Геология лекции. Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство

• Название: Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство
• Анкор: Геология лекции.docx
• Дата: 10.04.2018
• Размер: 7.71 Mb.
• Имя файла: Геология лекции.docx
• Тип: Конспект лекций; #17901
• страница: 7 из 9

4.1.5. Геологическая деятельность моря

В морях и океанах 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. Основными причинами абразии являются:

– 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, обрастая строительных конструкций их разрушает.

Поэтому деятельность моря у берегов велика. Там, где профиль равновесия не выработан, идут мощные процессы формирования берегов. Разрушаются молы в портах, причальные стенки, набережные и берег отступает (рис. 27).



Рис 27 падение в море участков берега шириной от 0,2 до 1 м (www.ironcross-cma.com)

Трансгрессия моря – наступление (берег погружается).

Регрессия – отступление моря за счет поднятия земной коры.

Причины – климатические (реки несут больше воды, осадки атмосферные, таяние ледников) и общегеологические (эпейрогенические движения) – прогибание или воздымание дна океанов и морей или отдельных блоков берега. Там, где профиль равновесия не выработан, идут мощные процессы формирования берегов. Разрушаются молы в портах, причальные стенки, набережные и берег отступает.

На скорость размыва влияет:

– геологическое строение берега (скальные – труднее разрушаются, глинистые – легче);

– характер напластования 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.

Меры борьбы с абразией.

Сохранение пляжей – даже небольшая полоса пляжа 10 м предохраняет берег от разрушения.

Пример того как деятельность людей усугубляет разрушительные геологические процессы – южное побережье Англии. Галечный берег залива Старт решили разрабатывать для добычи гальки как стройматериала. Уровень берега углубился на 5,7 м. сооруженная дамба для его защиты не дала результата и морские волны, ранее гасившиеся пляжем, уничтожили деревню на берегу.

Волноотбойные стенки (гашение волн), наружная сторона, обращенная к морю имеет криволинейную поверхность, железобетон, штучный камень.

Увеличение пляжа при помощи бунов (задерживают наносы, поперечные железобетонные стены, устанавливаются перпендикулярно или под углом к берегу) и волноломов (на глубине 3–4 м, на расстоянии 30–40 м от берега параллельно береговой линии),

Тетраподы (фигуры из бетона с 4 ответвлениями – хорошо закрепляются на берегу за счет конструкции, рис. 28).



Рис. 28 Балтийск, тетраподы (фото с сайта http://fotki.yandex.ru)

Морские отложения (mQ)

У берегов – обломочные породы различной крупности;

Зона шельфа (0–200 м.) – пески различной крупности, органогенные и химические осадки.

Материковый склон (от 200 – до 2000 м.) – органогенные осадки;

Океанической ложе (2000 – 6000 м.) – глубоководные илы и глины;

Глубоководные впадины (более 6000 м.) – глубоководные красные глины.

Морские отложения – хорошие основания. Исключение составляют – современные прибрежные илы.

4.1.5 Геологическая деятельность озер, болот и водохранилищ

Озера – замкнутые водные бассейны, не связанные с морем. Некоторые раньше были связаны с морем (Каспийское, Аральское – соленая вода, поэтому их называют морями).

По генезису озера подразделяют:

Эндогенные (тектонические) – грабены, заполненные водой (Байкал, Ладожское, Онежское); вулканические.

Экзогенные – углубление заполненное водой:

– эрозионные – в котловинах размыва;

– карстовые – карстовые воронки;

– запрудные – в результате обвалов пород (озеро Рица);

Искусственные (плотинные).

По питанию: атмосферное, речное, подземное.

По стоку: бессточные (Арал), проточные с переменным режимом.

По химическому составу: пресные, солоноватые, соленые.

Разрушительная работа озер имеет тот же характер, что и у моря, только в более мелких масштабах. Абразивная деятельность волн, нагоняемых ветром и деятельность человека (постройка Иркутской ГЭС привело к поднятию уровня Байкала на 1 м., что вызвало переработку берега на 10–80 м.).



Рис. 29 Разрушение покрытия берега водохранилища за счет абразии

Для водохранилищ – волноприбой в результате колебаний уровня, связанные с наполнением чаши водохранилищ, вследствие спуска воды (ГЭС). Переработка затухает, примерно в течение 20–25 лет (рис. 29)

Озерные отложение (lQ)

Вдоль берега – обломочный материал различной крупности, на дне – глинистые осадки, илы, пески; в соленых озерах – химические осадки. В озерах формируются специфические образования, свойственные только озерам – сапропель, торф, особые озерные мергели, мел, трепел. Часто озера в наших широтных условиях переходят в стадию болот.

Меры борьбы:

Геологические обоснования проектов (изучение, прогноз, рекомендации).

Профилактические мероприятия – сохранение и охрана пляжей.

Капитальные сооружения – молы, дамбы, волноломы, буны.

Болота

Болота – 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. Т.е. заболачивание – это начальная стадия образования болот. Торф – в той или иной мере разложившиеся растительные остатки.

По глубине болота подразделяются: мелкие (до 2 м), средние (2–4 м), глубокие (>4 м).

Основные характеристики – глубина, рельеф минерального дна, площадь.

По инженерно-геологической классификации (ГОСТ) болотные отложения, торф (hQ) – это грунты особого состава, состояния и свойств и требуют особого подхода. Болота и заболачивание земли >10% всей территории РФ. У нас более 60% мировых запасов торфа. Распространение – север, долины рек, озерные котловины.

По степени разложения остатков (содержания гумуса) торф делится на 4 группы – от слабо до полностью разложенного. Кроме того, определяют зольность торфов (примесь минеральных частиц), в %. Как грунт – торф слаб, сильно сжимаем. Поэтому чаще всего при строительстве – свайные фундаменты или убирают, называется выторфовка (полностью или частично).

Борьба – бороться нельзя. Это природная экосистема. Ее значение колоссально (это и источник питания рек, ареал животных, влияет на климат и пр.). Раньше осушали (мелиорация), итог – пожары под Москвой (горели осушенные торфяники). У нас – Тюменский тракт, за Кольцово постоянно горят торфяники. Сейчас идеология сохранить, и по возможности восстанавливать болота.

4.1.6 Геологическая деятельность ледников

Ледник – это крупное естественное скопление льда (и фирна), образовавшегося из твердых атмосферных осадков в течение длительного времени выше границы снеговой линии.

Образование ледников возможно лишь при условии, что количество выпадающего снега длительное время превышает количество растаявшего и испарившегося. Область, в которой могут образовываться ледники, называется хионосферой.

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.

При увеличении мощности снегового покрова в нижней части толщи снежинки под давлением начинают перекристаллизовываться в изометричные ледяные зерна, образуя фирн. Быстрота образования фирна за счет снежных масс зависит так же от частоты и амплитуды колебания температуры. 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 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 п-ов).

Лед пластичен и там, где позволяют условия рельефа, начинает течь. Движение ледника начинается, как только мощность льда достигает некоторой критической величины (обычно 15-30 м), позволяющей преодолеть силу трения. Эта величина также находится в зависимости от угла наклона склона. С увеличением мощности льда увеличивается скорость движения ледников. Также на движение льда влияет его температура – лед тем пластичнее (а, следовательно, и более текуч), чем его температура ближе к температуре таяния. Срединная часть ледника движется быстрее донной и краевых частей, так как их тормозит трение о дно и стенки долины.

Скорость движения ледников невелика и непостоянна. Она измеряется десятками и первыми сотнями метров в год. Только некоторые крупнейшие ледники Гренландии развивают скорость в 5–40 м в сутки. В Гималаях скорости движения ледников не превышают 1200 м в год, а для большинства ледников остальных горных систем – от 40 до 100 м в год.

Граница хионосферы (а, следовательно, и распространение ледников) зависит от климата. Таким образом, ледники можно использовать в качестве индикаторов климата. Отступающие ледники оставляют за собой поперек долин серии конечных морен, а на бортах долин – отложения боковых морен. Показателем былого присутствия ледника может служить и U-образная форма долин. Часто после стаивания ледников территория испытывает поднятие, и тогда вновь образованные ледники будут углублять долину, образуя ледниковые террасы.

В ледниках лед накапливается стратифицировано, поэтому, измеряя содержание таких изотопов, как ¹⁸O и ¹⁰Be, можно вычислять температуру образования льда и объемы выпавшего снега в периоды образования каждого из слоев. Изучение керна льда Антарктиды позволило получить данные о температуре и газовом составе атмосферы за последние 800 тыс. лет. В течение голоцена межледниковая эпоха имела несколько флуктуаций. Так, последнее незначительное похолодание, названное малым ледниковым периодом, было 300–100 лет назад.

Экзарация – ледниковая эрозия (лат. Exaratio – выпахивание). Она проявляется вместе с образованием ледников. Вместе с появлением снежников резко повышается интенсивность морозного выветривания. Лед, попадая в речные долины, сильно давит на ложе и стенки. В первую очередь сдирается весь обломочный материал из речных долин, затем этими обломками, вмерзшими в лед, разрушаются борта долины. Интенсивность ледниковой эрозии в значительной мере зависит от мощности льда и от скорости движения ледника, т.е. от уклона долины.

Ледниковые отложения (gQ).

Абляция – уменьшение массы ледника путем таяния, испарения и механического разрушения (в т.ч. откалывания айсбергов). Испарение из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую, называется сублимацией.

После таяния ледника остаются значительные по мощности ледниковые отложения.

Морена – скопление рыхлого обломочного материала, переносимого или отложенного ледником. Образование морен происходит как за счет поступления обломочного материала со склонов ледниковых долин, так и в результате разрушения ледником и дальнейшего переноса подстилающих пород. По происхождению выделяют следующие типы морен: боковая морена, срединная морена, донная морена, конечная морена (рис.30).



Рис. 30 Морена от ледника Кори-Калиса (Qori Kalis), фото 2006 года. (http://sceptic-ratio.narod.ru)

Боковая морена находится по обоим краям ледника в виде валов и образуется из обломков, осыпавшихся со склонов долин на края ледника. Её отложенный аналог называется линейной мореной. Иногда наблюдается до 5–7 валов, расположенных на различных уровнях по бокам долины.

Срединная морена образуется из двух боковых морен при слиянии ледников.

Донная морена образуется из горных пород ложа ледника при их разрушении ледником. Обычно вмораживается в лед и транспортируется вместе с ледником, способствуя ледниковой экзарации. Отложенная донная морена называется основной мореной.

Конечная морена – вал обломков, двигающийся перед фронтом ледника при его наступлении.

Друмлины (ирланд. холм) представляют собой вытянутые в направлении движения ледника эллипсоидальные холмы, длинной в сотни метров, иногда до километра, до 100-150 км шириной и до 25 м. высотой. Они располагаются позади конечной морены, часто образуя своеобразные поля друмлинов. Сложены они коренными породами или флювиогляциальными отложениями, перекрытыми сверху мореной.

Характерная особенность мореных отложений – отсутствие слоистости и неоднородность состава (валунные глины и суглинки).

Флювиогляциальные отложения (fgQ)

Флювиогляциальные отложения образуются при размывании морен талыми водами ледника и характеризуются отсортированностью и слоистостью. Обычно представлены толщами песка, галечника, суглинка, ленточных глин (рис.31).



Рис. 31 Флювиогляциальные отложения

Характерные формы рельефа – озы, камы, зандровые поля.

Озы (шведск. – гряда, вал) представляют собой вытянутые в направлении движения ледника, иногда прерывистые, гряды длинной до 30–70 км. Они сложены косослоистыми песками, галечниками и гравием. Озы являются русловым аллювием рек, текущих по или под поверхностью ледника и откладывавших в его льдах перемещенный обломочный материал.

Камы (нем. гребни) – группы и полосы невысоких холмов, разделенных ложбинами и котловинами неправильной формы. Камы сложены слоистым, сортированным песчаным и гравийным материалом, валунами.

Зандры (дат. поле или лат. песок) – мощные толщи флювиогляциальных песков, гравия и галечников, развивающиеся 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.

Строительные свойства ледниковых отложений

Ледниковые отложения – надежные основания для сооружений.

Ленточные глины в условиях насыщения водой – текучие, покровные суглинки – размокают.

Отрицательное качество – наличие отдельных валунов, которые ошибочно можно принять за коренные породы и как следствие – неравномерные осадки сооружений.

При изысканиях – обязательное применение геофизических методов (электроразведки).

Ледниковые отложения – разнообразные строительные материалы (пески, глины, строительный камень).

4.1.7 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. Закономерность в распределении обломков все-таки отмечается: при обрушении наиболее крупные обломки из-за инерции продвигаются дальше мелких и оказываются преимущественно во внешних краях коллювиальных отложений.

Осыпи – растрескивание горных пород и осыпание вниз по склону (рис.32). Активизация при переувлажнении. Меры: выполаживание опасных участков склонов, организация подпорных стенок или навесов-укрытий для сохранения дорог и трубопроводов, укрепление отдельных участков склонов металлической сетью, строительство галерей и тоннелей в особо опасных местах, где присутствуют мощные медленно соскальзывающие осыпи. Осыпи – великолепный строительный материал.



Рис. 32 Осыпи, Алтай (фото с сайта http://fotki.yandex.ru)

Курум– скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону, причем крутизна склонов меньше угла естественного откоса грубообломочного материала (от 3° до 35–40°). Распространены в областях распространения многолетнемерзлых пород. По своей форме могут подразделятся на «каменные плащи» (они же поля курумов) и «каменные реки» (рис.33).

Каменные поля представляют собой развалы глыб, обычно изометричной формы.

Каменные реки приурочены к ложбинам в рельефе. Образование курумов происходит под воздействием морозного выветривания коренных пород, выпучиванием на поверхность крупного каменного материала и вымыванием мелкозема. Движение курумов связано с совместным действием гравитационных сил и сил кристаллизации льда, попеременно замерзающего и оттаивающего в пустотах между обломками. Также способствует движению наличие в основании курумов тонкого супесчано-глинистого материала. При таянии льда этот слой переувлажняется, и каменные глыбы и валуны скользят по нему.



Рис. 33 Курумы. http://forum-eurasica.ru

Меры борьбы: осушение глиняной подстилки (отвод вод в верховьях склона, тоннели, перенос дорог на другой склон.

Обвал – катастрофическое обрушение массы горных пород без сохранения их сплошности.

Обвал происходит на крутых склонах (более 45º) из-за потери сцепления с основным телом в результате роста трещин отрыва или потери опоры (например, из-за абразии или эрозии у подножия склона). Происхождение наиболее крупных обвалов в первую очередь связано с землетрясениями; в меньшей степени они могут провоцироваться деятельностью ледника. Продвижение крупных обвалов на значительные расстояния, в том числе вверх по противоположному склону, объясняется как огромной кинетической энергией, накопленной обвальными массами, так и уменьшением трения для движущихся пород. К подобному уменьшению трения приводит захват фронтальной частью обвала массы воздуха, который, сжавшись, превращается в своеобразную воздушную подушку, а также сорванный по пути движения дерново-почвенный слой.



Рис. Обвал (фото с сайта http://900igr.net/kartinki/obg/Opolzni-seli-obvaly)

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 (рис.34).

Причиной оползания может стать: потеря упора у основания склона, изменение прочности пород при их увлажнении или под действием сейсмических волн, действие напора подземных вод или развитие суффозии, появление дополнительной нагрузки искусственных сооружений или различные сочетания перечисленных факторов.



Рис. 34 Оползень Тайвань (фото с сайта http://mygazeta.com28-апреля-2010)

Скорости движения оползней непостоянны во времени и изменяются от десятых долей метра до сотен метров в год. Периоды относительного покоя сменяются активными подвижками. Наиболее крупные оползни вызываются длительными ливневыми дождями, реже – землетрясениями. Развитию оползней способствует наличие глинистого водоупорного слоя в основании склона.

Италия, 1963 г. Долина р. Пьяве плотина Вайонт ( = 265 м). С борта долины (водохр.) ушел оползень V = 240 млн.м³. На протяжении 2 км водохран. оказалось затопленным. Сейсмический удар был зарегистрирован в Бельгии. Из водохранилища волна выплеснула на 100 м над плотиной. Вниз по течению были снесены 5 городов. Погибло 3 тыс. чел.

Развиваются оползни там, где есть склоны, но большей частью – в долинах рек, на водохранилищах (особенно новых) и в карьерах. Везде присутствует фактор нарушения равновесия (меняется уровень вод, подрезка, нагрузка, набухание грунтов).

Географически – правобережье рр. Камы, Вятки, по склонам долины Волги, особенно от Н.Новгорода до Волгограда, Байкал. У нас в области крупных нет, но есть процессы в карьерах.

Одна из классификаций оползней: структурный (когда целый блок скатывается) и пластический (течение).

Оползни могут быть многократными, состоящими из разновозрастных оползневых тел. По структуре перемещаемых пород выделяют блоковые оползни, при которых происходит перемещение крупных блоков твердых горных пород, глыбовые оползни – перемещаются отдельные глыбы, сохранившие первичную текстуру, и рыхлые оползни – перемещается раздробленные склоновые накопления различного происхождения и почвенный слой.



Рис. 35 Многоярусный оползень (фото с сайта http://tower.ict.nsc.ru)

По форме оползневых тел выделяют террасовидный оползень, при котором площадка, ограничивающая сверху тело оползня, ровная и протяжённая, вытянутая параллельно склону и цирковидный оползень, с поверхностью оползневого тела в виде полуцирка.

Внешние признаки оползней.

Серия 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, например, при взрывных работах, так и под действием силы тяжести. При дальнейшем развитии в результате физического выветривания отделяют от коренного массива блок пород, который впоследствии обваливается. Совокупность трещин отрыва, по которым произошло обрушение, составляют стенку отрыва, выглядящую как обрыв над обвальным телом.

Пьяный лес - лес с растущими наклонно деревьями из-за деформаций и постоянного медленного движения грунта. На старых оползнях можно наблюдать пьяный лес с наклонёнными или искривленными старыми деревьями и вертикальными молодыми, выросшими после схода оползня.

Устойчивость земляных масс на склонах выражается уравнением:

Т = Ntgφ+CF (20)

Т – Сдвигающая составляющая веса массива; N – нормальная составляющая веса; F – поверхность скольжения оползня; С– сцепление;

tgφ – коэффициент внутреннего трения.

Степень устойчивости склона определяют коэффициентом:

K_уст = (Ntgφ+ CF)/Т (21)

K_уст <1 – оползание; K_уст =1– предельное равновесие; K_уст>1 – устойчивое состояние (рис.36).



Рис.36 Силы, действующие на склоне.

а) параллелограмм сил; б) при К_уст<1; в) К_уст=1; г) при К_уст<1

Меры борьбы:

Водоотводные осушительные и дренажные мероприятия делятся:

– работы на поверхности (устройство покрытий, лотков и осушительных каналов и т.д.);

– дренажи – 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.

Свайные фундаменты.

Устройство деформационных швов.

Использование каркасных конструкций.

Применение железобетонных поясов