учебное пособие геология инженерные изыскания. Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей
 Скачать 2.75 Mb.
|
|
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Казанский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей Казань, 2015 2 УДК 624.1 ББК 26.3 М63 М63 Инженерная геология: Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей / И.Т. Мирсаяпов, Д.Р. Сафин, Л.Ф. Сиразиев. – Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект. - строит. ун-та, 2015. – 152с. Печатается по решению Редакционно-издательского совета Казанского государственного архитектурно-строительного университета. В учебном пособии изложены общие сведения о геологии, приведены данные по минералам и горным породам, тектоническим явлениям, гидрогеологии. В соответствии с программой курса освещены вопросы инженерно-геологических изысканий для промышленно- гражданского строительства и прогнозирования изменения геологической среды. Особое место занимают вопросы изучения геологических и инженерно-геологических процессов и явлений. Пособие содержит варианты заданий, методики и примерные решения контрольных задач по инженерной геологии. Предназначено для проведения лабораторных и практических занятий для студентов вузов, обучающихся по строительным специальностям. Рецензенты: директор ООО «НППФ «Фундаментспецремонт», кандидат технических наук И.Ф. Шакиров кандидат технических наук, доцент кафедры ТСП А.Р. Мавлюбердинов © Казанский государственный архитектурно- строительный университет, 2015 © И.Т. Мирсаяпов, Д.Р. Сафин, Л.Ф. Сиразиев, 2015 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 1. Основные сведения о геологии ...................................................................... 6 1.1. Строение Земли ...................................................................................... 6 1.2. Тектонические движения земной коры ............................................... 8 1.3. Сейсмические явления. Землетрясения ............................................... 10 2. Геологическая хронология земной коры ...................................................... 11 3. Породообразующие минералы. ..................................................................... 14 3.1. Физические свойства минералов ......................................................... 14 3.2. Классификация минералов ................................................................... 15 3.3. Контрольные задания по теме "Породообразующие минералы" .... 17 4. Горные породы ................................................................................................ 17 4.1. Магматические горные породы ............................................................ 19 4.1.1. Инженерно-геологическая характеристика магматических пород ......................................................................................................... 19 4.1.2. Формы залегания магматических пород .................................... 20 4.2. Метаморфические горные породы ....................................................... 21 4.3. Осадочные горные породы ................................................................... 22 4.3.1. Классификация осадочных пород по способу образования ..... 23 4.3.2. Структура и текстура осадочных пород ..................................... 25 4.3.3. Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород ......................................................................................................... 27 4.4. Контрольные задания по теме "Горные породы" .............................. 27 5. Основы грунтоведения ................................................................................... 28 5.1. Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов ................. 29 5.2. Газы в грунтах ........................................................................................ 30 5.3. Вода в грунтах. Классификация видов воды в грунтах ..................... 30 5.4. Строение грунтов. Типы структурных связей .................................... 32 5.5. Физические свойства и классификация грунтов................................. 34 5.6. Контрольные задания по теме " Физические свойства и классификация грунтов" .............................................................................. 37 6. Геологические карты и разрезы ..................................................................... 40 7. Геоморфология ................................................................................................ 44 8. Гидрогеология ................................................................................................. 46 8.1. Химический состав и агрессивность подземных вод ......................... 47 8.2. Карты поверхности грунтовых вод (карты гидроизогипс) ................ 48 8.3. Движение подземных вод...................................................................... 49 8.4. Контрольные задания по теме «Гидрогеология» ............................... 51 9. Геологические и инженерно-геологические процессы и явления ............. 52 9.1. Процессы выветривания ........................................................................ 52 9.2. Геологическая деятельность ветра ....................................................... 54 4 9.3. Геологическая деятельность атмосферных осадков........................... 54 9.4. Геологическая деятельность рек .......................................................... 57 9.5. Геологическая деятельность в болотах ................................................ 59 9.6. Геологическая деятельность ледников ................................................ 60 9.7. Сезонная и многолетняя мерзлота ....................................................... 62 9.8. Движение масс горных пород на склонах рельефа ............................ 64 9.9. Геологическая деятельность подземных вод ...................................... 65 9.10. Просадочность лёссовых грунтов ...................................................... 67 9.11. Контрольные задания по теме «Геологические и инженерно- геологические процессы» .............................................................................. 68 10. Инженерно-геологические и инженерно-геотехнические изыскания ..... 84 10.1. Инженерно-геологические изыскания для подготовки проектной документации ............................................................................. 85 10.2. Опытные полевые исследования грунтов ......................................... 87 10.3. Геофизические методы исследований ............................................... 90 10.3.1. Электроразведка .......................................................................... 91 10.3.2. Сейсморазведка ........................................................................... 92 10.3.3. Георадиолокация ......................................................................... 93 10.4. Прогнозирование изменения геологической среды ......................... 93 10.5. Инженерно-геологические отчеты и заключения ............................. 94 10.6. Контрольные задания по теме «Инженерно-геологические и инженерно-геотехнические изыскания» .................................................... 95 11. Расчетно-графическая работа. Анализ инженерно-геологических условий территории, оценка перспективности её застройки. Построение карты гидроизогипс ............................................................................................. 98 Список использованных источников ................................................................ 109 Приложение 1. Породообразующие минералы. ............................................... 110 Приложение 2. Магматические горные породы .............................................. 123 Приложение 3. Метаморфические горные породы ......................................... 129 Приложение 4. Осадочные горные породы ...................................................... 131 Приложение 5. Классификация и нормирование грунтов .............................. 146 Приложение 6. Категории сложности инженерно-геологических условий .................................................................................................................. 150 5 ВВЕДЕНИЕ Инженерно-геологические исследования как часть инженерных изысканий представляют собой важнейший этап любого строительного процесса, в особенности это касается сооружений с развитой подземной частью или на сложных грунтовых условиях. От полноты, продуманности программы инженерно-геологических изысканий и качества их проведения зависит уровень достоверности исходной информации для проектирования, которая соответственно определяет степень учета при проектировании всех особенностей площадки строительства, правильность выбора рациональных типов фундаментов и конструкций сооружения, степень безопасности технологии его возведения, необходимость и объем проведения тех или иных предупредительных мероприятий и т.д., что в конечном итоге во многом определяет стоимость и надежность функционирования объекта при последующей эксплуатации. В связи с этим, в процессе изучения курсов «Инженерная геология», «Инженерная геология, механика грунтов и фундаменты» является необходимым приобретение основных представлений о составе, строении, состоянии и свойствах геологической среды, развивающихся в ней природных и техногенно вызванных геологических процессах; возможных изменениях геологической среды под влиянием строительства и эксплуатации сооружений, негативно влияющих на геологическую обстановку застроенной территории, методике и методах исследований при инженерно-геологических изысканиях, а также содержании инженерно-геоэкологического обоснования проектов в различных региональных условиях с учетом прогнозного изменения геологической среды. Учебное пособие составлено с целью оказания помощи студентам при изучении вышеприведенных вопросов, составляющих основу курсов, связанных с инженерной геологией, применительно для проектирования зданий и сооружений. 6 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЕ О ГЕОЛОГИИ Геология (греч. "гео" – Земля, "логос" – учение) – наука о Земле, ее составе, строении и развитии, о процессах, протекающих на ней, в ее воздушной, водной и каменной оболочках. 1.1. Строение Земли Земля состоит из нескольких оболочек, химический состав, физическое состояние и свойства которых различны. Геология изучает главным образом наружную оболочку – земную кору или литосферу (греч. "литос" - камень) в тесном сотрудничестве с другими науками - биологией, почвоведением, геофизикой, географией и т.д. При геологических исследованиях изучаются, прежде всего, верхние горизонты земной коры в естественных обнажениях (выходах на поверхность Земли горных пород из-под наносов) и в обнажениях искусственных - горных выработках (канавах, шурфах, шахтах, скважинах). Для исследования глубинных частей земной коры используются геофизические методы. Форма Земли обычно именуется Земным шаром или геоидом, похожим на трехосный эллипсоид вращения. Масса Земли равна 6 х 10 21 тонн, средний радиус 6371 км, средняя плотность 5,52 г/см 3 , длина экватора около 40 000 км. Поверхность земного шара на 71% занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, реками и т.д.) и на 29% сушей [1]. Рис. 1.1. Геосферы Земли (а) и строение земного шара (б) Земля сложена несколькими концентрическими оболочками: внешними – атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества) и внутренними, которые называют геосферами – ядро, мантия и литосфера [1]. Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера, биосфера и самая верхняя часть земной коры. С помощью буровых скважин удается изучать глубины до 8 км. Строение более глубоких недр 7 Земли изучается геофизическими методами, из которых наибольшее значение имеют сейсмические и гравиметрические. Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Глубина ядра – 2900 км, плотность вещества возрастает с глубиной с 9,5 до 14 г/см 3 , и масса земного ядра составляет 32% всей массы Земли. Ядро на 90% состоит из железа с никелем, кислорода, серы, углерода, и его состав полностью отвечает составу ряда метеоритов. Мантия располагается под земной корой в интервале глубин от 8-80 до 2900 км. Температура в верхних слоях (до 100 км) - 1000-1300 о С, с глубиной повышается и у нижней границы достигает 2300 о С. Однако вещество там находится в твердом состоянии вследствие давления, которое на больших глубинах составляет сотни тысяч и миллионы атмосфер. Мантия имеет мощность 2000 -2800 км и ее масса составляет 67,8 % от общей массы Земли. Мантия сложена силикатными ультраосновными породами с плотностью 4,5-6 г/см 3 Земная кора представляет собой верхний слой Земли. Мощность коры колеблется от 5 до 25-40 км. Для инженера-геолога земная кора является основным объектом исследований, именно на ее поверхности и в ее недрах возводятся инженерные сооружения, т.е. осуществляется строительная деятельность. Земная кора наиболее неоднородна. По глубине в ней выделяется 3 слоя (сверху вниз): осадочный, гранитный и базальтовый. Осадочный слой образован мягкими, а иногда и рыхлыми горными породами, возникшими путём осаждения вещества в водной или воздушной среде на поверхности Земли. Осадочные породы обычно расположены в виде пластов, ограниченных параллельными плоскостями. Мощность слоя колеблется от нескольких метров до 10-15 км. Есть участки, где осадочный слой практически полностью отсутствует. Гранитный слой сложен в основном магматическими и метаморфическими породами, богатыми Al и Si. Среднее содержание SiO 2 в них более 60%, поэтому их относят к кислым породам. Плотность пород слоя 2,65-2,80 г/см 3 . Мощность 20-40 км. В составе океанической коры (например, на дне Тихого океана) гранитный слой отсутствует, являясь, таким образом, неотъемлемой частью именно континентальной земной коры. Базальтовый слой лежит в основании земной коры и является сплошным, то есть, в отличие от гранитного слоя, присутствует в составе и континентальной, и океанической коры. Вещество, слагающее базальтовый слой, по химическому составу и физическим свойствам близко к базальтам (менее богатым SiO 2 , чем граниты). Плотность вещества достигает 3,32 г/см 3 8 1.2. Тектонические движения земной коры На поверхности Земли постоянно возникают горные системы и океанические впадины. Процессы, которые приводят к их образованию, вызваны внутренними силами Земли (землетрясения, вулканизм) и называются процессами внутренней динамики Земли. Движения земной коры, связанные с этими процессами, называют тектоническими, они вызывают изменение залегания геологических слоев. Тектоника – наука, изучающая движение земной коры, формы залегания, создаваемые этими движениями и историю их развития. Она изучает структурные образования Земли в их движении и развитии. Различают тектонические движения – медленное колебательное движение земной коры, складчатое и разрывное движение [1]. Колебательные тектонические движения – вертикальные движения земной коры небольшой амплитуды, заключающиеся в медленном поднятии и опускании. Они могут быть положительными и отрицательными т.к. один и тот же участок может испытывать вначале колебательные движения одного знака затем другого. Нарушение залегания горных пород при этом не происходит (моноклинали). Моноклиналь – слои, залегающие под одним углом. Современные колебательные движения измеряются с помощью геодезических приборов и доступны непосредственному наблюдению. Колебательные движения состоят в поднятиях и опускании суши. Наиболее интенсивными поднятиями охвачена Северная часть Европы (Финляндия, Скандинавия, Новая Земля). Территория Финляндии за 100 лет увеличилась на 700 км 2 . Территория между Санкт-Петербургом и Москвой подвержена опусканиям со скоростью 4-5 мм/год. Наибольшим опусканиям подвержена Голландия, 2/5 её территории распространены ниже уровня моря. В результате неоднократного нивелирования установлено, что территория Казани подвержена опускания со скоростью 4,9 мм/год (р-н Черного Озера, Кремля). Складчатыми называются движения, которые приводят к тому, что слои, первоначально залегающие горизонтально – изгибаются (деформируются) в складки. Основными складчатыми деформациями являются складка и флексура. Антиклинальные складки – выпуклые, в центральной части складки расположены более древние породы. Синклинальные складки – вогнутые. Флексура тектоническая форма в виде коленчатого изгиба пластов. Во флексуре различают поднятое или верхнее крыло и опущенное или нижнее крыло. 9 Рис. 1.2. Полная складка (а) и элементы складки (б); 1 – антиклиналь; 2 – синклиналь Разрывное движение приводит к разрыву земного пласта и смещению одной части по отношению к другой. Смещение происходит по плоскости разрыва, которая появляется в виде трещин. Величина амплитуды смещения бывает различной – от сантиметров до километров (при ширине трещин – от сантиметров до метров). Рис. 1.3. Разрывные дислокации: а – сброс; б – ступенчатый сброс; в – взброс; г –надвиг; д – грабен; е – горст; 1 – неподвижная часть толщи; 2 – смешанная часть; П – поверхность Земли; р – плоскость разрыва слоев Сброс образуется в результате опускания одной части толщи пород относительно другой. Если при разрыве происходит поднятие, то образуется взброс. Иногда на одном участке образуется серия разрывов, следующих друг за другом. В этом случае возникают ступенчатые сбросы (или взбросы). 10 Грабен возникает, когда участок земной коры опускается между двумя крупными разрывами. Таким путем образовались Байкал и впадина, где располагается Красное море. Горст форма, обратная грабену. |