Геология лекции. Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство
 Скачать 7.71 Mb.
|
|
1.4. Глобальная геотектоника Платформа (Русская, Сибирская) – кристаллический фундамент перекрытый чехлом горизонтально залегающих осадочных пород – устойчивая малоподвижная структура. Щит – кристаллический фундамент, вышедший на поверхность (Балтийский, Скандинавский). Геосинклиналь – подвижный участок земной коры между платформами. Типы тектонических движений Колебательные – 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. Складчатые(пликативные) движения – смятие горизонтальных пластов (рис. 15) в складки без разрыва сплошности пород. Моноклиналь – общий наклон слоев в одну сторону. Флексура – коленообразная складка. Антиклиналь – складка, обращенная вершиной вверх (рис. 15). Синклиналь – складка, обращенная вершиной вниз.   Рис. 15 Фотографии: слева – горизонтальное залегание слоев, справа – антиклинальная складка Разрывные (дизъюнктивные) движения – разрывы слоев и массивов горных пород. Типы разрывных нарушений Сброс – опускание одного блока толщи относительно другой в результате сил растяжения, при наличии нескольких разрывов возникает ступенчатый сброс (рис.16). Взброс – поднятие одной части толщи относительно другой в результате сжимающих сил. Надвиг – смещение толщ в горизонтальной или близкой к горизонту плоскости в результате сил сжатия. Сдвиг – смещение толщ горных пород вдоль разлома.  Рис.16 Схема сдвига, сброса и взброса Грабен – опускание участка земной коры между двумя крупными разрывами. Горст – поднятие участка земной коры между двумя крупными разрывами. 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. 1. 5. Вулканизм и сейсмические явления Землетрясения происходят только в районах геосинклиналей, точнее в зонах, 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. Землетрясения – одно из наиболее страшных природных катастроф, уносящих десятки и сотни тысяч человеческих жизней и приносящих огромный материальный ущерб. От землетрясений за историческое время погибло 13 млн. человек (что намного меньше погибших в войнах). Примеры: Ашхабад (5.10.1948 г.) – более 100 тыс. чел.; Спитак (7.12.1988) – 28854 чел. (неофициально 55 тыс. чел.); Нефтегорск на Сахалине (1995) – 2 тыс. чел. Для сравнения: Китай (1920) – 200 тыс. чел, Токио и Иокогама (1923) – 150 тыс. чел., Токио (1703) – 200 тыс. чел., японский город Неддо (1730) – 137 тыс. чел., Италия (1980) – 3100 чел., Иран (1981) – 2500 чел. 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 пород определяет силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию. Чем меньше объем очага, тем слабее толчки. 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: 1) мелкофокусные землетрясения – до 70 км, 2) среднефокусные – 70–300 км, 3) глубокофокусные – 300–700 км. Чаще очаги землетрясений находятся на глубине 10–30 км, т.е. в нижней части литосферы. Из гипоцентра распространяются упругие колебания в виде продольных и поперечных волн. Продольные называются Р-волны (primary – первые, т.к. они приходят первыми к поверхности земли). Продольные волны вызывают сжатие и растяжение среды в направлении их движения. Распространяются в любой среде, скорость зависит от вещества породы (в песках 0,7–1,6 км/сек, в гранитах 1,5–5,6 км/сек, в воде – 1,5 км/сек. Поперечные волны при своем распространении сдвигают частицы под прямым углом к направлению своего пути. Они распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформацию сдвига, не распространяются в жидкостях и газах, т.к. их модуль сдвига равен 0. Скорость Vs в 1,7 раза меньше Vр. Период волн от долей сек до 5 сек. Поверхностные сейсмические волны L наблюдаются на поверхности земли, скорость их в 2 раза ниже Vs. Они затухают быстрее на расстоянии, но не менее опасны. Оценка силы землетрясения производится при помощи сейсмографов. Принцип работы сейсмографа основан на неподвижности маятника, который подвешен на тонкой пружине. Маятник имеет рамку, которая находится в поле постоянного магнита, и чувствительный гальванометр-самописец, колебания которого записывает самописец. Получается непрерывная сейсмограмма, отражающая перемещения грунта в какой-то одной плоскости. Для записи колебаний в трех направлениях нужны три сейсмографа с разными рамками. Расшифровка сейсмограмм заключается в фиксировании точного времени прихода различных волн P, S, L, R (Лява и Рэлея) и их интерпретации, т.к. они приходят не только с разной скоростью, но и с разных сторон. Определив время прихода разных волн и зная скорость их распространения, можно определить расстояние до очага – гипоцентра землетрясения. Существующая мировая сеть сейсмостанций со многими сотнями сейсмографов позволяет немедленно регистрировать землетрясения в любой точке Земли. Интенсивность сейсмическогоэффектавыражают в баллах или в магнитуде. Для строительных целей в России с 1952 года применяют 12-балльную шкалу MSK–64 (Медведев – Шпонхойер – Карник). До недавнего времени действовал ГОСТ 6249–52 для оценки силы землетрясений в баллах. Каждый балл шкалы соответствует определенному сейсмическому ускорению α: Таблица 5 Баллы землетрясений , сейсмическое ускорение
Сейсмическое ускорение определят по формуле: α=А·4π2/Т2, (1) где, α – сейсмическое ускорение, мм/сек2; А – амплитуда колебаний, мм; Т – период колебаний сейсмической волны, сек. По величине α вычисляют коэффициент сейсмичности КS=α/g, где g – ускорение силы тяжести, мм/сек2. Коэффициент сейсмичности КS необходим для расчета добавочных горизонтальных сил Q при оценке прочности сооружения: Q=KSP, где Р – вес сооружения. Землетрясения 1–3 балла слабые, 4–5 баллов – ощутимыми, 6–7 баллов – сильными (разрушаются ветхие постройки), 8 баллов - разрушительными (частично разрушаются прочные здания, падают фабричные трубы), 9 баллов – опустошительными, разрушается большинство зданий, в грунтах образуются трещины до 10 см, 10 баллов – уничтожительными, разрушаются мосты, образуются большие оползни, обвалы, трещины в грунтах до 1 м; 11 баллов, катастрофическими, разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт, 12 баллов – сильная катастрофа, то же, но на более обширной территории. Магнитуда характеризует энергию в центре землетрясения. Для этого Чарльз Рихтер в 1935 году предложил шкалу энергии землетрясений, которую пользуют сейсмические службы. Шкала балльности служит для строительных расчетов и при районировании территорий. Сильнейшие землетрясения – Чилийское (1960) и Аляскинское (1964) имели магнитуду – 8,5-8,6. Атомная бомба имеет магнитуду М=6,5, водородная бомба – М=8,5. В пределах СНГ наиболее сейсмически активными регионами являются Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань, Памир, Алтай, р-н оз. Байкал, Камчатка, Курильские о-ва, о-в Сахалин). Карты сейсморайонирования в СССР впервые приведены в СНиП 1962 года. Методика их составления учитывает: 1) геологическое строение, тектонику, разломы и другие нарушения земной коры, 2) сведения о прошлых землетрясениях. В сейсмических районах выполняются дополнительные работы, согласно СНиП 11.02–96 «Инженерные изыскания» 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 СНиП 11.7–81. Корректировка баллов по сейсмическим картам. 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. Вулканизм Вулканы образуются, когда магма, сформированная во внутренней части Земли (астеносфере) выливается на поверхность. Магма формируется в результате частичного плавления горных пород либо в нижней части мантии, либо в нижней части земной коры. Плотность магмы меньше, чем плотность горных пород, поэтому сформировавшаяся магма поднимается на поверхность. Магма – расплавленная горная порода, содержащая или не содержащая какое-либо количество кристаллов, находящихся на глубине. Лава – излившаяся на поверхность магма. Вязкость – мера сопротивления течению, зависит: – химический состав расплава (кислый – высокое содержание SO2, ультраосновные – низкая вязкость); – температура, чем меньше Тº, тем больше вязкость; – содержание газов, большое количество газов – низкая вязкость. Низкой вязкостью обладает магма базальтового (основного) состава, скорость течения более 30 км/час, до 50 км/час. Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) – взрывные извержения, эксплозивный вулканизм (Св. Елена в 1980 г). Продукты извержения – расплав и твердый материал. Расплав: магма кристаллизуется на поверхности → риолит или базальт магма кристаллизуется под водой → обсидиан. Твердые: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации → вулканический туф, крупный материал → вулканические брекчии. Типы вулканизма. 1. Вулканические островные дуги (Япония). Сближаются две океанических плиты (магма базальтового состава). 2. Океаническая кора и литосферная плита (плита Наска и Южно-Американская плита) – субдукция океанической под континентальную, плавление нижней континентальной плиты – кислый состав магмы. 3. Граница между двумя дивергентными (удаляющимися плитами) – СОХ. Магма основного состава. 4. Континентальные рифты – граница между Африканской и Сомалийской плитой (Восточно-Африканский рифт). Вулканизм базальтового состава. 5. Вулканизм горячих точек – представляет плюмы (или струи) горячего твердого вещества, поднимающегося из глубины мантии, базальтовый состав (Архипелаги Гавайские острова). Вулканы центрального типа – трубкообразный подводящий канал, по которому магма поднимается из мантии. 3 типа центральных вулканов: – стратовулканы – перемежение пирокластического и лавового материала (Фудзияма, Св. Елены, верхние 400 м разрушены за счет взрывного эксплозивного извержения); – щитовые – Мауна Лоа, Гавайи диаметр 120 км; – вулканические (шлаковые конусы – только пирокластический материал, диаметр менее 4 км. Трещинные извержения – цепь вулканов образует плато базальтов площадью до 100 тыс. км2 (Деккан, Индия). СОХ – срединно-океанический хребет, цепь подводных вулканов. II. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ 2.1. Классификация грунтов Гост 25100–95 Грунт – горные породы, почвы, техногенные образования, являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Различают грунты: скальные – монолиты или трещиноватые массивы, рыхлые (нескальные) – крупнообломочные, песчаные и глинистые породы. Грунты могут служить: – материалом оснований сооружений, – материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин), – средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др. Классы грунтов Природные скальные грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными). Природные дисперсные – грунты с механическими и водноколлоидными структурными связями. Природные мерзлые – грунты с криогенными структурными связями. Техногенные (скальные, дисперсные и мерзлые) – грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека. Термины и определения Грунт скальный, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа (прочность на одноосное сжатие Rс>5 Мпа). Грунт полускальный – грунт, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа (прочность на одноосное сжатие Rс≤5 Мпа). Грунт дисперсный – грунт, состоящий из отдельных зерен разного размера, слабосвязанных друг с другом – результат выветривания скальных грунтов, транспортировки продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения. 2.2. Физические свойства грунтов Плотность (объемный вес) – один из наиболее важных показателей: масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогии. У дисперсных грунтов ρ0=1,3–2,0 г /см3, ρ0=2,5–3,3 г /см3 у скальных. ρ0=m/V, (2) где, m – масса с естественной влажностью, V – объем грунта ненарушенного сложения. Плотность частиц грунта (удельный вес) – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρs=2,2–3,2 г /см3. ρs=(m–mв)/V–Vпор, (3) где, mв – масса воды, Vпор – объем пор. Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при tº=105º–107º в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы. Удельный вес (γ) – отношение веса грунта и воды, содержащейся в порах, к объему грунта. Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, но чаще в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц. Физические значения плотности применяются: 1. для характеристики физических свойств породы как основания или строительного материала. 2. для расчетов при динамических нагрузках. 2.3. Водно-физические свойства грунтов Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость. Природная влажность – отношение массы воды, содержащейся в в порах породы, к массе сухой породы, W, д.е. W=(m–m1)/m1, (4) где m – масса грунта вместе с содержащейся в ней водой, m1 – масса высушенного грунта, г. Полная влагоемкость – максимальное содержание воды, содержащееся в породе, Wп, д.е. Wп,=n/ρd, (5) где, n – пористость грунта, ρd – плотность сухого грунта. Коэффициент водонасыщения грунта (степень влажности) – степень заполнения объема пор водой, Sr, д.е. Sr=W·ρs/eρw, (6) где, W – природная влажность грунта, д.е.; е – коэффициент пористости; ρs – плотность частиц грунта, г/см3; ρw – плотность воды, 1 г/см3. Критерий физического состояния глинистых грунтов (Jp; JL) Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси. Пластичность – способность пород изменять под действием внешних сил (давление) свою форму без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось – характеристика определяемая деформируемость. Чтобы выразить пределы влажности, при которых грунты обладают пластичностью, вводят понятие верхнего и нижнего предела пластичности. WL – граница текучести соответствует такой влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём). Wp – граница раскатывания соответствует такой влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём). Определение характерных влажностей WL и Wp для глинистых грунтов является кропотливым лабораторным процессом и требует определенных навыков и даже профессиональной подготовки. Число пластичности Jp=WL–Wp. Показатель текучести JL=(W–Wp)/(WL–Wp). Таблица 6 Зависимость расчетного сопротивления R глинистых (связных) грунтов нагрузкам от величины JL, (табл. СНиП 2.02.01–83).
|