учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
3.8.7. Техногенные грунты Техногенные грунты – это измененные массивы горных пород, воз- никшие в результате инженерно-строительных и хозяйственных работ, сохранившие первоначальное место залегания или перемещенные на раз- 40 личные расстояния. В царстве техногенных грунтов выделяются (табл. 3.8.7.1) классы скальных, дисперсных и мерзлых грунтов, затем в каждом их них выделяются группы, подгруппы, типы и виды грунтов. Т а б л и ц а 3.8.7.1 Общая классификация грунтов. Царство техногенных грунтов Класс Группа Подгруппа Тип Вид Ска льн ые Скальные Природные образования, измененные в условиях естественного залегания физическим и физико- химическим воздействием Все типы изме- ненных природ- ных скальных и реже дисперсных грунтов Все виды изме- ненных природ- ных скальных и реже дисперсных грунтов Полускальные Антропогенные образования Д и с п е р с н ы е Связные Природные образования, измененные в условиях естественного залегания физическим или физико- химическим воздействием Все типы изме- ненных природ- ных дисперсных и скальных грун- тов Все виды изме- ненных природ- ных дисперсных грунтов Несвязные Природные перемещенные образования насыпные, намывные или образован- ные взрывом Отходы произ- водственной и хозяйственной деятельности Отходы бытовые, промышленные, строительные, шлаки, шламы, золошлаки и др. Антропогенные образования насыпные и намывные М е р з л ы е Скальные проморожен- ные Природные образования, измененные в условиях естественного залегания тепловым воздействием Все типы промо- роженных при- родных скальных грунтов Все виды промо- роженных при- родных скальных грунтов Полускальные проморожен- ные Связные про- мороженные Природные образования, измененные в условиях естественного залегания тепловым воздействием Все типы промо- роженных при- родных дисперс- ных грунтов Все виды промо- роженных при- родных дисперс- ных грунтов Несвязные проморожен- ные Природные перемещенные промерзшие образования насыпные и намывные Антропогенные промерзшие образования насыпные, намывные и намороженные Все типы промо- роженных ан- тропогенных образований Отходы бытовые, промышленные, строительные шлаки, шламы, золошлаки, ис- кусственные льды и др. Техногенные скальные и полускальные грунты в естественном зале- гании – это грунты, измененные методами технической мелиорации для 41 обеспечения устойчивости сооружений, проходки и эксплуатации горных выработок, локализации промышленных отходов, производственных вод и т.п. При этом скальные грунты при снижении прочности на одноосное сжатие менее 5 МПа в водонасыщенном состоянии переходят в полус- кальные грунты. Для укрепления несущей способности и снижения водо- проницаемости трещиноватых и закарстованных грунтов используется тампонирование грунтов цементными и цементо-грунтовыми раствора- ми, глинистыми суспензиями, горячим битумом и жидким стеклом (си- ликатизация). Некоторые типы связных дисперсных грунтов, обработан- ные методами технической мелиорации (горячий битум, холодные би- тумные эмульсии, цементные растворы, жидкое стекло, карбомидные смолы, известкование, термообработка), приобретают по своим проч- ностным параметрам свойства скальных и полускальных грунтов. Техногенные дисперсные связные грунты делятся на: 1) природные образования, измененные в условиях естественного залегания (техноген- но измененные грунты); 2) природные перемещенные образования (тех- ногенно перемещенные грунты) и 3) антропогенные образования. 1. Техногенно измененные связные грунты формируются из природ- ных в естественном залегании связных и несвязных алевро-глинисто- песчаных грунтов, обработанных методами технической мелиорации – глинизации, холодной битумизации, осушения и уплотнения. 2. Техногенно переотложенные связные грунты делятся на: а) насып- ные (возведение насыпей и отвалов) и б) намывные. Для этого типа грун- тов допускается использование искусственных грунтовых смесей из гли- нистых, алевритовых и крупнообломочных грунтов с заданными свой- ствами. 3. Связные антропогенно образованные грунты. К ним относятся: а) зола тепловых электростанций, из которой формируются пруды- отстойники гидроотвалов глинисто-пылеватого состава; б) шламы – от- ходы металлургического, химического, горно-обогатительного произ- водств, бурения скважин, строительной индустрии, рудничных и сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности, состав их преимуществен- но глинистый; в) культурный слой – это поверхностный и приповерх- ностные пласты горной породы или почвы с материальными следами жизнедеятельности человека от самых древних погребенных до совре- менных. Они крайне неоднородны по своему составу (строительный му- сор, предметы домашнего обихода и т.д.). Мощность культурного слоя некоторых городов составляет (в метрах): Киев – 44, Лондон – 25, Москва – 22, Париж – 20, Новгород – 14. Современный культурный слой не может служить основанием инженерных сооружений, а древний куль- 42 турный слой требует бережного обращения. Для возведения на нем стро- ительных объектов необходимо разрешение археологов. В связи с отсут- ствием в Российской Федерации государственной археологической служ- бы археологические находки часто совершают строители, а культурному слою, имеющему историческое значение, наносится непоправимый ущерб. Техногенно дисперсные несвязные грунты делятся, как и связные, на: 1) природные образования, измененные в условиях естественного залега- ния (техногенно измененные грунты); 2) природные перемещенные обра- зования (техногенно переотложенные грунты) и 3) антропогенные обра- зования. 1. Техногенно измененные несвязные грунты формируются из при- родных в естественном залегании несвязных грунтов, обработанных ме- тодами технической мелиорации – уплотнение, внесение гранулометри- ческих добавок, армирование (использование для упрочнения грунтов каркасных конструкций, пленок, сеток, тканей, металлических полос, стержней, балластных колонн, песчаных свай, грунтовых анкеров, буро- инъекционных свай т.п.). 2. Техногенно переотложенные несвязные грунты – это: а) насыпные грунты, используемые для возведения насыпей автомобильных и желез- ных дорог, составных частей гидротехнических сооружений (дамбы, пло- тины) и при планировке территорий, засыпке котлованов и ведении дру- гих земляных работ; горные массы отвалов и терриконов из выработан- ных месторождений полезных ископаемых высотой от 50-80 до 100 м с линейными очертаниями, крутизной склонов, зависящей от углов есте- ственного откоса отсыпаемых грунтов, объемом до нескольких миллио- нов кубометров. По составу отвалы могут быть однородными и неодно- родными. Горные породы отвалов постепенно уплотняются под влияни- ем естественного веса, ударных нагрузок при сбрасывании на поверх- ность отвала и веса работающих на отвале машин и механизмов. Со вре- менем происходит их дальнейшее уплотнение силами гравитации. Они создают техногенные уродливые формы рельефа, а угольные отвалы и терриконы подвержены, кроме того, саморазогреванию, которое сопро- вождается самовозгоранием и взрывами при попадании атмосферных осадков. В последнее время ставится задача возвращения отвалов и тер- риконов в среду обитания человека по программам рекультивации зе- мель; б) намывные грунты – это искусственные локальные стройплощад- ки размером в несколько квадратных километров. Они создаются в доли- нах рек в черте крупных населенных пунктов для возведения промыш- ленных и гражданских объектов. В качестве материала используются 43 местные аллювиальные песчаные отложения (пример: застройка левого берега р. Томи г. Новокузнецка и др.). При строительстве плотин на рав- нинных реках и оградительных дамб разного назначения применяется гидронамыв. В результате использования гидромеханизации земляных работ в горно-техническом производстве также образуются техногенные переотложенные несвязные грунты гидроотвалов. 3. Несвязные антропогенно образованные грунты близки к связным антропогенным образованиям подобного типа; это: а) шлаки, представ- ляющие отходы горнометаллургического производства; б) зола и шлаки от тепловых электростанций; в) шламы – отходы производства цветной металлургии. Техногенные мерзлые грунты образуются в различных условиях: 1) в результате естественного промерзания техногенных грунтов разного ти- па; 2) искусственного замораживания плывунов и других водонасыщен- ных грунтов при шахтном и тоннельном строительстве, возведении гид- ротехнических сооружений, линий метрополитенов и др.; 3) наморажи- вания искусственных льдов при создании автодорог, аэродромов, прича- лов, дамб, переправ через водные преграды, платформ для добычи угле- водородного сырья и т.п. 3.9. Инженерная геология массивов горных пород Инженерно-геологический массив представляется как часть геологи- ческой среды в литотехнической системе, взаимодействующей с соору- жениями в процессе их строительства и эксплуатации. Выделяются мас- сивы грунтов и грунтовые толщи, которые могут быть синонимами поня- тия «инженерно-геологический массив». Массив грунтов – это геологи- ческое тело, образующее геологическую структуру или часть ее, характе- ризующееся присущим только ему составом, строением и свойствами в зоне влияния инженерных сооружений. Грунтовая толща – это толща горных пород и почв, слагающая верхнюю часть разреза различных гео- морфологических элементов и находящаяся в сфере влияния инженерных сооружений. Важным элементом структуры инженерно-геологического массива является строение его земной поверхности, называемой физической. Фи- зическая поверхность массива отражает его внутреннее строение и гео- динамическое состояние. Она не совпадает с топографической поверхно- стью, для которой характерна непрерывность и плавность. Различие это проявляется в более сложной конфигурации рельефа, наличии экзогеоди- намических напряжений (например, нависающие косогоры, карстовые и 44 оползневые явления и т.п.), неотектонических новообразований (уступы, ступенчатые сбросы и т.д.), эрозионно-денудационных и аккумулятивных процессов. Строение физической поверхности – один из решающих фак- торов, влияющих на размещение инженерных сооружений и коммуника- ций. Границы инженерно-геологических массивов устанавливаются по комплексу признаков – геолого-структурных, тектонических, геоморфо- логических, геодинамических. Границами массивов могут быть тектони- ческие швы и зоны резкого изменения состава и геологического строе- ния. Глубина изучения массивов должна превышать глубину производи- мых работ и размещения сооружений, включая зону воздействия соору- жений на массивы. В необходимых случаях проводится специальное изу- чение подстилающих комплексов горных пород для предупреждения ка- ких-либо катастрофических деформаций. Линии пересечения боковых граничных поверхностей массива с физической поверхностью определя- ют границы инженерно-геологических районов, т.е. территорий, отлича- ющихся друг от друга условиями строительства, эксплуатации сооруже- ний и хозяйственного освоения в целом. Внутреннее строение массива оказывает влияние на свойства слагающих его горных пород и определяет инженерно-геологические свойства самого массива. В строении массивов выделяются объемные структурные элементы и поверхности их раздела, которые можно объединить в 4 группы: 1. Петрогенетические – отражают горные породы по своему составу, разделенные на элементарные структурные блоки. Границами раздела являются контакты разновидностей горных пород, трещины, плоскости рассланцевания и т.д. 2. Петротектонические – объединяют естественные ассоциации гор- ных пород, находящиеся в генетическом родстве, формационные ком- плексы, структурные этажи земной коры и разделяющие их поверхности. 3. Тектонические – это структурные элементы, имеющие тектониче- скую природу: складчатые структуры, разрывные нарушения, разломы, тектонические блоки. 4. Неотектонические, экзогенно-гравитационные – это гляциодисло- кации, вызванные давлением ледников, оползневые процессы, карстовые обрушения, мерзлотно-динамические явления и др. При изучении свойств массивов нельзя исключать так называемого масштабного фактора или эффекта, основанного на том, что инженерно- геологические свойства горных пород зависят от размеров изучаемых образцов. Считается, что с увеличением размеров образцов прочность горных пород снижается. В целом массивы могут быть изотропными – их 45 свойства являются одинаковыми во всех направлениях или анизотроп- ными – их свойства являются разными в разных направлениях. На инженерно-геологические свойства массивов и их поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями оказывают влияние сле- дующие главные факторы. 1. Однородность и неоднородность вещественного состава и текстур- но-структурных особенностей горных пород, слагающих массивы. 2. Трещиноватость горных пород массивов. Интенсивность трещино- ватости оценивается количеством трещин, приходящихся на 1 пог. м мас- сива горных пород. Количественная оценка степени трещиноватости учитывает их размеры и густоту трещин. Отношение средней длины трещин, приходящихся на 1 м 2 площади массива, называется удельной трещиноватостью. Рассчитывается коэффициент трещиноватости, кото- рый показывает число трещин на единицу длины по определенному направлению. Классификация массивов по степени трещиноватости в зависимости от коэффициента фильтрации и удельного водопоглощения показана в табл. 3.9.1. Т а б л и ц а 3.9.1 Классификация массивов по степени трещиноватости Типы массивов Коэффициент филитрации, м/сут Удельное водопоглощение, л/мин Практически водоупорные, нетрещиноватые <0,01 <0,005 Очень слабоводопроницаемые и слаботрещиноватые 0,01–0,1 0,005–0,05 Слабоводопроницаемые и слаботрещиноватые 0,1–1,0 0,05–5 Водопроницаемые и слаботрещиноватые 10–30 5–15 Сильноводопроницаемые, Сильнотрещиноватые 30–100 15–50 Очень сильно водопроницаемые и сильнотрещиноватые >100 >50 По данным СНиП 11-02-96 выделяются типы массивов скальных грунтов по степени трещиноватости в зависимости от модуля трещинова- тости М i –число трещин на 1 м линии измерения: 1) слаботрещиноватые – М i < 1,5; 2) среднетрещиноватые – M i = 1,5–5; 3) сильнотрещиноватые – M i = 5–30; 4) очень сильнотрещиноватые – M i > 30. 3. Выветрелость горных пород массивов (см. раздел 4.3.1). Согласно СНиП 11-02-96 массивы скальных грунтов классифицируются по степени 46 выветрелости в зависимости от коэффициента выветрелости К вс. Коэф- фициент выветрелости (К вс ) – это отношение плотности выветрелого об- разца грунта к плотности невыветрелого образца этого же грунта: если К вс < 0,8 – массив сильновыветрелый, К вс = 0,8–0,9 – массив выветрелый, К вс = 0,9–1,0 – массив слабовыветрелый, К вс = 1 массив невыветрелый. 4. Гидрогеологические условия. Обводненность массивов влияет на состояние, в основном ухудшает физико-механические свойства, слага- ющих его грунтов, и способствует развитию в них различных геодинами- ческих процессов (суффозия, оплывание, разжижение грунтов и т.п.). В таблице 3.9.2 приводится классификация массивов горных пород по сте- пени водопроницаемости. Т а б л и ц а 3.9.2 Классификация массивов горных пород по степени водопроницаемости (СНиП 2.02-85) Типы массивов Коэффициент фильтрации Удельное водопоглощение, л/мин·м 2 Практически водонепроницаемые < 0,005 < 0,01 Слабоводопроницаемые 0,005–0,3 0,01–0,1 Водопроницаемые 0,3–3,0 0,1–1 Сильноводопроницаемые 3–30 1–10 Очень сильноводопроницаемые > 30 > 10 5. Напряженное состояние массивов. Наличие тектонических верти- кальных и горизонтальных напряжений, сил гравитации, локальных напряжений в связи с близостью тектонических нарушений и наличием геологических структур, играющих роль несущих конструкций. Нельзя исключать влияние окружающей геологической среды. Оно проявляется через геолого-структурное положение горных пород в массиве, сказыва- ется в характере общей структурной и физической неоднородности мас- сива, наличии прочных, жестких или пластичных вмещающих горных пород в окружающих структурах. 6. Геотермическое положение массивов. Длительное пребывание масси- вов в условиях положительных или отрицательных температур формирует в них определенное состояние и физико-механические свойства грунтов. 7. Газонасыщенность массивов. Природный газ (метан) встречается в массивах, сложенных угленосными горными породами, в угольных ме- сторождениях и бассейнах, в соленых горных породах (углекислый газ и др.). Встречаются газонасыщенные горизонты в массивах криогенных грунтов. Наличие газов влияет на инженерно-геологические свойства массивов и всегда должно учитываться при ведении горных работ, свя- 47 занных с разработкой месторождений полезных ископаемых, строитель- ством подземных сооружений и т.п. Критерии оценки степени газовой опасности грунтов приведены в табл. 3.9.3. Т а б л и ц а 3.9.3 Оценка газогеохимической опасности грунтов (СП 47.13330, 2012) Степень газохимической опасности грунтов Объемная доля компонента, % CH 4 CO 2 H 2 O 2 Безопасные 0,01–0,1 1,0–5,0 < 0,1 > 18,0 Потенциально опасные 0,1–1,0 1,0–5,0 < 1,0 < 18,0 Опасные > 1,0 > 5,0 > 1,0 <18,0 Пожаро- и взрывоопасные >5,0 n · 10 > 4,0 < 18,0 Результаты газогеохимического районирования, полученные в ходе инженерно-геологических изысканий, используются при решении вопро- сов рационального использования территорий под застройку с проведе- нием необходимых мероприятий по биогазовой защите зданий и соору- жений, а также в случаях вторичного использования грунтов, извлекае- мых на дневную поверхность в процессе строительства. 4. ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОДИНАМИКИ 4.1. Общие положения Инженерная геодинамика является самостоятельным разделом, или научным направлением, инженерной геологии. Она изучает: 1) природные геологические процессы – эндогенные и экзогенные; 2) инженерно- геологические процессы, вызванные хозяйственной деятельностью челове- ка и взаимодействием инженерных сооружений с геологической средой; 3) горно-геологические явления, возникающие при производстве горных работ и разработке месторождений полезных ископаемых. Геологические процессы и явления влияют на размещение и условия строительства сооружений и коммуникаций, их устойчивость, надежность, долговечность, эксплуатацию. Изучение геологических процессов и явле- ний имеет значение для выявления закономерностей их развития, распро- странения, прогнозирования, количественной оценки, для разработки мер по охране окружающей среды и рациональному использованию недр. Инженерная геодинамика использует следующие методы исследова- ний: 1) непосредственное наблюдение за геологическими процессами и явлениями; 2) реконструкция геологической истории района, связанной с 48 развитием геодинамических процессов; 3) периодические повторные ин- женерно-геологические съемки геодинамического состояния территории; 4) стационарные маркшейдерские наблюдения с точной инструменталь- ной привязкой динамики геологических процессов (с помощью сети ре- перов и фиксацией их координат); 5) моделирование геологических про- цессов в лабораториях и естественных условиях; 6) вероятностно- статистический метод прогнозирования геологических процессов и их корреляцию с другими процессами в геологической истории; 7) расчетно- теоретический метод прогнозирования явлений; 8) использование но- вейших высокочувствительных регистрационных приборов, фиксирую- щих различные параметры изменения геологической среды. |