учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В.С. Чувакин ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ Учебное пособие 3-е издание, переработанное Томск Издательский Дом Томского государственного университета 2017 brought to you by CORE View metadata, citation and similar papers at core.ac.uk provided by Tomsk State University Repository 2 УДК 624.131.1 (075.8) ББК 26.3 Ч82 Чувакин В.С. Ч82 Основы инженерной геологии : учеб. пособие. 3-е изд., перераб. – Томск : Издательский Дом Томского государ- ственного университета, 2017. – 136 с. В пособии изложены главные положения основных разделов инже- нерной геологии – грунтоведения, инженерной геодинамики, региональ- ной и специальной инженерной геологии. Введены новые разделы, свя- занные с техногенным воздействием на геологическую среду, ее рацио- нальным использованием, охраной и мониторингом. В приложениях пред- ставлены данные по технической мелиорации грунтов и инженерной гео- логии месторождений полезных ископаемых. Для бакалавров (направление подготовки 05.04.01 – «Геология», 05.03.02 «География») и специалистов (направление подготовки 21.05.02 – «Прикладная геология») геолого-географического факультета Томского государственного университета. УДК 624.131.1. (075.8) ББК 26.3 Рецензенты: доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры гидрологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии С.Л. Шварцев; начальник отдела инженерной геологии ОАО «Томский проектно-изыскательский институт транспортного строительства» («Томгипротранс») Д.Ю. Щанов © Чувакин В.С., 2017 © Томский государственный университет, 2017 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Содержание курса «Инженерная геология», его задачи, значение и связь с другими науками, основные понятия и термины Инженерная геология – это геологическая наука, изучающая состав, состояние, строение и свойства верхней части земной коры (литосферы), ее динамику, закономерности формирования и изменения под влиянием природных и антропогенных факторов. Другие определения: 1) инженер- ная геология – это наука о геологической среде, ее рациональном исполь- зовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью че- ловека (Сергеев, 2011); 2) инженерная геология – это наука геологическо- го цикла, исследующая состав, состояние, строение и инженерно- геологические свойства верхних горизонтов земной коры, их современ- ную динамику, закономерности формирования и пространственно- временного изменения под воздействием современных и прогнозируемых геологических процессов (Трофимов, 2005). Содержание инженерной геологии заключается в комплексном изуче- нии, оценке и прогнозировании геологических условий строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений. В инженерной геологии выделяются три главных тесно связанных научных направления: 1. Грунтоведение – изучает состав, состояние, строение и свойства грунтов и грунтовых массивов, закономерности их формирования и из- менения под влиянием природных факторов и инженерно-хозяйственной деятельности человека. 2. Инженерная геодинамика – рассматривает механизм, динамику и закономерности формирования природных и антропогенных геологиче- ских процессов, влияющих на изменения верхней части земной коры. 3. Региональная инженерная геология – изучает закономерности фор- мирования, пространственного распределения, динамику изменения (под влиянием природных и антропогенных геологических процессов) и райо- нирование инженерно-геологических условий структурных зон земной коры. К научному направлению инженерной геологии относится специаль- ная инженерная геология, которая изучает условия строительства инже- нерных сооружений в разных геологических условиях с использованием методов инженерно-геологических исследований (в том числе инженер- 4 ного геологического картирования) на разных стадиях проектирования сооружений и хозяйственного освоения территорий. Прикладные разделы инженерной геологии: 1. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых изуча- ет инженерно-геологические и горно-геологические условия разработки месторождений полезных ископаемых; горно-геологические условия – совокупность природных свойств полезного ископаемого и вмещающих его горных пород, влияющих на безопасную отработку месторождения (прил. 2). 2. Экологическая инженерная геология наряду с экологической геоло- гией решает общие проблемы – сохранение экологических функций ли- тосферы без отрицательного воздействия на биоту и человека. Главные задачи, решаемые инженерной геологией 1. Изучение состава, состояния, строения и свойств горных пород как грунтов основания и строительных материалов для возведения различных сооружений. 2. Выяснение геологических условий строительства, выбор для строи- тельства сооружений оптимальных участков с рекомендацией методов производства строительных работ. 3. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости сооруже- ний и их нормальной эксплуатации. 4. Типизация и районирование инженерно-геологических условий горных массивов и территорий для целей их хозяйственного освоения. 5. Прогнозирование состояния геологической среды. 6. Прогнозирование и управление природными геологическими про- цессами, влияющими на инженерные сооружения, и новыми геологиче- скими процессами, которые могут возникать под воздействием сооруже- ний. 7. Инженерная защита территорий и сооружений от опасных геологи- ческих процессов. 8. Рациональное использование и охрана геологической среды и раз- работка мер по ее улучшению. 9. Разработка методов, программ прогнозирования и решения эколо- гических задач в ходе хозяйственного освоения территорий. Значение инженерной геологии вытекает из тех задач, которые она решает, и, прежде всего, инженерная геология имеет значение для сохра- нения геологической среды обитания человека, с разрушением которой невозможна нормальная его жизнедеятельность. 5 Инженерная геология тесно связана с фундаментальными геологиче- скими науками, а также со многими естественными, техническими и со- циально-экономическими науками – физикой, химией, математикой, поч- воведением, мерзлотоведением, гидрологией, океанологией, климатоло- гией, горным и строительным делом и др. Основные понятия и термины Биота – совокупность видов растений, животных и микроорганизмов территории. Геологическая среда – это взаимосвязанная многокомпонентная от- крытая система, состоящая из верхней части литосферы и взаимодей- ствующих с ней атмосферы, биосферы, поверхностной и подземной гид- росферы, которые формируют геологические условия обитания и жизне- деятельности человека. Грунты – это любые природные и техногенные горные породы и поч- вы, рассматриваемые как многокомпонентные и многофазные системы, которые являются объектами изучения инженерной геологии. Техногенез – изменение природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Техносфера – искусственная оболочка земли, созданная человеком и занимающая часть биосферы. Почва – поверхностный слой дисперсного грунта, состоящий из не- органического и органического веществ и обладающий плодородием. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ Инженерная геология использует методы исследования геологических наук, а также тех наук, с которыми она тесно связана (т.е. физики, химии и др.). Ее основными методами являются: 1. Инженерно-геологическая съемка различных масштабов с состав- лением инженерно-геологических карт и разрезов. 2. Инженерно-геологическая разведка с применением горных вырабо- ток (шурфов и скважин) и методов геофизики. 3. Опытные полевые работы для оценки различных свойств и устой- чивости грунтов в естественном залегании. 4. Режимные стационарные наблюдения за геологическими процесса- ми, подземными водами и т.д. 6 5. Лабораторно-экспериментальные исследования свойств горных по- род в образцах. 6. Методы аналогий, расчетные методы и методы инженерно- геологического моделирования для оценки и прогноза инженерно- геологических условий. 7. Механико-математические методы при выполнении инженерно- геологических расчетов, решении задач в грунтоведении, инженерной геодинамике, анализе геолого-структурных и геомеханических моделей. 2. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ Инженерная геология и, прежде всего, ее раздел грунтоведение сфор- мировались на основе многовекового опыта строительных работ и изуче- ния горных пород как оснований фундаментов. Из архивных данных из- вестно, что русские строители в ХV в.е закладывали фундаменты с уче- том свойств горных пород, в гидротехнических сооружениях ХVII в. учи- тывалась водопроницаемость грунтов. В XIX веке во многих развитых странах ведущие геологи стали при- влекаться в качестве консультантов при строительстве железных дорог и крупных сооружений. В России это были А.П. Карпинский, Ф.Ю. Левин- сон-Лессинг, И.В. Мушкетов, В.А. Обручев, А.П. Павлов и др. В СССР инженерная геология как наука оформилась в двадцатые го- ды. Ее основоположником был академик Ф.П. Саваренский (1881–1946). В тридцатые годы были открыты первые кафедры грунтоведения и ин- женерной геологии в ведущих вузах Москвы и Ленинграда. Начались подготовка специалистов по инженерной геологии, издание учебников, монографической литературы. Для решения научных и практических задач инженерной геологии были созданы отраслевые научно-исследовательские институты, много- численные проектно-изыскательские и геологические организации. В историографии развития и становления инженерной геологии мож- но выделить три этапа – ранний, средний и поздний. Вклад в развитие инженерной геологии на раннем этапе внесли – Н.В. Бобков, П.А. За- мятченский, Г.Н. Каменский, Н.В. Коломенский, Н.Н. Маслов, С.С. Мо- розов, В.В. Охотин, А.П. Павлов, Н.Ф. Погребов, И.В. Попов, В.А. Прик- лонский, М.М. Филатов и др.; на среднем этапе – Л.Г. Балаев, В.М. Без- рук, Л.Д. Белый, Г.К. Бондарик, Г.А. Голодковская, И.М. Горькова, Н.Я. Денисов, Р.С. Зиангиров, Н.В. Коломенский, А.К. Ларионов, В.Д. 7 Ломтадзе, Г.А. Мавлянов, В.И. Осипов, П.Н. Панюков, И.В. Попов, В.А. Приклонский, М.П. Семенов, акад. Е.М. Сергеев, В.Н. Соколов, В.Т. Трофимов, Е.Г. Чаповский и др.; на позднем этапе – В.П. Ананьев, Г.К. Бондарик, А.С. Герасимов, Г.А. Голодковская, Э.Д. Ершов, Р.С. Зи- ангиров, Г.С. Золотарев, И.П. Иванов, И.С. Комаров, В.А. Королев, Ф.В. Котлов, В.И. Осипов, акад. Е.М. Сергеев, В.Т. Трофимов и др. Из зарубежных ученых в области инженерной геологии необходимо отметить: в США – К. Терцаги (один из основоположников механики грунтов), Р. Пек, Дж. Тейлор и др., в Великобритании – А. Скемптон, во Франции – Ж. Талобр, в Австрии – Л. Мюллер, в Чехословакии – К. За- руба и М. Матула и др. Во второй половине XX в. в инженерной геологии активно развивалось экологическое направление. В конце XX в. и начале XXI в. сформирова- лась отечественная научная школа инженерной и экологической геологии, возглавляемая В.Т. Трофимовым. В.Т. Трофимовым сформулирован ос- новной закон инженерной геологии: «Современные инженерно- геологические особенности любого объекта верхних горизонтов литосфе- ры и их изменение определяются историей его геологического развития, структурно-тектоническим положением и климатическими условиями, а на освоенных территориях – и характером техногенных воздействий. 3. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ 3.1. Общие положения Основы грунтоведения детально изложены в учебнике В.Т. Трофимо- ва «Грунтоведение» (2005 г.), поэтому в данном разделе опирается в ос- новном на результаты этого фундаментального исследования. Выделяются общее, региональное и геодинамическое грунтоведение, которые тесно взаимосвязаны объектом изучения и методами его иссле- дования. Общее грунтоведение изучает общие особенности состава, состоя- ния, строения и свойств грунтов и грунтовых массивов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздей- ствием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов. Региональное грунтоведение изучает особенности пространственно- го распределения грунтовых массивов (как элементов инженерно- геологических структур), пространственно-временные закономерности 8 формирования их состава, состояния и свойств и изменение под воздей- ствием современных и прогнозируемых природных и антропогенных геологических процессов. Региональное грунтоведение является частью региональной инженерной геологии. Геодинамическое грунтоведение изучает закономерности простран- ственно-временного изменения состава, состояния и свойств грунтов под влиянием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов. Геодинамическое грунтоведение является ча- стью инженерной геодинамики. Факторы, определяющие инженерно-геологические свойства горных пород в естественном залегании и влияющие на эти свойства, весьма многообразны. Важнейшими из них являются: возраст и генетический тип горных пород, форма геологических тел, их условия залегания (т.е. структурно-тектонические признаки), общие гидрогеологические усло- вия, количественный минеральный состав и структурно-текстурные осо- бенности горных пород, трещиноватость, пористость, размер минераль- ных зерен и гранулометрический состав, степень и тип цементации гор- ных пород, физические свойства породообразующих минералов, струк- тура минерального скелета и порового пространства, природа структур- ных межминеральных и межатомных связей, параметры кристаллической решетки, вторичные изменения горных пород, выветривание, наличие минеральных примесей, газов, воды и т.д. (включая климат). Основной закон грунтоведения, названный законом Приклонского- Сергеева-Ломтадзе, заключается в том, что «состав, строение, состояние и свойства грунтов определяются их генезисом, характером постгенети- ческих процессов и современным пространственным положением» (Тро- фимов, 2005, с. 54). Выделяются свойства грунтов – химические, физико-химические, фи- зические, биотические и физико-механические. 3.2. Химические свойства грунтов Химические свойства грунтов обусловлены взаимодействием компо- нентов грунта между собой в результате процессов окисления, восста- новления, гидролиза, гидратации и другие или в реакциях с другими ве- ществами. Другие химические свойства грунтов связаны с их раствори- мостью, химической поглотительной способностью, проявлением кис- лотно-основных свойств и их химической агрессивностью. 1. Растворимость грунтов зависит от их химико-минерального со- става, структурно-текстурных особенностей, типа растворителя, участия 9 биоты, термодинамических параметров (давление и температура) и ха- рактеризуется величиной – произведением растворимости (ПР) – это произведение молярных концентраций (активностей) катионов и анионов минерала или вещества в его насыщенном растворе. К растворимым грунтам относятся галоидные грунты, содержащие галит, сильвин и другие, карбонатные грунты (известняки, доломиты, мел, мергель), сульватные грунты, содержащие гипс, ангидрит и др. 2. Химическая поглотительная способность грунтов проявляется в образовании в них труднорастворимых соединений в результате химиче- ского взаимодействия между твердой, жидкой и газовой фазами грунта (например, в результате адсорбции или других реакций). 3. Кислотно-основные свойства грунтов определяют их агрессив- ность и характеризуются универсальным показателем – величиной pH , которая изменяется в широких пределах и зависит от химико- минерального состава грунта, состава обменных катионов и водораство- римых солей и других факторов. Если величина pH меньше 7 – грунт яв- ляется кислотным, если pH больше 7 – это отражает щелочность грунта. 4. Химическая агрессивность грунтов проявляется в негативном влиянии их на инженерные сооружения (фундаменты и др.). Это свойство реализуется через воздействие влаги, находящейся в грунтах, или через подземные воды, контактируемые с грунтами. Агрессивность подземных вод по отношению к бетонным сооружениям регламентируется норма- тивными документами, в том числе СНиП 2.03.11-85 («Защита строи- тельных конструкций от коррозии»). Интенсивность воздействия на кон- струкции зависит от химического состава влаги в грунте или подземных вод – водородного показателя pH, наличия ионов HCO 3 – , Mg 2+ , SO 4 2– , хлоридов Cl – и, в конечном итоге, приводит к коррозии строительных конструкций. 3.3. Физико-химические свойства грунтов Физико-химические свойства грунтов обусловлены физико- химическим взаимодействием и процессами, происходящими на границе раздела фаз в объеме грунта. 1. Адсорбционные свойства грунтов отражают процессы концен- трации вещества из объема фаз (твердая–жидкая; твердая–пар или газ) на поверхности их раздела и активно проявляются в грунтах с большой удельной поверхностью – дисперсные и высокопористые скальные грун- ты. Это свойство имеет значение в инженерной и экологической геологии и в развитии новых технологий очистки веществ, так как грунты способ- 10 ны адсорбировать органические и неорганические вещества из растворов. Например, глинистые грунты используются в качестве адсорбентов для очистки жидкостей от различных (вредных) примесей. 2. Ионно-обменные свойства грунтов являютсяразновидностью ад- сорбции и представляют процесс поглощения поверхностным слоем грунта ионов из порового раствора, который сопровождается изменением микроструктуры грунтов. Это свойство используется для целенаправлен- ного изменения структуры и свойств грунтов и регулирования их физико- химических свойств (например, очистка грунтов от загрязнений, умень- шение их водопроницаемости, повышение плодородия почв и др.). |