Учебное пособие по Геологии. Учебное пособие для студентов i курса Разработал В. Г. Юхименко Ижевск 2007 Содержание введение
 Скачать 6.88 Mb.
|
|
ГЛАВА 11. ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ 11.1. Инженерная геология как часть геологической науки. Инженерная геология -наука,изучающая свойства горных пород(грунтов), природные геологические и техногенно-геологические (инженерно-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека. Становление инженерной геологии, как самостоятельной отрасли геологии, проходило в несколько этапов: первый этап, относящийся к концу XIX и первой трети XX века, характеризуется, в первую очередь, накоплением опыта использования геологических данных для строительства различных объектов, но особую роль при этом сыграло массовое строительство железных дорог в промышленно развитых странах мира. В России, например, в то время прокладывали железнодорожные пути через Кавказский хребет, строилась Транссибирская магистраль. Протяженность полотен дорог, значительное количество мостов и переходов, станционных сооружений позволило строителям познакомиться с весьма различными геологическими условиями на обширных территориях. Геология впервые стала находить практическое применение в решении конкретных строительных задач. На втором этапе, во второй трети XX века инженерная геология утвердилась как самостоятельная наука и стала необходимой и во многом неотъемлемой частью строительного производства. Инженеры-геологи приобрели необходимый опыт и разработали методики оценки свойств горных пород (грунтов) не только качественно, но и, что особенно важно для проектирования объектов, количественно. Появились нормы и технические условия на строительство в различных, в том числе и весьма сложных геолого-климатических условиях, и при развитии опасных природных процессов (вечная мерзлота, сейсмические районы, лессовые просадочные грунты, оползнеопасные районы и т.п.). Начали функционировать специализированные инженерно-геологические изыскательские организации, оснащенные необходимым оборудованием, приборами и высококвалифицированными кадрами. Появились первые научные монографии по инженерной геологии (Н.В. Бобков, 1931 г., Н.Н. Маслов, 1934 г. и др.), которая превратилась в самостоятельный весьма обширный раздел комплекса наук о Земле, способный решать сложнейшие задачи, обеспечивая строительство объектов в различных, в том числе самых трудных и неблагоприятных геологических условиях. В современных условиях инженерная геология изучает геологическую среду для целей строительства и для обеспечения ее рационального использования и охраны от неблагоприятных для человека процессов и явлений. Значительную роль в развитии инженерной геологии на данном этапе играют работы В.И. Осипова, В.П. Ананьева, В.Т. Трофимова, Г.К. Бондарика, И.С. Комарова, Г.С.Золотарева и других современных ученых. Развитие строительной деятельности и связанная с ним эволюция инженерной геологии приводит в настоящее время к сближению ее с комплексом экологических наук. Современная инженерная геология базируется на знаниях в области как естественных наук, таких как физика, химия, высшая математика, биология, экология, география, астрономия, так и прикладных — гидравлика, геодезия, климатология, информатика и др. 144 Инженерная геология в классическом представлении включает три главные самостоятельные, тесно связанные между собой научные направления,изучающие три главных элемента геологической среды: грунтоведение* —горные породы(грунты)и почвы; инженерная геодинамика* —природные и антропогенные геологические процессы и явления; региональная инженерная геология —строение и свойства геологической среды определенной территории. Кроме того, в состав современной инженерной геологии входят многие специальные разделы, имеющие уровень самостоятельных наук: механика грунтов; механика скальных пород; инженерная гидрогеология; инженерная геофизика; геокриология (мерзлотоведение). Интенсивно развивается морская инженерная геология, а также комплексная дисциплина по охране природной среды, основой которой является экология. Главная цель инженерной геологии —изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических материалов. Более полную информацию о содержании инженерной геологии можно получить из 5 . 11.2. Грунты: классификация и основные свойства Грунты* -это любые горные породы и твердые отходы производства,залегающие на поверхности земной коры и входящие в сферу воздействия на них человека при строительстве зданий и сооружений. Классификация грунтов отражает их свойства. В настоящее время грунты согласно ГОСТ 25100—95 разделяют на следующие классы: скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные образования. Каждый класс имеет свои подразделения. Скальные грунты. Их структуры с жесткими кристаллическими связями. Класс включает две группы грунтов: 1. скальные, куда входит три подгруппы пород магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и хемогенные; 2. полускальные в виде двух подгрупп — магматические излившиеся и осадочные породы типа мергеля и гипса. Деление грунтов этого класса на типы основано, на особенностях минерального состава, например силикатного типа — гнейсы, граниты, карбонатного типа — хемогенные известняки. Дисперсные грунты.В этот класс входят только осадочные породы.Класс разделяется на две группы — связных и несвязных грунтов. Связные грунты делятся на минеральные (глинистые образования), органоминеральные (илы, сапропели и др.) и органические (торфы). Несвязные грунты представлены песками и крупнообломочными породами (гравий, щебень) | Мерзлые грунты имеют криогенные структурные связи,цементом грунтов является лед. В состав класса входят практически все скальные, полускальные и связные грунты, находящиеся в условиях отрицательных температур. К этим трем группам добавляется группа ледяных фунтов в виде надземных и подземных льдов. 145 Техногенные грунты. Эти грунты представляют собой,с одной стороны,природные породы - скальные, дисперсные, мерзлые, которые в каких-либо целях были подвергнуты физическому или физико-химическому воздействию, а с другой стороны, искусственные минеральные и органоминеральные образования, сформировавшиеся в процессе бытовой и производственной деятельности человека. Последние нередко называют антропогенным образованием. В отличие от других классов этот класс вначале разделяется на три подкласса, а уже после этого каждый подкласс, в свою очередь, распадается на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности грунтов. Разновидности техногенных грунтов выделяются на основе специфических свойств. Каждый грунт имеет определенные физико-механические свойства. К физическим свойствам относятся плотность и пористость, влажность, водные свойства и др. Плотность грунта —это отношение массы породы,включая воды в ее порах,к занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влажности и характера сложения (пористости). Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных промежутков между минеральными частицами, составляющими породу. Пористость обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы. Кроме того, большое значение имеют водно-физические свойства (влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость). Влагоемкостью породы называют способность породы вмещать и удерживать в себе воду. Наибольшее значение влагоемкости совпадает с величиной пористости. Наибольшей влагоемкостью обладают торф, суглинки, глины. Водоотдача- способность пород,насыщенных водой отдавать гравитационную воду в виде свободного стока. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, пески, супеси, а наименьшей глины. Водопроницаемость-способность пород пропускать гравитационную воду через поры (рыхлые породы) и трещины (плотные породы). Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации (К ф ). В зависимости от величины К ф различают: водопроницаемые (галечники, гравий, песок); полупроницаемые (лесс, торф, мергели); непроницаемые (массивные породы, глины). К механическим свойствам относятся: прочность, деформативность, сопротивление сжатию, модуль деформации и др. Более полную информацию о свойствах грунтов можно получить из 5 . 11.3. Методы определения свойств грунтов Различают два вида определения свойств грунтов: полевые и лабораторные. Для лабораторных исследований образцы грунтов отбираются в шурфах и в буровых скважинах, при этом образцы доставляют в виде монолитов или рыхлых пород. При этом форма отбираемых монолитов близка к кубу (размеры от 10 х 10 х 10 см до 30 х 30 х 30 см). Из буровых скважин с помощью грунтоносов отбирают цилиндрические монолиты высотой 20-30 м. Монолиты немедленно парафинируют для сохранения их естественной влажности, т.е обматывают слоем марли, пропитанной парафиногудронной смесью, подогретой до 60-65 о С. Помимо монолитов, отбирают образцы рыхлых пород. Вес каждой такой пробы составляет до 0,5 кг. Пробы подземной воды берут из каждого 146 водоносного горизонта в количестве от 0,5 до 2 л. Количество отбираемой пробы зависит от вида химического анализа (полный или сокращенный) и степени минерализации воды. Вода отбирается в емкость и тщательно закупоривается. В лабораторных условиях можно определить практически все физико-механические свойства грунтов. На сегодня этот вид исследования является основным видом определения свойств грунтов (ряд характеристик, такие как природная влажность, плотность частиц грунта можно вообще определить только в лабораторных условиях), и несмотря на отдельные недостатки (трудоемкость, не всегда точные результаты определения свойств), позволяет смоделировать поведение грунтов в период строительства и во время эксплуатации сооружений. Исследование свойств грунтов в полевых условиях позволяет определить физико- механические свойства грунтов в условиях естественного залегания без нарушения их структуры и текстуры. В полевых условиях определяют все прочностные и деформационные характеристики, как скальных, так и нескальных грунтов. Некоторые полевые методы относятся к экспресс-методам, что позволяет быстрее получить результаты изучения свойств грунтов. Но, в тоже время, они не позволяют спрогнозировать поведение грунтов на период эксплуатации сооружений. Поэтому в практике инженерно-геологических исследований необходимо сочетание обоих методов Более полную информацию о методах определения свойств грунтов можно получить из 5 . 11.4. Инженерно-геологические работы. Инженерно-геологические работы обычно выполняют в три этапа: 1) подготовительный; 2) полевой; 3) камеральный. Подготовительный период включает изучение района по архивным,фондовым и литературным материалам. В этот период осуществляется подготовка к полевым работам. В полевой период осуществляют все инженерно-геологические работы, предусмотренные проектом для данного участка: • инженерно-геологическая съемка; • разведочные работы и геофизические исследования; • опытные полевые исследования грунтов; • изучение подземных вод; • анализ опыта местного строительства и т. д. Инженерно-геологическая съемка представляет собой комплексное изучение геологии, гидрогеологии, геоморфологии и других естественноисторических условий района строительства. Эта работа дает возможность оценить территорию со строительной точки зрения. Масштаб инженерно-геологической съемки определяется детальностью инженерно- геологических исследований и колеблется от 1:200 000 до 1:10 000 и крупнее. Основой для проведения съемки служит геологическая карта данной территории. Геоморфологические исследования уточняют характер рельефа, его возраст и происхождение. При геологических работах определяют условия залегания пород, их мощность, возраст, тектонические особенности, степень выветрелости и т. д. Для этой цели изучают естественные обнажения*пород на склонах гор,оврагов,речных долин.Для каждого слоязаписывают наименование породы, окраску, состав, примеси, измеряют видимую мощность и элементы залегания. На карте указывается местонахождение обнажения. Наиболее характерные для данного района обнажения зарисовывают и фотографируют. 147 Районы, где наблюдается большое количество обнажений, называют открытыми, а при их отсутствии закрытыми. В закрытых районах геологическое строение изучают с помощью разведочных выработок (буровых скважин, шурфов и т.д). Выработки документируются. Одновременно из них отбирают пробы образцов пород для лабораторных исследований. При инженерно-геологической съемке изучают гидрогеологические условия для выяснения обводненности пород, глубины залегания подземных вод, их режима и химического состава; выявляют геологические явления и процессы (обвалы, осыпи, оползни, карсты и т. д.), которые могут вредно отразиться на устойчивости и нормальной эксплуатации зданий и сооружений, изучают опыт строительства на данной территории, определяют физико-механические свойства пород полевыми методами, а также в специальных полевых лабораториях. В процессе инженерно-геологической съемки производят поиски месторождений естественных строительных материалов. На основе полученных данных составляют инженерно-геологическую карту района строительства. Это дает возможность произвести инженерно-геологическое районирование территории и выделить участки, наиболее пригодные под строительство крупных объектов (промышленные предприятия, жилые микрорайоны и т. д.). К главнейшим разведочным выработкам относят расчистки, канавы, штольни, шурфы и буровые скважины. Они различаются между собой по диаметру и глубине. При инженерно-геологических работах наиболее часто используют шурфы и буровые скважины Расчистки, канавы и штольни относят к горизонтальным выработкам. Их целесообразно применять на участках, сложенных крутодающими слоями. При слабонаклонном и горизонтальном залегании слоев следует проходить шурфы и буровые скважины. Отбор образцов производят из обнажений, буровых скважин, шурфов и других выработок. Пробы отбирают послойно, на всю глубину выработки, но не реже чем через каждые 0,5 - 1,0 м. Наиболее детально опробуется слой, который будет несущим основанием сооружений. Для инженерно-геологических работ обязателен отбор монолитов, т. е. образцов с сохранением их структуры. Особенно это важно при отборе образцов из слоев связных дисперсных пород (глины, суглинки), в которых кроме структуры необходимо сохранить природную влажность. В шурфах и обнажениях отбирают монолиты в форме, близкой к кубу, с размерами от 10 х 10 х 10 см до 30 х 30 х 30 см. Геофизические методы исследования обычно сопутствуют разведочным работам и вряде случаев позволяют значительно сократить объем шурфования и бурения. В большинстве случаев они применяются параллельно с другими исследованиями. С их помощью можно изучать физические и химические свойства пород и подземных вод, условия залегания, движение подземных вод, физико-геологические и инженерно-- геологические явления и процессы. В практике инженерно-геофизических изысканий основное место занимают электрометрия и сейсмометрия. Сейсмические методы основаны на различии в скоростях распространения упругих колебаний, возникающих как от естественных причин, так и от специально проводимых взрывов. С помощью сейсмических методов можно установить глубину залегания скальных пород под наносами, выявить дно речных долин, уровень грунтовых вод и т.д. В сложных сейсмических условиях этот метод недостаточно точен. 148 Электроразведка основана на исследовании искусственно создаваемого в массивах пород электрического поля. Каждая порода, в т.ч. сухие и насыщенные водой, характеризуются удельным электрическим сопротивлением. Чем больше отличаются удельные сопротивления между собой, тем точнее результаты электроразведки для данной строительной площадки. Наибольшее применение при инженерно-геологических исследованиях нашли электропрофилирование и вертикальное электрозондирование (ВЭЗ). С помощью электрометрических методов (ВЭЗ) можно определить глубину залегания коренных пород, уровень подземных вод, выделить слои различного литологического состава. В течение камерального периода производят обработку полевых материалов и результатов лабораторных анализов, составляют инженерно-геологический отчет с соответствующими графическими приложениями в виде геологических карт, разрезов и т. д. При этом геологические карты составляются для больших площадей. Разрезы создаются во всех случаях строительства. Инженерно-геологические работы для строительства подземных сооружений К числу подземных сооружений относят подземные резервуары, очистные канализационные сооружения, станции перекачки, а также различные объекты специального назначения. Особенностью подземных сооружений является большое заглубление. Их фундаменты на грунт оснований передают небольшие давления, которые иногда даже меньше, чем давление от собственного фунта, вынутого при отрывке котлована. В связи с этим при лабораторных исследованиях вопрос прочности фунтов не является главным. Значительно большее значение имеет устойчивость фунтов в откосах котлованов, особенно при наличии подземных вод Все необходимые данные о геолого-литологическом строении участков, предназначенных под застройку, гидрогеологии, инженерно-геологических процессах дают буровые скважины. Глубина скважин определяется условием - забой скважины должен находиться на 5-6 м ниже проектируемого основания подземных сооружений. В том случае, когда в этих пределах могут быть встречены неустойчивые породы, скважину углубляют до нижележащих устойчивых пород. Большая глубина заложения сооружения в большинстве случаев приводит к контакту с подземными водами, поэтому изучают режим, состав и агрессивность подземных вод. Одновременно решаются вопросы водоотлива, если подземные воды препятствуют производству работ, а также конструкции дренажей на период эксплуатации сооружений. Инженерно-геологические работы для строительства нефтегазопроводов Для проектирования трубопроводов необходимо знать прочность грунтов оснований, характер грунта, который пойдет для засыпки траншей (или создания насыпей), рельеф местности, особенности строения речных долин и их эрозионную деятельность, глубину промерзания грунтов, сейсмичность, блуждающие электрические токи, наличие грунтовых вод и их агрессивность, характер берегов морей, озер и водохранилищ, а также процессы и природные геологические явления, которые могут отрицательно сказаться на устойчивости трубопроводов - сели, осыпи и пр.). Инженерно-геологические работы трасс трубопроводов проводят в две стадии: предварительные - позволяющие выявить явления, которые могут затруднить работу по их укладке (оползни, карст, просадки, овраги) для обоснования проектного задания и детальные для рабочих чертежей. Иногда при сложных объектах перед предварительными исследованиями проводят рекогносцировочные работы с целью технико-экономического обоснования целесообразности строительства. 149 Предварительные инженерно-геологические работы выполняют с целью обоснования выбора варианта трассы трубопровода. Намечают ряд вариантов трасс. Каждая трасса изучается в полосе шириной до 500 м. Особое внимание обращается на наиболее неблагоприятные участки (оползни, карст и т. д.), коррозионную активность, агрессивность фунтовых вод, выявление блуждающих токов. На этом этапе работ большое значение имеет аэрогеологическое обследование и аэрофотосъемка местности. В инженерно-геологическом отчете дается сравнительная инженерно-геологическая характеристика всех вариантов трасс трубопроводов с представлением инженерно- геологических карт и разрезов. Рекомендуется наиболее благоприятный в инженерно- геологическом отношении вариант трассы. Детальные инженерно-геологические работы производят на окончательно выбранном варианте трассы. Разведочные выработки выполняют в виде буровых скважин. На каждый километр задают в среднем две скважины. Их глубина чаще всего 3-5 м, а на болотах и переходах через водотоки 1-15 м. В камеральный период проводится составление инженерно-геологического отчета Результаты исследований оформляют в виде обычного инженерно-геологического отчета с соответствующими приложениями (геологические карты, разрезы и т.д). Более полную информацию об этапах инженерно-геологических работ и производстве работ при строительстве подземных сооружений и при строительстве трубопроводов можно получить из 5 . Вопросы для самопроверки 1. Что такое инженерная геология? 2. Дайте характеристику основным этапам становления инженерной геологии 3. Из каких основных разделов состоит инженерная геология? 4. Какие существуют основные классы грунтов? 5. Охарактеризуйте основные физические свойства грунтов. 6. Охарактеризуйте основные механические свойства грунтов. 7. Какие существуют методы определения свойств грунтов? 8. Дайте краткую характеристику лабораторных методов исследования свойств грунтов? 9. Дайте краткую характеристику полевых методов исследования свойств грунтов? 10. Какие существуют этапы инженерно-геологических работ? 11. Какие существуют разведочные выработки, в чем их различие между собой? 12. Какие используют геофизические методы при проведении инженерно- геологических изысканий? 13. Какие особенности подземных сооружений? 14. Как определяется глубина бурения скважин при инженерно-геологических работах 15. На что надо обращать особое внимание при изучении геологических особенностей местности при строительстве подземных сооружений 16. На что надо обращать особое внимание при изучении геологических особенностей местности при строительстве трубопроводов? 17. В чем отличие предварительных и детальных инженерно-геологических работ при строительстве трубопроводов? 18. Дайте характеристику использования разведочных выработок при строительстве трубопроводов? 150 |