Инженерная геология для строительства

СОДЕРЖАНИЕ

1. Объясните значение инженерной геологии для строительства, в частности, для организации водоснабжения и водоотведения.

2. Опишите минералы (табл. 1) и породы (табл. 2), отвечая на вопросы, помещенные в примечаниях к этим таблицам

3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, знание которых необходимо для проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные свойства грунтовых отложений (табл. 3)

4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возрастов пород, назовите эры и периоды геологической истории Земли

5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушения форм залегания пород (табл. б). Покажите зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участку, состава и обводненности пород

6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите эти процессы (табл. 7) и возможные защитные мероприятия

7. Приведите классификацию подземных вод. Опишите фазовые состояния воды в породах, а также условия залегания и движения подземных вод.

8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу

9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (табл. 9)

Список литературы

1. Объясните значение инженерной геологии для строительства, в частности, для организации водоснабжения и водоотведения.

В процессе инженерно-геологических исследований собирают сведения о физико-географической обстановке, климате, растительности, животном мире, об опыте строительства и эксплуатации сооружений, экономике и т. д. Эти данные о свойствах сред, внешних по отношению к геологической (атмосферы, поверхностной гидросферы, биосферы искусственной среды), являются результатами исследований других наук. Инженерам-геологам они необходимы для оценки набора, характера и интенсивности взаимодействий других сред — систем с изучаемой литосистемой. Кроме того, они нередко используются для оценки свойств геологической среды (например, метод ландшафтных индикаторов при проведении среднемасштабной инженерно-геологической съемки). Взаимодействия геологической среды с другими средами проявляются в форме экзогенных геологических процессов. Для изучения процессов нужно знать, где, как, с какой интенсивностью и какие входы литосистемы взаимодействуют с элементами других систем. Знание набора взаимодействий, интенсивности и вклада каждого взаимодействия, характера и скорости изменения отношений, свойств и структуры геологической среды, обусловленных взаимодействиями с другими средами, дает надежную основу для понимания экзогенных геологических процессов и их количественного прогноза. Данные о свойствах других сред используются также для решения ряда вопросов, возникающих при планировании и проектировании сооружений (например, обоснование возможности и целесообразности строительства сооружений на данной территории с учетом экологического, экономического и других критериев эффективности). В процессе геологических работ (или исследований) изучают инженерно-геологические условия некоторой территории.

Для инженерной геологии важнейшее значение имеет гидрогеологическое строение верхней части геологической среды, включающей первый от поверхности водоносный горизонт и приповерхностные слои горных пород, обводняемые в результате строительства. В процессе инженерно-геологических исследований помимо гидрогеологического строения изучают и гидродинамические свойства литосферы: направление и скорость движения подземных вод, области питания, транзита и разгрузки, связи водоносных горизонтов. Кроме того, изучают состав, состояние и свойства подземных вод и их взаимодействия с горными породами и сооружениями.

Инженерно-геологическую оценку некоторой территории, а точнее, некоторой области литосферы внутри границ этой территории производят на всех этапах инженерно-геологических исследований. Оценку дают при составлении проекта инженерно-геологических исследований, во время проведения полевых работ, в процессе камеральной обработки полученной инженерно-геологической информации и составления, отчетных инженерно-геологических документов. Для оценки инженерно-геологических условий осуществления хозяйственной деятельности используют информацию о структуре и свойствах геологической среды и процессах ее движения, об экзогенных геологических, в том числе инженерно-геологических, процессах.

2. Опишите минералы (табл. 1) и породы (табл. 2), отвечая на вопросы, помещенные в примечаниях к этим таблицам

3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, знание которых необходимо для проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные свойства грунтовых отложений (табл. 3)

Для проектирования и строительства необходимо знание о следующих свойствах горных пород:

Минеральный состав горных пород: породообразующие минералы, количество минералов в породе, их свойства, состав.

Агрегатное состояние - минералы пород могут находиться не только в кристаллическом и аморфном состоянии, но и в коллоидном (глинистые).

Химический состав пород.

Структуры горных пород.

Текстуры пород.

Трещиноватость характерна для монолитных ОГП (брекчия, известняк, опока), но проявляется в разной степени (известняки всегда сильно трещиноваты; массивы гипса не бывают трещиноватыми).

Прочность горных пород.

Важной характеристикой горных пород является пористость , оказывающая влияние на прочностные и водные свойства (песчаники 10 -15%, ракушечник 30 - 40%, пески 30 - 40%, глины и суглинки 40 - 50%, ил 70 -80%);

Способность к доуплотнению характерна для песчаных пород, которые чутко реагируют на вибрацию (землетрясение, работа механизмов и т.п.); глинистые породы способны впитывать воду, набухать, увеличиваясь в объёме при замачивании. Это явление может привести даже к деформациям сооружений. Не менее опасно и уплотнение глинистых пород при высыхании, когда они уменьшаются в объёме, что также может привести к неравномерной осадке сооружения (например, Пизанская башня) и даже к его деформации. ОГП, содержащие глинистые частицы, при увлажнении способны переходить сначала в пластичное состояние, а затем и в текучее.

Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя (фильтровать) воду может проявляться у горных пород в зависимости от их трещиноватости (известняк), но ещё в большей степени – от их пористости

Химическая активность горных пород выражается в их взаимодействии с 10%-ной соляной кислотой HCl. Осадочные породы, содержащие карбонат кальция, бурно реагируют с кислотой (лёсс, известняк, ракушечник, мел, мергель и обломочные породы, скреплённые карбонатным цементом). Другие породы могут растворяться в кислоте без бурных реакций (гипс и т. п.).

МОРСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ

В морях накапливаются исключительно разнообразные осадки, роль которых в формировании земной коры во все времена была чрезвычайно велика. Материал, растворенный в морских водах, усваивается биосом, который фильтрует воды. Всего полгода требуется для того, чтобы биос профильтровал через себя всю воду Мирового океана.

Накопление осадков в морях контролируется разнообразными факторами, к которым относятся и поступление материала с суши, и климатическая зональность, характер течений, глубина бассейна, соленость, биопродуктивность поверхностных вод и другие. Распределение осадочного материала в современных морях весьма неравномерно. Имеются участки на дне, где мощность отложений нулевая в результате размыва и, вместе с тем, на пассивных окраинах у континентального склона мощность осадков достигает 15 км.

По происхождению различают океанические осадки следующих типов:

1. Терригенные, образующиеся за счет разрушения горных пород суши и последующего их сноса реками в океаны.

2. Биогенные, формирующиеся на океанском дне за счет отмерших организмов, главным образом, их скелетов.

3. Хемогенные, связанные с выпадением из морской воды некоторых химических элементов.

4. Вулканогенные, накапливающиеся в результате извержений как на самом океаническом дне, так и за счет тефры, приносимой ветрами после вулканических извержений на суше.

5. Полигенные. т.е. смешанные осадки разного происхождения.

В строительстве активно применяется известняк, а так же различные ракушняки в целях декоративного оформления.

4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возрастов пород, назовите эры и периоды геологической истории Земли

Одной из главных задач геологии является воссоздание истории развития Земли и ее отдельных регионов. Сделать это возможно, если только известна последовательность геологических событий, если мы знаем относительный возраст осадочных отложений, слои которых перекрывают друг друга, если мы определили последовательность внедрения интрузивных тел и их соотношение с вмещающими горными породами.

Геология прошла долгий путь, прежде чем соотношения между горными породами стали очевидными и всем понятными принципами, на которых основываются все наблюдения.

1. Во первых, было установлено, что каждый слой отделяется от соседнего ясно выраженной поверхностью. В современных палеогеографических обстановках, в океанах, морях, озерах слои накапливаются горизонтально и параллельно. Этот принцип первичной горизонтальности оказался важным для следующего вывода.

2. В 1669 г. Николо Стено выдвинул принцип суперпозиции, заключавшийся в признании того факта, что каждый вышележащий в разрезе слой моложе нижележащего. Т.е., у каждого слоя есть кровля и есть подошва независимо от того, как эти слои залегают в настоящее время. Они могут быть смяты в складки тектоническими движениями, они могут быть даже перевернуты. Все равно кровля слоя остается кровлей, а подошва — подошвой.

3. Если в каком-нибудь слое находится обломок, валун, глыба какой-то другой породы, то она древнее, чем этом слой. Точно также и в интрузивных образованиях и в лавовых потоках любое включение — ксенолит является более древним. Это положение можно назвать принципом включений.

4. Знаменитый английский геолог Джеймс Хаттон установил принцип пересечения, заключающийся в том, что любое тело как изверженных, так и осадочных пород, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев.

Перечисленные выше принципы анализа взаимоотношений слоистых толщ и изверженных пород дают возможность правильно выявить относительную последовательность геологических событий.

Абсолютный возраст пород устанавливается при помощи использования радиоактивного распада элементов.

Многочисленные попытки найти в макромире часы, которые бы позволяли надежно устанавливать возраст горных пород и руд, время проявления и длительность геологических процессов, не увенчались успехом. Такие часы скрывались в микроскопическом мире атомов, и обнаружение их стало возможным только после открытия в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем явления радиоактивного распада. Было также установлено, что процесс радиоактивного распада происходит с постоянной скоростью, как на нашей Земле, так и в Солнечной системе. На этом основании П. Кюри (1902) и независимо от него Э. Резерфорд (1902) высказали мысль о возможности использования радиоактивного распада элементов в качестве меры геологического времени. Так наука в начале XX столетия подошла к созданию часов, основанных на радиоактивных природных превращениях, ход которых не зависим от геологических и астрономических явлений.

Используются следующие методы: альфа, бета распады, К-захват, спонтанное деление ядра. Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада. По этому признаку различают: уран-торий-свинцовый (часто уран-свинцовый), калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, рений-осмиевый и др. методы. Иногда названия даются только по конечному (стабильному) продукту радиоактивного превращения: свинцовый, аргоновый, стронциевый методы и т. д.

Т₂ – Мезозойская эра, Триасовый период, Среднетриасовый отдел

О₁ – Палеозойская эра, Ордовкикский период, Нижнеордовикский отдел отдел

С₂ – Палеозойская эра, Каменноугольный период, Среднекаменноугольный отдел

Т₁ – Мезозойская эра, Триасовый период, Нижнетриасовый отдел

5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушения форм залегания пород (табл. б). Покажите зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участку, состава и обводненности пород

Земная кора постоянно испытывает движения, чаше всего очень медленные, но при землетрясениях очень быстрые, почти мгновенные. Известно много мест на земном шаре, где целые города оказались сейчас на дне моря, а некоторые портовые сооружения - на суше. Земная кора испытывает не только вертикальные, но и горизонтальные перемещения, причем их скорость составляет десяток см в год. Иными словами, земная кора как бы «дышит», постоянно находясь в медленном движении. Сущность процессов внутренней динамики заключается в выходе на поверхность внутренних сил Земли, в виде тектонических движений, магматизма.

СТУПЕНЧАТЫЙ СБРОС

Рис. 2. Ступенчатый сброс

Несколько сбросов, идущие один за другим, называются ступенчатым сбросом.

СБРОС

Рис. 3. Элементы сброса. Блоки (крылья): I - поперечный разрез: 1 - поднятый (лежачий), 2 - опущенный (висячий), 3 - сместитель; амплитуда: 4 - по сместителю, 5 -стратиграфическая, 6 - вертикальная, 7 - горизонтальная. II - А - сброс и Б - взброс. Обозначения одинаковы.

При сбросе поверхность разрыва наклонена в сторону опушенного блока. Смещение имеет вертикальную и горизонтальную компоненты. Сбросом будет называться разрыв, поверхность которого наклонена в сторону относительно опушенного блока или крыла.

В зависимости от геологических особенностей конкретного района оценка силы землетрясения может меняться в большую или меньшую сторону. Породы делят на категории по сейсмическим свойствам:

Породы I категории уменьшают оценку силы землетрясений на 1 балл от общей оценки по сейсмической карте района, т. е. последствия землетрясений будут менее катастрофичны. К ней относятся: скальные, например, граниты, гнейсы, известняки, песчаники; полускальные, например, мергель, глинистые песчаники, туфы, гипсы породы, крупнообломочные особо плотные породы при глубине залегания грунтовых вод более 15 метров.

Породы II категории по своим сейсмическим свойствам свою исходную бальность сохраняют без изменения. Это глины и суглинки, находящиеся в твердом состоянии, пески и супеси при глубине залегания грунтовых вод менее 8 метров, крупнообломочные породы при глубине залегания грунтовых вод от 8 до 10 метров.

Породы III категории на участках таких пород при оценке последствий землетрясений балл повышают на единицу, т. е. последствия землетрясения на такой площадке будут более разрушительными. К таким породам относят: глины и суглинки, находящиеся в пластичном состоянии, пески и супеси при глубине залегания грунтовых вод менее 4 метров, крупнообломочные породы при глубине залегания грунтовых вод 3 метров.

Крайне опасным для строительства являются участки с сильно расчлененным рельефом, слоны оврагов и ущелий, берега рек. Весьма затруднительно строить при высоком залегании уровня грунтовых вод (1-3 метра). Опасны для строительства оползневые и карстовые участки. Следует учитывать, что наибольшие разрушения происходят на заболоченных территориях, на обводненных пылеватых, на лессовых недоуплотнённых породах.

6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите эти процессы (табл. 7) и возможные защитные мероприятия

Процессы внешней динамики Земли вызываются процессами, происходящими на поверхности Земли, с участием всех компонентов окружающей среды – воды, воздуха, ветра, Солнца, литосферы, силами гравитации, химическими реакциями и пр.

ОБВАЛЫ

Если горные породы приобретают неустойчивое состояние, то в один прекрасный момент под действием силы тяжести может произойти обвал. Причин создания неустойчивости может быть много. Это и землетрясение, подмыв рекой берега реки или морская абразия, выветривание, прокладка дорог в горной местности, излишнее обводнение. Очевидно, что наиболее благоприятные условия для обвалов создаются в верхних частях скалистых горных склонов или хребтов. Обвалившаяся масса материала, состоящая из глыб, обломков щебня, грубого песка, обычно плохо сортирована, но крупные обломки скатываются по склону ниже всего. Любой материал, образовавшийся обвальным путем, называется коллювием, который образует обвальные шлейфы у подножья вертикальных обрывов.

Сложенные массивными известняками вертикальные обрывы, высотой в десятки метров, постепенно отделяются трещинами от основной массы известняков, наклоняются и, наконец, обрушиваются вниз по склону.

Обвалы могут иметь очень большие объемы. Так, в долине Баксана на Северном Кавказе недалеко от Эльбруса в конце позднего плейстоцена, примерно 30 тыс. лет назад произошел грандиозный обвал с гор Андырчи и Курымычи, высотой около 4 км, расположенных на правом склоне долины. Причиной обвала было по-видимому, землетрясение. Огромные глыбы серых гранитов перекрыли концевую часть ледника и на несколько десятков метров «выплеснулись» вверх на противоположный склон долины. Выше по течению реки от обвала во время таяния ледника образовалось озеро. И сейчас этот колоссальный обвальный шлейф перегораживает долину Баксана и называется Тюбеле (тюрек, «тюбеле» - вал) (рис. 1).

Рис. 1. Формирование вала Тюбеле в долине Баксана (Северный Кавказа) (по Е.Е.Милановскому и Н.В.Короновскому). I - верхнеплейстоценовый ледник в долине Баксана перекрыт обвалом гранитных глыб с г.Андырчи:1 -ледник, 2 обвал; II - ледник отступил и обвальная масса осела: 3 - современная р.Баксан; III - поперечный профиль обвала, выше которого сформировалось озеро (4), впоследствие спущенное. Черная жирная стрелка - место прорыва озера.

Небольшие обвалы и камнепады происходят в горах после каждого сильного дождя или во время таяния снегов. Продвижение обвалов на значительные расстояния и, особенно, на противоположный склон, когда обвальная масса движется вверх, казалось, бы вопреки силы тяжести объясняется, во-первых, большой энергией и скоростью массы, во-вторых, срыванием дерна с поверхности, который служит «смазкой» и, в-третьих, захватыванием фронтальной частью массы воздуха, который сжавшись, играет роль воздушной подушки, уменьшая трение. Этим объясняется своеобразное «выстреливание» обвальной массы на значительные расстояния.

МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ

Процессы морозного пучения связаны с образованием льда и увеличением объема породы в деятельном слое, сложенном тонкодисперсными породами и торфяниками. Отдельные многолетние бугры пучения, достигают в высоту* 15-20 м, и в диаметре до 100 м, но чаще - меньше.

Мерзлые породы чрезвычайно чувствительны к любому, даже самому незначительному техногенному нарушению природного теплового режима. Строительство дорог, нефте- и газопроводов, вырубка леса, даже след от трактора, тут же приводит к изменению теплового равновесия, начинается усиление протаивания и развитие термокарста, бороться с которым очень трудно. В настоящее время защитными мероприятиями являются лишь профилактические – недопущения образования льда и увеличением объема породы в деятельном слое, соблюдение температурного режима.

7. Приведите классификацию подземных вод. Опишите фазовые состояния воды


29-04-2015, 00:41