Геология. 38. Удельный вес грунтов
 Скачать 155.87 Kb.
|
|
44. Сопротивление грунтов сдвигу Сопротивляемость грунтов сдвигу является основным фактором, определяющим поведение грунта под нагрузкой, поэтому изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим при инженерно-геологических процессах и в результате воздействия сооружений, имеет большое значение для правильного расчета: устойчивости оснований (несущей способности оснований), заложения откосов плотин, насыпей, дамб, выемок, бортов карьеров, коэффициентов устойчивости склонов, оползневых процессов, расчета давления грунтов на крепи подземных выработок и подпорные стенки. Грунты в основании сооружений, а также при разных отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных а, но и касательных напряжений г. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного состояния, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой (рис. 8.32, а). Следует различать две возможные формы нарушения устойчивости сооружения: плоский и глубокий сдвиг. Плоский сдвиг возникает, главным образом, при относительно невысоких нормальных напряжениях, создаваемых сооружением, и при достаточно высокой плотности грунтов основания. Наиболее характерной формой его проявления является сдвиг сооружения по контакту фундамент-основание или по наиболее слабым прослойкам грунтов в основании. Глубокий сдвиг имеет моего при приложении к основанию, сложенному относительно слабыми грунтами, когда прикладываются значительные нагрузки. В этих случаях сдвиг происходит по некоторой криволинейной поверхности скольжения, заходящей в толщу подстилающих пород на большую глубину. 45. Понятие «Гидрогеология» Гидрогеоло́гия (от др.-греч. ὕδωρ «водность» + геология) — наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движения подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породами, поверхностными водами и атмосферой. В сферу этой науки входят такие вопросы, как динамика подземных вод, гидрогеохимия, поиск и разведка подземных вод, а также мелиоративная и региональная гидрогеология. Гидрогеология тесно связана с геологией (в том числе и с инженерной геологией, литологией, геохимией, геофизикой, геокриологией), географией (в первую очередь, гидрологией и метеорологией) и другими науками о Земле. Она опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования. Данные гидрогеологии используются, в частности, для решения вопросов водоснабжения, мелиорации и ирригации, экологических последствий гидротехнического строительства (водохранилищ и др.), эксплуатации месторождений подземных питьевых, технических, минеральных, промышленных и термальных вод, глубинного захоронения промышленных стоков, а также прогноза водопритоков в транспортные тоннели и горные выработки месторождений твёрдых полезных ископаемых (шахты, карьеры). 46. Теории происхождения подземных вод Относительно происхождения подземных вод существуют различные точки зрения. Фалес Милетский считал (VI—VII вв. до н.э.), что морская вода вгоняется ветром в недра земли и под давлением горных пород выходит на поверхность в виде источников. Марк Витрувий Поллио (I в. до н.э.) полагал, что подземные воды образуются за счет дождевых и талых вод. Аристотель (IV в. до н.э.) думал, что подземные воды образуются путем конденсации паров. Древнегреческий философ Платон считал, что морская вода путем фильтрации попадает в недра, совершая круговорот. Эти идеи в наивной форме повторялась римлянинами Лукрецием и Сенекой, а в эпоху Возрождения — Леонардо да Винчи. Фалес Милетский и его последователи интуитивно полагали, что осадочные породы содержат морскую воду, но они не могли объяснить механизм ее перемещения. Замечательные догадки древних ученых на десятки веков опередили появление эмпирических данных, подтверждающих талассогенность основной массы подземных вод в осадочной толще. М. В. Ломоносов полагал, что воды имеют инфильтрационный генезис, Г. Агрикола считал, что воды образуются путем сгущения паров воды, содержащихся в воздухе. Э. Зюсс в 1902 г. выдвинул теорию ювенильного происхождения вод, т.е. выделения ее из магмы при внедрении в земную кору. Эти воды он назвал «ювенильные (девственные)» в отличие от вод «вадозных (блуждающих)». Названные ученые указали четыре основных источника образования подземных вод. В соответствии с этими источниками в настоящее время существуют четыре теории происхождения подземных вод. 1. Инфильтрационная теория, согласно которой подземные воды образуются в результате просачивания атмосферных и поверхностных осадков в горные породы. По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нем, насыщая породы пористого и пористо-трещиноватого характера, вследствие чего возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. 2. Седиментационно-диагенетическая теория, объясняющая происхождение вод путем проникновения морских иловых вод в толщи пород на различных этапах осадконакопления и позднее (Н.И. Андрусов, В.И. Вернадский). 3. Конденсационная теория, допускающая конденсацию водяных паров атмосферного и почвенного воздуха с образованием капельножидких свободных вод в поверхностных слоях литосферы — за счет конденсации водяных паров в горных породах. В теплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах — от 1 м до нескольких десятков метров от поверхности Земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх — к слою постоянных температур, а в зоне постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях, являясь в знойные периоды года единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири. Оба способа образования подземных вод — путем инфильтрации и за счет конденсации водяных паров атмосферы в породах — главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды иногда называются вадозными (от лат. vadare — идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе. 4. Магматогенная теория (теория Зюсса), согласно которой воды образуются за счет процессов синтеза водорода и кислорода в магматических расплавах. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 г. выдвинул теорию ювенильного происхождения {от шт. juvenilis — девственный). Такие воды, считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при вулканической активности и дифференциации магматической лавы. 47. Виды воды в горных породах В порах и трещинах горных пород всегда содержится вода в парообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют различные классификации видов воды в горных породах. В гидрогеологии и инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А. Ф. Лебедевым (1930 г.), а затем уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характере физико-химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород: 1. Вода в состоянии пара. 2. Физически связанная вода: 1) прочно связанная, или адсорбированная, вода; 2)рыхло или слабо связанная вода. 3. Свободная вода: 1) капиллярная; 2) гравитационная. 4. Вода в твердом состоянии. 5. Вода в кристаллической решетке минералов: 1) конституционная; 2) кристаллизационная; 3) цеолитная. 48. Типы подземных вод Типы подземных вод. - верховодка и грунтовые воды; - грунтовые воды степных районов; - артезианские воды; - трещинно-карстовые воды. Тип I —это временно содержащиеся слои или линзы верховодки, получившей свое название от подстилающих ид линз глинистых пород в зоне аэрации (рис. 4.1). Режим верховодки непостоянен и зависит от количества выпадающих осадков. Иногда верховодка исчезает, что приурочено к засушливому времени или к зимним холодам, когда она может вымерзнуть. Тип II — это грунтовые воды, являющиеся первым от поверхности Земли водоносным горизонтом, который залегает на первом водоупоре и имеет свободную поверхность, т. е. барометрически связан с атмосферой через зону аэрации (рис. 4.1). К III типу подземных вод относятся межпластовые воды, заполняющие водопроницаемые породы в земной коре ниже первого водоупорного слоя, которым подстилаются грунтовые воды (рис. 4.3). Межпластовыми эти воды называются потому, что каждый из водоносных слоев (горизонтов) находится между двумя водоупорными пластами: на нижнем водоупорном слое залегает водопроницаемый слой (например, галечники), перекрываемый верхним водоупорным слоем. 49. Верховодка и грунтовые воды Подземные воды — это воды, находящиеся в верхней части земной коры (до глубины 12-16 км) в жидком, твердом и парообразном состояниях. Основная масса их образуется вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод. Глубина их залегания, направление и интенсивность движения зависят от водопроницаемости пород. К водопроницаемым породам относят галечники, пески, гравий. К водонепроницаемым (водоупорным), практически не пропускающим воду — глины, плотные без трещин горные породы, мерзлые грунты. Слой горной породы, в котором заключена вода, называется водоносным. Классификация подземных вод по типу водонасыщенных грунтов: -поровые, залегающие в песках;-трещинные, наполняющие пустоты твердых скальных пород;-карстовые, находящиеся в известняках, гипсах и подобных им водорастворимых породах. Вода, универсальный растворитель, активно поглощает вещества, входящие в состав пород, и насыщается солями и минералами. В зависимости от концентрации растворенных в воде веществ различают пресную, солоноватую, соленую воду и рассолы. На подземные воды приходится около 2 % от объема всей гидросферы планеты. Под термином «запасы подземных вод» подразумевается: Количество воды, содержащееся в водонасыщенном слое грунта — естественные запасы. Пополнение водоносных горизонтов происходит за счет рек, атмосферных осадков, перетока воды из других водонасыщенных пластов. При оценке запасов подземных вод учитывается среднегодовой объем подземного стока. Объем воды, который может быть использован при вскрытии водоносного горизонта — упругие запасы. Еще один термин — «ресурсы» — обозначает эксплуатационные запасы подземных вод или объем воды заданного качества, который возможно добыть из водоносного горизонта в единицу времени. 50. Артезианские воды Артезианские воды - это подземные воды, заключённые между водоупорными слоями и находящиеся под гидравлическим давлением. Поэтому их часто называются напорными. Обычно встречаются в пределах определенных геологических структур (впадин, мульд, флексур и др. ), образуя артезианские бассейны. При вскрытии буровой скважиной или шурфом артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют. Источники артезианского типа относятся к важнейшим полезным ископаемым. Обычно залегают на глубине от 100 до 1000 метров. Артезианские воды проходят в почве длинный путь, фильтруются, освобождаются от микробов, обогащаются минеральными солями, имеют довольно постоянную температуру, зависящую от глубины залегания водоносного пласта, постоянный минеральный состав. Артезианские воды наиболее безопасны для употребления человеком. А также детьми, потому что интенсивность водообмена у детей гораздо интенсивнее, чем у взрослого человека. Вода на Земле - это замкнутая система, поэтому на качество воды и ее свойства влияет наличие в зоне скважины промышленных предприятий, атомных электростанций, автодороги, свалок, химических предприятий, химчисток, АЗС, животноводческой деятельности, сельскохозяйственной. 51. Трещинные и карстовые воды Скальные горные породы (изверженные, метаморфические и осадочные) разбиты системой трещин различного происхождения. В изверженных породах трещины впервые возникают в период остывания расплавленной магмы и называются трещинами отдельности; размеры их ничтожно малые (волосные) и поэтому значительного количества подземных вод в них не содержится. В верхней части земной коры под действием выветривания в скальных породах образуются трещины выветривания, иногда значительных размеров (до нескольких сантиметров в поперечнике). Глубина этих трещин определяется мощностью наиболее интенсивной зоны выветривания и, как правило, не превышает нескольких десятков метров. В зависимости от физико-географических и геологических условий, а также от состава скальных пород в трещинах выветривания может заключаться то или иное количество подземных вод, которые могут быть безнапорными и напорными. Сильная трещиноватость, а следовательно, и большая водообильность присущи обычно гранитам, известнякам и другим породам. Тектонические трещины также служат путями циркуляции подъемных вод. Сбросы нередко сопровождаются зонами раздробленных пород, по которым подземные воды циркулируют более свободно. Воды и тектонических трещинах земной коры называются жильными. Жильные воды могут на пути своего движения пересекать горизонты порово-пластовых и пластово-трещинных вод, в результате чего образуются смешанные воды. Если напор в трещинных водах больше, чем в пластовых, последние будут питаться трещинными водами, и наоборот. Нередко тектонические трещины являются путями, по которым происходит перелив напорных подземных вод из одного порово-пластового или пластово-трещинного водоносного горизонта в другой. Это имеет место в Донбассе, где благодаря наличию многочисленных тектонических нарушений водоносные горизонты, приуроченные к трещиноватым песчаникам и известнякам, имеют вид разобщенных блоков, занимающих различное гипсометрическое положение. Сообщение между отдельными водоносными горизонтами — блоками осуществляется по тектоническим трещинам. К глубоким трещинам в земной коре приурочены многие минеральные и термальные источники. Воды подобных источников иногда выносят на поверхность земли в растворенном виде элементы, не встречающиеся в подземных водах, циркулирующих в верхних зонах земной коры. 52. Подземные воды криолитозоны Образование многолетнемерзлых пород, являющихся водоупорами, сильно изменило условия водообмена атмосферных и подземных вод в криолитозоне. Большая часть пресных подземных вод в криолитозоне приурочена к таликам. Таликами, или талыми зонами, называются толщи талых горных пород, которые развиты на поверхности земли или под водоемами и реками и которые непрерывно существуют более десятка лет. Если талики подстилаются снизу мерзлыми породами, то они называются надмерзлотными, или несквозными, а если талики только обрамляются по бокам мерзлыми породами, как стенками, то они носят название сквозных. Талики также могут быть межмерзлотными и внутримерз- лотными в виде линз «тоннелей», «трубы», ограничены со всех сторон мерзлыми породами. Подземные воды криолитозоны по отношению к мерзлым породам — криогенным водоупорам — подразделяются на: 1) надмерзлотные; 2) межмерзлотные; 3) внутримерзлотные и 4) подмерзлотные воды. 1.Надмерзлотные подземные воды подразделяются на временные воды деятельного слоя и постоянные воды несквозных таликов. Временные воды существуют только летом, и глубина их залегания не превышает кровли мерзлых пород. Воды имеют важное значение для процессов солифлюкции, образования курумов, оплывин, пучения пород. Постоянные воды связаны с несквозными таликами над кровлей мерзлых пород, и они отвечают за образование гидролакколитов, бугров пучения, наледей. 2.Межмерзлотные воды обычно располагаются между двумя слоями мерзлых пород, например между голоценовым верхним и реликтовым, позднемиоценовым, нижним. Эти воды чаще всего динамически не активны. 3.Внутримерзлотные воды, о чем говорит их название, существуют внутри толщи мерзлых пород и находятся в замкнутых объемах, будучи приуроченными к таликам в карстующихся известняках. 4.Подмерзлотные воды циркулируют вблизи подошвы мерзлой толщи, обладают положительными температурами, иногда слабо или сильно минерализованы и могут быть напорными и ненапорными, а также контактирующими с мерзлой породой или неконтактирующи- ми, т. е. отделенными слоем талых пород от мерзлых. 53. Классификация подземных вод Ф.П. Саваренского В истории развития гидрогеологии были предложены самые различные классификации подземных вод. Здесь принципиально важным различием является выделение классификационных признаков. С этой точки зрения все классификации можно условно разделить на химические общие и частные химически связанные с ионно-солевым и газовым составом вод (В.И. Вернандский, Н.И. Толстихин, О.А. Алекин, В.А. Сулин и др.). Общие охватывают глобальные условия деятельности подземных вод или сочетают в себе много классификационных признаков. Другими словами, они представляют собой сочетание признаков, дающих некоторую закономерную общность жизни подземных вод. Примерами таких классификаций являются классификации А.М. Овчинникова и Ф.П. Саваренского по условиям залегания и режиму подземных вод. Частные классификации систематизируют подземные воды по одному или нескольким признакам, то есть представляют частные случаи деятельности подземных вод, к таким классификациям можно отнести Б.Л. Личкова, О.К. Ланге, А.М. Жирмунского, А.А. Козырева и многих других. Сюда относятся классификации Н.И. Толстихина подземных вод криолитозоны, А.Н. Токарева – радиоактивных подземных вод и др. Наиболее употребительными следует назвать классификации Ф.П. Саваренского и А.М. Овчинникова, которые имеют много общих черт, и которые положены в основу дальнейшего рассмотрения подземных вод. |