Інженерна геологія

Незбігання висот залягання пластів і зміна нахилу пластів. Це простежується у відслоненнях, а частіше при складанні геологічних розрізів по свердловинах чи шурфах.

Підвищена вологість порід і порушення їх природної структури поблизу поверхні сковзання.

Порушення нормального стану різних споруд. Насипи, будинки, залізниці, шосе, колодязі, дренажні галереї, східці, труби і водозливні лотки деформуються, в них утворюються тріщини і розломи.

Всі вказані ознаки зустрічаються у різних поєднаннях.



3.10.2 Умови виникнення зсувного процесу

Висота, крутизна і форма схилу впливають на формування зсувів наступним чином: чим більшою є висота і крутизна схилу, тим сприятливіші умови для утворення зсувів (за інших рівних умов, якщо порівнювати різні схили). За формою найстійкішими є ввігнуті схили, менш стійкі - опуклі й нависаючі.

Геологічна будова схилу впливає через форми та умови залягання пластів різного літологічного складу. Таких умов у природі безліч.

Серед властивостей порід, що складають схил, на першому місці перебувають пластичні властивості. Насичуючись водою, породи змінюють свою консистенцію і переходять у повзучий стан.

Гідрогеологічні умови також впливають і дуже змінюються після прояву процесів зсуву. Зсувні накопичення створюють умови для утворення гідростатичного, зважувального і гідродинамічного тиску на породи і в цілому сприяють зміщенню порід по схилу.

Причини утворення зсувів можуть бути природними або штучними. Всі їх можна розділити на три групи:

1. Процеси, що змінюють зовнішню форму і висоту схилу: а) коливання базису ерозії; б) руйнівна робота хвиль і протічних вод; в) підрізання схилу штучними виїмками.

2. Процеси, що призводять до зміни будови і фізико-механічних властивостей порід схилу: а) погіршення фізико-механічних властивостей порід за рахунок вивітрювання; б) погіршення фізико-механічних властивостей порід за рахунок зволоження їх різними водами; в) погіршення фізико-механічних властивостей порід за рахунок їх зміщення; г) погіршення фізико-механічних властивостей порід за рахунок вилуговування з них водорозчинних солей та винесення частинок породи (суфозія).

3. Процеси, що створюють додатковий тиск на породи схилу: а) гідродинамічний тиск при фільтрації води у бік схилу; б) гідростатичний тиск води в тріщинах і порах порід; в) штучні статичні і динамічні навантаження на схил; г) сейсмічні удари.

3.10.3 Класифікація зсувів

Оскільки причин утворення зсувів досить багато, то їх класифікація дуже ускладнюється. Цим питанням займалися такі видатні вчені, як О.П. Павлов, Ф.П. Саваренський, І.В. Попов, В.О. Приклонський, О.М. Дранніков та ін.

Всі численні класифікації зсувів можна розділити на:

окремі, в яких враховуються одна-дві ознаки;

загальні, складені з врахуванням ряду ознак, що мають загальний для багатьох зсувів характер;

регіональні, розроблені для окремих районів (р. Дніпра, південного берега Криму і т.д.), які враховують місцеві умови їх виникнення і розвитку.

Як приклад окремої класифікації можна навести поширену класифікацію Ф.П. Саваренського, в якій зсуви поділяються за ознаками будови зсуву і положенням поверхні ковзання відносно порід, що складають схил.

Асеквентними називають зсуви, які утворюються в однорідних породах. Поверхні сковзання таких зсувів близькі до циклоїдальних або кругових циліндрів; форма і напрямок поверхні сковзання залежать від конфігурації схилу і опору порід зсувним зусиллям. Асеквентні зсуви утворюються при розм`якшенні водою глинистих порід, що складають схил.

Консеквентні зсуви - це такі зсуви, сковзання яких відбувається по заздалегіть підготовленій різними процесами поверхні, наприклад по границі між двома шарами, по тріщинах або поверхні розділу делювію і корінних порід.

Інсеквентні - це зсуви, поверхня сковзання яких перетинає нашарування порід.

Загальні класифікації враховують більшу кількість ознак, але вони носять загальний характер, а конкретні особливості зсувів ряду районів в них не враховуються. Регіональні класифікації враховують геолого-генетичні особливості виникнення і розвитку зсувів, а тому дозволяють давати більш конкретні рекомендації щодо боротьби з ними.

3.10.4 Заходи боротьби зі зсувами

Всі протизсувні заходи поділяються на пасивні (попереджувальні) і активні.

До першої групи заходів належать :

заборона підрізання зсувних схилів і влаштування на них різних виїмок;

неприпустимість підсипань як на схилах, так і над ними в межах загрозливої смуги;

заборона будівництва на схилах;

заборона виконання вибухових і гірничих робіт поблизу зсувних ділянок;

обмеження швидкості руху поїздів у зоні, що прилягає до зсувної ділянки;

неприпустимість знищення деревно-чагарникової і трав`янистої рослинності;

заборона поливання земельних ділянок, а інколи і їх розорювання;

неприпустимість скидання на зсувний схил зливових, талих, стічних та інших вод.

Здійснення перерахованих заходів не пов`язане з витратами значних коштів, часу і матеріалів, бо при їх проведені немає необхідності у влаштуванні яких-небудь спеціальних споруд. Такі заходи можуть дати очікуваний результат не одразу, а через тривалий проміжок часу, інколи через декілька років.

Так звані активні протизсувні заходи вимагають влаштування різних спеціальних споруд. Ці заходи поділяються на чотири групи.

1. Заходи, спрямовані на припинення чи послаблення процесів, які безпосередньо викликають виникнення зсувів. Сюди належать: закріплення берегів, водовідведення, регулювання поверхневого стоку (нагірні канави і охоронні вали). Для регулювання стоку при захисті крупних промислових і міських об`єктів часто вдаються до вертикального планування території і влаштування водостічної мережі закритого типу. Під час вертикального планування повинні бути усунені всі пониження, в яких може накопичуватися вода, причому в зсувній зоні не допускаються великі підсипання, а дерновий покрив по можливості зберігається. До планування схилу можна віднести і влаштування на укосах берм. Берми розділяють високий укіс на укоси меншої висоти, що сприяє більшій стійкості.

Закрита водостічна мережа включає в себе вуличні лотки, дощоприймальні водостічні підземні колектори. Для захисту невеликих колекторів може застосовуватися і відкрита водостічна мережа, що складається з ряду неглибоких канав і магістральних каналів. Дно та стінки канав покриваються захисним покриттям (асфальт, бетон, глина). Для перехвату і відведення підземних вод влаштовуються укісні і підземні дренажі. Укісні дренажі призначаються для попередження вимивання часток (суфозії) підземними водами, які виходять на схилі. До підземних дренажів належать підземні галереї, що влаштовуються або у водоносному пласті, або у водотриві, який його підстеляє. У першому випадку галереї самі служать дренами, в які стікають підземні води; у другому випадку вода з водоносного горизонту скидається в галерею за допомогою вертикальних колодязів (наскрізних або забивних фільтрів).

2. Заходи протидії сповзанню порід шляхом влаштування споруд, що утримують земляні маси. Застосовуються палі, підпірні стінки, контрбанкети, контрфорсні стовпи і т.ін. Палі (бетонні, залізобетонні, інколи сталеві) зазвичай розташовують у шаховому порядку, врізаючи їх на глибину до 2 м у стійку породу. Вони занурюються у наперед пробурені свердловини. Підпірні стінки влаштовуються в основі або нижній частині схилу. Основа підпірної стінки заглиблюється у стійкі породи. За стінкою влаштовується дренаж. Інколи вдаються до влаштування підсипань, що привантажують схил - контрбанкетів.

3. Заходи. спрямовані на збільшення опору грунтів зсувним зусиллям. До них належать заморожування, силікатизація, цементація і електрохімічне закріплення порід.

4. Знімання зсувних мас до стійких порід застосовується у випадках, коли нестійкі породи мають незначний об`єм, бо це досить вартісний метод.

3.10.5 Методи інженерно-геологічного вивчення зсувів

Програмою вивчення зсувних ділянок, як правило, передбачаються такі види робіт.

1. Вивчення літературних і архівних матеріалів.

2. Збір метеорологічних даних про опади, їх інтенсивність і розподіл. Вивчаються всі статті балансу вологи на схилі: інфільтрація, поверхневий стік і випаровування.

3. Вивчення гідрологічних умов з метою: а) встановити наявність і поширення абразії берега; б) кількісно визначити інтенсивність абразії; в) встановити залежність інтенсивності абразії від природних факторів.

4. Інженерно-геологічна зйомка. При цьому встановлюється: літологічний склад, потужність і умови залягання порід, умови стоку поверхневих вод, водоносні горизонти і області живлення підземних вод, історія розвитку рельєфу. Виявляються основні фізико-геологічні явища.

5. Гірночобурові роботи, спрямовані на отримування зразків порід непорушеної структури.

6. Гідрогеологічні спостереження.

7. Лабораторні дослідження як води, так і порід.

8. Польові дослідні роботи.

9. Стаціонарні спостереження (поверхневі та глибинні репери).

10. Геофізичні дослідження.

11. Спостереження за роботою протизсувних та інших споруд у районах зсувів.

3.10.6 Осипи, обвали, розсипи

Кам`яні осипи (куруми, кам`яні потоки, кам`яні ріки) - це накопичення каміння на схилах, які займають значні площі (до кількох квадратних кілометрів). Вони повільно опускаються вниз, ускладнюючи будівництво. Осипи можуть розглядатися: а) як геологічний процес; б) як великоуламкові породи; в) як своєрідні пологоопуклі форми рельєфу. Вони розповсюджені у всіх гірських районах. На ділянці розташування кожного осипу розрізняють такі елементи: області живлення, транспортування і відкладення осипу. В області живлення перебувають тріщинуваті породи, що руйнуються, і від яких час від часу відділяються уламки різного розміру.

За механічним складом осипи поділяються на наступні види:

Великобрилові осипи з вільними проміжками; розміри уламків складають від кількох метрів до десятків см.

Великобрилові осипи з дрібнозернистим заповненням проміжків. У порівнянні з першим типом вони стійкіші на схилах у сухому стані, ніж у вологому.

Плитчасті осипи з вільними проміжками.

Плитчасті осипи з дрібнозернистим заповненнямм. Вплив ступеня зволоження такий же, як і в другого типу.

Щебнясті осипи. Глинисті частки у заповненні майже відсутні, що додає таким осипам певної стійкості.

Шаруваті осипи. У підошві вони мають дрібний заповнювач, поблизу денної поверхні - вільні проміжки. Такого типу осипи є найбільш поширеними.

Осипи, скріплені вапняковим травертином; відзначаються високою стійкістю на схилах.

Розсіяні осипи. Брили не дотикаються одна до одної; вони залягають не лише на оголених схилах, але і на задернованих, де частково занурені в дрібнозернистий делювій.

На сьогодні використовують наступні заходи протидії осипам:

1. Прибирання частини осипу, розташованого вище від споруди по схилу; застосовується при великій рухливості осипу.

2. Створення в нижній частині осипу контрфорса шляхом штучного переміщення туди частини осипного матеріалу.

3. Упорядковування поверхні осипу, прибирання найбільш нестійких брил.

4. Осушення підошви осипу (перехоплення осипу).

5. Створення ловильних стінок, берм, підпірних стінок.

6. Побудова захисних козирків над дорогами чи каналами, спорудження кам`яних галерей чи тунелів для доріг.

Кам`яні обвали становлять собою обрушення зі схилів кам`яних мас. Вони виникають як на природних, так і на штучних схилах (у виїмках). Обвалами називають і обрушення кількох каменів, наприклад, з укосу залізничної виїмки, і гігантські природні катастрофи, що змінюють вигляд навколишніх ділянок земної кори. Вони спричиняють руйнування споруд і затоплення дна долин. Висоти, з яких падають обвали, бувають різними. На природних схилах вони становлять декілька десятків і навіть сотень метрів, на штучних укосах до 25-30 м.

При вивченні обвалів виділяють дві стадії: а) виявлення обвалонебезпечних ділянок і ділянок, яким обвали не загрожують; б) обстеження окремих ділянок майбутнього будівництва. На першій стадії перед інженером-геологом постають наступні завдання:

Виявлення і картування обвалобезпечних і небезпечних ділянок.

Встановлення можливих напрямків руху і очікуваних об`ємів, швидкостей і дальності падіння обвалів.

Збір натурних і архівних даних, опитування населення.

Аналіз випадків руйнівної дії обвалів на споруди в районі, заходів боротьби, оцінка можливих збитків.

На другій стадії вивчаються:

1. Рельєф, мікрорельєф і геологічна будова схилу, стан схилу.

2. Стан укосів, ділянок або кам`яних накопичень, що загрожують обвалом; ознаки можливого обвалу, його об`єму, напрямку і далечини падіння.

3. Оцінка причин обвалів на ділянці, вивчення ознак обвалів, що відбулися.

Кам`яні розсипи - це величезні накопичення уламків на обширних горизонтальних терасах, плато, нагір`ях; вони поширюються на десятки кілометрів і хоча є непорушними, але також ускладнюють будівництво і пересування транспорту. Розсипи поширені в тих же місцях, що й осипи. Часто через них місцевість стає цілком непрохідною. Розсипи утворюються внаслідок повного руйнування скелястих останців, що існували на плоскогір`ях. Вони залягають на місці свого утворення і нового поповнення уламками не отримують. Розміри і форма уламків підкоряються приблизно тим же закономірностям, що й у осипах.

Поверхні, вкриті розсипами, майже горизонтальні і лише в крайових частинах їх схили крутіші, і розсипи поступово переходять у осипи. Інженерно-геологічне вивчення розсипів і осипів зводиться до наступних видів: відображення на картах їх контурів; встановлення закономірностей у поширенні; збір даних про взаємодію зі спорудами (для осипів); визначення доцільності освоєння територій, де вони розвинені.

Запитання для самоконтролю.

1. Які процеси належать до схилових?

2. Охарактеризуйте чинники, що впливають на схилові процеси.

3. Що називається зсувом?

4. Назвіть основні елементи морфології зсуву.

5. Якими є ознаки зсувних зрушень?

6. Назвіть причини утворення зсувів.

7. Дайте класифікацію зсувів за Ф.П. Саваренським.

8. Назвіть основні протизсувні заходи.

9. Що називається осипами, обвалами і розсипами?

3.11 Діяльність внутрішніх сил Землі (землетруси)

Під землетрусами розуміють струси земної поверхні, що викликаються процесами в глибинах Землі. Це найбільш спустошливе стихійне лихо. Деякі з них носять характер катастроф і супроводжуються повним руйнуванням населених пунктів і масовими людськими жертвами. Інколи землетруси викликають значні деформації денної поверхні, які в більшості випадків відбуваються вздовж існуючих тектонічних розломів. Землетруси на дні океанів викликають цунамі.

3.11.1 Причини виникнення землетрусів

Суть процесів первинного тектоногенензу в надрах Землі на сьогодні ще не до кінця встановлена але відомо, що вони обумовленні перетвореннями величезної кількості енергії. Проявом таких перетворень є сильні глибокі землетруси, які виникають під земною корою на глибинах 80-700 км. Вони називаються плутонічними і є малоруйнівними через велику глибину.

Крім плутонічних землетрусів, процеси первинного тектоногенезу проявляються і на поверхні Землі у формі механічних рухів: піднять і опускань, розривів суцільності земної кори. З цими явищами також пов`язані землетруси, але глибина їх осередків не перевищує 40-50 км. Такі землетруси називають тектонічними. Механізм їхнього виникнення (за російським вченим Г.О. Гамбурцевим) можна уявити наступним чином. У процесі тектонічного життя земної кори відбувалася її диференціація на відносно міцні ділянки (блоки) і менш міцні (послаблені зони). Більшість послаблених зон, очевидно, являє собою систему глибинних розломів, можливо, частково "залікованих". Вони піддаються наступним руйнуванням легше, ніж блоки, і в них, як правило, розташовані осередки землетрусів. Ці послаблені зони Г.О. Гамбурцев запропонував називати сейсмічними швами. Під час повільних відносних зміщень сусідніх блоків, розділених таким швом, відбувається спочатку повільне накопичення зсувних напружень. Воно обмежується течією речовини в силу її пластичності. Далі відбувається швидка розрядка напружень в тому місці шва (осередку землетрусу) де напруження перевищило межу міцності порід.

Відповідно до цього можна існують певні ознаки, які можуть служити показниками високої сейсмічності території:

наявність сейсмічного шва, що вказує на можливість відносних рухів блоків земної кори, розмежованих даним швом;

прояви інтенсивних молодих тектонічних рухів, що встановлюється методами геології і геоморфології;

велика інтенсивність сучасних повільних відносних рухів блоків земної кори, що встановлюється методами геодезії і геофізики;

велика частота виникнення слабких сейсмічних поштовхів у певних зонах (це показник підвищення напружень у цих зонах чи їх послабленості).

Крім плутонічних і тектонічних, виділяють також вулканічні землетруси і провальні (обвальні) землетруси, пов`язані з карстовими процесами. Вулканічні землетруси мають невелику силу і локальний характер, провальні - ще менші. Відомі ще антропогенні землетруси від використання вибухівки чи підземних випробувань ядерної зброї (на сьогодні такі випробування вже припинені).



3.11.2 Фізичні явища в породах, що відбуваються під час землетрусів

Всякий землетрус пов`язується з руйнуванням гірських порід і великими залишковими деформаціями у земній корі. Область, у якій відбуваються руйнування, називається осередком, (фокусом або гіпоцентром) землетрусу. Проекція осередку на поверхню Землі називається епіцентром. Область найбільших руйнувань носить назву плейстосейстової області.

Пружні хвилі, які виникають в осередку і поширюються в товщах Землі, називаються сейсмічними хвилями. Спочатку від гіпоцентру землетрусу в усі боки розходяться так звані глибинні хвилі. Вони мають два види: поздовжні хвилі (вони викликають послідовне розширення і стискання часток вздовж радіусів, по яких розповсюджуються хвилі) і поперечні хвилі (викликають зрушення тих же часток у поперечному напрямку). Поперечні хвилі розповсюджуються повільніше, ніж поздовжні. Ці дві групи хвиль називають попередніми.

За ними йдуть так звані поверхневі хвилі, які утворюються внаслідок інтерференції поздовжніх і поперечних хвиль і поширюються від гіпоцентру до поверхні Землі. Під час великих землетрусів ці хвилі мають вигляд валу, що біжить по поверхні Землі як хвиля в морі.

Описана картина ускладнюється явищами відбивання, заломлення та розсіювання хвиль, які створюють нові системи хвиль і значно ускладнюють хвильовий спектр. Коливання часток ґрунту під час землетрусу є неперіодичним і утворює хаотичну криву. Величини її амплітуди під час сильних землетрусів змінюється від 2-5 мм у скельних гірських породах до 25-50 мм в ущільнених пухких породах і до 100 мм в недоущільнених пухких породах. Довжина хвиль коливається в межах від 10 до 100 км, висота гребеня досягає 10 см.



3.11.3 Оцінка сили землетрусів

Частина енергії, що виділяється осередком землетрусу, витрачається (поглинається) на роботу, яка виконується пружними хвилями під час їх поширення. Тому енергія сейсмічних хвиль, що досягають поверхні Землі, послаблюється. Вона залежить від глибини залягання осередку землетрусу, відстані до епіцентру, геологічної будови ділянки і властивостей гірських порід, які її складають. Отже, інтенсивність землетрусу визначається, в першу чергу, кількістю енергії, яка виділяється в області осередку землетрусу, а потім енергією сейсмічних хвиль.

Енергія землетрусу оцінюється в ергах і джоулях (1 ерг = 1 дж/см; 1 дж = 10⁷ ерг). При землетрусах, які викликають руйнування, енергія оцінюється в 10¹²-10¹³ дж, а при катастрофічних досягає 10¹⁷-10²⁰ дж. Така енергія в декілька мільйонів разів перевищує енергію атомного вибуху. Оскільки енергію, яку виділяє осередок землетрусу, визначити важко, то на сьогодні у світовій практиці її оцінюють умовною енергетичною характеристикою, яку називають магнітудою (М).

М = lg A/A* = lg A - lg A*, (3.1)

де А - максимальна амплітуда зміщення частинки породи, яка визначається за сейсмограмою при даному землетрусі, мкм;

А* - амплітуда зміщення частинки породи при деякому дуже слабкому землетрусі, обраному за еталон або стандарт, мкм.

Магнітуда змінюється від 0 при слабких землетрусах до 8,8 при дуже сильних, катастрофічних.

Інтенсивність землетрусу на поверхні Землі оцінюється в балах. Для її визначення користуються спеціальними класифікаціями - шкалами сейсмічної інтенсивності. На сьогодні в Україні застосовують 12-бальну шкалу MSK-64, розроблену групою вчених. В ній використовують декілька ознак. Головними з них є: ступінь пошкодження будівель і споруд, залишкові явища в гірських породах, зміна режиму поверхневих і підземних вод, порушення рельєфу. Для землетрусів низьких балів, коли пошкоджень споруд немає, основними ознаками стають відчуття людей. У районах із сейсмічністю 6 балів і менше пошкодження будівель і споруд безпечні для життя людей і не знижують міцності споруд. При землетрусах 7 балів і вище у багатьох спорудах з`являються різноманітні, в тому числі й значні, пошкодження і руйнування.

3.11.4 Сейсмічне районування

Райони з сейсмічністю 6-9 балів займають близько 1/5 всієї території СНД. На небезпечних територіях розташовані 9 столиць колишніх радянських республік, тисячі міст і населених пунктів. На сьогодні існують карти сейсмічного районування. Вони дозволяють отримати орієнтовне уявлення про можливу силу землетрусів, які можуть спостерігатися в районі будівництва. Катастрофічні землетруси приурочені до певних сейсмічних зон. Найбільш активною на території СНД є зона Далекого Сходу, вона найактивніша на всій земній кулі. Другою зоною є Середня Азія (Памір і Тянь-Шань). В Україні це Крим і Карпати, де землетруси виникають на обмежених площах і зрідка досягають сили до 8 балів. Ці зони приурочені до молодої альпійської складчастості. Сейсмоактивні зони при подальшому геологічному вивченні можуть розділятися на ділянки, які відзначаються найбільшою активністю. До їх числа належать:

а) місця зчленування великих геологічних структурних комплексів, що піддаються вертикальним рухам різної інтенсивності;

б) периферійні частини геологічних структур, які витримують вертикальні рухи з великими швидкостями;

в) місця неодноразової зміни спрямування вертикальних зміщень;

г) зони інтенсивних тектонічних рухів вздовж розломів, що виходять на поверхню або виявлені на великій глибині.

Такі ділянки є небезпечними для будівництва. При сейсмічному мікрорайонуванні міст можуть виділятися ділянки, які відрізняються між собою на один і більше балів. Зустрічаються випадки, коли відмінності в балах між окремими частинами міста становлять всього 1 бал. Тоді вся територія міста оцінюється одним балом, але на ній виділяють більш-менш сейсмонебезпечні ділянки. Карти сейсмічного мікрорайонування дозволяють правильно планувати забудову міських територій, обираючи для будівництва цінних споруд найбезпечніші місця.

Руйнування споруди при землетрусі починається в результаті вертикальних коливань, що викликаються глибинними поздовжніми хвилями стискання. Ці коливання найсильніше впливають на жорсткі споруди (наприклад, цегляні будинки), вони порушують їх монолітність, викликають появу тріщин. Подальше руйнування відбувається під впливом коливань, викликаних приходом довгоперіодичних глибинних поперечних і поверхневих хвиль. Ці коливання спричиняють руйнування і гнучких споруд.

Найменше руйнуються підземні споруди (резервуари, тунелі, колодязі). Інерційні сили, які в них утворюються, передаються навколишнім гірським породам, що зменшує напруження в таких спорудах. У надземних спорудах найменше піддаються руйнуванню фундаменти, значно легше руйнуються стіни. Найслабкішими місцями є кути, примикання і перетинання стін.

3.11.5 Умови будівництва в сейсмоактивних районах

Для надання будівлям і спорудам необхідної сейсмостійкості застосовуються різні архітектурні і конструктивні заходи. Вони забезпечують спорудам просторову зв`язаність, жорсткість і стійкість. Для цього використовуються жорсткі каркаси, рами, контрфорси, обв`язки, обшивки, а також спеціальні антисейсмічні пояси. Обмежуються габарити споруд (із збільшенням розмірів збільшується небезпека перекосів і розтягуючих напружень) та їх поверховість. Якщо будівля перевищує припустимі розміри, то вона розділяється антисейсмічними швами на окремі відсіки простої форми. Фундаменти споруд підсилюються армуванням. Як антисейсмічний захід, використовується штучне закріплення грунтів в основах.

Застосування таких заходів вимагає значних додаткових економічних витрат. Тому вибір заходів робиться залежно від призначення будівлі та її довговічності. Монументальні будівлі, особливо капітальні, споруди громадського призначення є спорудами найвищої категорії складності, тому їх бальність підвищується на одиницю. Інші споруди віднесені до середніх категорій, а тимчасові споруди і полегшені господарські споруди - до найнижчої категорії. Всі споруди останньої категорії, незалежно від бальності району будівництва, мають розрахункову сейсмічність 6 балів і тому застосування антисейсмічних заходів не потребують.

Запитання для самоконтролю.

1. Чим викликаються землетруси?

2. Охарактеризуйте плутонічні і тектонічні землетруси.

3. Поясніть механізм утворення землетрусів (за Г.О. Гамбурцевим).

4. Поясніть терміни "гіпоцентр" і "епіцентр" землетрусу.

5. Яким чином оцінюється сила землетрусів? Що таке магнітуда?

6. Як виконується сейсмічне районування територій?

7. Назвіть інженерні заходи, що застосовуються для підвищення сейсмостійкості споруд.

3.12 Процеси, пов`язані з інженерно-господарською діяльністю людини

3.12.1 Стискання грунтів під спорудами

При будівництві різних цивільних, промислових, гідротехнічних та інших будівель і споруд на товщу гірських порід (природну основу) передаються додаткові напруження величиною 0,1-0,5 МПа, а в окремих випадках до 1,5-2,5 МПа. Додатковий тиск викликає стискання товщ гірських порід і осідання поверхні землі разом із спорудою. Інколи тиск, що передається на основу, виявляється настільки значним, що порода під фундаментом не витримує напружень, руйнується і витискається з-під фундаментів у вигляді валів. Одночасно будівля дає значну за величиною і нерівномірну осадку, що має, як правило, катастрофічний вигляд. Це явище називається випиранням порід.

Величина осідання і його розвиток у часі залежить від двох груп чинників. Перша група чинників належить до особливостей власне споруди (вага споруд, розміри і тип фундаментів, глибина їх закладення). Друга група стосується геологічної будови основи (умови залягання порід, їх склад, фізичний стан і властивості порід). Вивчення першої групи належить до галузі механіки грунтів і науки про основи і фундаменти. Вивченням другої групи займаються грунтознавство, інженерна геологія і механіка грунтів.

Осідання природних основ споруд становить собою зовнішній прояв внутрішніх деформацій, що відбуваються в гірських породах при передачі на них тиску. Такі деформації поділяються на три види: пружні, структурно-адсорбційні і структурні.

Пружні деформації пов`язані з переміщенням вузлів кристалічної решітки в мінералах, з яких складаються гірські породи. Ці деформації характеризуються незначними величинами і великого практичного значення не мають.

Структурно-адсорбційні деформації пов`язані зі зміною товщини водних плівок у місцях контакту між частками гірської породи. При збільшенні зовнішнього тиску товща водних плівок зменшується, при зменшенні тиску - збільшується. У першому випадку відбувається стискання породи, у другому - набрякання. Такі деформації мають практичне значення в породах, де плівки адсорбційної води досягають значної потужності (глини).

Структурні деформації пов`язані з переміщенням часток гірських порід у напрямку пор, що їх відокремлюють. В результаті відбувається зменшення об`єму гірських порід і одночасно збільшення їх щільності й міцності. Цей вид деформацій є основним у пухких породах всіх типів. Розвитку структурних деформацій перешкоджають сили тертя між частками, сили молекулярного притягання і різноманітні структурні зв`язки.

Абсолютна величина і відносне значення вказаних видів деформацій і осідання, які ними викликаються, залежать від типу порід. У скельних і напівскельних породах спостерігаються два види деформацій: 1) пружні і 2) деформації, пов`язані із закриттям тріщин. Останні в більшості випадків переважають. Величини деформацій таких порід від впливу промислових і цивільних споруд дуже невеликі і практичного значення не мають. Тому ці породи оцінюються як такі, що практично не стискаються. Деформації піщаних порід належать в основному до типу структурних і пов`язані з переміщенням часток у бік пор. Завдяки наявності між піщаними частками сил тертя, структура піщаних порід важко перебудовується під час статичного навантаження. Тому стисливість піщаних основ під спорудами зазвичай є незначною і не перевищує, як правило, декількох сантиметрів (при тиску 0,2-0,5 МПа). Дещо підвищеною стисливістю наділені слабко ущільнені піски (тонкі й пилуваті).

Піщані основи значно чутливіші до динамічних навантажень (особливо неущільнені дрібнозернисті водонасичені піски). Пояснюється це тим, що при струсах у пісках виникають висхідні течії води, які підважують тверді частки. При цьому різко знижується внутрішнє тертя між частками піску, яке пропорційне нормальному тиску. В результаті відбувається перебудова структури піску, що супроводжується його ущільненням. Динамічні впливи можуть проявлятися при забиванні паль, дії вибухових хвиль, ударних і вібраційних навантаженнях, швидкому підйомі і спаді рівнів грунтових вод. Ознаками, що вказують на небезпеку розрідження піску при динамічних навантаженнях, вважаються: дрібнозернистий склад, його однорідність і пухка будова зі щільністю, меншою від 1,55 г/см³, водонасичений стан і мале привантаження.

Глинисті породи мають набагато більшу стисливість у порівнянні з попередніми. Деформації в цих породах належать в основному до типу структурних і структурно-адсорбційних. Осідання природних основ з глинистих порід коливається від кількох сантиметрів (діагенетичні глинисті породи, морські суглинки) до кількох десятків сантиметрів (лиманні і озерні відклади, сучасні алювіальні відклади). Під гідротехнічними та іншими масивними спорудами сумарна величина осідання може становити до кількох метрів. Прогнозні розрахунки осідань споруд виконуються методами механіки грунтів.

Велике практичне значення має розвиток осадки споруд в часі. Цей процес отримав назву консолідації. Практика показує, що тривалість осідання залежить від будови, літологічного складу і стану гірських порід. У більшості випадків вона завершується в будівельний період, але інколи розтягується на роки і навіть десятиліття. Найшвидше завершуються деформації у скельних породах. Порівняно швидко завершується консолідація піщаних порід, а у глинистих затягується на місяці і роки. Існує так звана теорія фільтраційної консолідації, згідно з якою головну роль відіграє відтискання води, що заповнює поровий простір, оскільки без такого відтискання ущільнення порід стає практично неможливим.

Великі осідання не становлять безпосередньої небезпеки для споруди, якщо вони цілком рівномірні. В цьому випадку у тілі споруди не виникає небезпечних розтяжних і згинаючих напружень, які погано витримує цегляна кладка, бетон та інші будівельні матеріали. Однак на практиці рівномірна осадка спостерігається як рідкісний випадок і лише при невеликих її значеннях. Пояснюється це, з одного боку, особливостями напружень під фундаментами споруд, а з іншого - неоднорідністю товщі гірських порід в основах.

Нормальні стискаючі напруження під фундаментом концентруються в його основній, центральній частині. Тому навіть при цілком рівномірному навантаженні поверхня основи повинна прийняти форму чаші, ввігнутої в центрі і піднятої по краям. Вирівняти осадку могли б або нерівномірне завантаження фундамента із збільшенням навантаження по краях, або застосування ідеально жорсткого фундаменту. Але ці заходи практично нездійсненні. Тому навіть при цілком однорідній основі нерівномірність осадок є неминучою. Під граничною деформацією природної основи розуміють деформацію, яка приводить надфундаментну будову в такий стан, що не задовольняє експлуатаційним вимогам.

3.12.2 Деформації, пов`язані зі зміною побутового тиску

Зміна побутового тиску в природних умовах відбувається в міру накопичення чи знесення товщ пухких відкладів. Ці процеси відбуваються повільно, вимірюються геологічними відрізками часу і з точки зору інженерної практики значення не мають. Велике практичне значення має зміна побутового тиску, пов`язана з влаштуванням глибоких котлованів, будівництвом каналів, розробкою корисних копалин. Глибини котлованів досягають інколи значних розмірів (до 100-200 м). Видалення порід на такі глибини викликає значне розвантаження порід, що залягають на дні котлованів. При глибині котлованів 30-40 м розвантаження складає 0,6-0,8 МПа, а при глибині розрізу в 100-150 м - 2-3 МПа.

Якщо на дні котловану чи розрізу залягають піщані або скельні породи, то навіть значне розвантаження викличе тільки невеликі за розмірами пружні деформації. Якщо ж породи глинисті, то зменшення побутового тиску викличе розвиток адсорбційно-структурних деформацій, які призведуть до набрякання глинистих порід. Спостереження показують, що одночасно відбувається міграція води до місця зняття побутового тиску із сусідніх, більш завантажених ділянок. Тому в області розвантаження часто спостерігається збільшення вологості породи. вода, що надходить, сприяє подальшому розростанню водно-адсорбційних плівок, які розсувають мінеральні частки, викликаючи структурні деформації породи і подальше її набрякання.

Наслідком набрякання є підняття дна котлованів і розрізів, що може досягати від кількох до 20-30 см. Саме по собі таке підняття великого практичного значення не має. Небезпека явища полягає в тому, що під час набрякання відбувається поступове розущільнення глинистих грунтів, яке супроводжується зниженням їх міцності і збільшенням стисливості. В результаті властивості порід стануть вже іншими, ніж були до початку будівництва. Тому і всі розрахунки можуть виявитися помилковими. Це стосується як розрахунків кінцевих осідань споруд, так і розрахунків стійкості природної основи. Для уникнення вказаних помилок слід виконати лабораторне вивчення розпушування глинистих грунтів і встановити його вплив на показники міцності і стисливості грунтів в умовах, що максимально моделюють природну обстановку.

3.12.3 Гірничий тиск

Під час будівництва підземних споруд виникає необхідність розрахунку стійкості покрівлі і стін закладених в товщу порід гірничих виробок. Це пов`язано з визначенням напруженого стану товщі гірських порід, який виникає внаслідок утворення в масиві породи порожнин (гірничих виробок) і носить назву гірничого тиску.

Один із проявів гірничого тиску - переміщення гірських порід над виробленим простором, що називається зрушенням гірських порід. Воно може досягати денної поверхні і тоді говорять про зрушення земної поверхні. В районах, де над гірничими виробками розташовані населені пункти, ці явища можуть викликати деформації споруд, а інколи й їх руйнування. Змінюється природний напружений стан масиву гірських порід. Виникає досить складна картина розподілу напружень поблизу гірничої виробки: стискаючі напруження концентруються по бокових стінках виробки і розвантажуються в покрівлі, де стискаючі напруження змінюються розтягуючими.

Зміни напруженого стану тягнуть за собою деформації товщі гірських порід поблизу виробки. Якщо вони не виходять за межі пружних деформацій чи мають вигляд повільних пластичних деформацій, то порушення стійкості не відбувається, і підземні виробки можуть існувати без кріплення (наприклад, виробка невеликого перетину в скельних породах не вимагає кріплення). Однак у більшості випадків напруження перевищують межі міцності порід, через що починається їх руйнування, з`являються тріщини, відбувається обрушення окремих брил чи всієї покрівлі виробки. Основною причиною, що викликає гірничий тиск, є сила тяжіння, тобто вага товщі порід. Виникнення гірничого тиску пов`язане також зі зміною фізичного стану порід (набрякання і усадка, температурні коливання, тектонічні напруження та ін. чинники).

В початковий період розвитку гірничої справи і будування тунелів вважалося, що гірнича виробка, на якій би глибині від поверхні вона не була закладена, завжди перебуває під тиском, що дорівнює вазі товщі порід, які залягають над нею. Це було як аксіома. Але пізніші спостереження і досвід показали, що тиск, який передається на кріплення гірничих виробок, є значно меншим, ніж вага всього стовпа порід, що залягають над цією виробкою. Для пояснення цього явища були висунуті гіпотези про "склепіння природної рівноваги", про розвантажуючу арку тиску, про консольну плиту (балку) та ін.

Гіпотеза про "склепіння природної рівноваги" була розроблена одним із основоположників теорії гірничого тиску професором М.М. Протодьяконовим. Згідно з цією гіпотезою, над виробленим простором утворюється склепіння природної рівноваги, що має форму параболи. Величина тиску на кріплення виробки дорівнює вазі породи, яка знаходиться всередині цього контура. Відповідно до цього, тиск гірських порід на кріплення з боку покрівлі, віднесений до 1 м довжини виробки, може бути обчислений за формулою:



Р = 4/3 ав , (3.2)

де - щільність породи, т/м³;

а - напівпроліт виробки (половина її ширини у верхній частині), м;

в - висота склепіння природної рівноваги, м.

Величина в приймається залежно від коефіцієнта міцності порід f (за М.М. Протодьяконовим).

Дослідження показали, що утворення висота склепіння природної рівноваги спостерігається тільки при порівняно невеликій (відносно глибини залягання) ширині виробок. При великій ширині склепіння обрушується і починаються переміщення гірських порід від контура виробки до денної поверхні.

3.12.4 Осідання земної поверхні під впливом відкачувань підземних вод або рідких чи газоподібних корисних копалин

Особливо часто осідання поверхні викликається штучним зниженням рівня грунтових вод або зниженням напору артезіанських вод внаслідок довготривалої експлуатації водоносних горизонтів. Тверді мінеральні частки нижче рівня підземних вод перебувають у підваженому стані і втрачають у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ними вода (закон Архімеда). В результаті щільність підваженої породи виявляється меншою, ніж у породи, яка залягає вище рівня підземних вод. Величина зваженої щільності _зв може бути обчислена так:

_зв = (_s - _в)/ (1+ ) , (3.3)

де _s - щільність часток породи, г/см³;

_в - густина води (1г/см³);

- коефіцієнт пористості.

Зменшення величини щільності породи тягне за собою зменшення побутового тиску.

При зниженні рівня ґрунтових вод на h збільшення побутового тиску дорівнює:

Р_поб = h ( - _зв). (3.4)

Різницю ( - _зв) можна орієнтовно прийняти рівною одиниці (_зв 1,0-1,1 т/м³). Тоді можна вважати, що збільшення побутового тиску (в т/м²) чисельно дорівнює величині зниження рівня ґрунтових вод (в м): Р_поб h.

Під час довготривалих відкачувань з метою водопостачання зниження рівня ґрунтових вод вимірюється в окремих випадках десятками метрів, а збільшення побутового тиску досягає кількох десятків тон на м². Таке значне збільшення побутового тиску може викликати значні і нерівномірні (у відповідності з формою депресійної поверхні) осіданння.

Осідання поверхні можуть бути викликані також відкачуванням напірних підземних вод, нафти, тому що в цьому випадку знижується тиск на підошву пласта, який перекриває водоносний чи продуктивний горизонт.

Завдяки зваженому тиску порода, яка вміщує нафту, газ чи напірні води, приймає на себе не всю вагу товщ, що залягають вище, а вагу цих товщ, зменшену на розмір зваженого тиску. Зниження напору в результаті довготривалих відкачок води, нафти чи випуску газу тягне за собою зменшення зваженого тиску і рівне за величиною збільшення тиску на вмісні породи.

Запитання для самоконтролю.

1. Як відбувається стискання ґрунтів в основах споруд та їх випирання?

2. Якими бувають деформації гірських порід під впливом тиску?

3. Дайте характеристику процесу осідання для різних геологічних типів гірських порід.

4. Поясніть суть процесу фільтраційної консолідації порід.

5. Як відбуваються деформації, пов`язані зі зміною побутового тиску на породи?

6. За яких умов і де виникає гірничий тиск?

7. Поясніть суть гіпотези про "склепіння природної рівноваги".

8. Чому відбувається осідання гірських порід внаслідок відкачувань підземних вод?



Розділ 4. Стадії проектування та склад інженерно-геологічних досліджень

4.1 Категорії складності інженерних споруд

Проектування основ і фундаментів інженерних споруд починають із вивчення факторів, що визначають вибір проектних рішень. Серед них найбільшу значущість мають:

1) ступінь відповідальності будівлі чи споруди, їх конструктивні та архітектурно-планувальні особливості;

2) навантаження, які враховують в розрахунках;

3) дані інженерно-геологічних і гідрогеологічних вишукувань на будівельному майданчику;

4) місцеві умови будівництва;

Для проектування конструкцій будівель чи споруд цивільного призначення, залежно від їх архітектурної й технічної складності, згідно з Державними будівельними нормами (ДБН) А. 2.2-3-2004 "Склад, порядок розроблення, погодження та затвердження проектної документації для будівництва" встановлено 5 категорій складності.

До І категорії складності відносяться архітектурно й технічно нескладні об'єкти (господарські будівлі при житлових будинках, садові літні будиночки, відкриті ринки тощо).

До ІІ категорії складності відносяться архітектурно нескладні, але технічно складні, або технічно нескладні, але архітектурно складні об'єкти (1-3-поверхові садибні житлові будинки, будинки сільських рад, аптеки, туристичні бази, бари, РАГСи, підприємства зв'язку тощо).

До ІІІ категорії складності відносяться архітектурно й технічно складні об'єкти (2-10-поверхові житлові багатоквартирні будинки, готелі 3 і 4 розрядів, дитячі ясла, загальноосвітні школи, будинки страхових компаній, будинки архівів, профілакторії, спортивні зали, бібліотеки, ресторани, автовокзали, відділення зв'язку, монастирі тощо).

До ІV категорії складності відносяться архітектурно складні, але технічно особливо складні, або технічно складні, але архітектурно особливо складні об'єкти (багатоповерхові (понад 10 поверхів) житлові будинки всіх типів, готелі 1 і 2 розряду, ліцеї, університети, банки, поліклініки, кінотеатри тощо).

До V категорії складності відносяться архітектурно й технічно особливо складні об'єкти (багатоповерхові архітектурні житлові комплекси зі складною структурою, готелі вищого розряду, театри, цирки, залізничні вокзали, аеропорти, телецентри, храми, підземні лінії метрополітену тощо).

Категорії складності об'єктів виробничого призначення встановлюються окремо, згідно відповідного рішення Міністерства регіонального розвитку та будівництва України.

4.2 Класифікація інженерно-геологічних умов ділянок будівництва інженерних споруд

Залежно від геоморфологічних, геологічних і гідрогеологічних чинників розрізняють три категорії складності інженерно-геологічних умов ділянок будівництва інженерних споруд.

Ділянка І (простої) категорії розташовується в межах одного геоморфологічного елемента; поверхня ділянки горизонтальна, не розчленована; ґрунтові пласти залягають горизонтально або слабко похило (рис. 1, а), їх потужність витримана за простяганням; підземні води відсутні або є витриманий горизонт з однорідним хімічним складом.

Рис. 4.1 Ґрунтові нашарування: а - згідне залягання; б - похиле виклинювання пластів; в - лінзоподібне залягання пластів

Ділянка ІІ (середньої) категорії складності включає декілька геоморфологічних елементів одного генезису; поверхня похила, слабо розчленована; у сфері взаємодії будівель і споруд із геологічним середовищем розташовується не більше чотирьох різних за літологією шарів, що залягають похило або з виклинюванням (рис. 1,б), потужність шарів змінюється за простяганням закономірно; підземні води мають два або більше витриманих горизонти з неоднорідним хімічним складом або горизонти є напірними.

Ділянки ІІІ категорії характеризуються складними інженерно-геологічними умовами: наявністю декількох геоморфологічних елементів різного генезису, поверхня сильно розчленована; у межах ґрунтової товщі розташовується понад чотири різні за літологією шари, потужність яких різко змінюється за простяганням, можливо лінзовидне залягання шарів (рис. 1,в); горизонти підземних вод невитримані за простяганням і за потужністю, мають неоднорідний хімічний склад, місцями можливо складне чергування водоносних і водотривких порід, напори підземних вод змінюються за простяганням. Крім того, до ділянок третьої категорії складності відносять також будівельні майданчики в умовах залягання структурно-нестійких ґрунтів (просідних і набрякаючих).

Для ділянок ІІІ категорії складності умов також додатково виконується оцінка інженерно-геологічних умов забудованих територій, існуючих й експлуатованих будівель і споруд за ступенем соціально-екологічного ризику:

ІІІ - умови складні; загроза втрати придатності або руйнування будівель і споруд відсутня;

ІІІ а - умови особливо складні; є потенційна загроза втрати придатності або руйнування будівель і споруд, а також загроза життєдіяльності населення;

ІІІ б - екстремальні умови; процеси, що розвиваються, несуть реальну загрозу руйнування будівель і споруд та загрозу життєдіяльності населення.

На ділянках ІІІ а та ІІІ б нове будівництво не допускається до вжиття заходів, що усувають загрозу втрати придатності (або руйнування) будівель і споруд та забезпечують життєдіяльність населення.

4.3 Стадії проектування інженерних споруд. Склад та порядок розробки проектної документації

За прийнятими нормативами в Україні (згідно з ДБН А. 2.2-3-2004) будівництво інженерних споруд здійснюється на підставі затвердженої проектної документації складовими частинами якої є ескізний проект (ЕП); техніко-економічне обґрунтування (ТЕО); техніко-економічний розрахунок (ТЕР); проект (П); робочий проект (РП); робоча документація (Р).

Ескізний проект (ЕП) розробляється з метою принципового визначення вимог до містобудівних, архітектурних, художніх, екологічних і функціональних рішень об'єкту та підтвердження можливості створення об'єкту цивільного призначення.

Техніко-економічне обґрунтування (ТЕО) розробляється для об'єктів виробничого призначення, котрі вимагають детального обґрунтування відповідних рішень та визначення варіантів і доцільності будівництва об'єкту. Техніко-економічний розрахунок (ТЕР) використовується для технічно нескладних об'єктів виробничого призначення. ТЕО (ТЕР) обґрунтовує потужність виробництва, номенклатуру та якість продукції, кооперацію виробництва, забезпечення сировиною, матеріалами, паливом, електро- та теплоенергією, водою й трудовими ресурсами, включаючи вибір конкретної ділянки для будівництва, розрахункову вартість будівництва та основні техніко-економічні показники.

Проект (П) розробляється з метою визначення містобудівних, архітектурних, художніх, екологічних, технічних, технологічних, інженерних рішень об'єкту, кошторисної вартості будівництва й техніко-економічних показників.

Робочий проект (РП) розробляється для визначення конкретних містобудівних, архітектурних, художніх, екологічних, технічних, технологічних, інженерних рішень об'єкту, кошторисної вартості будівництва, техніко-економічних показників і виконання будівельно-монтажних робіт (робочі креслення). РП використовується для технічно нескладних об'єктів, а також для об'єктів з використанням проектів масового використання.

Робоча документація (Р) розробляється для виконання будівельно-монтажних робіт.

Для технічно нескладних об'єктів І та ІІ категорії складності проектування може здійснюватись:

- в одну стадію - робочий проект (РП);

- у дві стадії - для об'єктів цивільного призначення - ескізний проект (ЕП), а для об'єктів промислового призначення - техніко-економічний розрахунок (ТЕР) та для обох - робоча документація (Р).

Для об'єктів ІІІ категорії складності проектування здійснюється в дві стадії:

- проект (П);

- робоча документація (Р).

Для об'єктів ІV та V категорії складності проектування здійснюється в три стадії:

- для об'єктів цивільного призначення - ескізний проект (ЕП), а для об'єктів промислового призначення - техніко-економічне обґрунтування (ТЕО);

- проект (П);

- робоча документація (Р).

4.4 Інженерні вишукування для будівництва інженерних споруд

Інженерні вишукування для будівництва є видом науково-технічної діяльності (згідно із Законом України "Про наукову та науково-технічну діяльність" від 13.12.1991 № 1997), що забезпечує вивчення природних і техногенних умов територій (або ділянок) об'єктів будівництва, розроблення прогнозів взаємодії об'єктів будівництва з навколишнім середовищем, розроблення усіх видів проектів (у тому числі інженерної підготовки територій, захисту територій і об'єктів від небезпечних процесів).

Інженерні вишукування виконують на основі договору підряду згідно з технічним завданням та програмою виконання робіт.

Залежно від порядку розроблення проектної документації (згідно з ДБН А. 2.2-3-2004) обсяги вишукувальних робіт розподіляють таким чином:

- для передпроектних робіт, а також для розроблення ескізного проекту (ЕП) - на основі літературних, фондових джерел (враховуючи й державний картографо-геодезичний фонд) і обґрунтованого обсягу польових і лабораторних робіт;

- на стадіях: техніко-економічне обґрунтування (ТЕО) чи техніко-економічний розрахунок (ТЕР), проект (П) або робочий проект (РП) - основні обсяги вишукувань (до 100%);

- на стадії робочої документації (Р) - додаткові обсяги вишукувальних робіт за відповідного обґрунтування в технічному завданні.

У всіх випадках склад і обсяги вишукувальних робіт визначає вишукувальна організація з урахуванням таких чинників:

1. вид будівництва (мета вишукувань);

...