Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Таблица 2.13 Механические характеристики глинистых грунтов Грунт Угол внутреннего трения φ, град Удельное сцепление с, кПа Модуль деформации Е, МПа Супесь Суглинок Глина 21 – 30 12 – 26 7 – 21 3 – 15 13 – 47 29 – 81 7 – 75 5 – 75 7 – 28 Инженерно-геологическая характеристикаестественных мерзлых грунтов. При температуре ниже 0 °С, как правило, грунты резко меняют свойства из-за перехода части поровой воды в твердую фазу – лед. Грунты относят к мерзлым, если они имеют минусовую температуру и содержат в своем составе лед. В этом классе выделяют группы скальных, полускальных, связных и льдистых грунтов. По признаку льдистости за счет видимых ледяных включений i i (отноше- ние объема видимых ледяных включений, которые содержатся в грунте, к его объему)естественные мерзлые грунты разделяют в соответствии с табл. 2.14. 46 Таблица 2.14 Разделение естественных мерзлых грунтов по признаку льдистости за счет видимых ледяных включений i i , доли единицы Разновидность грунтов Скальные и полускальные грунты Дисперсные грунты Слабольдистый < 0,01 < 0,20 Льдистый 0,01 – 0,05 0,20 – 0,40 Сильнольдистый > 0,05 0,40 – 0,60 Очень сильнольдистый - 0,60 – 0,90 Льдистость определяют из соотношения: w tot s i m tot s i W , W W W i 1 0 , (2.26) где W tot – суммарная влажность мерзлого грунта; W m – влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными вклю- чениями; ρ и – плотность льда, которая равна 0,9 г/см 3 ; W w – влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды, содержащейся в нем при данной минусовой температуре. Естественные мерзлые грунты разделяют также по температурно-проч- ностным свойствам на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. Из-за наличия в грунтах ледово-цементных связей при минусовых темпе- ратурах они отличаются прочностью и малодеформативностью. Но в момент оттаивания порового льда такие связи стремительно разрушаются, а значит могут возникать деформации. Инженерно-геологическая характеристикатехногенных грунтов. Техногенные грунты бывают как естественного происхождения с разру- шенной первичной структурой, так и представлять собой минеральные отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы и полученные после отсыпания или гидронамыва. В этих грунтах постепенно происходят разнообразные физические, физи- ко-химические, биологические и прочие процессы, что ведет, с одной стороны, к их самоуплотнению, укреплению, а с другой – к распаду, разложению, а, сле- довательно – к ослаблению. По этой причине им присущи особенности дис- персных грунтов. 47 Вопросы для самоконтроля 1. Каким образом сформировались метаморфические горные породы? 2. Какая эра геологической истории Земли считается наиболее давней? 3. К каким горным породам по происхождению принадлежит мрамор? 4. Какой класс минералов наиболее распространен на Земле? 5. Какую структуру имеют магматические породы? 6. Какие формы залегания характерны для магматических пород? 7. К каким осадочным горным породам принадлежит торф? 8. В чем состоит сущность основных законов образования горных пород? 9. К каким горным породам по происхождению принадлежит глина? 10. Какую текстуру имеют магматические горные породы? 11. Какие формы залегания характерны для осадочных пород? 12. Какая эра в геологической истории Земли считается наиболее поздней? 13. К каким горным породам по происхождению принадлежит гранит? 14. Какой ориентировочный возраст Земли? 15. По какой формуле определяется число пластичности грунта? 16. К какой разновидности относится глинистый грунт, число пластичности которого % 5 P I ? 17. Какое максимальное значение приобретает коэффициент насыщения грун- та r S ? 18. В каких единицах измеряется плотность грунта? 19. По какой формуле определяется плотность грунта? 20. В каком состоянии находится супесь, показатель текучести которой I L < 0? 21. По какой формуле определяется пористость грунта? 22. В каких единицах измеряется плотность сухого грунта? 23. По какой формуле определяется показатель текучести грунта? 24. К какому классу относятся глинистые грунты? 25. По какой формуле определяют степень неоднородности гранулометричес- кого состава песчаного грунта? 26. С учетом какого показателя определяют виды песчаного грунта? 27. По какой формуле определяют плотность сухого грунта? 28. К какой разновидности относится глинистый грунт, число пластичности которого % 15 P I ? 29. По какой формуле определяют коэффициент водонасыщенности грунта? 30. В каких единицах измеряется плотность частиц грунта? 31. По какой формуле определяют удельный вес частиц грунта? 32. В каком состоянии находится супесь, показатель текучести которой I L >0? 33. В каких единицах измеряется удельный вес частиц грунта? 34. По какой формуле определяют коэффициент пористости грунта? 35. К какому классу относятся песчаные грунты? 48 ЛЕКЦИЯ 3 ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить природные геологические и антропогенные инженерно-геологические процессы в их взаимосвязи 3.1. Общие понятия о геологических и инженерно-геологических процессах На поверхности Земли и в ее недрах постоянно происходят процессы, которые непрерывно изменяют ее строение и состав. Их называют геологичес- кими. Большинство из них проходят очень медленно сравнительно с жизнью человека и даже всего человечества. Но именно они на протяжении миллиардов лет истории Земли приводили к разительным и большим изменениям в ее внешнем виде и внутреннем строении. Среди геологических процессов есть и такие, которые проходят очень бурно и приводят к катастрофическим по- следствиям. К ним можно отнести извержения вулканов, землетрясения, вне- запные обвалы, наводнения и т. п. Но они происходят сравнительно редко и охватывают незначительные по площади участки земной коры, а их роль в истории Земли второстепенна. Для удобства изучения все геологические процессы делят на внутренние и внешние. Внутренние процессы возникают под воздействием на земную кору внутренних сил Земли. Внешние процессы – это следствие взаимо- действия земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Процессы внутренней динамики Земли – эндогенные – проявляются в виде тектонических сдвигов земной коры, извержений вулканов, землетрясений. Процессы внешней динамики Земли – экзогенные – делятся на три группы: выветривание, денудация и аккумуляция. Вследствие выветривания происходит разрушение горных пород и минералов. Оно сводится к механическому дроблению, рых- лению и изменению химических свойств под влиянием воды, кислорода, угле- кислого газа и жизнедеятельности организмов. Под денудацией понимают совокупность процессов перенесения продуктов выветривания с возвышений на пониженные участки рельефа при помощи силы притяжения, проточных вод, подвижных ледников, ветра и т. п. Аккумуляция, или осадконакопление, – это сумма процессов накопления продуктов разрушения горных пород. Она является первой стадией образования новых осадочных горных пород. Внутренние и внешние процессы происходят одновременно на протя- жении всей геологической истории Земли. При этом в их течении обнару- живается такая общая закономерность: внутренние процессы приводят к обра- зованию на поверхности Земли неровностей – гор и впадин, а внешние – как бы нивелируют эти неровности, снижают высоту гор и заполняют впадины. Инженерная геология изучает современные геологические процессы, которые возникают в связи с инженерной деятельностью человека. Здесь рас- сматривают вопросы о влиянии геологических процессов на инженерные соо- ружения, а также явления обратной связи – как инженерные сооружения могут 49 вызвать и изменить существующие естественные геологические процессы. Такие процессы называются инженерно-геологическими. При их изучении выявляется характер взаимодействия сооружений и горных пород, а также возможные изменения естественных условий. Нередко геологические и инже- нерно-геологические процессы происходят одинаково, но причины их бывают разными. Примеры связи между геологическими и инженерно-геологическими процессами: Геологические процессы Уплотнение осадочных пород под собст- венным весом горных пород, располо- женных выше Сдвиги, образованные вследствие изме- нения напряженного состояния глинис- тых пород возле подножия склона Оседание поверхности Земли в резуль- тате суффозионных явлений, которые возникают при движении подземных вод на крутых склонах Псевдокарсты в лессовых грунтах из-за проникновения атмосферных вод Выходы подземных вод на поверхность в виде ручьев и источников Инженерно-геологические процессы Уплотнение грунтов под фундаментами сооружений Сдвиги, возникшие вследствие нагружения склона сооружениями, размещенными в его верхней части Оседание поверхности земли как следствие суффозионных явлений, которые возникают при открытом водоотводе из глубоких котло- ванов Образование пустот в толще лессовых пород в результате вытекания воды из систем водо- провода Устройство колодцев и буровых скважин для использования подземных вод 3.2. Движения в земной коре и дислокации В земной коре постоянно происходят разные движения. Если причиной движений являются внутренние силы Земли, их называют тектоническими. Различают три основных типа тектонических движений: колебательные, складчатые и разрывные. Такие движения происходили как в прошлом, так и в настоящем времени. Колебательные движения охватывают большие участки платформ, складчатых систем и поясов. Они проявляются в периодических медленных поднятиях и опусканиях земной коры. Сейчас отдельные участки Балтийского щита (Кольский полуостров) и Украинского щита (Правобережье Днепра) поднимаются со скоростью 8 мм, а Воронежского выступа – до 15 – 20 мм за год. В то же время низовья р. Терек опускаются на 5 – 7 мм за год. Поднятие земной коры в складчатом поясе Памира и Тянь-Шаня местами достигают 50 мм за год. О поднятии суши можно судить по наличию волноприбойных террас, возвышающихся над уровнем моря. Например, в районе г. Сухуми до высоты 900 м над уровнем моря насчитывается шесть террас. Затопление морем русла рек свидетельствует об опускании суши. 50 Колебательные движения обнаруживают непосредственно при помощи периодического нивелирования. Высокоточное нивелирование по трассе Забайкальской железной дороги в 1906 и 1928 гг. показало, что в некоторых местах поднятие и опускание земной коры составляло от 18 до 38 см. О колебательных движениях, которые происходили в прошлом, свидетельству- ет характерный состав толщи осадочных пород. Чередование в ней пластов, образованных на суше и в море, указывает на поднятия и опускания суши, которые сопровождались наступлением и отступлением моря. Колебательные движения земной коры определяют характер геологи- ческой деятельности поверхностных текучих вод и моря. Поднятие усиливает процессы размывания суши текучими водами, а опускание ослабляет (умень- шает) их. Опускание суши ведет к активизации процесса разрушения берега волнами прибоя. Изменения высотного положения поверхности суши вследст- вие колебательных движений следует учитывать при проектировании мостов, плотин, каналов, дорог на берегу моря. Складчатые движения приводят к образованию складок в толщах осадочных горных пород. Явление ползучести, которое развивается в горных породах при продолжительном влиянии сжимающих сил, приводит к смятию пластов в складки. Последние образуют складчатые системы и пояса на значи- тельных пространствах. Складки бывают двух видов: антиклинальные (выпуклые) и синклинальные (вогнутые) (см. рис. 3.1). Разрывные движения вызывают в земной коре глубокие разломы, по которым отдельные её участки опускаются вниз, образовывая пропасти, а дру- гие поднимаются вверх, формируя выступы. Пропасти получили название грабенов, а поднятия – горстов (см. рис. 3.2). Озеро Байкал является большим грабеном, заполненным водой. Движение массивов горных пород по вертикали часто сопровождается смещениями, по горизонтали – сдвигами. Складчатые и разрывные движения представляют собой горообразующий процесс. Многие ученые считают, что такие движения возникают в связи с горизонтальным перемещением больших участков земной коры – плит. Этот а б в Рис. 3.1. Складки: а – антиклинальная веерообразная; б – антикли- нальная перевернутая; в – синклинальная 51 процесс имеет глобальный характер. Вследствие процессов горообразования возникают разные нарушения залегания горных пород, которые называются дислокациями. Дислокации мо- гут происходить без разрыва сплошности пород (тогда возникают складки) и с разрывом сплошности (горст и грабен). Наличие дислокаций на участке строительства создает своеобразные условия ведения работ. Так в верхней части площадки антиклинальные породы разбиты трещинами в процессе горообразования, поэтому они быстро разрушаются. Нередко в местах давних антиклиналей встречаются углубления, образованные вследствие разрушения и вынесения ослабленной породы. Нао- борот, в нижней части синклинали (мульде) породы напряжены за счет сжатия. При разработке таких пород часто случаются внезапные обвалы стойких на первый взгляд склонов и даже выброс обломков. Наличие дислокаций значи- тельно усложняет инженерно-геологические условия строительных площадок. Приходится делать фундаменты одного сооружения на разных грунтах, что может послужить причиной неравномерных деформаций. Наклонное залегание пластов горных пород служит причиной опасности образования сдвигов. Пространственное положение пласта определяется элементами залегания: азимутами линий простирания и падения, а также величинами угла паде- ния (рис. 3.3). Простирание пласта характеризуется линией, которая получается при пересечении его плоскости с горизонтальной плоскостью. Падение пласта определяется линией, проведенной в его плоскости перпендикулярно к линии простирания. Угол падения пласта – это угол между его плоскостью и горизонтом. Для определения элементов залегания пласта во время геологической съемки применяют горный компас. Он отличается от обычного тем, что имеет градусное деление лимба, направленное против часовой стрелки. Чтобы опре- делить азимут линии падения, его устанавливают в горизонтальное положение южной стороной к линии простирания. Отсчет против северного конца магнит- ной стрелки дает азимут линии падения. Линия простирания имеет два азимута. Угол падения определяется при помощи отвеса, который есть в горном ком- 1 2 3 Рис. 3.3. Элементы залегания наклонных пластов: 1 – линия падения; 2 – линия простирания; 3 – угол падения Рис. 3.2. Дислокации, образующиеся во время разрывных движений земной коры: а – грабен; б – горст б а 52 пасе. Конечные измерения элементов залегания пласта могут иметь такой вид: ЮЗ 234°, 21°. Из записи следует, что пласт имеет угол падения на юго-запад, а его плоскость располагается относительно горизонта под углом 21°. Чтобы определить азимут простирания, достаточно прибавить или отнять 90° от азимута падения. 3.3. Магматизм и вулканы Процессы проникновения магмы в толщу земной коры из очагов распла- вов в верхней части мантии называются магматизмом. Магматизм бывает глубинным и поверхностным (см. п. 2.1). Поверхностный магматизм проявля- ется в деятельности вулканов. Вулканомназывается место прорыва магмы на поверхность земной коры. Чаще всего магма поступает на поверхность по трубообразным каналам. В этом случае продукты извержения образуют конусообразные горы с кратерами на вершинах. Это центрально-кратерные вулканы. При извержении таких вулканов наблюдается выброс газов, пепла, обломочного материала, а также извержение лавы. Вулканы действуют перио- дически с интервалом от нескольких месяцев до нескольких сотен лет. Нередко извержение вулкана сопровождается землетрясением. Вулканы условно разделяют на действующие и угасшие. На Земле известно |