Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ Направление подготовки «Строительство» Профиль «Промышленное и гражданское строительство» Киров 2014 2 КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ: направление подготовки «Строительство», профиль «Промышленное и гражданское строительство» /под общей ред. С.Ф. Власова. – Киров: ВятГУ, 2014. – 122 с. Составители: С.Ф. Власов, д-р. техн. наук, проф.; Н.Л. Зоценко, д-р. техн. наук, проф.; Ю.Л. Винников, д-р. техн. наук, проф.; Н.А. Максимова-Гуляева, канд. техн. наук, доц. 3 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Дисциплина «Инженерная Геология» является базовой для изучения последующих в учебной программе дисциплин: «Механика грунтов», «Основа- ния и фундаменты», «Технология строительного производства», «Строитель- ные материалы». Ее можно считать кирпичиком в основании знаний, позволя- ющих принимать правильные решения при строительстве зданий, сооружений и освоении подземного пространства. Целью дисциплины является формирование у студентов представ- ления об условиях и закономерностях образования и состава грунтов, формировании и перемещении подземных вод, геологических процессах, научить их различать основные породообразующие минералы, горные породы, понимать геологическую графику. Задачи дисциплины: Научить студента умению распознавать состав грунтов, условия обвод- нения на строительной площадке, закономерности геологических про- цессов, а также принципам наиболее рационального размещения соору- жений. Рассмотреть и объяснить наиболее распространенные геологические процессы и явления, дать анализ мер защиты от геологических явлений и процессов. Основными вопросами, изучаемыми в курсе геологии, являются: Задачи инженерной геологии на строительной площадке.Земля в ми- ровом пространстве, ее происхождение и строение. Основные геоло- гические процессы в минералообразовании. Горные породы, их происхождение и отличительные признаки. Общие законы в образовании горных пород. Возраст горных пород.Состав- ляющие элементы и структурные связи грунтов. Физические харак- теристики грунтов и их классификация. Общие понятия о геологических и инженерно-геологических процес- сах. 4 Закон фильтрации, дебиты совершенного и несовершенного колодцев, траншей, котлованов, взаимодействие водозаборов. Инженерно-геологические изыскания. Предусмотренные программой лабораторные работы будут посвя- щены: приобретению студентами навыков и умений распознавать магмати- ческие, осадочные и метаморфические породы; приобретению умения составлять карты гидроизогипс по заданным условиям; приобретению умения строить геологический разрез по заданным усло- виям. Конспект лекций составлен таким образом, что без усвоения каждой предыдущей лекции практически невозможно изучить материал, изложенный в последующей. Для повышения эффективности усвоения материала основные термины и определения в лекциях выделены жирным шрифтом или курсивом. В конце каждой лекции приведены вопросы для самопроверки. Все это направ- лено на одну цель – эффективное усвоение материала и подготовку к сдаче тестового зачета. 5 ЛЕКЦИЯ 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: ознакомиться с задачами инженерной геологии на строительной площадке, изучить строение Земли, классификацию мине- ралов и их физические свойства 1.1. Задачи инженерной геологии на строительной площадке Каждое здание и сооружение возводится и эксплуатируется в соответ- ствующих природных условиях и непосредственно связано своим фундаментом с верхним слоем литосферы Земли. Горные породы принимают нагрузку от зда- ний и сооружений, при этом их называют грунтами. От их прочности и дефор- мируемости зависит обеспечение нормальных условий эксплуатации жилых и гражданских домов, промышленных зданий, линейных сооружений и т. д. На территориях, где происходит строительство, действуют геологические про- цессы (движение поверхностных и подземных вод, землетрясения и т. д.), кото- рые в свою очередь могут нарушать нормальные условия эксплуатации объек- тов и даже разрушить их. В свою очередь, строительство и дальнейшая эксплу- атация зданий и сооружений влияют на геологические процессы, усиливают их, приводят в действие новые, так называемые техногенные процессы (подтоп- ление территорий, деформацию крепи туннелей метро, оползни и т. д.). Таким образом, не только от конструктивных особенностей зданий и сооружений зависит их эксплуатационное качество. Большое значение в этом плане имеет обеспечение надежного основания каждого здания и сооружения. Необходимо обратить внимание еще и на то, что все эти факторы необхо- димо рассматривать с экономической точки зрения. Чем сложнее условия стро- ительства, тем больше его стоимость. Так, для обычных инженерно-геологи- ческих условий стоимость затрат на приспособление к ним зданий и соору- жений составляет 10 – 15 % от общей стоимости строительно-монтажных работ. В сложных условиях эта часть может составлять 80% и более. В соответствии с мировой статистикой 80% всех нарушений нормальных условий эксплуатации зданий и сооружений случается вследствие недостатков и ошибок при проектировании, строительстве, эксплуатации оснований и фундаментов. Затраты на устранение этих негативных явлений можно срав- нить лишь с начальной стоимостью строительства. Исходя из приведенных фактов, можно утверждать, что в процессе фундаментостроения необходимо искать решения между двумя противоречиями: с одной стороны, основания и фундаменты должны быть надежными, то есть обеспечивать нормальные условия эксплуатации зданий и сооружений весь нормативный срок их существования; а с другой – необходимо снижать их стоимость и матери- алоемкость на основе современных теоретических и технических достижений. 6 Ученые, проектировщики, производственники – все они должны: владеть знаниями и навыками по оценке основания сооружений; уметь предвидеть те изменения, которые могут с ним произойти в процессе строительства и эксплуатации объектов; создавать для них такие конструкции фундаментов и искусственных оснований, которые бы обеспечили их нормативный срок эксплуа- тации. Таким образом, инженерная геология изучает и оценивает геологи- ческие факторы (геологическое строение, рельеф и геоморфологию, гидро- геологические условия, состав и свойства грунтов), влияющие на инже- нерные сооружения, выбор места их расположения, конструкцию, способы выполнения работ. Инженерное сооружение, в свою очередь, может изменить существующие природные геологические условия и процессы (осадка, просадка, опускание поверхности земли в результате подработки, разработка берегов водохранилищ, подтопление и т. д.). Начало использования данных геологических наблюдений и исследова- ний при строительстве инженерных сооружений относится к XVIII в. По мне- нию Н.Н. Маслова, первой работой в этой области следует считать «Мемо- риальную записку о заводском производстве», составленную Григорием Махо- тиным. В этой «Записке» содержатся ценные указания по обоснованию возве- дения плотин и заводских сооружений. На необходимость проведения геологических наблюдений и исследо- ваний для строительства указывал еще М.В. Ломоносов, который в своей рабо- те «О слоях земных» писал: «...строитель внимает твердости земли во рвах для оснований». Интересно отметить, что вначале геологические исследования для строительства вели сами строители. Русский инженер путей сообщения М.С. Волков в работах «Записка об исследовании грунтов земли, производимом в строительном искусстве» (1835) и «Об основаниях каменных зданий» (1840) привел в систему геологические исследования для строительства и составил продуманную классификацию грунтов как оснований сооружений. Английский землемер, строитель дорог и каналов В. Смит (1769 – 1839) не только производил наблюдения для непосредственного использования при строительстве, но, обобщая полученные данные, открыл возможность сопо- ставления осадочных пород по заключенным в них окаменевшим остаткам животных и растений. Так было положено начало палеонтологическому методу в изучении последовательности напластований осадочных толщ. Изучая горные породы как грунты оснований зданий и сооружений, инженеры-строители в первую очередь стремились определить величину сопро- тивления грунтов передаваемым на них нагрузкам. Чрезвычайно плодотвор- ными были исследования русских инженеров Г.Е. Паукера и В.И. Курдюмова, положивших начало теории прочности и устойчивости грунтов как оснований сооружений. В дальнейшем эти труды стали той основой, на которой возникла новая наука – механика грунтов. 7 Получив дальнейшее развитие в трудах советских и зарубежных ученых, механика грунтов прочно заняла свое место в комплексе инженерно-строитель- ных знаний. Однако, будучи дисциплиной физико-математического цикла, механика грунтов устанавливает математически выраженные закономерности взаимодействия между сооружениями и грунтами оснований только в той мере, в какой процессы, происходящие при этом в них, являются механическими. В действительности, в горных породах возникают, кроме механических, еще и химические, электрофизические и даже, в отдельных случаях, биологические процессы. Уже в силу одного этого обстоятельства механика грунтов не может подменить собой инженерно-геологические исследования, однако математи- ческий аппарат этой дисциплины может быть широко использован в инже- нерной геологии. Кроме того, в механике грунтов рассматривается только так называемая «напряженная зона», т. е. сравнительно ограниченный массив, в котором разви- ваются практически ощутимые дополнительные напряжения и деформации от нагрузки, передаваемой строящимся сооружением. Задача инженерной геологии шире – она призвана выявить все условия, в которых происходит взаимодействие строящихся и завершенных сооружений с окружающей их природной средой на всем пространстве, охваченном этим взаимодействием. Например, постройка даже небольшой плотины может вызвать подъем уровня грунтовых вод на большом пространстве и, следо- вательно, вызвать изменения в условиях существования зданий и сооружений, у которых фундаменты и подвальные этажи первоначально находились выше уровня грунтовых вод. По этой причине главной целью инженерной геологии является изучение обстановки на местности до начала строительства, а также прогнозирование тех изменений, которые произойдут в геологи- ческой среде, прежде всего в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. Современная инженерная геология как наука ставит перед собой три основные задачи: 1. Изучение состава, структуры, состояния, свойств и условий распрос- транения горных пород (грунтов), определяющих их поведение при взаимо- действии с инженерным сооружением. 2. Изучение геологических процессов как природных, так и возникаю- щих в связи с возведением и эксплуатацией зданий, сооружений; освоение подземного пространства с целью установления характера этих процессов, их влияния на существование зданий и сооружений, а также разработка реко- мендаций по регулированию этого влияния. 3. Определение закономерностей распространения инженерно-геологи- ческих элементов. Поскольку в строительной практике горные породы принято называть грунтами, начальный раздел инженерной геологии, решающий первую из пере- численных задач, получил название грунтоведения. Раздел, в котором решает- ся вторая задача, называется динамической инженерной геологией или собст- 8 венно инженерной геологией. Третий раздел называется региональной инже- нерной геологией. На основе многочисленных инженерно-геологических исследований рус- ских и советских инженеров и геологов Ф.П. Саваренский в 30-х гг. XX в. создал первый в этой области капитальный труд, названный им «Инженерная геология». В дальнейшем инженерная геология получила развитие в трудах советских ученых Н.В. Коломенского, И.В. Попова, В.А. Приклонского и многих других. Инженерная геология самым тесным образом связана с учением о подземных водах – гидрогеологией. Развитие гидрогеологии началось несколько ранее инженерной геологии и происходило параллельно с ней. В области гидрогеологии успешно работали В.С. Ильин, Г.Н. Каменский, О.К. Ланге, А.Ф. Лебедев, А.Н. Семихатов и др. В современных условиях инженеры-строители, как правило, сами не ве- дут инженерно-геологических исследований – для этого существуют специа- лизированные инженерно-геологические организации; однако при проекти- ровании и осуществлении строительства они должны знать, понимать, учи- тывать инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки. Они должны уметь правильно и вовремя поставить перед геологом задачи инженерно-геологических исследований и их необходимый объем. Наконец, на основе таких исследований инженеры-строители должны уметь принимать правильное решение о проведении инженерно-строительных меро- приятий, необходимых в данных конкретных условиях строительной площадки. 1.2. Земля в мировом пространстве, ее происхождение и строение Наша планета Земля близка по форме к эллипсоиду вращения, средний диаметр которого – 12742 км, а разница экваториального и полярного диамет- ров – 43 км. Площадь поверхности Земли составляет 510 млн км 2 , а ее объем – 1083204 млн км 3 . Средняя плотность вещества Земли – 5,52 т/м 3 Земля, а также планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон вращаются вокруг Солнца почти по круговым концентри- ческим орбитам и образуют вместе с ним Солнечную систему. Земля находится от Солнца на расстоянии 149,5 млн км. Теплота и свет Солнца делают возможной жизнь на Земле. В то же время Солнце порождает целый ряд процессов на Земле, которые приводят к изменению ее поверхности. Следует принимать во внимание влияние на Землю и ее спутника – Луны. Находясь от Земли на расстоянии 384,4 тыс. км, Луна является причиной воз- никновения прилива и отлива в океанах и морях. На материках возникают деформации, аналогичные приливам и отливам, но довольно небольшие. Влияние Луны вызывает периодические изменения наклона земной оси к плос- кости ее орбиты, которые приводят к изменению климата Земли. Солнечная система вращается вокруг центральной части гигантского скопления звезд, которое называется Галактикой. В Галактике насчитывается свыше 100 млрд звезд, которые образуют дискообразную систему. В состав 9 Галактики входят отдельные звезды, звездные скопления и ассоциации, а также планетарные и диффузные туманности, которые являются облаками разрежен- ных газов и пыли. Размеры Галактики очень большие. Свет проходит с одного её конца в другой за 100 тыс. лет. Но Галактика это лишь остров материи в мировом пространстве. Кроме нашей Галактики, насчитывается больше миллиарда подобных образований, которые находятся от нас на расстоянии от одного миллиона до нескольких миллиардов световых лет. Световой год – это расстояние, которое проходит луч света на протяжении года, он равняется 9500 млрд км. Такое положение Земли в мировом пространстве, материя которого, постоянно изменяет свою форму, находится в вечном движении. Знание о происхождении Земли имеет огромное значение как для изуче- ния ее строения, так и для объяснения тех глубинных процессов, которые влияют на её поверхностные части. Однако и в настоящее время с полной достоверностью не установлено, как и из чего образовалась Земля, другие планеты, Солнечная система в целом. Поэтому наши знания в данном вопросе имеют характер научно обоснованных предположений – гипотез. Ученые давно стремятся открыть тайну происхождения Земли. Исследования этой проблемы содержатся в работах немецкого философа И. Канта (1755), французского астронома и математика П. Лапласа (1796), советского ученого О.Ю. Шмидта (1944), Е.В. Саботовича (1973). Необходимость изучения строения Земли и в особенности ее поверх- ностных пластов объясняется тем, что именно из них люди добывают полезные ископаемые, в том числе и сырье для строительных материалов. Одновременно они являются основаниями зданий и сооружений. Согласно современным представлениям Земля состоит из нескольких концентрических оболочек. Различают внешние и внутренние оболочки. К внешним оболочкам принадлежат: атмосфера, гидросфера и биосфера. Атмосфера – это воздушная оболочка толщиной приблизительно 1000 км. В состав атмосферы входят азот – 78,1, кислород – 21,0 и прочие газы – 0,9 %. Нижняя часть атмосферы (до высоты 8 – 10 км над полюсами и 16 – 18 км над экватором) называется тропосферой. Тропосфера содержит пары воды и пыль, в ней происходит непрерывное перемещение воздушных масс, то есть дуют ветры. Над тропосферой до высоты 80 км находится стратосфера, а еще выше – ионосфера. Гидросфера – несплошная водная оболочка, которая включает воду океанов, морей, озер, рек и подземную воду. Движение воды в гидросфере име- ет характер течений и волнений. |