Геология как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Какие вопросы рассматриваются в геологии и инженерной геологии

геология выработка слой сейсмометрия

Геология-наука о Земле, её строении, составе, истории развития и процессах, происходящих в ней. Основным объектом изучения геологии является литосфера, или земная кора.

Геология входит в состав естественных наук. Её становление относится к ХVIII веку. Одним из основоположников научной геологии является М.В. Ломоносов.

В настоящее время геология является комплексной наукой, состоящей из многочисленных самостоятельных дисциплин.

В последние десятилетия широкое развитие получила инженерная геология - наука, изучающая геологические процессы верхних горизонтов земной коры и физико-механические свойства горных пород (грунтов) в связи с инженерно-строительной деятельностью человека.

2. Что изучает инженерная геология

Инженерная геология изучает природную геологическую обстановку местности до начала строительства, а также определяет те изменения, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. Ни одно здание или сооружение не может быть запроектировано без соответствующих инженерно-геологических работ.

Основные задачи, которые решает инженер - геолог перед тем, как строитель запроектирует здание или сооружение:

1) выбор места наиболее благоприятного в геологическом отношении для строительства данного сооружения;

2) выявление инженерно-геологических условий в целях выбора наиболее рациональных типов и конструкций фундаментов и сооружений, а также технологии производства строительных работ;

3) рекомендации необходимых мероприятий по инженерному улучшению выбранной территории.

Инженерная геология может решать самые сложные задачи при строительстве любых инженерных сооружений.

3. Что называют литосферой? Какой тепловой режим Земли?

Наружная часть Земли до глубины 50-70км представлена оболочкой, называемой литосферой. В пределах материков она мощная, в пределах океанов-менее. Литосферу часто называют «земной корой». Эта часть Земли наиболее изучена, так как является источником минерального сырья.

Литосфера состоит из разнообразных горных пород и минералов с плотностью в среднем 2,7-2,8 г/см3.

Известно, что из глубин земного шара к поверхности непрерывно течет тепловой поток. Размер этого потока может быть вычислен, если известны теплопроводность горных пород и температурный градиент: Q=XgradT, где Q -- тепловой поток; X -- теплопроводность; gradT -- градиент температуры. Теплопроводность горных пород имеет порядок п>10-3 кал/сек-см-град (в среднем около 5-10~3 кал/сек-см-град) и колеблется для наиболее распространенных пород в небольших пределах, а температурные градиенты меняются очень значительно: от 6 до 150 град/км.

Подсчеты размеров теплового потока показывают, что наиболее часто встречается поток, равный 1,1-10-6 кал/см2. Такой поток считается «нормальным» для настоящего времени. Но средний размер теплового потока Земли равен 1,5-10-6 кал/см2. Важно отметить, что средний поток является одинаковым как для материков, так и для дна океанов.

Общая годовая потеря тепла Землей имеет порядок 1028 эрг. Общее же количество тепла, выделенного за время существования Земли, колеблется в зависимости от принятой модели термальной истории Земли в пределах (0,1--0,8)-1038 эрг.

Земля имеет два источника тепла: от солнечной радиации (99,5%) и энергии, освобождающейся в процессе распада радиоактивных веществ в недрах планеты. Влияние двух источников тепла обуславливает сложный характер изменений температуры в толщах горных пород.

4. Что называют гидротермическим градиентом? Что называют геотермической ступенью?

В верхней части земной коры выделяют три температурные зоны:

I-сезонных колебаний,

II-постоянной температуры,

III-нарастания температуры.

В пределах III зоны температура с глубиной возрастает. Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом.

Рис. 1 Температурные зоны

Глубина, при которой температура повышается на один градус, называется геотермической ступенью. Средняя величина этой ступени составляет 33м. В районах вулканизма величина этой ступени уменьшается до 5-7м. (например, в г. Москве на глубине 1630м температура достигает ? +41°С).

5. Что называют минералами? Какие минералы называют породообразующими? В каких природных условиях образуются минералы? Какие минералы образуются в результате эндогенного процесса? Какие минералы образуются в результате экзогенного процесса? Какие минералы образуются в результате метаморфического процесса?

Минералы - это природные тела, имеющие определенный химический состав и физические свойства, образующиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре. Большинство минералов твёрдые, но встречаются также жидкие и газообразные.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей, но большинство из них встречаются редко и лишь около ста минералов встречаются наиболее часто, входя в состав главнейших горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Приближенно эти условия можно разделить на три процесса: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и протекает в ее недрах. Минералы рождаются из магмы - силикатного огненно - жидкого расплава. Магма по мере понижения температуры кристаллизуется, затвердевает. Таким путём образуется кварц, силикаты и другие минеральные образования. Характерной особенностью этого процесса является высокая температура и давление. Минералы образуются плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс характерен поверхности земной коры, где протекают сложные явления взаимодействия литосферы с гидросферой, атмосферой и биосферой. В этом процессе минералы образуются на суше, а также путём выпадения их из водных растворов (озёр, морей и др.). Таким путём образуются минералы глинистого комплекса, различные железистые соединения. Путём выпадения из водных растворов образуются минералы - соли (галит, сильвин, мирабилит и др.). В экзогенном процессе ряд минералов возникает также за счет жизнедеятельности различных организмов (кальцит в виде жемчуга, опал, ароганит и др.). Экзогенные минералы разнообразны по своим свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твёрдость и активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс - это процесс перерождения ранее образовавшихся минералов (эндогенных и экзогенных) под воздействием высоких температур, давлений, а также магматических газов и воды. Минералы изменяют своё первоначальное состояние, проходят перекристаллизацию, приобретают плотность и прочность. Таким путём образуются многие минералы - часть силикатов и др.

6. Какие основные физические свойства минералов? Что понимают под спайностью минералов? Как оценивают твердость минералов?

Главнейшими из них являются:

1) морфологические особенности (внешняя форма);

2) оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск);

3)показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Под спайностью понимают способность минералов раскалываться или расщепляться по определённым направлениям с образованием гладких плоскостей раскола.

Твердость минералов - способность противостоять внешнему механическому воздействию, в частности царапанью. Каждому минералу присуща определённая твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса.

7. Какая основная классификация породообразующих минералов?

Основной классификацией минералов является химический состав. Все минералы можно разделить на 10 классов:

1-силикаты 6-сульфаты

2-карбонаты 7-галоиды

3-окислы 8-фосфаты

4-гидроокислы 9-вольфраматы

5-сульфиды 10-самородные элементы

8. Что представляют собой горные породы? Как классифицируют горные породы?

Горные породы представляют собой минеральные агрегаты. Горная порода может состоять почти из одного минерала. В этом случае она называется мономинеральной. Более широко распространены полиминеральные породы, состоящие из нескольких минералов, например, гранит, в состав которого входят полевой шпат, слюда, кварц и др.

Горные породы разнообразны по своему происхождению, составу, строению и свойствам. Классификация горных пород в инженерной геологии является, кроме того, средством и методом их познания. Классификация необходима для:

1) разделения всего многообразия пород по строительным качествам, чтобы, пользуясь классификацией, можно было давать предварительную инженерно-геологическую оценку горных пород;

2) построения геологических карт, разрезов, схем;

3) определения состава, объема, методики инженерно-геологических изысканий;

4) выбора методов улучшения свойств горных пород (грунтов).

Единой общепринятой классификации горных пород в инженерной геологии пока нет.

В настоящее время известно около 1000 видов горных пород, которые по своему происхождению делятся на три типа: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические и метаморфические горные породы занимают основное место в земной коре - 95% от общей её массы. На поверхности Земли наибольшее распространение имеют осадочные породы, на которых чаще всего и приходится строителям возводить здания и сооружения.

9. По каким признакам делят магматические породы? По каким признакам делят осадочные породы? По каким признакам делят метаморфические породы?

В зависимости от условий застывания и кристаллизации магмы магматические породы разделяются на глубинные (интрузивные), и излившиеся (эффузивные). По содержанию в магматических породах кремнезема (в виде кварца и в связанном состоянии в силикатных соединениях) различают породы кислые, средние, основные и ультраосновные.

По происхождению осадочные сцементированные породы разделяются на следующие четыре группы:

1) обломочные, образовавшиеся из скопления продуктов механического (физического) разрушения различных горных пород;

2) глинистые, образовавшиеся при участии механического (физического) разрушения и продуктов химического разрушения и разложения различных горных пород;

3) химические - химические осадки водных бассейнов;

4) органогенные - образовавшиеся из остатков различных организмов и растений.

Для оценки условий строительства сооружений на метаморфических породах, как и на магматических, необходимо изучать их минеральный состав, внутреннее строение, условия залегания, степень и характер трещиноватости и выветрелости, а также физико-механические свойства. В зависимости от того, какие агенты метаморфизма играют ведущую роль в глубоком преобразовании горных пород, различают несколько типов метаморфических горных пород, а классифицируют их по структурно-текстурным признакам и минералогическому составу на массивные или зернистые и сланцеватые.

10. Какие различают типы метаморфизма?

В зависимости от ведущего фактора метаморфизма различают следующие типы метаморфизма: контактовый, динамометаморфизм, региональный.

Контактовый метаморфизм развивается на контакте между внедрившейся магмой и вмещающими её породами. Воздействие высокой температуры, а также газов и паров воды ведёт к коренному изменению вмещающих пород. Так возникают породы зернистого вида-мраморы и кварциты.

Динамометаморфизм. Это преобразование исходных пород под действием высокого давления, которое возникает в процессе горообразования или под весом вышележащих толщ. При этом образуются породы типа глинистых сланцев с характерной для них сланцеватостью.

Региональный метаморфизм проявляется на больших площадях и в глубине земной коры. Глубинную толщу, где протекает этот процесс, называют поясом метаморфизма. Этот пояс по глубине и интенсивности проявления факторов метаморфизма делят на три зоны: верхняя, средняя, нижняя.

11. Какой различают возраст горных пород, и что это даёт строителям?

Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.

Абсолютный возраст выражается в годах, т.е. определяется, сколько лет прошло с момента образования породы. Для этой цели применяют радиоактивные методы, основанные на использовании процессов радиоактивных превращений (уран, калий, рубидий и др.)

Относительный возраст позволят определить возраст относительно друг друга, т.е. устанавливать, какие породы древнее, какие моложе, Для этого используют два метода: стратиграфический и палеонтологический.

Знание возраста горных пород необходимо для оценки свойств пород и определения их положения среди других пород. Так, например, породы, образовавшиеся в одно и тоже время в одинаковых условиях, обладают обычно одинаковым составом, и подобные породы обладают одинаковыми строительными свойствами.

12. Что следует называть грунтом? Из чего состоят грунты?

Грунтами называют любые горные породы, почвы, техногенные образования коры выветривания Земли - сыпучие или связные, прочность связей у которых между частицами во много раз меньше, чем прочность самих частиц, или эти связи между частицами отсутствуют вовсе. Есть и другое определение грунтов: это горные породы, являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

Грунты могут служить:

1) основанием зданий и сооружений;

2)средой для размещения в них сооружений (например, метро, тоннели и др.);

3)материалом самого сооружения (плотины, насыпи, дороги и др.).

Грунты состоят из:

твердых частиц (минералов, горных пород, органических остатков и др.);

воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта);

газов (в том числе и воздуха).

Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

13. Какие физические характеристики грунта являются основными? ГОСТ 25100-95

Основными физическими характеристиками грунта (определяемые непосредственно в лабораторных или полевых условиях) являются:

плотность грунта - с [г/см3]; (удельный вес - г - [кН/м3]);

плотность частиц грунта- сs [г/см3]; (удельный вес частиц грунта - гs-[кН/м3];);

природная влажность -w; [в долях единицы];

Остальные физические характеристики могут быть вычислены с их использованием.

(Справка- с г/см3·9,8=г кН/м3)

14. Что называется плотностью грунта с (удельным весом грунта г)? От чего зависит плотность грунта с?

Плотностью грунта с называется, отношение массы образца грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [г/см3].

Плотность грунта с зависит от плотности частиц грунта сs, его пористости n и влажности w.

15. Что называется плотностью частиц грунта сs,? От чего зависит плотность частиц грунта сs?

Плотностью частиц грунта сs называется отношение массы частиц грунта к объему, который они занимают. Размерность [г/см3].

Плотность частиц грунта сs, зависит от минералогического состава скелета грунта и степени их дисперсности. У глин она больше, чем у песка при одних и тех же образующих грунт минералах. В глинистом грунте поверхность частиц намного больше, чем в песчаном. Плотность частиц грунта сs не зависит от его пористости n.

16. Что называется плотностью сухого грунта с_d? Что называется пористостью грунта n? Что называется коэффициентом пористости грунта е?

Плотностью сухого грунта сd называется отношение массы высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [г/см3].

Пористостью п грунта называется отношение объема пор к полному объему образца грунта.

Коэффициентом пористости е или относительной пористостью называется отношение объема пор в образце к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетом, то есть.

17. Что называется влажностью грунта W, и какой она бывает? Может ли влажность грунта быть больше единицы (т.е.100 %)? Что называется степенью влажности Sr, и в каких пределах она изменяется? Чему равна плотность взвешенного в воде грунта?

Влажность грунта бывает весовой и объемной. Весовой влажностью называется отношение массы воды в образце грунта к массе твердых частиц грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта). Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например, у ила, торфа). Поэтому: (справедливо для раздельнозернистых грунтов, т.к. только раздельнозернистые грунты могут быть полностью водонасыщены).

Коэффициентом (индексом) водонасыщенности, или степенью влажности грунта, называется отношение природной влажности грунта w к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой, wsat. Коэффициент водонасыщенности Sr изменяется от нуля (для абсолютно сухого грунта) до единицы (для полностью водонасыщенного грунта). Он вычисляется по формуле:

где сw-плотность воды =1г/см3.

Грунты называются маловлажными при Sr <0,5, влажными при 0,5< Sr <0,8 и насыщенными водой при Sr >0,8.

Плотность взвешенного в воде грунта сsb равен плотности грунта в атмосфере с за вычетом плотности воды сw, то есть:

Эта формула пригодна для грунта с любой водонасыщенностью, то есть при полном и неполном заполнении пор водой (в этом случае считается, что воздух, имеющийся в грунте, не замещается водой). Удельный вес грунта, но с полностью заполненными водой порами (W =Wsat), то есть когда

Плотность взвешенного в воде грунта может быть определена по формуле:

18. Для каких целей нужны классификация грунтов и классификационные показатели?

Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту одного и того же наименования и установления его состояния вне зависимости от того, кем и в каких целях они производятся. Наименование и состояние грунта устанавливаются по классификационным показателям.

19. Что называется числом (индексом) пластичности Іp глинистого грунта и что оно показывает?

Числом (индексом) пластичности глинистого грунта называется разность между влажностями на границе текучести WL и на границе раскатывания или пластичности Wp. Число (индекс) пластичности связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц и может служить классификационным показателем для отнесения глинистого грунта к супеси, суглинку или глине. Т.е. число пластичности необходимо для определения вида глинистого грунта.

При 1<Ip?7 глинистый грунт называется супесью, при 7<Ip?17 называется суглинком и при Ip >17 - глиной. (Здесь Іp в процентах).

20. Что такое показатель консистенции Il (индекс текучести) глинистого грунта и зависит ли он от естественной влажности W? В каких пределах он изменяется?

Показатель консистенции IL (индекс текучести) глинистого грунта характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). При изменении IL в пределах от нуля до единицы грунты имеют пластичную консистенцию.

Показатель консистенции IL определяется в долях единицы по формуле:

Для суглинков и глин диапазон изменения IL от нуля до единицы (пластичное состояние) подразделяется на четыре равных поддиапазона: грунты полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучепластичные.

21. Где и каким образом определяются характеристики (показатели) свойств грунтов?

Показатели физических свойств грунтов определяются либо на отобранных в натуре в массиве образцах грунтов естественного сложения, т.е. ненарушенной структуры, либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.

22. Что изучает тектоника? Что представляет собой шкала геологического времени?

Облик поверхности Земли постоянно меняется. Процессы, изменяющие облик Земли, изучает динамическая геология. На поверхности Земли постоянно возникают горные системы и океанические впадины.

Процессы горообразования изучает тектоника, а движения земной коры, связанные с этими процессами, называются тектоническими процессами. Процессы горообразования протекают постоянно, но проявляется это в виде медленных, незаметных для глаза движений земной коры (эпохи покоя) или в виде интенсивных бурных процессов (эпохи тектонических революций).

В истории Земли выделяют ряд интенсивных горообразовательных циклов:

- каледонский, имевший место в кембрийском -Cm-силурийском-S периодах;

- герцинский (пермский-P и начало триасового-T периода);

- мезозойский (юрский период-J);

- альпийский (кайнозойская эра-Kz).

В альпийский цикл, например, сформировались горы Кавказа, Крыма, Карпат.

Термин «тектонические явления» имеет широкое применение при характеристике условий залегания пород их состояния. Горообразование изменяет первоначальные условия залегания пород, вызывает появления трещин, раздробляет породы, перемещает материал земной коры, что очень сильно влияет на условия строительства.

В результате изучения строения земной коры и истории развития жизни появилась возможность разделить всю геологическую историю на ряд отрезков времени и составить по данным абсолютного и относительного возраста шкалу геологического времени - геохроно-логическую шкалу.

Возраст горных пород на геологических картах обозначают с помощью соответствующих индексов, окраски и штриховки. Индексы - это буквенные и цифровые обозначения возраста пород согласно стратиграфической шкале.

23. Какие основные формы залегания осадочных горных пород? Какие выделяют сочетания слоёв?

Слой - это геологическое тело, образованное осадочной горной породой, однородной по составу или структуре, цвету и т.д., ограниченное приблизительно параллельными поверхностями. Наряду с термином «слой», в том же понимании часто употребляется термин «пласт», особенно для обозначения слоёв полезных ископаемых. Основные формы слоёв «пластов» показаны на рис.

Рис. 2 Основные формы слоев 1-кровля, 2-подошва, М1-истинная мощность М2-кажущаяся мощность, 1-нормальный слой, 2-линза, 3- слой с выклиниванием,4-слой с пережимом

Группу слоёв (пластов) различной мощности, объединяемых сходством состава или возрастом, называют грунтовой толщей. По характеру залегания слоев относительно друг друга выделяют залегания: согласное (а) и несогласное (б).

Рис. 3 Характерное залегание слоев

В согласном сочетании слои располагаются параллельно друг другу даже если и наблюдается не горизонтальное залегание пластов.

При несогласном залегании вся толща пород разделяется на две части. В пределах каждой части грунты залегают согласно. Причины несогласного залегания слоёв кроются в геологической истории данной территории. Между верхней и нижней частью толщи был перерыв в осадконакоплении. Нижняя часть подвергалась воздействию тектонических процессов, а верхние слои отложились позже и сохраняют первоначальное залегание.

24. Кокой характер движения земной коры? Что понимают под термином «дислокации»?

Земная кора обладает различной подвижностью. Основной частью земной коры являются платформы, между ними располагаются геосинклинали.

Платформы занимают огромные пространства. Для платформ, как наиболее жестких частей земной коры, характерны сравнительно спокойные колебательные движения вертикального характера.

Геосинклинали располагаются между платформами и являются их подвижными сочленениями. Районам геосинклиналей свойственны сейсмические явления (землетрясения) и вулканы.

Таким образом, земной коре свойственны тектонические движения двух видов: колебательные и складчато-разрывные.

Различают следующие колебательные движения: прошедших геологических периодов, новейшие исовременные.

Для инженерной геологии особый интерес представляют современные колебательные движения, вызывающие изменение высот поверхности в данном районе. Их необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений типа водохранилищ, плотин, морских портов, а также городов у моря и т.д.

Складчато-разрывные движения свойственны геосинклиналям и вызывают изменения первоначального залегания и состояния пород. Горизонтальные пласты получают изгибы, разрывы, отдельные их участки смещаются по трещинам разрывов.

Нарушение первоначальных форм залегания пород получило название дислокации.

Дислокации в зависимости от вида тектонических движений разделяют на складчатые и разрывные.

25. Что представляют собой складчатые формы залегания слоев? Какие различают складки? Какие различают формы складок?

При тектонических движениях (пластических деформациях горных пород) слоистые толщи часто приобретают волнообразные изгибы, т.е. сминаются в складки. В каждой складке принято различать элементы: (см. рис.4.)

АА1Е1Е, ББ1Ж1Ж - крылья складки а -ширина складки;

ВВ1 - седло складки h - высота складки.

ВВ1ДД1 - осевая поверхность б - угол складки

Г - шарнир 1,3-антиклинальные складки

2-синклинальная складка

Рис.4 Пластические деформации горных пород.

Все складки делятся на две основные разновидности: синклинальные и антиклинальные (см. рис. в вопросе 51).

Синклинальные складки это изгибы слоев, обращенные выпуклостью вниз и сложенных в центральных частях (ядре) более молодыми породами.

Антиклинальные складки это изгиб слоев обращен выпуклостью вверх и центральная часть (ядро) их сложена более древними породами относительно краевых частей. Полная складка состоит из синклинального и антиклинального перегибов, которые имеют общее крыло.

В природе встречаются складки различных размеров: от нескольких сотен метров и даже километров в ширину до нескольких метров в высоту.

Рис. 5 Однокрылую складка -- флексура

Выделяют ещё однокрылую складку называемую флексурой. Это коленоподобный изгиб горных пород.

Рис. 6 Моноклиналь

Флексура имеет довольно широкое распространение, особенно при моноклинальном залегании пород.

К складкам относят и моноклиналь

1 2 3 4 5 6

Рис. 6 Формы складок В зависимости от формы и угла наклона крыльев и положения осевой плоскости складки делят на прямые-1, косые-2, лежачие-3, опрокинутые-4, а также веерообразные-5, сундучные-6 и т.д.

26. Как возникают и какие формы разрывных дислокаций выделяют? Какие основные элементы залегания слоя?

Разрывные дислокации возникают в результате интенсивных тектонических движений, которые приводят к разрыву сплошности пород. Среди разрывных (дизъюктивных) нарушений принято различать разрывы со смещением и разрывы без смещения (трещины).

Рис. 7 Разрывы а) нормальный сброс; б) взброс; в) сдвиг; г) надвиг

Протяженность разрывных нарушений - от нескольких миллиметров и сантиметров до десятков и сотен километров.

Сбросы - это нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторону крыла, занимающего более низкое положение. Это крыло называется опущенным (лежачим).

Взбросы - это нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторону расположения приподнятых слоёв. Взбросы возникают в условиях сжатия и характеризуются перекрытием разорванных крыльев.

Сдвиг - это разрывное нарушение, у которого смещение крыльев происходит по горизонтам вдоль линии простирания поверхности сбрасывателя. Сдвиги возникают в том случае, когда действие сил (пара сил) направлено горизонтально, параллельно поверхности земли.

В пространстве разрывные нарушения со смещением могут группироваться в протяженные зоны, в пределах которых наблюдаются блоки, приподнятые на разную высоту. В результате одни участки земной коры могут быть опущены, а другие подняты относительно смежных. Такие тектонические структуры называют грабенами (а) и горстами (б).

Рис. 8 Тектонические структуры

Трещины - это разрывные нарушения в горных породах, по которым не происходило видимых смещений. Приняты выделять трещины вертикальные, горизонтальные и наклонные. Кроме того, в зависимости от ориентировки их по отношению к пластам, в которых они находятся, выделяют пластовые трещины, поперечные и диагональные.

Рис. 9 Элементы залегания слоя

Для ориентировки наклонного слоя в пространстве введено понятие об элементах залегания. Линия простирания - это линия пересечения пласта с горизонтальной плоскостью (на рис. 9. а-а). Линия падения - это направление наибольшего наклона пласта. Линия падения всегда перпендикулярна линии падения (б-б). Угол падения, это угол наклона пласта к горизонту (б).Углы падения пород до 200 принято относить к пологим, до 500 - к средним, 500 и выше - к крутым. При угле падения, близком к 900, слои относят к вертикальному падению.

27. Как влияют данные о залегании горных пород при оценке строительных площадок?

С инженерно-геологической точки зрения наиболее благоприятным является горизонтальное залегание слоев, большая их мощность, однородность состава.

1 2 3 4

Рис. 10 Варианты залегания слоев. 1,2- благоприятные условия для строительства; 3-малоблгоприятные условия; 4- неблагоприятные

Наличие дислокаций резко изменяет и усложняет инженерно-геологические условия строительных площадок - нарушается однородность грунтов оснований сооружений, образуются неравномерные смещения, осадки фундаментов. Складчатые дислокации нередко сопровождаются сбросами и надвигами. Ставить сооружение на линию разлома (схема 4) крайне нежелательно. В сложных геологических условиях необходимы тщательные изыскания.

28. Что изучает гидрогеология? Какие характеристики относят к водным свойствам грунтов?

Наука о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связи с атмосферными и поверхностными водами называется гидрогеологией.

Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых грунтов, могут выступать в роли агрессивной среды по отношению к строительным материалам, вызывает растворение многих горных пород (гипс, известняк и др.) с образованием пустот и т.д.

Строители должны изучать подземные воды и использовать их в производственных целях, уметь бороться с ними при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном движении, Происходит круговорот воды в природе, (малый и большой).

К водным свойствам пород (грунтов) относится их влажность, влагоёмкость, водоотдача, водопроницаемость.

Влажность пород (W) отношение веса воды в грунте к весу сухого образца грунта (вопрос 38).

Влагоёмкость - способность грунтов вмещать и удерживать в себе воду. В том случае, когда все поры заполнены водой, грунт будет находиться в состоянии полного насыщения. Такая влажность называется полной влагоёмкостью.

где: n - пористость; сs-плотность частиц грунта.

Наибольшее значение Wп.в. совпадает с величиной пористости грунта. По степени влагоёмкости породы подразделяются на весьма влагоёмкие (торф, суглинки, глины), слабо влагоёмкие (мергель, мел, рыхлые песчаники, мелкие пески, лёсс) и невлагоёмкие, не удерживающие в себе воду (галечник, гравий, песок).

Водоотдача (Wв) - способность пород, насыщенных водой, отдавать гравитационную воду в виде свободного стока. При этом считают, что физически связанная вода из пор породы не вытекает.

Величина водоотдачи может быть выражена процентным отношением объёма свободно вытекающей из породы воды к объёму породы, или количеством воды, вытекающей из 1м3 породы (удельная водоотдача).

Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, пески и супеси. В глинах водоотдача равна нулю.

Водопроницаемость- способность пород пропускать гравитационную воду через поры (рыхлые породы) и трещины (плотные породы). Не всякая порода, которой присуща пори-стость, способна пропускать воду. Например, глина с пористостью 50-60% воду почти не пропускает. Водопроницаемость пород (или их фильтрационная способность) характеризуется коэффициентом фильтрации Кф.

Непроницаемые породы принято называть водоупорами.

29. Как классифицируют подземные воды? Какова зональность в распределении грунтовых вод?

Единой классификации, из-за большого разнообразия подземных вод, до сих пор нет. Подземные воды можно подразделить по ряду признаков, например, по температуре, по солёности. В инженерно-геологических целях подземные воды делят по гидравлическому признаку- безнапорные и напорные и по условиям залегания в земной коре- верховодка, грунтовые воды, межпластовые воды. Все эти воды инфильтрационного происхождения.

Рис. 11 Верховодка, 1.-атмосферные осадки; 2.-инфильтрация воды; 3.-верховодка. 4.-грунтовая вода; 5.-водоупор; 6.-линза глины 7.-песок

Рис. 12 Грунтовые воды, 1.-уровень грунтовой воды (УГВ); 2.-мощность водоносного горизонта в данном месте; 3.-водоупор

Рис. 13 Грунтовые воды с местным напором, 1-.грунтовая вода; 2.-линза глины; 3.-зеркало грунтовых вод; 4.-высота местного напора

Рис. 14 Артезианская вода при синклинальном залегании, 1.-водоупоры; 2.-первый водоносный горизонт; 3.-второй водоносный горизонт; 4.-область питания водоносных горизонтов; 5.-пьезометрический уровень верхнего слоя; 6.-пьезометрический уровень нижнего водоносного слоя; 7.-площадь распространения верхнего водоносного слоя; 8.-высота напора первого горизонта;9.-высота напора второго водоносного горизонта

Рис. 15 Артезианская вода с пьезометрическим уровнем ниже поверхности земли, 1.-водоупоры; 2.-водоносныц слой; 3.-пьезометрический уровень; 4.-высота напора

Верховодка образуется над случайными водоупорами (глины, суглинки, прослойки более плотных пород и т.д.). Для верховодки характерно: временный, чаще сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безнапорность.

Верховодка представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземной части зданий и сооружений (подвалы, котельные, насосные станции и др.), она может вызвать их подтопление, если не были предусмотрены меры по дренированию или гидроизоляции. Это представляет серьёзную опасность, так как грунты оснований снижают свои физико-механические характеристики, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений.

Грунтовыми водами называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. В практике строительства чаще всего приходится встречаться именно с грунтовыми водами.

Грунтовые воды находятся в непрерывном движении и, как правило, образуют потоки. В отдельных случаях их залегание имеет форму грунтовых бассейнов.

Рис. 16. Форма залегания грунтовых вод, 1.-грунтовый поток; 2.-грунтовый бассейн

Выделяют 4 зоны.

Грунтовые воды речных долин. Глубина залегания изменяется от 1см до 10-15м. Вода залегает в аллювиальных отложениях, слабо минерализована, используется для водоснабжения.

Грунтовые воды ледниковых отложений. Ледниковые отложения представлены разнообразными обломочными породами, среди которых много водоносных слоёв. Вода широко используется для водоснабжения.

Грунтовые воды полупустынь и пустынь. Это районы с малым количеством атмосферных осадков (до 200мм в год) и значительным испарением. Воды обычно мало, залегает глубоко, имеет высокую минерализацию.

Грунтовые воды горных областей. В этих районах выпадает много атмосферных осадков, часть которых проникает в выветрелые и трещиноватые породы. Вода, как правило, высокого качества и широко используется в водоснабжении.

Среди зональных располагаются незональные грунтовые воды, например, болотные, карстовые и др. Уровень грунтовых вод в болотах всегда совпадает с поверхностью земли.

30. Какие факторы влияют на уровень и качество грунтовых вод?

Причины колебания уровня и качества грунтовых вод весьма разнообразны.

Главными из них являются: 1) метеорологические факторы, 2) гидрогеологические условия, 3) колебания земной коры, 4) строительная деятельность человека.

метеорологические факторы разнообразны, но главнейшими из них являются: количество атмосферных осадков, интенсивность испарения воды и величина атмосферного давления. Эти факторы вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня.

гидрогеологические условия проявляются в виде влияния на грунтовые воды рек и водохранилищ.

колебания земной коры выражается в опускании или поднятии отдельных участков суши.

строительная деятельность человека в наше время существенно сказывается на положении уровней грунтовых вод. На застроенной территории с течением времени, как правило, уровень грунтовых вод (УГВ) повышается.

31. Что значит агрессивные подземные воды?

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворённых в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и подземных сооружений необходимо оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней.

32. Для чего строят карты гидроизогипс?

Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляется карта гидроизогипс. Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками зеркала грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Карта гидроизогипс широко используется для установления направления потока грунтовых вод, величины напорного градиента, глубины залегания воды, выбора места под колодцы и дренажные устройства. Карта дает возможность найти наиболее благоприятное место для строительства, установить места утечек подземных трубопроводов.

Рис. 17 Карта гидроизогипс 1 - горизонтали; 2 -- гидроизогипсы

33. Основной закон движения грунтовых вод (закон Дарси)?

Передвижение воды в горных породах зависит в основном от водных свойств пород и насыщенности их водой.

Рис. 18 Схема безнапорной фильтрации

Разность напоров ?H=H1-H2 в сечениях I и II обуславливает движение грунтовой воды в направлении сечения II. Тогда: называют гидравлическим уклоном (или градиентом напора). Движение грунтовых вод в грунтах имеет ламинарный характер и подчиняется закону Дарси:

где: V- скорость фильтрации, м/сут;

Q -расход воды в единицу времени, м3/сут.

Kф -коэффициент фильтрации, м/сут.

F - площадь поперечного сечения потока воды, м2;

?H-разность напоров, м;

l - длина пути фильтрации, м.

Таким образом: скорость фильтрации грунтовых вод прямо - пропорциональна градиенту напора I и некоторому коэффициенту характеризующему водопроницаемость грунта, т.е.коэффициенту фильтрации кф.

Коэффициент фильтрации зависит от вида грунта, размера его пор (то есть от линейного размера пор, но не пористости), от температуры жидкости (меняется ее вязкость) и др.

34. Как определяют коэффициент фильтрации (методы определения)?

Величину Кф необходимо определять в зависимости от точности расчета.

Для ориентировочных подсчетов используют расчетный метод, который используют главным образом для раздельно-зернистых грунтов (например, песков). Используются эмпирические формулы, основанные на данных гранулометрического состава. Известны формулы Хазена, Замарина, Терцаги и др.

Лабораторные методы определения коэффициента фильтрации дают достаточно достоверные результаты и для определения коэффициента фильтрации известны различные приборы. Все они могут быть разбиты на две группы: 1)приборы для определения Кф в образцах необжатых давлением и 2) приборы для определения коэффициента фильтрации в образцах, находящихся под определённым давлением. Для песков - это прибор Тима-Каменс-кого, трубка спецГЕО; для суглинков, супесей, лёссов - приборы типа ПВГ.

Полевые методы позволяют определять коэффициент фильтрации в условиях строительных площадок. Это обеспечивает более достоверные результаты, так как не нарушаются структурно-текстурные особенности пород и их природное залегание. При наличии грунтовых вод Кф определяют методом откачки, в случае сухих пород - методом налива в шурфы.

35. Как определяются направление и скорость потока грунтовых вод?

При решении практических задач на строительных площадках по водоснабжению, устройству дренажей и др. необходимо знать направление и скорость движения грунтовых вод.

Направление потока.

Форма потоков грунтовых вод может быть различной (см. рис.19)

Рис. 19. Формы потоков грунтовых вод 1.-плоский; 2-радиальный (расходящийся); 3-радиальный (сходящийся); 4-криволинейный

При определении направления потоков следует помнить, что справедливо оно лишь для сравнительно небольшого участка. Способов определения направления существует много, основными из которых являются: по картам гидроизогипс-1, по трем скважинам-2, по методу красителей-3 и методу эквипотенциальных линий-4.

Рис. 20 Способы определения направления потоков грунтовых вод

Кроме направления по методу красителей-(3) и методу эквипотенциальных линий-(4) можно определить скорость грунтового потока, зная путь и время

36. Как определяется расход потока грунтовых вод?

Расходом грунтового потока (Q) называется количество воды, протекающее через поперечное сечение водоносного слоя в единицу времени. Это довольно сложный расчет и про-изводится различными методами. На рисунке 21 показаны три разные схемы для расчета расхода грунтовых вод и формулы, по которым производится расчет.

Рис. 21. Схемы для расчета расхода грунтовых вод

37. Что понимают под воронкой депрессии и радиусом влияния грунтовых вод?

При откачке воды из скважины вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничена кривыми депрессии.

Рис. 22 Воронка депрессии

Радиус воронки депрессии называется радиусом влияния (R). Для определения R используются различные расчетные формулы и непосредственным измерением в скважинах.

Формула Кусакина:

Формула Троянского:

38. Чему равен приток воды к совершенному и несовершенному колодцам?

Если из колодца вода не откачивается, то её уровень находится в одном уровне с поверхностью грунтового потока. При откачке воды образуется депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определяется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают то количество воды, которое он может дать в единицу времени.

Рис. 23 Водозаборные колодцы,1-совершенного вида; 2-несовершенного вида

Приток воды к совершенному колодцу определяется формулой:

формула Дюпюи:

или Паркера

В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Вода поступает из части водоносного слоя, которую называют активной зоной (Н0). Глубину активной зоны принимают 4/3 высоты столба воды в колодце до откачке (Р), т.е. Н0= 4/3Р. Эти положение позволяют использовать ту же формулу Дюпюи в интерпретации Паркера.

39. Чему равен приток воды к совершенной и несовершенной траншеям (канавам)?

Траншеи предназначены для понижения уровня грунтовых вод. Они входят в систему дренажных устройств.

Расход, совершенной канавы при притоке воды с двух сторон определяется по формуле:

при притоке с одной стороны:

Где Q-расход воды, м3/сут; Kф= коэффициент фильтрации,м/сут; l-длина канавы, м; Н-мощность грунтовой воды, м; h-столб воды в канаве, м; R- радиус влияния, м;

Несовершенная канава имеет расход воды меньше совершенной канавы.

39. Какие существуют методы борьбы с грунтовыми водами? Типы дренажей?

Когда грунтовые воды осложняют строительство, и в дальнейшем будут мешать эксплуатации зданий и сооружений, принимают решение о понижении их уровня. Снижение уровня грунтовых вод и поддержание его в нужном положении достигается устройством дренажей.

При благоприятном рельефе местности водопонижение осуществляется самотёком воды.

При выборе способа водопонижения учитывают условия залегания и фильтрационную способность пород, источник питания грунтовых вод, характер их потоков, размеры осушаемой территории и продолжительность водопонижения.

Типы дренажей. Различают горизонтальный, вертикальный и комбинированный дренаж.

Горизонтальный тип дренажа обеспечивает понижение уровня отводом воды с помощью канав (траншей) и подземных галерей. Отток воды происходит самотёком. Чаще всего подземные галереи применяют на оползневых склонах с целью осушения и предотвращения движения грунтовых масс.

Рис. Подземная водосбросная галерея Открытый водоотлив из котлована

1-водосбросная галерея; 1-приямок с фильтром;

2-поток грунтовой воды; 2-насос с водоотводящим лотком

3-водоносный суглинок;

4-возможное оползневое тело;

5-водоупор

Рис. 1-водопонизительные скважины; 2-строительный котлован; S- понижение уровня

Горизонтальные канавы (траншеи) могут быть открытыми и закрытыми. Вертикальный тип дренажа обеспечивает понижение уровня грунтовых вод откачкой насосами или пропуском воды самотёком. Из неглубоких строительных котлованов воду можно откачивать открытым способом.

Вертикальный дренаж может осуществляться с помощью водопонизительных скважин и иглофильтровых установок. Вокруг скважин образуются депрессионные воронки, которые, объединяясь между собой, создают общее понижение уровня грунтовых вод.

Схема осушения котлована вертикальными дренами

Рис. 1-иглофильтры; 2-металлические проводники электрического тока; 3-котлован

Иглофильтровые установки состоят из систем иглофильтров, которые устанавливают вокруг котлованов или вдоль траншей. Эти установки могут создавать в грунте вакуум, что улучшает приток воды к иглофильтрам и повышает устойчивость откосов котлованов. Работа иглофильтров усиливается воздействием на фильтрацию воды электрического тока.

Иглофильтры с использованием воздействия на фильтрацию воды электрического тока

Иглофильтры обеспечивают водопонижение на 4,5-5,5м.

Недостатком всех вертикальных дренажей является непродолжительность срока службы трубчатых колодцев, вследствие загрязнения фильтров.

Комбинированный тип дренажа объединяет вертикальные и горизонтальные дрены.

41. Какие существуют виды дренажей?

В зависимости от расположения дренажей в плане и по отношению к направлению движения грунтовых вод различают следующие виды дренажей:

Систематический, головной, береговой, кольцевой, а также пластовый и вентиляционный.

Систематический дренаж применяют для равномерного осушения (понижения уровня) значительных территорий (часть города, завода и др.). Систематический дренаж может быть вертикальным-1, горизонтальным -2, или комбинированным

1. Систематический дренаж 2. Систематический дренаж вертикального типа горизонтального типа

1-поглощающие скважины; 2-пониженный уровень 1-дрены; 2-дренажный коллектор;

3-смотровой колодец; 4-пониженный уровень

Головной дренаж используется для понижения уровня грунтового потока, питание которого осуществляется со стороны. Вода перехватывается горизонтальной дреной, закладываемой выше по течению грунтовых вод.

Головной дренаж (план и разрез)

1-направление потока грунтовых вод; 2-головной дренаж; 3-смотровой колодец; 4-пониженный уровень

При неглубоком залегании водоупора (до 4-5м) дрена перехватывает весь грунтовый поток.

Береговой дренаж применяется в случае, когда уровни рек поднимаются вследствие устройства водохранилищ. Уровень грунтовых вод при этом повышается. Основной задачей берегового дренажа является защита зданий и сооружений, расположенных на берегу, от фильтрации воды из водохранилищ. Береговой дренаж (план и разрез)

1-береговая дрена; 2-пониженный уровень

Кольцевой дренаж защищает от подтопления подвальные помещения отдельных зданий или небольшие участки. Чаще всего его применяют в случаях, когда необходимо понизить уровень грунтовой воды на значительную глубину. При глубоком залегании водоупора в слабофильтру-ющих слоях лучше устраивать вертикальные и комбинированные дренажи. Кольцевой дренаж (план и разрез)

1-дрены; 2-смотровые колодцы; 3-сбросная часть дренажа; 4 - пониженный уровень

Пластовые дренажи служат для защиты отдельных зданий и дорог от возможного подтоп-ления грунтовыми водами, уровень которых поднимается. По контуру сооружений укладывается дренажный слой из песка (или гравия) с дренажной трубой. Пластовый дренаж 1-дрены; 2-смотровые колодцы; 3-сброс воды; 4 -дренажные трубы; 5 - крупнозернистый песок; 6 - грунт основания; 7- фундамент

Вентиляционный дренаж устраивают против накопления влаги в грунтах зоны аэрации (под фундаментами зданий). Вентиляционный дренаж представляет собой дырчатые трубы или галереи через которые постоянно движется воздух в целях испарения влаги из грунта основания.

42. Какие современные геологические процессы изучает инженерная геология?

Инженерная геология изучает современные геологические процессы - эрозию, абразию, оползни, карсты, обвалы и т.д., которые могут оказывать то или иное влияние на инженерные сооружения. В тоже время и инженерные сооружения могут вызвать и изменить существующие природные геологические процессы - просадочные явления под зданиями и сооружениями, сдвижения горных пород при подземных выработках и т.д.

Классификация природных геологических процессов в сопоставлении с инженерно-геологическими процессами:

Природные геологические процессы Инженерно-геологические процессы

1. Уплотнение осадков в процессе 1. Уплотнение пород в основании сооружений диагенеза под действием веса позднейших отложений. Уплотнение пород под действием нагрузок от ледника и др.

2. Уплотнение лёссов в процессе 2. Просадочные явления в лёссах вследствие утечек из эпигенеза с образованием «степных блюдец»водопроводов и фильтрации воды из каналов.

3. Наледи, ледяные бугры, термо- 3. Мерзлотные деформации пород в основании сооружений карст и т. п. и пучины на дорогах.

4. Оползни, оплывины, обвалы, осыпи 4. Деформация искусственных откосов.

5 Абразия по берегам морей и озер 5. Переработка берегов водохранилищ.

6. Провалы над карстовыми пусто- 6. Сдвижение горных пород при под тами. земных работах.

При изучении геологических процессов особое внимание следует уделять причинам их возникновения, развитию во времени, количественной оценки, выбору мероприятий, устраняющих их вредное влияние на строительство и нормальную работу зданий и сооружений.

43. Какие виды выветривания принято выделять в инженерной геологии?

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород, происходящие под воздействием различных агентов, действующих на поверхности Земли, среди которых основную роль играют колебание температур, замерзание воды, химическое воздействие воды, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов и др.

Принято выделять три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое (органическое)

Выветривание горных пород

1-кора выветривания; 2-порода, не затронутая выветриванием (коренная порода)

44. Что понимают под физическим выветриванием горных пород?

Физическое выветривание, это механическое разрушение горных пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра и ударов песчинок, переносимых ветром, кристаллизацией солей в капиллярах, давления, в результате роста корней растений.

...