учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
7.6. Транспортное строительство К транспортным сооружениям относятся аэропорты, автомобильные и железные дороги и сопровождающие их насыпи, выемки, мосты, тоннели и др. Ширина полосы отвода земель под транспортное строительство со- ставляет от 20 до 100 м. Главная особенность транспортных сооружений 115 – соблюдение необходимых продольных уклонов в зависимости от типа, категории дорог и условий местности. Влияние транспортных сооружений на геологическую среду опреде- ляется следующими факторами: 1. Изменение природного ландшафта и появление новых геоморфоло- гических элементов. 2. Изменение геологического строения участков на трассах и напря- женного состояния массивов горных пород. Интенсивное воздействие на горные породы динамических нагрузок при эксплуатации транспортных сооружений. 3. Нарушение поверхностного стока, условий снегоотложения и филь- трационных свойств горных пород. 4. Изменение режима грунтовых вод. 5. Нарушение естественных условий тепло- и массообмена грунтов. 6. Изменение мощности деятельного слоя в зонах развития многолет- немерзлых горных пород. 7. Развитие инженерно-геологических процессов и явлений – склоно- вой эрозии, выветривания, деформаций горных пород и др. Основные рекомендации по рациональному использованию и охране геологической среды при транспортном строительстве 1. Разработка основ дорожно-климатического районирования терри- торий в зависимости от климата, геоморфологии, характера увлажнения грунтов, их температурного режима и гидрогеологических условий. 2. Максимальное сохранение естественного рельефа и растительно- сти. 3. Обеспечение минимального воздействия природных факторов на элементы дорожных конструкций. 4. Проведение специальных инженерно-геологических изысканий с оценкой гидрогеологических условий и устойчивости элементов рельефа на линии будущих коммуникаций. 5. Соблюдение нормативных требований устойчивости земляного по- лотна и использование местных грунтов при его возведении. 6. Обеспечение устойчивости откосов выемок и насыпей. 7. Прокладка трасс с использованием водоразделов с минимальным количеством и наименьшей глубиной выемок 8. Устройство эффективных дренажных систем для сохранения транс- портных сооружений от разрушения. 9. Сохранение природной границы зон многолетней мерзлоты. 116 10. Предупреждение развития инженерно-геологических процессов и явлений – оползней, осыпей, склоновой эрозии, деформаций, размыва грунтов и т.д. 7.7. Эксплуатация подземных вод Подземные воды в значительных количествах используются для хо- зяйственно-питьевых нужд, промышленного производства и других це- лей. Интенсивные откачки подземных вод вызывают глубокие изменения не только подземной гидросферы, но и геологической среды в целом: 1. Нарушается взаимосвязь поверхностных и подземных вод. 2. Нарушается водный баланс речного стока – изменяется русловой режим, заиливаются русла водотоков, исчезают малые реки. 3. Осушаются болота и озера, исчезают родники. 4. Изменяется влажность почв, растет мощность зоны аэрации, осу- шаются водонасыщенные комплексы горных пород. 5. Ухудшается комфортность существования растительных сообществ и изменяется характер растительности. 6. Изменяются условия питания и разгрузки подземных вод. 7. Снижаются уровни грунтовых вод и других подземных водоносных горизонтов. 8. Нарушаются температурный режим и химический состав подзем- ных вод. 9. Ухудшается качество подземных вод – изменяется их минерализа- ция с последующим загрязнением. 10. Формируются техногенные гидрогеохимические аномалии. 11. Развиваются депрессионные воронки, вызывающие осадки значи- тельных по площади участков дневной поверхности, деформации зданий и сооружений и т.п. 12. Изменяются водно-физические свойства горных пород. 13. Развиваются суффозионно-карстовые и другие антропогенные геологические процессы и явления. 14. В массивах горных пород нарушается естественное геостатическое поле. 15. Нарушается температурный режим мерзлых горных пород с раз- витием зон сквозных таликов. 117 Основные рекомендации по рациональному использованию и охране геологической среды при эксплуатации подземных вод 1. Искусственное пополнение запасов подземных вод переводом по- верхностного стока в подземный. 2. Заложение водозаборов выше по потоку подземных вод относи- тельно возможных участков загрязнения. 3. Устройство вокруг водозаборов зон санитарной охраны. 4. Изоляция источников загрязнения от участков питания подземных вод. 5. Разработка критериев рационального отбора подземных вод с уче- том природоохранных требований. 6. Организация сети специальных стационаров по наблюдению есте- ственного и нарушенного состояния геологической среды и подземной гидросферы для разработки природоохранных критериев. 7. Моделирование состояния геологической среды с прогнозом разви- тия возможных негативных антропогенных геологических процессов и явлений. 8. Составление комплексных региональных схем прогнозного антро- погенного воздействия на окружающую природную среду хозяйственной деятельности человека для разработки принципов рационального исполь- зования геологической среды и водных ресурсов. 8. МОНИТОРИНГ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ Мониторинг геологической среды – это система постоянных наблю- дений, оценки, прогноза и управления геологической средой или ее ча- стью, проводимых по заранее намеченной программе в целях обеспече- ния оптимальных экологических условий для человека в пределах рас- сматриваемой природно-технической геосистемы. Выделяются виды мониторинга геологической среды: 1) комплексный мониторинг геологический среды – наблюдения ведутся за всеми элемен- тами геологической среды); 2) частный мониторинг геологической сре- ды: а) гидрогеологический (его объекты – подземные водные ресурсы); б) геоморфологический (ландшафтный) мониторинг; в) геодинамический (мониторинг антропогенных процессов); г) геокриологический монито- ринг (мониторинг криолитозоны); д) почвенный. В зависимости от типа инженерно-хозяйственного освоения территорий выделяются: монито- ринг городских территорий, промышленных районов, районов горно- добывающих предприятий, гидротехнических сооружений, районов сель- 118 скохозяйственного и гидромелиоративного освоения, районов АЭС, транспортных линейных сооружений и других. Разработаны системы и организационные службы мониторинга геоло- гической среды и других компонентов окружающей природной среды. Главная цель мониторинга геологической среды – установление законо- мерностей развития геологической среды и ее частей в природно- технических геосистемах, разработка прогнозов этого развития и выра- ботка на их основе рекомендаций и управляющих решений по оптимиза- ции функционирования природно-технических геосистем. Общая структура мониторинга геологической среды состоит из сле- дующих систем: I. Иерархическая система. Выделяются уровни мониторинга: 1) детальный – предприятий, месторождений, хозяйственных комплексов и т.п.; 2) локальный – городов и районов; 3) региональный – краев и об- ластей; 4) национальный – включает территорию государства (осуществ- ляет мониторинг окружающей среды); 5) глобальный – межгосудар- ственная система мониторинга окружающей среды. II. Функциональная система. Ее элементы – сбор информации, оценка информации, прогнозирование, рекомендации по управлению. Основой функциональной системы является автоматизированная ин- формационная система (АИС). Она состоит из 4 основных взаимосвя- занных блоков. Первый блок.Автоматизированная информационно- поисковая система (АИПС) – это база данных из наблюдательной сети о состоянии геологической среды территории. Здесь они накапливаются в банке данных, предварительно обрабатываются и сортируются. Второй блок. Автоматизированная система обработки данных (АСОД) по коли- чественной и качественной обработке всей информации (с помощью ЭВМ). Третий блок. Автоматизированная прогнозно-диагностическая система (АПДС) с составлением прогнозов о состоянии геологической среды. Четвертый блок. Автоматизированная система управления (АСУ) с разработкой рекомендаций и решений по управлению природ- но-технических геосистем. Основу технического обеспечения АИС составляют различные ком- пьютеры. Основой математического обеспечения АИС являются как ми- нимум 4 блока программ, которые сопровождаются своими управляю- щими программами. Первый блок. Поисковые программы (база данных, каталоги, редакторы текстов, программы – автоматизированного проек- тирования и картографирования, редактирования изображений и т.д.). Второй блок. Стандартные программы статистической обработки дан- ных. Третий блок. Прогнозно-диагностические программы и программ- 119 ные средства, включая различные модели. Четвертый блок. Оптимиза- ционные программы (разработка управляющих решений). III. Система объектов мониторинга геологической среды. 1. Почвы, горные породы, искусственные грунты. 2. Подземные воды. 3. Рельеф. 4. Природные и антропогенные геологические процессы. 5. Си- стема инженерной защиты. Могут выделяться подсистемы мониторинга какого-либо конкретного элемента геологической среды (например, мониторинг гидрогеологиче- ский, геоморфологический, почвенный, экзогенных геологических про- цессов и др.). Внутри подсистем могут выделяться более узкие подсисте- мы (три уровня) мониторинга, например: в подсистеме гидрогеологиче- ского мониторинга – мониторинг загрязнения подземных вод, истощения или пополнения запасов подземных вод, подтопления или осушения тер- риторий, фонового режима подземных вод и т.д.; в подсистеме монито- ринга экзогенных геологических процессов – мониторинг конкретных процессов (оползнеобразования, формирования селей, абразии, ветровой эрозии, заболачивания и др.). IV. Система производственных работ (производственная база мо- ниторинга). В нее входят все виды работ по получению информации о геологической среде: геолого-геофизические, инженерно-геологические, инженерно-геоэкологические, гидрогеологические, геоморфологические (рекогносцировочные, режимные, оценочные, тематические и др.), все виды съемочных работ и изысканий, работы по организации систем ин- женерной защиты и др. V. Система научно-методических разработок. Назначение системы – разработка методов планирования, организации и функционирования мони- торинга, проведения производственных работ, анализа и оценки результатов наблюдений, прогнозирования и выдачи управляющих решений. VI. Система технического обеспечения (техническая база монито- ринга). Сюда входят: аппаратура для наблюдений и сбора первичной информации о состоянии геологической среды (датчики, индикаторы, приборы для наблюдений), технические средства для проведения поле- вых съемочных геолого-геофизических, инженерно-геологических, ин- женерно-геоэкологических, гидрогеологических и геокриологических работ (буровые установки, передвижные инженерно-геологические и гидрогеологические лаборатории, геофизические станции, приборы для полевых испытаний и т.д.), автотранспорт, лабораторное оборудование для проведения лабораторных инженерно-геологических, гидрогеологи- ческих и других исследований, вычислительные средства (ЭВМ и ком- пьютеры), средства связи и коммуникаций, оргтехника. 120 Приложение 1 ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ При проектировании и возведении различных сооружений, часто воз- никает необходимость искусственного улучшения природных свойств грунтов, получившего название «техническая мелиорация». Разработаны многочисленные методы улучшения свойств грунтов, выбор которых зависит от следующих факторов: 1) положения грунтов в классификаци- ях, их состава и физического состояния; 2) достижения конкретных стро- ительных задач: а) закрепления грунтов на месте их естественного зале- гания путем обезвоживания, уплотнения и упрочнения, б) создания грун- товых материалов; 3) гидрогеологических условий; 4) технических воз- можностей намечаемых методов и их экономической целесообразности. Работы ведутся по специальным проектам, которые составляются на ос- нове детальных инженерно-геологических исследований. Методы, применяемые в технической мелиорации 1. Цементация. Метод применяется широко и является экономич- ным. Главная цель использования метода – повышение прочности и сни- жение водопроницаемости грунтов. Цементацией решаются следующие задачи: 1) укрепление оснований зданий и сооружений; 2) повышение устойчивости и гидроизоляции горных пород в подземных горных выра- ботках; 3) обработка оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов; 4) устройство противофильтрационных завес от затопления объектов подземными водами. Для цементации трещин и пустот в твердых грунтах и укрепления песчано-гравелистых массивов применяются цементные и глинисто- цементные растворы с различными добавками. Они закачиваются в мас- сивы грунтов через серии пробуренных скважин насосами с давлением до 70 атм. Для цементации рыхлых грунтов используется жидкое стекло. Это химический метод, получивший название силикатизация. Растворы вводятся в грунт с помощью специальных инъекторов. Сначала закачива- ется силикат натрия, затем – хлористый кальций. Реакция между ними дает постепенно твердеющий гидрогель кремнекислоты, который цемен- тирует рыхлый грунт. Наиболее часто метод используется для укрепле- ния песков (например, при строительстве метрополитенов). Цементация (с активными добавками) применяется для создания из дисперсных грун- тов искусственных грунтов с заданными свойствами. 121 В качестве новых реагентов для закрепления рыхлых грунтов в по- следнее время используются природные и синтетические смолы, битум- но-глинистые, силикато-глинистые и полимер-глинистые смеси, а также известь. 2. Глинизация (кольматация)применяется для уменьшения водопро- ницаемости твердых сильно трещиноватых и рыхлых грунтов. Для зака- чивания в горные породы используются глинистые растворы с различ- ными добавками. Метод, по возможности, заменяет цементацию, так как является более дешевым. 3. Горячая битумизация также применяется для уменьшения водо- проницаемости и гидроизоляции трещиноватых твердых грунтов. Для этого в горные породы через скважины нагнетается горячий битум, разо- гретый до температур 150–220°. Для закрепления и гидроизоляции рых- лых частично твердых грунтов используются холодные битумные эмуль- сии. Горячая битумизация широко применяется в гидротехническом строительстве. 4. Искусственное замораживание используется для создания вре- менных водонепроницаемых контуров в скальных и рыхлых грунтах на период строительных работ. Для замораживания грунтов применяются охлажденные минеральные рассолы (соединения хлористых металлов) с температурой до –20°С, которые закачиваются в скважины. 5. Осушение используются для осушения массивов скальных и чаще рыхлых грунтов с целью защиты от затопления подземными водами со- оружений, котлованов, шахт, карьеров, разрабатываемых месторождений полезных ископаемых и т.д., а также для предотвращения отрицательных деформаций и явлений в горных породах (суффозия, разрушение откосов и т.д.). Осушение достигается сооружением дренажных устройств раз- личного типа (сети канав, скважин и др.). Для обезвоживания глинистых грунтов применяется электроосмотическое осушение или электродренаж. Оно основано на движении воды под влиянием электрического тока в сторону катода, так как молекулы воды имеют положительный заряд. 6. Механическое уплотнение – широко применяемый метод улучше- ния свойств рыхлых грунтов действием статических и динамических нагрузок (трамбовка, укатка, вибрация, использование энергии взрыва). При этом достигается более плотное размещение частиц в объеме горной породы, уменьшается пористость. Используется при подготовке основа- ний сооружений, дорожных и аэродромных покрытий, строительстве насыпей, дамб, плотин. Укрепление массивов рыхлых грунтов достигает- ся также набивными и грунтовыми сваями – бетонными, железобетон- ными, песчаными, цементно-песчаными. 122 7. Искусственные гранулометрические смеси широко используются при строительстве земляных сооружений, дорожных покрытий и представ- ляют собой искусственные песчано-глинистые грунты оптимального гра- нулометрического состава, обладающие заданными инженерно-геоло- гическими свойствами. Разработаны рецепты смесей в зависимости от климата, влажности и других факторов, изложенные в специальной лите- ратуре. В качестве добавок используются: гранулометрические (щебень, гравий, дресва и др.), минеральные (цементы, известь), химические (CaCl 2 , MgCl 2 , NaCl), органические (битум, мазут, деготь) и комплексные. 8. Термическая обработка применяется для улучшения инженерно- геологических свойств глинистых и лессовых грунтов. Выделяются три степени термической обработки. I Степень. Прогрев, или термическая дегидратация (температуры 300–500°С, максимальная – 600°С). При этом происходит обезвоживание глинистого грунта, он становится водостойким, более плотным, резко снижаются его пластичность и липкость. II Степень. Обжиг (температура обработки 600–800°С, максимальная – до 1000° С). При этом грунт спекается в монолитную массу, обладаю- щую значительной механической прочностью (временное сопротивление сжатию достигает 100 кг/см 2 и более). Прогрев и обжиг осуществляются сжиганием топлива в скважинах с нагнетанием в них воздуха (для поддержания горения и увеличения дли- ны пламени). III Степень. Клинкерный обжиг (температура 1 100°С и выше) осу- ществляется на специальных клинкерных заводах для получения строй- материалов – клинкерного камня, который используется как высокопроч- ное дорожное покрытие. 9. Метод замачивания используется для механического уплотнения лессовых высокопросадочных грунтов. |