Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
57 кПа, а волн Атлантического океана возле северных берегов Англии – 380 кПа. В результате берег разрушается и формируется волноприбойная терраса размывания до глубины 20 м (рис. 3.16). Разрушительная работа волн усиливается наличием песка, гравия, гальки и более крупных обломков, которые вместе с водой бьют в береговую стенку. В то же время происходит разрушение обломочного материала. Часть волноприбойной террасы от уреза воды к береговой стенке называется пляжем. Если суша в данном месте находится в состоянии покоя, то через опре- деленное время разрушение берега волнами прибоя прекратится, поскольку даже самые большие волны не будут достигать береговой стенки. Если же суша опускается, то море будет непрерывно наступать на сушу, разрушая берега. Скорость этого процесса зависит от их геологического строения, состава пород, высоты и направления движения волн. Например, скорость разрушения берега Черного моря возле г. Одессы, содержащего известняк-ракушечник, равна 1,5 – 2 м, а отдельных участков берега Азовского моря из глинистых пород – 12 м в год. В то же время скорость разрушения состоящих из скальных пород берегов Кольского полуострова в районе г. Мурманска составляет лишь доли санти- метра в год. Обломочный материал пляжа и волноприбойной террасы (песок и галька) может перемещаться вдоль берега под влиянием волн, которые набегают на берег под определенным углом. Это нужно принимать во внимание при строительстве защитных сооружений – волноотбойных стенок, подводных волноломов и запруд (рис. 3.17). 1 2 3 5 2 00 м 6 4 2 40 0 м Рис. 3.15. Схема дна Мирового океана: 1 – уровень моря; 2 – пляж; 3 – береговая стенка; 4 – материковая отмель; 5 – конти- нентальный склон; 6 – ложе Мирового океана Рис. 3.16. Волноприбойная терраса размывания: 1 – материковая отмель; 2 – неритовая зона; 3 – литоральная зона; 4 – волноприбойная терраса размывания; 5 – прилив; 6 – отлив 3 1 2 4 5 6 67 Однако в море преобладают созидательные геологические влия- ния. Известно, что основная масса осадочных пород образовалась в море. Отложения продуктов вывет- ривания, которые попадают в море с поверхности материков, а также ма- териалов, которые образовались во время разрушения берегов, есть на всех участках дна морей и океанов. На материковой отмели, в ли- торальной зоне и верхней части не- ритовой зоны откладывается обломочный материал: сначала валуны, галька, гравий, а потом пески крупные и помельче. Здесь же могут образовываться известняки–ракушечники и формироваться коралловые рифы. В нижней части неритовой зоны и в верхней части континентального склона откладывается тонкозернистый материал, в котором преобладают частицы с размерами 0,1– 0,01 мм. Эти отложения содержат также ракушки–фораминиферы и прочие организмы. В нижней части материкового склона и в ложе океана откладывается наиболее тонкозернистый минеральный и органический (ракушки-форамини- феры) материал с частицами размером меньше чем 0,01 мм. Это разнообраз- ные илы: глинистые, известняково-глинистые, кремнисто-глинистые, вулкани- ческие. Интересно, что в морских отложениях минувших эпох, которые теперь расположены на суше, находят элементы, характерные для материкового склона. Это свидетельствует о том, что моря, которые ранее были на нынешних материках, имели небольшую глубину. 3.10. Отложения озер и болот Озерами называются углубления на поверхности суши, заполненные водой. Эти углубления бывают разного происхождения. Например, озера Байкал и Иссык-Куль образовались на месте больших впадин (грабенов). Углубления Ладожского, Онежского и других многочисленных озер возникли вследствие воздействия ледников. Углубление Сарежского озера на Памире образовалось как результат перекрытия ущелья р. Бартанг обвалом в 1911 г. Многие озера (Эльтон, Баскунчак, Челкар и т. п.) сформировались на месте про- валов и пустот в легкорастворимых водой породах. Озера возникают также в старицах равнинных рек. Озера бывают и в дельтах больших рек. Построенные людьми большие и маленькие водохранилища, в сущности, являются искусст- венными озерами. Геологическое влияние больших озер (Каспийского и Аральского морей, озер Байкал, Ладожского, Онежского и др.) в целом напоминает воздействие а б Рис. 3.17. Сооружения для защиты берега моря: а – волноотбойная стенка; б – подводный волнолом 68 моря. В частности, наблюдается интенсивное разрушение берегов волнами прибоя в условиях переменного уровня воды. В небольших озерах происходит преимущественно накопление осадков. Отложения пресных озер содержат в основном обломочный материал (гальку, гравий, пески и глинистые породы) и органический ил (сапропель), образовавшийся из остатков мелких животных и растительных организмов. Берега таких озер имеют буйную растительность, остатки которой постепенно их заполняют. Так происходит заболачивание озер. В пресных озерах хими- ческим и биологическим путем откладывается также гидроксид железа – лимонит (озерная железная руда). В отложениях соленых озер (например Северного Крыма, Прикаспийской низменности) преобладают галоиды, суль- фаты и углекислая известь, которые выпадают в осадок летом при повышении их концентрации. Болота – это переувлажненные участки суши. Они бывают низменными и верховыми. Низменные болота наиболее часто возникают на месте озер в долинах рек. Остатки осоки, рогоза, камыша и гипсовых мхов, которые здесь растут, служат материалом для образования торфа. Верховые болота формируются на междуречных пространствах, где в условиях избыточного атмосферного увлажнения растут мох сфагнум, кукуш- кин лен и т. п. Из остатков этих растений тоже образуется торф. Торф верховых болот отличается от торфа низменных болот низкой зольностью и высокой калорийностью. Много торфяных болот в Карелии, Полесье, а также в Запад- ной Сибири (Васюганские болота), их появление было обусловлено равнинным рельефом этих территорий, влажным климатом и наличием на небольшой глубине водонепроницаемых пород. 3.11. Четвертичные и коренные отложения Элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, леднико- вые, эоловые, морские и озерно-болотные отложения формировались на протяжении всей геологической истории. Осадки, входящие в эти отложения, постепенно видоизменялись и превращались в осадочные горные породы – обломочные, органогенные и химические. Преобразование осадков в горные породы происходит главным образом под влиянием уплотняющего давления верхних пластов и в результате цементации их разными веществами. Причем цементация может происходить как за счет веществ, которые там содержатся, так и под влиянием веществ, привнесенных извне. Завершающий этап процесса видоизменения осадков, во время которого они превращаются в породы скаль- ного типа, называется диагенезом. Конечно, не все осадки проходят этот этап. Отложения из крупнообломочных, песчаных и глинистых пород не испыты- вают влияние диагенеза. Отложения, которые образовалось в последний, четвертичный, период, получили название четвертичных отложений. Они почти повсюду залегают возле поверхности земной коры пластом толщиной до нескольких десятков 69 метров. Лишь в отдельных местах толщина четвертичных отложений достигает сотен метров. Большинство пород в четвертичных отложениях не успели пройти этап диагенеза, и потому они содержат нескальные породы. Именно с этими породами наиболее часто имеют дело строители. В отличие от пород четвертичного периода, породы и отложения, образованные раньше, называ- ются коренными. По ряду причин коренные породы могут выходить на поверхность или располагаться на небольшой глубине, как, например, граниты днепровских порогов в Запорожье. 3.12. Плывуны и особенности возведения на них зданий и сооружений Плывунами называются такие насыщенные водой грунты, которые при определенных условиях переходят в текучее состояние и приобретают свойства жидкости. Это значит, что их сопротивление сдвигу становится равным нулю. В текучее состояние могут переходить пески, супеси, а иногда некоторые суг- линки и илы. Ученый А.Ф. Лебедев разделил плывуны на ненастоящие (псевдоплы- вуны) и настоящие (истинные плывуны). К псевдоплывунам относят пески, которые переходят в текучее состояние под влиянием движения воды. Оно возможно в местах выхода на поверхность артезианских вод или воды, которая фильтруется в основаниях плотин и дамб, а также при открытом водоотводе из котлованов. Изменение гидрогеологического режим движения воды может воз- никнуть также в толщах песков рыхлого строения после их динамического уплотнения, например, при землетрясении. Вследствие разрежения песков во время землетрясения фундаменты домов и сооружений углубляются в них. Возможно разрежение затопленных откосов, выполненных из песка земляных плотин, дамб, транспортных насыпей в поймах рек и т. п. Особенностью псевдоплывунов есть то, что они, имея значительную водопроницаемость, хорошо отдают воду. Поэтому при снижении гидравли- ческого градиента они быстро переходят из текучего состояния в стабиль- ное. В отличие от псевдоплывунов, истинные переходят в текучее состояние преимущественно вследствие нарушения в них структурных тиксотропно-коа- гуляционных связей под влиянием ударных и вибрационных нагрузок. Такие особенности истинных плывунов можно объяснить содержанием в них кол- лоидных частиц. Они содержатся в пылеватых песках, супесях, частично в суг- линках, илах и способны формировать гелеобразные системы, которые под ударными и вибрационными воздействиями переходят в суспензии. Это и при- водит к их разжижению. Но спустя некоторое время, после своеобразного «отдыха», суспензии снова становятся гелеобразными и нарушенные структур- ные связи возобновляются. Такие преобразования называются тиксотропией. Фильтрационное давление в этом процессе не имеет большого значения. Поскольку большая часть воды в настоящих плывунах находится в связанном 70 состоянии и удалить ее тяжело, то возобновление их устойчивости является сложной задачей. Признаки истинных плывунов такие: большая плотность (1,8 – 2,2 т/м 3 ), низкая водопроницаемость (k f = 0,01 – 0,5 м/сутки), цементация минеральных частиц при высыхании, образование стойкой суспензии при взбалтывании в воде. В условиях ненарушенного залегания типичные истинные плывуны, чаще всего пылеватые пески, относятся к малосжимаемым грунтам, поэтому могут быть основанием зданий и сооружений. Но опасность их перехода в текучее состояние создает серьезные затруднения во время строительства. Если в производственных зданиях и сооружениях устанавливают оборудование, кото- рое создает ударные и вибрационные нагрузки, то возникает опасность разжи- жения плывунов в основаниях и возникновение больших осадок фундаментов. Чтобы не допустить этого, фундаменты изготовляют с пружинными амортиза- торами или вибропрокладками. Значительные трудности возникают во время рытья строительных котло- ванов. Работа ковша экскаватора при выемке грунта разжижает плывун и при- водит к дополнительному его поступлению в котлован снаружи. В этом случае объем земляных работ увеличивается иногда в 2 – 3 раза. Возникает опасность разрушения домов, которые расположены рядом. В связи с этим котлованы начали обустраивать с применением водопонижения. Для водопонижения в грунтах с коэффициентом фильтрации 1 – 2 м/сут могут быть использованы легкие иглофильтровые установки, например, ЛГУ-3 или ЛГУ-5 (схема на рис. 3.18). Основная составная часть установки – иглофильтры длиной 8,5 м. В нижней части они имеют приемочное звено диаметром 60 мм с клапаном и латунной сеткой. Иглофильтры погру- жают в грунт с помощью подмыва или пневмозабойника. Расстояние между иглофильтрами рассчитывают, исходя из необходимой величины снижения уровня воды и водопроницаемости грунта. Иглофильтры соединяются с коллекторной трубой. На этой трубе есть муфты, расстояние между которыми составляет 0,75 м, куда можно подключать шланги от иглофильтров. Воздух и вода отбираются из коллекторной трубы с помощью насосного агрегата. Во время работы иглофильтровой установки уровень воды в середине контура снижается на 4,5 – 5 м. В грунтах с низкой водопроницаемостью (k f = 0,01– 3 м/сут) применяют установки вакуумного водопонижения, например УВВ-М, которые могут отка- чивать воду и воздух при высоком вакууме во всасывающем коллекторе. В грунтах, коэффициент фильтрации которых k f < 1 м/сутки, но которые практически не отдают воду, применяют электроосушение (электроосмоти- ческое водопонижение). Оборудование, необходимое для проведения электро- осушения, состоит из легкой иглофильтровой установки, источника посто- янного тока с напряжением 60 В, комплекта труб или металлических стержней. Принципиальная схема установки показана на рис. 3.19. 71 Процесс электроосушения основывается на способности воды, в том числе связанной, двигаться от анода к катоду. В связи с перемещением прежде всего связанной воды пористость грунта возрастает и, как следствие, повышается его водопроницаемость. Одновременно в грунте происходит явление электрофореза, вследствие чего в зоне катода накапливаются трудно- растворимые соли, которые цементируют грунт, а значит, прочность его повышается. Установлено, что это свойство сохраняется. После электроосу- шения разработка грунтов в котловане происходит обычным способом. Рытье котлованов может проводиться также под защитой шпунтовых сте- нок, ледовых завес из замороженного грунта и т. п. Для закрепления плывунов в основаниях фундаментов и при устройстве противофильтрационных завес используется силикатизация двухрастворная (k f > 2 м/сут) и однорастворная (k f = 0,1 – 5 м/сут). В первом случае через скважины-инъекторы в грунт под давлением 200 – 300 кПа поочередно нагнетают растворы жидкого стекла (Na 2 О n SiO 2 ) и хлористого кальция, что приводит к образованию гидрогеля кремниевой кислоты, который, отвердевая, цементирует песок. Во время одно- растворной силикатизации под давлением 200 – 300 кПа в грунт подают смесь из растворов жидкого стекла и фосфорной кислоты в определенном соотно- шении. 3.13. Суффозия Суффозией называется процесс вынесения из грунтов мельчайших и мелких минеральных частиц при помощи подземной воды, которая фильтру- ется. Суффозия возникает в песчаных грунтах, а иногда и в супесях. Она имеет место на склонах, куда выходят подземные воды; на откосах земляных плотин и дамб, в песчаных основаниях бетонных плотин, в строительных котлованах при открытом водоотводе, во время откачивания воды из буровых скважин и в других подобных случаях. В этом процессе большое значение имеет механи- ческое вынесение частиц, а не вещества в виде раствора. Существует и химическая суффозия (см. ниже п. 3.14.). Рис. 3.19. Установка для электроосушения: 1 – иглофильтр; 2 – катод; 3 – анод; 4 – труба (стержень); 5 – направление движения воды; 6 – источник постоянного тока 6 1 2 3 4 5 1 2 2 3 3 4 4 Рис. 3.18. Схема иглофильтровой установки: 1 – насосный агрегат; 2 – коллекторная труба; 3 – шланг; 4 – иглофильтр 72 Вынос минеральных частиц можно объяс- нить влиянием на них фильтрационного давления, которое численно равняется гидравлическому гра- диенту. Интенсивность суффозионного процесса зависит от степени неоднородности зернового сос- тава грунтов. Чем она выше, тем чаще при меньших гидравлических градиентах возникает суффозия. Чтобы установить критический для данного грунта гидравлический градиент, при котором возникает суффозия, применяют прибор системы В.М. Славя- нова (рис. 3.20). Во время опыта воду через образец грунта пропускают снизу вверх при разных значе- ниях гидравлического градиента. Появление в про- фильтрованной воде минеральных частиц во взве- шенном состоянии свидетельствует о начале про- цесса суффозии. В это время определяют значение гидравлического градиента, оно и будет крити- ческим. В некоторых грунтах при определенном зна- чении гидравлического градиента сначала происходит фильтрация воды, а при увеличении градиента – суффозия. Дальнейшее увеличение градиента приводит к разжижению грунта, то есть он переходит в плывунное состояние. Допусти- мое значение гидравлического градиента с точки зрения возникновения суффо- зии, можно определить с помощью графика, предложенного В.С. Истоминой, для случаев восходящего движения воды (рис. 3.21). Если грунтовые или другие подземные воды выходят на склон, состоящий из водопроницаемых грунтов, то возможен вынос минеральных частиц, сначала мельчайших, а потом мелких. После этого скорость движения воды возрастает. Начинается вынос больших частиц. 1 2 3 4 Рис. 3.20. Схема прибора В. М. Славянова: 1 – образец грунта; 2 – по- дача воды; 3 – прозрачный цилиндр; 4 – стеклянная трубка 0,8 0,6 0,4 0,2 5 1,0 0 15 20 25 30 35 10 І К=d 60 /d 10 а б Рис. 3.21. График В. С. Истоминой, иллюстрирующий зависимость допус- тимых градиентов от степени неоднородности грунта: а – зона допустимых градиентов; б – зона недопустимых градиентов Рис. 3.22. Суффозия на склоне: 1 – уровень речной воды; 2 – уровень грунтовой воды; 3 – водоупорный пласт; 4 – ниша 1 2 4 3 73 В результате на склоне формируется ниша, а целостность его нарушается (см. рис. 3.22). Это может вызвать возникновение оползня. Аналогичные явления происходят при фильтрации воды сквозь тело земляной плотины в сторону нижнего откоса. Для борьбы с суффозией на склонах используются подземные и откосные дренажи разнообразной конструкции. Устройство подземных дренажей будет рассмотрено дальше. |