Инженерная геология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольные вопросы

1. Объясните значение инженерной геологии для строительства железных дорог и их эксплуатации.

2. Опишите минералы (кальцит) и породы (опока, мергель, кварцит), отвечая на вопросы, помещенные в примечаниях к таблицам.

3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные свойства грунтовых отложений (делювиальные).

4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород. Пользуясь данными таблиц, назовите эры и периоды геологической истории Земли. (Т₂, О₁, К₁, С₂).

5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушений форм залегания пород (моноклиналь, горст). Покажите зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участка, состава и обводненности пород.

6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите процессы (плоскостной смыв, химическая суффозия) и возможные защитные мероприятия.

7. Приведите классификации подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах (пленочная), а также условия залегания и движения подземных вод (трещинновая).

8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу.

9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (лаборат. исследования физ.-мех. свойств пород, определение устойчивости склонов).

1. Объясните значение инженерной геологии для строительства железных дорог и их эксплуатации

Инженерная геология - отрасль геологии, изучающая верхние горизонты земной коры и динамику последней в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Рассматривает состав, структуру, текстуру и свойства горных пород как грунтов; разрабатывает прогнозы тех. процессов и явлений, возникающих при взаимодействии сооружений с природной обстановкой, и пути возможного воздействия на процессы с целью устранения их вредного влияния.

Инженерная геология зародилась в 19 в. В России первые инженерно-геологические работы были связаны со строительством железных дорог (1842-1914). В них принимали участие А. П. Карпинский, Ф. Ю. Левинсон-Лес-синг, И. В. Мушкетов, А. П. Павлов, В. А. Обручев и др. Как наука инженерная геология оформилась в СССР к концу 1930-х гг. в результате исследований, связанных главным образом с гидротехническим строительством. В её развитии большая роль принадлежит Ф. П. Саваренскому, И. В. Попову, Н. Н. Маслову, В. А. Приклонскому, М. П. Семёнову и др.

Инженерно-геологические изыскания для строительства обеспечивают комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения. Одной из особенностей изысканий при строительстве железных дорог является большая протяженность при малой ширине полосы изысканий. При изысканиях под такие объекты инженер-геолог практически сталкивается со всеми разделами инженерной геологии (общая геология, подземные воды, геодинамика поверхности земли и многое другое). Инженерно-геологические изыскания выполняют по определенным нормативам, которые учитывают специфику объектов. Строительные нормы и правила устанавливают основные положения по определению опасных природных воздействий, вызывающих проявления и (или) активизацию природных процессов, учитываемых при разработке предпроектной документации, технико-экономических обоснований и рабочей документации на строительство.

2. Опишите минералы (кальцит) и породы (опока, мергель, кварцит), отвечая на вопросы, помещенные в примечаниях к таблицам

Минерал	Кальцит
Класс	Карбонаты
Химический состав	CaCO3
Цвет	Белый, серый, голубой, зеленый, кремовый, бесцветный, прозрачный
Цвет черты	Беловато-серая
Блеск	Стеклянный
Спайность	Совершенная
Излом	раковистый
Твердость	3
Реакция с HCl	Бурно вскипает от действия разбавленной HCl
Породы, в которые входит минерал	Мрамор, известняк

Название происходит от лат. calx -- жженая известь. Для кальцита характерны зернистые агрегаты, друзы кристаллов, натечные образования пещер (сталактиты, сталагмиты и др.), конкреции, жилы, отложения горячих источников. Самые большие скопления кальцита представлены пластами известняка, в котором он является основным компонентом. Этот кальцит первоначально накапливался на дне древних морей одним из трех способов: 1) путем извлечения растворенного карбоната кальция организмами, строящими из него раковины и скелеты; 2) посредством химического осаждения; 3) в результате осаждения зерен, вымытых в результате эрозии более древних известняков. Карбонат кальция -- обычное соединение, растворенное в циркулирующих грунтовых (подземных) водах, куда он попадает в процессе выщелачивания из жильного кальцита и известняков. Этот карбонат кальция может быть переотложен в виде кальцита в пещерах, жилах и полостях, в качестве цемента между зернами пород и в виде известкового туфа вокруг горячих источников и гейзеров. Карбонатные песчаники имеют и первично-осадочное происхождение. Кальцит часто встречается как компонент гидротермальных жил и изредка как акцессорный минерал в щелочных пегматитах. Крупные скопления он образует в массивах карбонатитов. Оптический кальцит, восполняющий миндалины основных лав (траппов), -- широко распространенный минерал. По частоте встречаемости он уступает только кварцу.

При прокаливании кальцита происходит выделение углекислого газа, при этом получается негашеная известь CaO₃. После смешивания с водой она превращается в гашеную известь Ca(OH)₂. Породы, содержащие кальцит, издавна прокаливали для получения строительной извести, используемой в производстве строительного раствора и цемента. Исландский шпат используется в оптоэлектронных и оптических системах. Во многих поляризационных микроскопах для получения поляризованного света раньше использовались двупреломляющие призмы Николя из исландского шпата.

Породы	опока	мергель	кварцит
Происхождение	Смешанные осадки	Смешанные осадки	Образуется при метаморфизме кварцевых песчаников
Минералогический состав	Состоит из опалового кремнезема с примесью глинистого материала	Из смеси кальцита с глиной (глины 30-50%)	Кварц, небольшая примесь слюды
Структура	Легкая, твердая, микропористая	Тонкозернистая	Мелко- или тонкозернистая
Текстура	однородная	Массивная	Массивная, сланцеватая
Цвет	Светло-желтый, беловатый, зеленоватый	Разнообразный и зависит от цвета глинистой примеси	Светлый, розоватый, красноватый, желтоватый
Реакция с HCl	Не вскипает	Бурно вскипает с HCl и на месте капли оставляет пятно грязи	Не реагирует с разбавленной соляной кислотой
Практическое применение	Применяется как адсорбент, в газовой, химической и др. отраслях промышленности, при производстве цемента	Применяется в цементной промышленности и как удобрение в сельском хозяйстве	Применяется при изготовлении огнеупорного кирпича - динаса, точильных камней, жерновов, брусков, плит и щебня; применяется в дорожном деле ; для бетонных работ; используется как облицовочный, декоративный материал

Опока. Общими инженерно-геологическими особенностями опок являются: 1) высокая пористость; 2) большая влагоемкость; 3) сравнительно высокая прочность в сухом состоянии и значительное ее падение при водонасыщении; 4) слабая морозоустойчивость.

Характерной чертой опок является именно их чрезвычайно слабая морозоустойчивость. Уже после 2-4 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы разрушаются. Это может быть объяснено лишь большой влагоемкостью опок (до 50-70%). Кроме того, нужно отметить, что хотя поры в опоках открытые и сообщаются друг с другом, водопроницаемость опок ничтожна (возникающий в опоках естественного отложения коэффициент фильтрации, равный 5 м/сут.), связан исключительно с трещиноватостью пород массива.

Мергель. Это известково-глинистая порода, у которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом. Распределение глинистого и карбонатного вещества в мергеле чаще всего равномерное. Обычно под мергелем понимают такую породу, у которой содержание CaCO₃ колеблется в пределах 25-30 %. При большом содержании CaCO₃ порода получает название мергелистый известняк, а при меньшем - глинистый мергель. Эти типы пород связывают мергель, с одной стороны, с известняком, с другой - с глинами. Мергель способен набухать благодаря содержащемуся в нем глинистому веществу, при этом все мелкие трещины, по которым возможна циркуляция воды, закрываются и тем самым прекращается фильтрация воды сквозь мергелистые толщи. Набухание мергеля главным образом зависит от соотношения в породе карбонатной и глинистой составляющих. Физико-механические свойства мергелей в связи с содержанием карбонатов и степени их дисперсности определяются в весьма широком диапазоне измерения. На природных скосах и откосах искусственных выемок мергели быстро выветриваются, разрушаются, формируя весьма подвижные плитчатые осыпи. Мергель, в связи с уникальностью состава (карбонаты + глина), практически без дополнительного обогащения, дает возможность использовать его в качестве природного сырья для производства цемента.

Кварцит. Метаморфическая горная порода, состоящая в основном из кварца, крепкий и прочный кварцевый песчаник с кремнистым цементом, белый до светло-серого, очень трудный для обработки. Генезис -- диагенез или метаморфизм кварцевого песка. Прочность на сжатие 100--450 МПа, твёрдость по шкале Мооса -- 7, огнеупорность до 1770 °C. Состав: кварц 70-80 %, слюда, плагиоклазы, тальк и т. д. Применяют для изготовления динаса и как флюс (в металлургии); кислотоупорный материал, строительный (в том числе декоративный) камень. Применяется в виде щебня в строительстве, для покрытия полов, добавок к бетону.

3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные свойства грунтовых отложений (делювиальные)

Каждый грунт имеет свои, только ему присущие строительные свойства. В оценке свойств грунтов наибольшее значение имеют физико-механические характеристики.

Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давления, удара). Механические свойства оцениваются прочностными и деформационными характеристиками грунтов.

Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно различаются, особенно физические. Основные физические и механические свойства скальных и нескальных грунтов приведены в таблице:

Таблица.1 Характеристика скальных грунтов

Физические	Механические
Плотность ,т/м3 Коэффициент размягчения kрз Степень растворимости в воде Степень выветрелости kвс Коэффициент трещиноватости kтр Пористость n,%	Прочность - сопротивление одноосному сжатию Rc, МПа Деформативность - модуль деформации Е, МПа

Таблица.2 Характеристика нескальных грунтов

Физические	Механические
Гранулометрический состав Плотность сухого грунта ,т/м3 То же частиц , т/м3 Влажность природная W Степень влажности S Пористость n,% Коэффициент пористости е Число пластичности Ip,% Показатель консистенции Il Коэффициент фильтрации kф, м/сут	Прочность - временное сопротивление сжатию Rc, МПа Сопротивление сдвигу С (кПа), (град) Деформативность - модуль деформации Е, МПа

Нескальные грунты характеризуются значительно большим количеством физико-механических свойств. Это связано с их более химико-минеральным составом, разнообразием структур и текстур.

Плотность грунта - отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему.

Коэффициент размягчения - отношение временных сопротивлений одноосному сжатию скального грунта в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Степень выветрелости - отношение плотностей выветрелого и невыветрелого образцов одного и того же скального грунта.

Пористость - отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры.

Гранулометрический состав - содержание в осадочных горных породах или нескальных грунтах фракций частиц различной крупности, выраженное в % от массы сухого грунта, взятого для анализа.

Плотность сухого грунта - отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом (включая поры).

Плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта к объему его твердой части.

Влажность - отношение массы водой, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта.

Степень влажности - отношение объема воды, находящейся в порах грунта, к объему пор.

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой части скелета грунта.

Число пластичности - разность между влажностями грунта на границах текучести и пластичности (раскатывания). Характеризует количественное содержание глинистых частиц в грунте. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины.

Показатель консистенции - показатель состояния (подвижность) грунта нарушенной структуры при определенной влажности. Равен отношению разности естественной влажности и влажности на границе пластичности к числу пластичности.

Коэффициент фильтрации - скорость фильтрации при напорном (гидравлическом).

Прочность грунтов оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Rc, МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде и др. Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига ц, град и сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторым - сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящие к разрушению. Деформируемость грунтов зависит, как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их минералов. Деформационные свойства грунтов оценивается модулем деформации E, МПа.

Условия образования и строительные свойства грунтовых отложений. (делювиальные).

Атмосферные осадки, выпадающие на наклонную поверхность, стекают по ней в форме тонких струек, увлекая за собой частицы породы. Этот процесс плоскостного смыва частиц породы называется делювиальным.

Вода, увлекающая с собой минеральные частицы, постепенно испаряется в атмосферу или впитывается в нижележащие слои, а перенесенные ею частицы отлагаются на нижних, более пологих частях склона. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока продукты сноса не будут отложены с таким пологим уклоном, что их дальнейший перенос окажется трудно осуществимым. У подошвы склона образуется пологий делювиальный шлейф. Уклон его настолько мал, что сила дождевых потоков уже не может преодолеть силу тяжести продуктов сноса. Обычно, угол наклона, при котором заканчивается процесс делювиального сноса, составляет около 4-5⁰. Таким образом, делювиальный процесс приводит, обычно, к обнажению верхних и выполаживанию нижних частей склона.

Так как живая сила тонких струек воды невелика, то они смывают, в основном, лишь мелкие частицы продуктов выветривания. Поэтому делювиальные отложения состоят обычно из суглинков и супесей. Однако в них могут содержаться и крупные обломки (дресва, щебень, глыбы), которые в результате вымывания мелких частиц теряют устойчивость и скатываются вниз по склону.

Для делювиальных пород (суглинков и супесей) характерно прежде всего то, что отложенные продукты генетически не связаны с подстилающими породами, так как являются наносами, принесенными с верхних частей склона. Отсортированность и слоистость делювиальных наносов незначительна, причем вверху склона залегают более крупные частицы, а снизу - более мелкие. Просачивание дождевых вод через толщу отложенного делювия до коренных подстилающих пород вызывает появление характерной вертикальной пористости, напоминающей вертикальную пористость лессов. Поэтому глинистые делювиальные отложения часто относятся к группе лессовых пород. Отсутствие генетической связи между делювием и подстилающими породами, а также наличие водной смазки по поверхности контакта между ними иногда является причиной образования смещений отложенных пород.

Делювиальные отложения часто образуются в комплексе с элювием, или аллювием (отложениями рек), создавая комплексные делювиально-элювиальные или делювиально-аллювиальные отложения, обладая промежуточными свойствами, присущими каждому из слагающих их видов отложений.

4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород. Пользуясь данными таблиц, назовите эры и периоды геологической истории Земли (Т₂, О₁, К₁, С₂)

Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и определения положения среди других пород. Вся геологическая документация, в частности геологические карты и разрезы, требуют применения показателей возраста пород. Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.

Абсолютный возраст - это продолжительность существования (“жизни”) породы, выраженная в годах. Для его определения применяют методы, основанные на использовании процессов радиоактивных превращений, которые имеют место в некоторых химических элементах (уран, калий, рубидий и др.), входящих в состав пород. С помощью одних элементов устанавливают возраст в миллионах лет, другие дают возможность вычислить более короткие отрезки времени. Так, зная, какое количество свинца образуется из 1 г. урана в год, определяя их совместное содержание в данном минерале, можно найти абсолютный возраст минерала и той горной породы, в которой он находится. Это позволяет определять возраст в миллионах лет. По углероду ¹⁴С, период полураспада которого 5568 лет, можно устанавливать возраст более молодых образований.

Для оценки возраста геологических объектов огромное значение приобрёл радиоуглеродный метод, основанный на том, что в атмосфере Земли под воздействием космических лучей за счёт обильного азота идёт ядерная реакция 14N + n = 14С + Р; вместе с тем 14С радиоактивен и имеет период полураспада более 5700 лет. В атмосфере установилось равновесие между синтезом и распадом этого изотопа, вследствие чего содержание 14С в воздухе постоянно. Растения и животные при их жизни всё время обмениваются углеродом с атмосферой. Измеряя содержание 14С с помощью высокочувствительной радиометрической аппаратуры, можно установить возраст органических остатков.

Аргоновый метод основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых минералах.

Стронциевый метод, основанный на радиоактивном распаде 87Rb и превращении его в 87Sr.

Относительный возраст пород позволяет определять возраст пород относительно друг друга, т.е. устанавливать, какие породы древнее, какие моложе. Для установления относительного возраста пород используют два метода: стратиграфический и палеонтологический.

Стратиграфический метод основан на том, что слои горных пород откладываются последовательно, один на другом. Следовательно, чем выше залегает слой - тем он моложе. Однако это справедливо только при ненарушенных залеганиях горных пород. В сложно дислоцированных областях, т.е. там, где породы выведены из горизонтального залегания и образуют складки, сдвиги, сбросы и т.д., непосредственное применение принципа последовательности отложения слоев становится затруднительным.

Палеонтологический метод основан на том, что геологическая история Земли шла параллельно с историей развития органической жизни. Следы органической жизни на Земле содержатся в горных породах в виде так называемых ископаемых окаменелостей.

При исследовании горных пород в них можно обнаружить различные формы сохранности этих окаменелостей:

a. отпечатки внешней формы растения или животного на породе;

b. внутренние ядра, получающиеся при отгнивании мягкого тела животных и заполнении образующихся при этом полостей каким либо минеральным веществом;

c. наружные ядра, образующиеся в тех случаях, когда не только отгнивает внутреннее мягкое тело, но растворяются и наружные части раковины; при этом новые минеральные образования, заполняющие образовавшуюся пустоту, полностью воспроизводят внешнюю форму раковины погибшего организма;

d. псевдоморфозы, т.е. скелетные остатки, в которых менее стойкие минеральные и органические вещества замещены более стойкими, например, кремнеземом; при этом полностью сохраняются формы этих остатков, а иногда и особенности их анатомического строения (псевдоморфозы по дереву, раковины морских животных и т.д.);

e. полная сохранность - когда захороняется цельный скелет и мягкие органы; подобные находки очень редки, к ним относятся трупы мамонтов, найденные в зоне вечной мерзлоты в северо-восточной Сибири, насекомые, попавшие внутрь янтаря и т.д. Обычно полной сохранностью в палеонтологии принято считать формы полностью (или почти полностью) сохранившие прижизненную структуру только скелетных частей.

Изучая различные ископаемые остатки, можно проследить развитие животного и растительного мира, по ним же можно проследить и геологическую историю Земли, так как почти каждая из групп организмов несет в себе признаки той среды, в которой она развивалась. Совершенно очевидно, что в более древних слоях погребены и более древние организмы. Установив типы этих организмов, можно закрепить их во времени за определенными комплексами пород. Таким образом, “датой”, закрепляющей возраст пласта, всегда будут являться остатки организмов с характерными для каждого времени формами.

Т₂ - мезозойская эра, триасовый период, среднетриасовый отдел;

О₁ - палеозойская эра, ордовикский период, нижнеордовикский отдел;

К₁ - мезозойская эра, меловой период, нижнемеловой отдел;

С₂ - палеозойская эра, каменноугольный период, среднекаменноугольный отдел.

5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушений форм залегания пород (моноклиналь, горст). Покажите зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участка, состава и обводненности пород

Эндогенные процессы (греч. еndon - внутри + genes - рождающий, рожденный) - рельефообразующие геологические процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах твёрдой земли и обусловленные ее внутренней энергией, силой тяжести и силами, возникающими при вращении Земли. Эндогенные процессы проявляются в виде тектонических движений земной коры, магматизма, метаморфизма горных пород, сейсмической активности. Главными источниками энергии эндогенных процессов являются тепло и перераспределение материала в недрах Земли по плотности (гравитационная дифференциация). Эндогенные процессы играют главную роль при образовании крупных форм рельефа.

Глубинное тепло Земли имеет преимущественно радиоактивное происхождение. Непрерывная генерация тепла в недрах Земли ведёт к образованию потока его к поверхности. Под влиянием теплового потока или непосредственно тепла, приносимого поднимающейся глубинной магмой, возникают так называемые коровые очаги магмы в самой земной коре; достигая приповерхностных частей коры, магма внедряется в них в виде различных по форме интрузивов или изливается на поверхность, образуя вулканы.

Гравитационная дифференциация вела к расслоению Земли на геосферы разной плотности. На поверхности Земли она проявляется также в форме тектонических движений, которые, в свою очередь, ведут к тектоническим деформациям пород земной коры и верхней мантии; накопление и последующая разрядка тектонических напряжений вдоль активных разломов приводят к землетрясениям.

Осадочные породы первоначально залегают горизонтально или почти горизонтально. Это положение сохраняется даже при колебательных движениях земной коры. Складчатые тектонические движения выводят пласты из горизонтального положения, придают им наклон или сминают в складки. Так возникают складчатые дислокации. Все формы складчатых дислокаций образуются без разрыва сплошности слоев (пластов). Это их характерная особенность.

Моноклиналь является самой простой формой нарушения первоначального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев в одну сторону.

В результате интенсивных тектонических движений могут происходить разрывы сплошности пластов. Разорванные части пластов смещаются относительно друг друга. Смещение происходит по плоскости разрыва, которая проявляется в виде трещины. Величина амплитуды смещения бывает различной - от сантиметра до километров.

Горстами называют участки земной коры, поднятые по системе взбросов. Различают простые, ступенчатые, наклонные, клинообразные и другие горсты.

В зависимости от геологических особенностей конкретного района оценка силы землетрясения может меняться в большую или меньшую сторону. По сейсмическим свойствам породы делят на категории:

Породы I категории уменьшают оценку силы землетрясений на 1 балл от общей оценки по сейсмической карте района, т. е. последствия землетрясений будут менее катастрофичны. К ней относятся: скальные, например, граниты, гнейсы, известняки, песчаники; полускальные, например, мергель, глинистые песчаники, туфы, гипсы породы, крупнообломочные особо плотные породы при глубине залегания грунтовых вод более 15 метров.

Породы II категории по своим сейсмическим свойствам свою исходную бальность сохраняют без изменения. Это глины и суглинки, находящиеся в твердом состоянии, пески и супеси при глубине залегания грунтовых вод менее 8 метров, крупнообломочные породы при глубине залегания грунтовых вод от 8 до 10 метров.

Породы III категории на участках таких пород при оценке последствий землетрясений балл повышают на единицу, т. е. последствия землетрясения на такой площадке будут более разрушительными. К таким породам относят: глины и суглинки, находящиеся в пластичном состоянии, пески и супеси при глубине залегания грунтовых вод менее 4 метров, крупнообломочные породы при глубине залегания грунтовых вод 3 метров.

Крайне опасным для строительства являются участки с сильно расчлененным рельефом, склоны оврагов и ущелий, берега рек. Весьма затруднительно строить при высоком залегании уровня грунтовых вод (1-3 метра). Опасны для строительства оползневые и карстовые участки. Следует учитывать, что наибольшие разрушения происходят на заболоченных территориях, на обводненных пылеватых, на лессовых недоуплотнённых породах.

6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите процессы (плоскостной смыв, химическая суффозия) и возможные защитные мероприятия

Экзогенные процессы - геологические процессы, обусловленные внешними по отношению к Земле источниками энергии (преимущественно солнечное излучение) в сочетании с силой тяжести. Экзогенные процессы протекают на поверхности и в приповерхностной зоне земной коры в форме механического и физико-химического её взаимодействия с гидросферой и атмосферой. К ним относятся: выветривание, геологическая деятельность ветра (эоловые процессы, дефляция), проточных поверхностных и подземных вод (эрозия, денудация), озёр и болот, вод морей и океанов (абразия), ледников (экзарация). Главные формы проявления экзогенных процессов на поверхности Земли: разрушение горных пород и химическое преобразование слагающих их минералов (физическое, химическое, органическое выветривание); удаление и перенос разрыхлённых и растворимых продуктов разрушения горных пород водой, ветром и ледниками; отложение (аккумуляция) этих продуктов в виде осадков на суше или на дне водных бассейнов и постепенное их преобразование в осадочные горные породы (седиментогенез, диагенез, катагенез). Экзогенные процессы в сочетании с эндогенными процессами участвуют в формировании рельефа Земли, в образовании толщ осадочных горных пород и связанных с ними месторождений полезных ископаемых. Так, например, в условиях проявления специфических процессов выветривания и осадконакопления образуются руды алюминия (бокситы), железа, никеля и др.; в результате селективного отложения минералов водными потоками формируются россыпи золота и алмазов; в условиях, благоприятствующих накоплению органические вещества и обогащенных им толщ осадочных горных пород, возникают горючие полезные ископаемые.

Плоскостной смыв является результатом размывающей деятельности дождевых и талых вод, проявляющейся более или менее равномерно по всей поверхности склонов и водоразделов. Вода при этом стекает частично плоскостным потоком, а также по местным мелким ложбинам стока. Живая сила текучих вод обычно невелика и способна сносить главным образом только частицы песка и глины. Сносимый материал накапливается у подножья склонов или в тех местах, где начинает теряться энергия распластанного по поверхности земли потока.

Плоскостной смыв часто уничтожает почвенный плодородный покров. В таком случае говорят о водной почвенной эрозии, возникновение которой нередко связано с устройством неправильно ориентированных прорезей, каналов, распашкой склонов, уничтожением растительности.

В условиях мерзлоты слой почв часто сносится в виде грязевого потока при весеннем оттаивании. Разрушение почв происходит также под действием ливневых вод, особенно на распаханных землях, в условиях, способствующих быстрому поверхностному стоку. Основные гидротехнические мероприятия по борьбе - устройство ливнестоков, нагорных каналов и другие работы, обеспечивающие отвод поверхностных вод на локализованных участках.

Химическая суффозия. При фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц, а не его последствия, называют суффозией. Различают два вида суффозии - механическую и химическую. При химической суффозии вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины некоторой критической скорости воды. Это вызывает отрыв и вынос частиц во взвешенном состоянии. Как механическая, так и химическая суффозия активно проявляется вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий - формированием воронок депрессии, колебаниях уровня подземных и поверхностных вод, откачках, дренировании. Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод или сбросе лишних вод, в местах выхода на поверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях. Химическая суффозия может проходить длительное время и выщелачивает не только карбонаты и другие сравнительно легко растворимые вещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс. При исследовании пород, в которых наблюдается или возможна фильтрация воды, необходимо выявлять их способность к суффозии. Следует учитывать, что при мало гидродинамическом давлении в породах может происходить только фильтрация воды, при повышении давления начинается суффозия. Для выявления этих свойств определяют критические градиенты и давление воды, при которых начинается процесс суффозии. Эту работу проводят в лабораторных и полевых условиях.

Основой всех мероприятий по борьбе с суффозией является прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями: регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; перекрытием места выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка; устройством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цементации, глинизации, применением особых видов фундаментов, например, свайных.

7. Приведите классификации подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах (пленочная), а также условия залегания и движения подземных вод (трещинновая)

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод. Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре. В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды, а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку - безнапорные и напорные.

Хозяйственно-питьевые воды. Подземные воды широко используют для хозяйственно-питьевых целей. Пресные подземные воды - лучший источник питьевого водоснабжения, поэтому использование их для других целей, как правило, не допускается. Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных подземных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров. Однако имеются районы, где они залегают на больших глубинах (300-500 м и более). В последние годы для хозяйственно-питьевого водоснабжения начинают использовать также солоноватые и соленые подземные воды после их искусственного опреснения.

Технические воды - это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требования к подземным техническим водам отражают специфику того или иного вида производства.

Промышленные воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленное значение. Обычно они залегают в зоне весьма замедленного водообмена, минерализация их высокая (от 20 до 600 г/л), состав хлоридно-натриевый, температура нередко достигает 60-80 ^о С.

Минеральными называют подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т.д. Они выходят на поверхность земли источниками или вскрываются буровыми скважинами.

Термальные подземные воды имеют температуру более 37 ^о С. Они залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров (в горно-складчатых районах) до нескольких километров (на платформах).

Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю - зону аэрации и нижнюю - зону насыщения.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь частично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом.

Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мерзлоты.

Верховодки - это временные скопления подземных вод в зоне аэрации.

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорные. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала.

Межпластовые подземные воды. Эти воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бывают ненапорными и напорными (артезианскими). Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично. Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей.

Трещинные воды - это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин и образуют единую гидравлическую систему.

В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м).

Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени. Площади их питания совпадают с площадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких метров до 80 м и более). Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород.

Трещинно-грунтовые воды обычно расположены в зоне активного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для трещинно-жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники, которые используют для водоснабжения. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

При строительстве подземных водопроводно-канализационных сооружений (трубопроводы, тоннели и др.) в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный прорыв водообильных трещинно-жильных вод.

Карстовые воды. Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения, называют карстовыми или трещинно-карстовыми.

Подземные воды вечной мерзлоты. Подземные воды в районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многолетнемерзлых пород. Подземные воды подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

Надмерзлотные воды - воды, подстилающим водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

Межмерзлотные воды - содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

Подземные воды не связаны с веществом минералов и горных пород. Они могут быть в парообразном, жидком и твердом состояниях, а также в виде льда. Чем выше температура и ниже давление, тем больше паров может содержать воздух, заполняющий пустоты горных пород. При понижении температуры пары переходят в жидкую воду. Соответственно сказанному можно выделить несколько типов таких вод: гигроскопическая, пленочная, капиллярная, гравитационная.

Пленочная - в виде воды, образующей вокруг частицы породы сплошную пленку. Минимальная толщина пленки может быть равна сечению молекулы воды. Пленочная вода передвигается от частицы с толстой пленкой к частице с более тонкой пленкой в любом направлении, преодолевая гравитационные силы.

8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу

Движение жидкости в порах нескальных пород в основном происходит по типу ламинарного. Количество воды, протекающее (фильтрующееся) через данное поперечное сечение породы, в единицу времени пропорционально падению напора, обратно пропорционально длине фильтрации на данном участке потока и зависит от некоторой величины, называемой коэффициентом фильтрации. Эта закономерность получила название закона Дарси, по имени инженера Дарси, впервые открывшего ее в 1856 г.:

инженерная геология горная порода

Q=k_фF?H/l= k_фFI ,

где Q - расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м³/сут;

k_{ф -} коэффициент фильтрации, м/сут;

F - площадь поперечного сечения потока воды, м²;

?H - разность напоров, м;

l - длина пути фильтрации, м.

Отношение разности напора ?H к длине пути фильтрации l называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I=?H/l.

Скорость фильтрации V=Q/F или V= k_фI. Скорость движения воды (фильтрации) измеряется м/сут или см/с. Эти формулы требуют уточнения в связи с тем, что в них входит величина F, отражающая все сечение фильтрующейся воды, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина V является кажущейся. Действительную скорость воды V_д определяют с учетом пористости породы

V_д =Q/Fn,

где n - пористость, выраженная в долях единицы.

Сопоставив формулы V= k_ф и V_д =Q/F, можно установить, что V_д=V/n. Формула скорости воды V_д =Q/Fn в этом виде в свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не n, а n_акт (активную пористость), т.е. пористости, через которые проходит вода. Также следует помнить, что движение воды в породах происходит обычно с разной скоростью, поэтому при рассмотрении вопроса о движении воды в данной породе можно говорить лишь об ее средней скорости движения.

Коэффициент фильтрации. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при напорном градиенте I= 1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т.е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др.

Методы определения. Для получения значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунтов с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т.д.

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т.е. установившееся движение (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П₁ и П₂ помещают испытуемый грунт. Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I=?H/L) и измерив расход профильтровавшейся воды Q, находят коэффициент фильтрации по формуле Q=k_ф IF; k_ф=Q/FJ=QL/F(h₁-h₂), где h₁ и h₂ - показания пьезометров; L - расстояние между точками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ, позволяющие определять k_ф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов - методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Расход плоского грунтового потока. Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтом (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных слоях пород. Водоупор горизонтальный.

Согласно основному закону фильтрации - закону Дарси, в пределах рассматриваемого участка от сечения I до сечения II расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

Q=k_ф/F= k_фI_срВh_ср ,

где k_{ф -} коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

I_ср - средний напорный градиент потока;

В - ширина потока, м;

h_ср - средняя мощность потока, м;

Принимая h_ср = (h₁+ h₂)/2 и I_ср= (h₁- h₂)/l, расход грунтового потока можно выразить формулой

Q= {k_фВ(h₁+ h₂)/2}{(h₁- h₂)/l}= k_фВh(h₁²- h₂²)/2l.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т.е. в виде единичного расхода q=Q/B, где q - единичный расход плоского потока, т.е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

q= k_ф(h₁²- h₂²)/2l.

При значительной разности мощностей m₁ и m₂ (рис. 8) для расчетов используют формулу Н.Н.Биндемана:

q= k_ф m₁+m₂ H₁-H₂

Значительную трудность при расчете притока воды к горизонтальным выработкам представляют условия неоднородной слоистой толщи горных пород.

При движении подземных вод в неоднородных водоносных пластах, т.е. пластах, состоящих из ряда слоев с различной водопроницаемостью, для определения расхода потока подземных вод вводится средний коэффициент фильтрации пласта k_{ф. ср.}

Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

q= {k_ф(h₁+ h₂)/2}{(H₁- H₂)/l},

где H₁ и H₂ - напоры воды в сечениях I и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (О-О) или уровня моря.

Требования к питьевой воде. Вода считается пригодной для использования в качестве питьевой, если она удовлетворяет следующим требованиям:

1) сухой остаток после перегонки составляет не более 1000 мг/л;

2) общая жесткость не более 7 мг-экв.;

3) постоянная жесткость не более 5 мг-экв.;

4) содержание отдельных растворенных веществ, мг/л:

хлориды до 15

свинец до 0,1

органические вещества до 10

мышьяк до 0,05

сульфаты до 100

фтор до 1,5

азотная кислота до 15

медь до 3

азотистая кислота следы

...