Конспект лек Инженерная геология. Конспекты лекций по дисциплине инженерная геология
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
Сдвиг в нескальных грунтах выполняют двумя способами: 1) на целиках; 2) с помощью вращательных срезов при кручении крыльчатки. Работа на целиках аналогична скальным грунтам. Крыльчатка представляет собой лопастной прибор и используется для определения сопротивления сдвигу в пылевато-глинистых грунтах. Крылчатый четырехлопастной зонд опускают в забой скважины, вдавливают в грунт и поварачивают. При этом замеряют крутящий момент и расчитывают сопротивление сдвигу. Обработка результатов исследований грунтов. Оценку свойств массивов грунтов проводят на основе физико-механических характеристик, колторые получают по нормативным документам, в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем точкам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т.е. статистически обработать с целью получения усердненных значений и установления их применимости для всего массива грунта. После такой обработки результаты исследований можно использовать в расчетах оснований. Такую работу чаще всего выполняют методом математической статистики. Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят за развитием неблагоприятных геологических процессов (карстом, оползнями и др.), режимом подземных вод и температурным режимом многолетнемерзлых пород. Заключаются они в выборе характерных участков для наблюдений, установке сети реперов, инструментальных наблюдениях за их перемещением и т.д. Наблюдения ведут в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в период их проектирования. Продолжительность работ – до 1 года и более. ЛЕКЦИЯ – 5: ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ Общие сведения Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод. Науку о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией. Для строителей подземные воды в одних случаях служат источником водоснабжения, а в других выступают как фактор, затрудняющий строительство. Особенно сложным является производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих котлованы, карьеры, траншеи. Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород, могут выступать в роли агрессивной среды по отношению к строительным материалам, вызывают растворение многих горных пород (гипс, известняк и др.) с образованием пустот и т.д. Строители должны изучать подземные воды и использовать их в производственных целях, уметь бороться с ними при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений. Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности морей, океанов и суши, она в парообразном состоянии поступает в атмосферу. При соответствующих условиях пары конденсируются и в виде атмосферных осадков (дождь, снег) возвращаются на поверхность Земли – в морские бассейны и на сушу. Происходит круговорот воды в природе. Круговорот воды в природе. Различают большой, малый и внутренний (местный) круговорот воды. При большом круговороте испаряющая с поверхности Мирового океана влага переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Малый круговорот характеризуется испарением влаги с поверхности океана и выпадением ее в виде осадков на ту же водную поверхность. В ходе внутреннего круговорота испарившая с поверхности суши влага вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. Интенсивность водообмена подземных вод. В процессе круговорота воды в природе происходит постоянное возобновление природных вод, в том числе и подземных. Процесс смены первоначально накопившихся вод поступающими вновь называют водообменом. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс.км3 воды. Наиболее активно возобновляются речные воды. Интенсивность водообмена подземных вод различна и зависит от глубины их залегания. В верхней части земной коры выделяют следующие вертикальные зоны: интенсивного водообмена (воды преимущественно пресные) расположена в самой верхней части земной коры до глубины 300-400м, реже более; подземные воды этой зоны дренируются реками; в масштабе геологического времени – это воды молодые; замедленного водообмна (воды солоноватые и соленые) занимает промежуточное положение и располагается до глубины 600-2000 м; весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов) приурочена к глубоким зонам земной коры и полностью изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков; Наибольшее значение для водоснабжения имеют подземные воды, циркулирующие в зоне интенсивного водобмена. Постоянно пополняясь атмосферными осадками и водами поверхностных водоемов, они как правило, отличаются значительными запасами и высоким качеством. Количественное выражение круговорота воды. Круговорот воды в природе количественно описывается уравнением водного баланса Qa.o. = Qподз. + Qпов. + Qи где, Qа.о. – количество атмосферных осадков; Qподз. – подземный сток; Qпов. – поверхностный сток; Qи - испарение. Происхождение подземных вод. Подземные воды образуются преимущестенно путем инфильтрации. Атмосферные осадки, речные и другие воды под действием гравитации просачиваются по крупным порам и трещинам пород. На глубине они встречают водонепроницаемые слои горных пород. Вода задерживается и заполняет пустоты пород. Так создаются горизонты подземных вод. Для определения величины инфильтрационного питания Qи.п. необходимо знать интенсивность инфильтрации атмосферных осадков Qинф. И испарения Qи : Qи.п. = Qинф. - Qи. Водные свойства горных пород Горные породы по отношению к воде характеризуются следующими показателями: влагоемкостью, водоотдачей и водопроницаемостью. Показатели этих свойств используются при различных гидрогеологических расчетах. Влагоемкость – способность породы вмещать и удерживать в себе воду. В том случае, когда все поры заполнены водой, порода будет находиться в состоянии полного насыщения. Влажность, отвечающая этому состоянию, называют полной влагоемкостью Wп.в.: Wп.в. = n / ck Где, n - пористость; ск – плотность скелета породы. Наибольшее значение Wп.в. совпадает с величиной пористости породы. По степени влагоемкости породы подразделяют на весьма влагоемкие (торф, суглинки, глины), слабо влагоемкие (мергель, мел, рыхлые песчаники, мелкие пески, лесс) и невлагоемкие, не удерживающие в себе воду (галечник, гравий, песок). Водоотдача Wв – способность пород, насыщенных водой, отдавать гравитационную воду в виде свободного стока. При этом считают, что физически связанная вода из пор породы не вытекает, поэтому принимают Wв=Wп.в.-Wм.м.в.. Величина водоотдачи может быть выражена процентным отношением объема свободно вытекающей из породы воды к объему породы, или количеством воды, вытекающей из 1м3 породы (удельная водоотдача). Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, а также пески и супеси, в которых величина Wв колеблется от 25 до 43%. В глинах водоотдача близка к нулю. Водопроницаемость – способность пород пропускать гравитационную воду через поры (рыхлые породы) и трещины (плотные породы). Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород. Не всякая порода, которой присуща пористость, способна пропускать воду, например, глина с пористостью 50-60% воду практически не пропускает. Водопроницаемость пород (или их фильтрационные свойства) характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, представляющим собой скорость движения подземной воды при гидравлическом градиенте, равном 1 (см/с, м/ч или м/сут). По величине Кф породы разделяют на три группы: 1) водопроницаемые – Кф 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы); 2) полупроницаемые – Кф = 1-0,001 м/сут (глинистые пески, лесс, торф, рыхлые разности песчаников, реже пористые известняки, мергели); 3) непроницаемые – Кф 0,001 м/сут (массивные породы, глины). Непроницаемые породы принято называть водоупорами, а полупроницаемые и водопроницаемые – единым термином водопроницаемые или водоносными горизонтами. Свойства и состав подземных вод При оценке свойств подземных вод исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства подземной воды, которые характеризуют так называемые органолептические свойства воды (определяемые при помощи органов чувств). Органолептические свойства могут резко ухудшаться при попадании в воду естественным или искусственным путем различных примесей (минеральных взвешенных частиц, органических веществ, некоторых химических элементов). Температура подземных вод колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносных слоев, особенностей геологического строения, климатических условий и т.д. Различают воды холодные (температура от 0 до 200С), теплые или субтермальные воды (20-370С), термальные (37-1000С), перегретые (свыше 1000С). Очень холодные подземные воды циркулируют в зоне многолетней мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые воды характерны для районов молодой вулканической деятельности. На участках водозаборов чаще всего температура воды 7-110С. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси (желтоватая, изумрудная и т.д.). Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т.д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ. Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1,00 Омм. Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, газообразной эманации радия-радона и др.). Даже ничтожно малые концентрации – сотые и тысячные доли (мг/л) некоторых радиоактивных элементов – могут быть вредными для человека. Химический состав подземных вод. Все подземные воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее количество солей, газов, а также органических соединений. Растворенные в воде газы (О, СО2, СН4, Н2S и др.) придают ей определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обусловливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко бывают загрязнены органическими примесями (различные болезнетворные бактерии, органические соединения, поступающие из канализационных систем, и т.д.). Такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей. Соли. В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей подземные воды разделяют на пресные (до 1г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10г/л), соленые (10-50г/л) и рассолы (более 50 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом. Полученные результаты выражают в виде состава катионов и анионов (в мг/л или мг-экв/л). Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют общей минерализацией. О ее величине судят по сухому или плотному остатку (в мг/л или г/л), который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 105-1100С. Между общей минерализацией подземных вод и их химическим составом существует определенная зависимость. В природных условиях общая минерализация подземных вод исключительно разнообразна. Встречаются подземные воды с минерализацией от 0,1 г/л (высокогорные источники) до 500-600 г/л (глубокозалегающие воды Ангаро-Ленского артезианского бассейна). Общая минерализация – один из главных показателей качества подземных вод. В подземных водах присутствует несколько десятков химических элементов периодической системы Менделеева. До 90% всех растворенных в водах солей ионы Cl-, SO2-, HCO-3, Na+, Mg2+, Ca2+, K+. Желзо, нитриты, нитраты, водород, бром, иод, фтор, бор, радиоактивные и другие элементы содержатся в воде в меньших количествах. Однако даже в небольших количествах они могут оказывать существенное влияние на оценку пригодности подземных вод для различных целей. Наилучшими питьевыми качествами обладают воды при pH = 6,5-8,5. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк, и др) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием и кипячением. Органически примеси устанавливаются бактериологическим анализом. Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Жесткость и агрессивность подземных вод связана с присутствием солей. Жесткость воды - это свойство, обусловленное содержанием ионов кальция и магния, т.е. связанная с карбонатами и вычисляется расчетным путем по общему содержанию в воде гидрокарбонатных и карбонатных ионов. Жесткая вода дает большую накипь в паровых котлах, плохо мылится и т.д. В настоящее время жсткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1мг-экв жесткости соответствует содержанию в 1л воды 20,04мг иона кальция или 12,6мг иона магния. В других странах жесткость измеряют в градусах (1мг-экв=280). По жесткости воду разделяют на мягкую (менее 3мг-экв или 8,40), средней жесткости (3-6мг-экв или 8,40), жесткую (6-9мг-экв или 16,8-25,20) и очень жесткую (более 9мг-экв или 25,20). Наилучшим качеством обладает вода с жесткостью не более 7мг-экв/л. Жесткость бывает постоянной и временной. Временная жесткость связана с присутствием бикарбонатов и может быть устранена кипячением. |