотный зернистый снег, образовавшийся в результате давления вышележащих слоев, поверхностного таяния и повторного замерзания воды, просочившейся на глубину. С глубиной количество ледяных прослоев увеличивается, и фирн постепенно переходит в фирновый лед, а затем и в ледниковый (глетчерный) лед. При превращении снега в глетчерный лед резко возрастает плотность осадка: снег – 85 кг/м3, фирн – 500–600 кг/м3, а глетчерный лед – 900–960 кг/м3. Основные типы ледников: – покровные (материковые) – льды залегают сплошным покровом, движутся в сторону океана (Гренландия мощность до 2400 м, Антарктида – 4200 м); – горные – образуются в горах выше снеговой линии, движутся вниз по склонам, образуя потоки в виде языков; – горно-покровные – образуются в горах с плоскими вершинами (Скандинавский полуостров). Лед пластичен и там, где позволяют условия рельефа, начинает течь. Движение ледника начинается, как только мощность льда достигает критической величины (обычно 15–30 м), позволяющей преодолеть силу трения и зависит от угла наклона склона. Скорость движения ледника зависит от мощности льда и его температуры. Экзарация – ледниковая эрозия (лат. еxaratio – выпахивание). Лед, попадая в речную долину, с силой давит на ее ложе и склоны. В первую очередь сдирается весь обломочный материал из речных долин, затем этими обломками, вмерзшими в лед, разрушаются борта долины. Интенсивность ледниковой эрозии зависит от мощности льда и скорости движения ледника, т. е. от уклона долины. После таяния ледника остаются значительные по мощности ледниковые отложения (gQ), называемые моренами. Морена – скопление рыхлого обломочного материала, переносимого или отложенного ледником. По происхождению выделяют следующие типы морен: боковая, срединная, донная, конечная (в виде валов, высотой до 30-40 м). Характерная особенность мореных отложений – отсутствие слоистости и неоднородность состава (валунные глины и суглинки). Флювиогляциальные отложения (fgQ) образуются при размывании морен талыми водами ледника и характеризуются отсортированностью и слоистостью. Обычно представлены толщами песка, галечника, суглинка, ленточных глин. Флювиогляциальные отложения образуют формы рельефа: озы, камы, зандровые поля. Озы представляют собой вытянутые в направлении движения ледника, иногда прерывистые, гряды длинной до 30–70 км. Они сложены косослоистыми песками, галечниками и гравием. Камы – группы и полосы невысоких холмов, разделенных ложбинами и котловинами неправильной формы. Камы сложены слоистым, сортированным песчаным и гравийным материалом, валунами. Зандры – мощные толщи флювиогляциальных песков, гравия и галечников, развивающихся за пределами покровного ледника. Зандровые поля представляют собой слившиеся пологие конуса выноса ледниковых потоков, похоронившие под собой предыдущий рельеф или в значительной мере выровнявшие его. Моренные и флювиогляциальные отложения являются надежными основаниями для сооружений различного типа (исключение составляют ленточные глины, которые в условиях насыщения водой становятся текучими). Отрицательное качество моренных отложений – наличие случайных отдельных валунов, которые ошибочно можно принять за коренные породы и, как следствие, могут возникнуть неравномерные осадки сооружений. При изысканиях необходимо применение геофизических методов. Ледниковые отложения – разнообразные строительные материалы (пески, глины, строительный камень). Движение горных пород на склонах рельефа местности Коллювий (cQ) – продукты выветривания, смещённые вниз по склону под действием силы тяжести. Накапливается в нижних частях склонов и у их подножия преимущественно в виде отдельных конусов или шлейфов. Чаще всего состоит из глыб разного размера и щебня. Сортировка материала практически отсутствует или незначительна. Осыпи – продукты выветривания, накапливающиеся у оснований обрывов или на склонах гор под действием силы тяжести. По признаку подвижности различают действующие, затухающие и неподвижные осыпи. Действующие осыпи в отличие от затухающих лишены всякого рода растительности. Осыпь приходит в движение за счет увеличения общего веса, переувлажнения, подрезки ее нижней части, землетрясений и др. Для защиты сооружений от осыпей применяют: выполаживание или укрепление металлической сетью, опасных участков склонов, организация подпорных стенок или навесов-укрытий для сохранения дорог и трубопроводов, строительство галерей и тоннелей в особо опасных местах (мощные медленно соскальзывающие осыпи). Осыпи – великолепный строительный материал. Курум – нагромождение глыб, медленно сползающих вниз по склону. Распространены в областях распространения многолетнемерзлых пород. По форме подразделятся на «каменные плащи» (поля) и «каменные реки». Образование курумов происходит под воздействием морозного выветривания коренных пород, выпучиванием на поверхность крупного каменного материала и вымыванием мелкого. Движение курумов связано с совместным действием гравитационных сил, сил кристаллизации льда, попеременно замерзающего и оттаивающего в пустотах между обломками и наличию в их основании тонкого супесчано-глинистого материала. При таянии льда этот слой переувлажняется, и каменные глыбы и валуны скользят по нему. Меры борьбы с курумами: осушение глиняной подстилки (отвод вод в верховьях склона нагорными канавами или дренажами), тоннели, перенос дорог на другой склон. Обвал – катастрофическое обрушение массы горных пород без сохранения сплошности блока. Обвал происходит на крутых склонах (более 45º) из-за потери сцепления с основным телом в результате роста трещин отрыва или потери опоры. Меры борьбы: искусственное обрушение при помощи взрывов или клинованием, отвод поверхностных вод, улавливающие стенки, траншеи, в строительных выемках – подпорные и временные шпунтовые стенки. Нельзя перегружать края выемок, подрезать склоны, длительное время оставлять котлованы открытыми в период дождей. Оползень – отрыв масс горных пород и их перемещение вниз по склону под действием силы тяжести почти без нарушения структуры движущегося блока. Причиной оползания может стать: – увеличение крутизны склона при подрезке, подмыве (более 15 градусов), – залегание слоев пород с наклоном в сторону склона, – изменение прочности пород при их увлажнении или под действием сейсмических волн, – действие напора подземных вод или развитие суффозии, – появление дополнительной нагрузки искусственных сооружений, – наличие глинистого водоупорного слоя в основании склона. Развиваются оползни на склонах, в долинах рек, на водохранилищах и в карьерах. По скорости движения различают оползни: соскальзывающие (мгновенное смещение блока) и постепенно сползающие (от долей мм/сутки до нескольких десятков м/час). К внешним признакам оползней относятся: серии концентрических трещин, ориентированных вдоль склонов, бугристость склонов в нижней части, валы выдавливания, террасовидные уступы, пьяный лес, разорванные стволы деревьев, разрушенные дома с трещинами. Трещины отрыва – вертикальные зияющие трещины, заложенные параллельно обрыву или под небольшим углом к нему. Могут возникать как при динамическом воздействии на массив горных пород в результате землетрясений или при взрывных работах, так и под действием силы тяжести. Пьяный лес – потеря вертикальности стволов деревьев в разных направлениях из-за деформаций и постоянного медленного движения грунта. Меры борьбы с оползнями следующие: – водоотводные осушительные мероприятия (устройство покрытий, лотков и осушительных каналов и т. д.); – дренажные работы (продольные и поперечные галереи и шахты, откачки из скважин и колодцев); – покрытия (глинизация, замораживание, битуминизация); – защита от подмыва и размыва берегов рек (выправление русел, покрытия, набережные); – механическое закрепление склона (сваи); – закрепление подпорными и анкерными сооружениями; – перераспределение масс горных пород (контрбанкет, террасирование, полный или частичный съем оползневых масс); – искусственное улучшение свойств пород (цементация, инъекционные завесы, замораживание); – лесомелиорация (сплошное травосеяние, влаголюбивый кустарник). Строительство в зоне действия оползней: заглубление фундамента до коренных устойчивых пород, применение свайных фундаментов, устройство деформационных швов на зданиях, использование каркасных конструкций, применение железобетонных поясов. Карстовые и суффозионные процессы Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся процесс растворения или выщелачивания осадочных горных пород подземными и поверхностными водами (коррозионный процесс). Причины возникновения карста: наличие трещиноватости в растворимых горных породах, движение воды и ее минерализация (наиболее сильно растворяет породы слабоминерализованная вода и содержащая свободную углекислоту), количество осадков, климат. По химическому составу пород различают карст: карбонатный (известняки, реже доломиты), сульфатный (гипс и ангидрит), соляной (галит и сильвин). Наиболее быстро растворяются соли, медленнее сульфаты, трудно растворяются карбонатные породы. Различают наземный и подземный карст. Наземный карст проявляется в многообразии форм: – карры – мелкие борозды и гребни на обнаженных поверхностях карстующихся пород; – воронки – углубления различных форм и размеров (поверхностные и провальные); – блюдца и западины – мелкие карстовые воронки с пологими бортами; – поноры – узкие глубокие отверстия, наклонные или вертикальные, поглощающие поверхностную воду и отводящие её вглубь карстового массива, в результате чего образуются слепые долины. В отличие от них, полуслепые долины сохранили хорошо различимый отрезок долины ниже понора, называемый суходолом; – колодцы и шахты – вертикальные или наклонные карстовые формы образующиеся при дальнейшем развитии поноров, уходящие на глубину в десятки и сотни метров; – башенный карст – одна из последних стадий развития поверхностного карста, при которой подавляющая часть горных пород растворена и вымыта, а самые прочные блоки сохраняются в виде огромных отдельных останцов. Башенный карст характерен для жаркого влажного климата Юго-Восточной Азии. Подземной формой карста являются пещеры – естественные подземные полости (залы и гроты). Ходы между ними, заполненные водой – сифоны. В сильно закарстованных районах наблюдаются пещеры, состоящие из нескольких этажей. Нижний предел развития карста называется базисом коррозии (уровень ближайшей реки). Понижение уровня базиса коррозии вызывает понижение уровня грунтовых вод и, соответственно, активизирует карстовый процесс. Недоучет развития на исследуемой территории карстовых процессов в инженерно-строительной деятельности может привести к катастрофическим последствиям: просадке и провалам жилых зданий над подземными полостями; деформациям железнодорожного или автомобильного полотна; значительной утечке воды из водохранилищ; поступлению грунтовых вод в подземные выработки через карстовые полости. При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на повышение устойчивости и прочности пород – предотвращение доступа воды к карстующимся породам (нагнетание в трещины жидкого стекла, глинистого или цементного раствора) и на прекращение развития карстовых форм – гидроизоляция поверхности жирной глиной, сооружение дренажных систем, откачки, регулирование стоков (ливнеотводы). В карстовых районах предусматривается строительство сооружений малочувствительных к неравномерным осадкам, фундаменты свайного типа или другие специальные конструктивные решения. При проектировании зданий и сооружений в карстовых районах предусматривается проведение комплексных инженерно-геологических изысканий согласно СП 11-105–97 Часть II, в том числе геофизических методов (электроразведка), позволяющих определить формы подземного карста. Суффозия – вымывание мельчайших нерастворимых частиц грунта подземными водами, что часто приводит к образованию суффозионных воронок. Условия возникновения: неоднородность гранулометрического состава и превышение величины критической скорости движения потока. В городских условиях суффозионный процесс может быть спровоцирован хозяйственной деятельностью человека (протечки из подземных коммуникаций, открытый водоотлив из котлованов при сооружении фундаментов). При строительстве объектов на суффозионных грунтах применяют различные способы: – прорезка фундаментами зданий слоя суффозионного грунта; – прекращение фильтрации подземных вод (дренаж, отвод воды, водонепроницаемые завесы); – упрочнение пород (силикатизация, цементация); – применение свайных фундаментов. Мерзлотные процессы Горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми. Скальные грунты при сезонном промерзании и оттаивании активно разрушаются за счет расклинивающего действия замерзающей воды, которая при переходе в твердое состояние увеличивается в объеме на 9,1 %. Дисперсные грунты связные и несвязные при замерзании увеличиваются в объеме и становятся водонепроницаемыми. Разрабатываются как скальные грунты. Несвязные грунты (пески, гравийные грунты и т. д.) при низких значениях влажности практически не изменяют свои свойства в процессе оттаивания и промерзания. Особенно сильно сказывается процесс оттаивания на органических (торф, ил) и глинистых грунтах, которые переходят в текучее состояние и теряют несущую способность (выдавливаются из-под сооружений). При устройстве котлованов необходимо учитывать глубину промерзания df, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов и колеблется от нескольких сантиметров до 2–3 м. Для Екатеринбурга – глубина промерзания составляет 1,8–2,0 м. Величина df определяется: – по карте СНиП, – рассчитывается по формулам, – по итогам многолетних наблюдений. Криолитозона – область распространения многолетнемерзлых пород (в России около 60-70 % территории – 11 млн. км2. Многолетнемерзлыми называют грунты, которые находятся в мерзлом состоянии более 2-3 лет. В России выделяют три зоны многолетнемерзлых грунтов: сплошная мерзлота – крайний север, с мощностью в сотни метров, температура –7–12 ºС; зоны с таликами – участки с талыми грунтами, мощностью 20-60 м, температура –0,2–2 ºС; островная – мерзлые грунты встречаются на отдельных участках, мощностью 10-30 м, температура 0–0,3 ºС. Деятельный слой – верхний слой земной коры в областях холодного и умеренно холодного климата, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию. В зависимости от местоположения, температурного режима деятельный слой может быть сезонноталым или сезонномерзлым. Сезонномерзлый слой – это верхний слой земной коры, подвергающийся промерзанию в зимнее время года. Сезонноталый слой – верхняя часть многолетнемерзлой толщи, оттаивающей в летнее время. При этом в основании сезонноталого слоя залегают мерзлые породы. Основная особенность мерзлых грунтов – наличие льда в виде цемента (массивная текстура), линз и прослоев (сложная текстура) и пересекающихся прослоев в разных направлениях (сетчатая текстура). При оценке свойств мерзлых грунтов имеет значение льдистость (общее количество льда в единице объема грунта). Криогенные процессы Морозное пучение возникает при промерзании деятельного слоя и проявляется в виде локальных поднятий дорожных одежд зимой (увеличение объема породы при промерзании на 10 %), при оттаивании образуются провалы. Меры борьбы – замена пучинистых (пылеватых) грунтов. Выпучивание фундаментов (морозное пучение) приводит к выпиранию столбов, фундаментов из оснований, сложенных глинистыми грунтами. В связи с этим глубина заложения фундаментов должна превышать глубину слоя сезонного промерзания. Бугры пучения (гидролакколиты) – подъем деятельного слоя при промерзании межпластовых вод. Термокарст – проседание земли при оттаивании грунтов в результате нарушения теплового режима поверхностного слоя. Наледь – скопление льда на поверхности в результате излившихся подземных или речных вод. Солифлюкция – оплывание оттаявших пологих склонов южной экспозиции по мерзлым грунтам. Курум – нагромождение глыб, медленно сползающих вниз по склону. Распространены в областях распространения многолетнемерзлых пород. По форме подразделятся на «каменные плащи» (поля) и «каменные реки». Основным правилом строительства на многолетнемерзлых грунтах является прогноз и регулирование температурного состояния мерзлых грунтов. Для предотвращения оттаивания мерзлоты между землей и первым этажом сооружения оставляют вентилируемое пространство, обычно 1–1,5 м. Прокладка коммуникаций осуществляется над поверхностью земли и особое внимание уделяется их тепло- и гидроизоляции. Строительство в районах распространения многолетнемерзлых пород регламентируется специальными СНиП и СН и производится по трем принципам: – с сохранением мерзлоты на весь период эксплуатации (свайные основания); – с предварительным оттаиванием и последующим укреплением основания или его заменой на другие грунты; – на скальном основании – без учета мерзлоты. 1.4.2.Инженерно-геологические (антропогенные) процессы и явления Деформации над горными выработками Деформации поверхности земли могут возникать при проходке подземных выработок (штолен, туннелей, штреков), вызывающих в массиве горных пород перераспределение напряжений. Горное давление – сила давления на крепь, вызванная движением горных пород в сторону выработки. Горное давление зависит от геологического строения района, свойств пород и глубины заложения выработки. Проявляется в виде горных ударов, выбросов пород, пучении, обрушении и сдвижении масс горных пород. В скальных и полускальных грунтах сдвижение происходит быстро в форме обрушения, с образованием трещин и провалов. В пластичных породах сдвижение происходит в виде плавного прогиба, в течение длительного времени. При чередовании пластов, когда скальные породы залегают над пластичными, вся толща работает как жесткая система, если пластичные пласты залегают над скальными, то деформация всей толщи будет пластичной. Сдвижение пластов – деформация пород над горной выработкой. Мульда сдвижения – участок земли, подвергшийся деформации. Меры борьбы с деформациями Рациональная ориентировка здания по отношению к мульде сдвижения (в центральной части мульды – осадка происходит равномерно, а на окраинах – неравномерно со значительными деформациями сооружения). Особенности лессовых грунтов Лессовые породы – особый петрографический тип континентальных отложений, представленные пылеватыми суглинками и супесями. Основные свойства лессов: – сохраняют вертикальный откос в сухом состоянии и быстро размокают в воде; – пылеватых частиц размером 0,05–0,005 мм содержится более 50 %; – имеют пористую структуру (более 40 %) ; – высокое содержание карбонатов и легко растворимых солей; – обладают анизотропностью фильтрационных свойств (по вертикали в 10 раз больше, чем по горизонтали). Просадочные свойства лессов проявляются при замачивании, происходит разрушение и уплотнение за счет веса самой породы и веса сооружения. Уплотнение приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания. Структура лессовых пород не одинакова по своей прочности. Выделяют два типа просадочности: I тип просадочности – лессовые грунты разрушаются при водонасыщении и одновременной нагрузке от сооружения (мощность просадочного слоя 8-10 м). II тип просадочности – лессовые грунты разрушаются при водонасыщении только под собственным весом (мощность – 10-25 м). Тип просадочности определяют в полевых условиях методом штампа. Выбор мероприятий при строительстве на лессовых грунтах зависит от типа просадочности, мощности толщи, конструкции здания: – водозащитные мероприятия – отвод воды, гидроизоляция поверхности, предохранение от утечек; – механические мероприятия – уплотнение, предварительное замачивание, обжиг грунтов, цементация; – конструктивные мероприятия – повышение жесткости стен, прочности стыков, свайные основания, уширение фундамента. Плывуны В строительстве и горном деле плывунами называют – водонасыщенные рыхлые породы (чаще пылеватые пески), которые при вскрытии горными выработками разжижаются и ведут себя как тяжелые вязкие жидкости. Кроме песков плывунными свойствами обладают пылеватые суглинки и супеси. Причина возникновения плывунных свойств грунтов – гидродинамическое давление поровой воды, которое создается в результате перепада давления грунтовых вод при вскрытии горными выработками. Плывуны разделяют на ложные и истинные. Ложные (псевдоплывуны) – различные пески, плывунные свойства которых проявляются при высоком гидродинамическом давлении грунтовых вод. Отличие от истинных плывунов – легко отдают воду, при высыхании образуют рыхлую массу. Истинные плывуны – глинистые пески, пылеватые супеси и суглинки, при малом градиенте, плывут за счет физически связанной воды. Отличие от ложных плывунов – слабая отдача воды, окрашенной за счет глинистых частиц в серый цвет (цементное молоко), при высыхании – сцементированная масса. При проходке строительных выработок плывуны заполняют выработанное пространство, создают трудности при бурении. При прорыве плывунов происходят оползни, провалы поверхности, деформации зданий. Опасны подрезки склонов, вскрывающие плывуны, динамические удары и вибрация. Для борьбы с ложными плывунами применятся следующие мероприятия: осушение котлована на период строительства (откачка при кф > 1 м/сутки), при малых значениях коэффициента фильтрации применяются иглофильтровые установки; изменение физических свойств плывунов (силикатизация – нагнетание жидкого стекла, цементация). Для истинных плывунов применяют ограждение шпунтовыми стенками (шпунтовая крепь перерезает слой плывуна и принимает давление на себя), электрохимическое закрепление и замораживание (поэтапная проходка по 20–30 см в зимний период или циркуляция в скважинах вокруг котлована раствора СаCl 2 при температуре –20–40 ºС). Применяется повышенное давление при проходке. Вопросы для самопроверки. 1. Виды выветривания горных пород. Основные факторы физического и химического выветривания. 2. Охарактеризуйте мероприятия, необходимые для защиты горных пород от выветривания. 3. Как называются несмещенные продукты выветривания, накапливающиеся на выровненных поверхностях и на водоразделах? 4. Как называются продукты выветривания, перемещенные под влиянием силы тяжести и смыва дождевыми водами и накапливающиеся на склонах и у их подножий? 5. Как называется ветровой снос рыхлых продуктов в результате механической силы ветра? 6. В чем заключается геологическая деятельность рек? Как образуются речные долины? Виды аллювиальных отложений, их состав и инженерно-геологическая характеристика. 7. Как называется разрушительная работа волн? Виды морских отложений, их состав и инженерно-геологическая характеристика. 8. Охарактеризуйте геологическую деятельность ледников. Как образуются ледниковые отложения? Виды ледниковых отложений, их состав и инженерно-геологическая характеристика. 9. Причины возникновения болот, условия строительства. 10. Назовите причины возникновения карстового процесса, какие проявления карста вы знаете? 11. Что такое суффозия? Проявление суффозии и меры борьбы. 12 Назовите причины возникновений оползней. 13. Как называется явление, связанное с воздействием воды на структуру грунта с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самого грунта или при суммарном давлении собственного веса и веса сооружения? 14. Как называется участок земной поверхности, подвергшийся деформации горных пород, залегающих непосредственно над горной выработкой? 15. Строительство в районах распространения многолетнемерзлых пород регламентируется специальными СНиП и СН. По каким принципам осуществляется строительство в этих районах? 1.5. Инженерно-геологические изыскания для строительства Проектированием объекта и составлением технического задания занимается инженер-строитель, который должен владеть определенными знаниями по инженерной геологии. Изыскательские работы проводятся организациями, имеющими определенную специализацию по видам строительства (гидротехническому, промышленно-гражданскому, железнодорожному, автодорожному и т. д.). Инженерно-геологические изыскания выполняются на основании нормативных документов СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96, и СП 11-105–97, часть I. Общие правила производства работ, где регламентируется порядок, состав, объемы и виды работ на разных этапах проектирования, состав документации и ответственность сторон. Цель инженерно-геологических изысканий – получение необходимых материалов для проектирования. Основной задачей для инженерно-геологических исследований для промышленного и гражданского строительства является получение информации об инженерно-геологических условиях территории, к которым относятся рельеф, геологическое строение, горные породы и их свойства, гидрогеологические условия, природные геологические и инженерно-геологические процессы, а также прогноз изменения этих условий в процессе строительства и эксплуатации сооружений. Состав и объем инженерно-геологических изысканий зависят от сложности инженерно-геологических условий, стадии проектирования, степени изученности района и других факторов. При наличии на территории проектируемого объекта опасных геологических и инженерно-геологических процессов (карст, оползни и др.) или при производстве работ в районах распространения специфических (элювиальные, просадочные, набухающие, техногенные) грунтов, изыскания проводятся в соответствии СП 11-105–97 Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов и СП 11-105-97 Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов. Результатами проведения инженерно-геологических изысканий являются: – выбор благоприятной в геологическом отношении площадки для строительства объекта; – определение наиболее рациональной конструкции фундамента и технологии производства строительных работ в зависимости от инженерно-геологических условий; – рекомендации мероприятий инженерной защиты территорий и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации сооружений. Производство инженерно-геологических изысканий подразделяется на три этапа: подготовительный, полевой, камеральный. Подготовительный этап Подготовительный этап включает в себя следующие работы: – подготовка технического задания на проведение изысканий с приложениями (топографическая съемка М 1:1000 или М 1:500, выполненная в течение последних 3 лет; название объекта, местоположение, высотность здания, класс ответственности (I и II), нагрузки на фундамент, глубина заложения фундамента в зависимости от глубины или этажности подземных сооружений, расположение сооружения, отмеченное на генплане и ряд дополнительных условий). – согласование программы на производство работ, составленное инженером-геологом на основании: а) технического задания; б) сбора архивных материалов (результаты ранее выполненных инженерно-геологических изысканий на данном участке или близлежащих, включая климат, гидрографию, рельеф); можно использовать инженерно-геологические материалы «не старше» 3 лет; в) рекогносцировки (осмотр места, рельефа, обнажений, водопроявлений, инженерно-геологических процессов, при необходимости – маршруты по сложным участкам) – определяется категория сложности; г) нормативных документов: СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96; СП 11-105–97 Часть I Общие правила производства работ; Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов; Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов, в которых изложены все необходимые объемы полевых работ. Объемы работ для получения необходимых для проектирования материалов, должны соответствовать техническому заданию и нормативным документам. – сметная стоимость проектируемых изысканий согласованная с заказчиком, – договор и сроки выполнения работ. Вся перечисленная документация направляется в отдел архитектуры, существующий при каждом административном образовании для получения разрешения на право производства работ на объекте. По окончании работ необходимо представить технический отчет. Необходимым условием для начала полевого периода является согласование точек заложения разведочных выработок со всеми службами, имеющих собственные интересы на обследуемых площадях (сети водоканала, тепло-газо-коммуникации, кабели, и т. д.) Полевой этап Полевой этап включает в себя проведение следующих видов работ: инженерно-геологическая съемка, проходка горных выработок, геофизические работы, опытные полевые испытания грунтов, гидрогеологические исследования, ведение стационарных наблюдений, выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов. Инженерно-геологическая съемка производится при изысканиях для проектирования крупных объектов (плотины). Масштабы съемки зависят от целей. Для типовых проектов инженерно-геологическая съемка не используется. Проходка горных выработок имеет особое значение при производстве инженерно-геологических изысканий. Горная выработка – это полость в земной коре, образовавшаяся в результате проведения горных работ в толще полезного ископаемого или «пустых» горных пород. Горные выработки подразделяются на открытые (расчистки, закопуши, шурфы, канавы, дудки, карьеры) и подземные (штольни, штреки, шахтные стволы). Шурф – вертикальная горная выработка квадратного или прямоугольного сечения глубиной от первых метров до 20 м. Крепление обязательно, при глубине более 10 м – вентиляция. Дудка – вертикальная горная выработка круглого сечения. Канава – горизонтальная выработка, чаще вытянутой формы (в районах новостроек для укладки коммуникации), при относительно небольшой глубине (первые метры) имеют значительную протяженность до нескольких километров. При поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые канавы проходят вкрест простирания для бороздового опробования. Подземные горные выработки. Шахтный ствол – вертикальная или наклонная горная выработка сечением 2х3, 3х4 и более м, проходимая с поверхности или из подземной горной выработки. Штольня – горизонтальная подземная выработка, имеющая выход на дневную поверхность. Штрек – горизонтальная подземная выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность. Бурение скважин является наиболее эффективным методом позволяющим изучать недра земли. Скважина – это цилиндрическая выработка в земной коре, имеющая поперечное сечение малой величины при относительно большой протяженности. Начало скважины называется устьем, боковая поверхность – стенками, дно – забоем. По назначению скважины (бурение) – геологоразведочные, эксплуатационные, технические. Значение скважин для инженерно-геологических изысканий: – установление геологического разреза с точностью установления границ – 0,25–0,5 м; – определение залегания уровня грунтовых вод; – отбор образцов (керн) и монолитов грунта для определения физических (плотность, влажность – не менее 10 образцов на каждую разность), физико-механических свойств (не менее 6 образцов) и не менее 3 проб воды на химический состав каждого водоносного горизонта (плотность мерзлых грунтов обычно определяется на месте бурения). – проведение полевых опытных испытаний, – проведение гидрогеологических исследований; – ведение стационарных наблюдений; – выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов. Виды бурения: колонковое, ударно-канатное, вибрационное, роторное, ручное, шнековое. Колонковое бурение – вид быстровращательного бурения, при котором разрушение породы происходит по кольцу, а не по всей площади забоя. Внутренняя часть породы в виде керна, при этом, сохраняется. Данная разновидность бурения является основным техническимх средством изысканий для строительства и разведки месторождений твердых полезных ископаемых. Породоразрушающий инструмент применяемый при буровых работах – шарошечное и крестовое долото, буровые коронки различной твердости, пневмоударники. Основные диаметры бурения при проведении изысканий составляют от 50 мм до 500 мм. Бурение может производиться с отбором и без отбора керна (сплошным забоем). Полевая документация заносится в буровые журналы (дата, время, глубины залегания слоев и уровня грунтовых вод, отметки, номера и глубины отбора образцов). Ликвидационный тампонаж скважины проводится после завершения работ. Геофизические работы (магниторазведка, гравиразведка, сейсморазведка, электроразведка, каротаж в сочетании с другими видами работ) решают многочисленные проблемы в инженерной геологии. Сейсморазведка – метод исследований, основанный на измерении скорости прохождения продольных волн по глубине (V2>V1). Электроразведка – метод исследований, основанный на измерении кажущихся сопротивлений грунтов по глубине (ρ2>ρ1), измеряется в Ом/м. Каротаж скважин (электро-, сейсмо-, радиометрический) позволяет изучать пространство вокруг них, различные свойства грунтов (влажность, плотность, трещиноватость т. д.) в естественном залегании. Значение геофизических работ: определение мощности рыхлых отложений, выявление тектонических нарушений, зон повышенной трещиноватости и обводненности, определение гидрогеологических параметров (уровня залегания грунтовых вод, водоупорных пород, направление движения подземных вод), определение состава и состояния свойств грунтов. Полевые исследования грунтов следует проводить при изучении массивов грунтов (в основном песчано-глинистые грунты) в естественном залегании с целью: – расчленение геологического разреза, оконтуривание прослоев и линз слабых грунтов, – определение физико-механических свойств грунтов в условиях естественного залегания, – оценки пространственной изменчивости свойств грунтов, – оценка возможности погружения свай в грунты и несущей способности свай. Полевые штамповые испытания – эталонный метод деформационных испытаний грунтов на сжимаемость Штамп – квадратная или круглая плита, площадью 5000 см2, служащая для передачи давления на грунт при полевых испытаний грунтов методом опытных нагрузок. Давление создается домкратами или платформами с грузом и производится ступенями с выдержкой определенное время до стабилизации осадки. Строится график зависимости осадки штампа от давления и осадки штампа во времени по ступеням нагрузки, определяют деформационные свойства (модуль деформации Е, МПа). Штамповые испытания могут проводиться в скважинах со штампом площадью 600 см2, давление создается платформой с грузом через штангу. Статическое и динамическое зондирование (пенетрация) – определение сопротивления песчаных и глинистых грунтов вдавливанию (статическое) или забивке (динамическое) конусовидного металлического наконечника (зонда) на глубину. По результатам испытаний определяют однородность грунтов по глубине и приближенную количественную оценку свойств грунтов. Прессиометрия определяет деформационные свойства глинистых грунтов. Прессиометр – резиновая цилиндрическая камера, устанавливаемая на необходимой для обследования глубине в скважине и расширяющаяся за счет увеличения давления жидкости или газа нагнетаемого в камеру. Замеряется давление и радиальное перемещение грунта в стенках скважины, что позволяет рассчитать модуль деформации. Крыльчатка (метод вращательного среза) позволяет определить прочностные свойства слабых грунтов и представляет собой четырехлопастной зонд, который опускают в забой скважины, вдавливают и поворачивают вокруг своей оси. Замеряют крутящий момент, что позволяет рассчитать сопротивление грунта сдвигу, величину внутреннего трения φ и удельного сцепления С, МПа. Гидрогеологические исследования (опытно-фильтрационные работы) выполняются в случае распространения или возможности формирования подземных вод в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой (загрязнение, истощение, прогноз подтопления, возможность ухудшения свойств грунтов), для решения вопросов водоснабжения и защиты при строительстве. Гидрогеологическими исследованиями определяются коэффициент фильтрации кф и радиус влияния скважины (депрессионной воронки) в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод. Коэффициент фильтрации для обломочных грунтов определяется откачками воды из скважин. В зависимости от поставленных задач различают: экспресс-откачка (до 0,5 суток), пробные, опытные, опытно-эксплуатационные; одиночные и кустовые откачки из скважин. Строится график откачки (зависимость понижения (S) от времени (t) в полулогарифмическом масштабе). Откачки производятся глубинными или поверхностными насосами (2–2,5 л/с) или эрлифтом «air» – воздух, «lift» – подъем (до 10 л/с). Приборы для замеров глубины залегания уровня подземных вод в скважинах – электроуровнемеры, «хлопушки», манометры для фонтанирующих скважин. Для определения кф для супесей и суглинков применяют методы налива в шурфы и нагнетание воды в скважины. Стационарные наблюдения (режимные) необходимо выполнять для изучения: – динамики развития опасных геологических процессов (карст, оползни, сели, переработка берегов, выветривание и пр.), – изменений состояния свойств грунтов, – изменения уровня, температуры, химического состава подземных вод; – деформации грунтов оснований. Продолжительность не менее одного гидрологического года или сезона проявления процесса с частотой регистрации экстремальных значений. Камеральный этап В течение камерального периода выполняются лабораторные работы, производится обработка результатов полевых работ и лабораторных анализов, составляется отчет. Назначение и состав лабораторных испытаний. – определение физических свойств грунтов: плотность, влажность, пределы пластичности, плотность минеральной части и пр.; – определение механических свойств грунтов: деформационных (модуль деформации Е0 (МПа), прочностных (угол внутреннего трения φ, град, сцепление С, МПа), предела прочности на одноосное сжатие для скальных грунтов (R0,МПа), – определение агрессивности подземных вод и коррозионной активности грунтов; – определение коэффициента фильтрации. Результатом изысканий является составление инженерно-геологического отчета с текстовыми и графическими приложениям (инженерно-геологическая карта для крупных объектов, геологические колонки и разрезы, паспорта лабораторных анализов грунтов и воды и т. д.). Вопросы для самопроверки. 1. Какие карты являются основой для построения инженерно-геологичес-ких, гидрогеологических и других карт, используемых при строительстве? 2. Как называется проекция геологического строения на вертикальную плоскость, построенная по геологической карте и по данным геологоразведочных выработок? 3. Какие работы проводятся во время подготовительного этапа? 4. Какие работы проводятся во время полевого этапа изысканий? 5. Какие существуют виды бурения, при каких видах бурения можно отобрать монолиты грунта ненарушенной структуры? 6. Для определения, каких свойств грунтов необходим отбор монолитов грунта (с сохраненной структурой)? 7. Как называются методы исследования, основанные на свойствах горных пород (удельном электрическом сопротивлении, скорости распространения упругих сейсмических волн, радиоактивности, магнитной восприимчивости и др.)? 8. Для каких грунтов наливы в шурфы и нагнетания в скважины позволяют определить коэффициент фильтрации? 9. Какие свойства грунтов определяют методом штамповых испытаний? 10. Какие свойства для слабых грунтов определяют методом вращательного среза (крыльчатка)? 11. На каком этапе изысканий выполняется обработка полевых материалов и результатов лабораторных анализов, составление инженерно-геологического отчета? 12. Какой документ является основанием для начала производства инженерно-геологических изысканий? 13. Какие горные выработки проходят при инженерно-геологических исследованиях? Охарактеризуйте возможности их использования и задачи, которые решаются с их помощью.