Инженерная геология как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Инженерная геология, объект изучения, содержание и связь с другими науками

Геология - изучает различные геологические процессы, происходящие в недрах земной коры и на её поверхности применительно к инженерной деятельности человека.

Далее возникли самостоятельные дисциплины, изучающие:

минералогия - состав, происхождение и свойства природных соединений (минералов), слагающих земную кору;

петрография - агрегаты минералов (горные породы), их состав, строение, происхождение и условия залегания;

динамическая геология - процессы на поверхности и в недрах Земли;

стратиграфия - слои земной коры;

тектоника - строение или структуру земной коры в их исторической последовательности;

историческая геология - историю земной коры от начала ее развития до настоящего времени;

гидрогеология - подземные воды, условия их залегания, режим движения;

Первый этап становления инженерной геологии, как самостоятельной отрасли геологии, относится к концу 18-го века и характеризуется накоплением опыта использования геологических данных для строительства различных объектов, особенно железных дорог в промышленно развитых странах мира. Были выявлены различные геологические условия на обширных территориях с практическим применением в решении конкретных строительных задач.

На 2-м этапе, во второй половине 20-го века, инженерная геология утвердилась как самостоятельная наука и стала необходимой и неотъемлемой частью строительного производства. Инженеры-строители разработали методики оценки свойств горных пород (грунтов) качественно и количественно, что особенно важно для проектирования объектов. Созданы специализированные инженерно-геологические изыскательские организации, оснащенные необходимым оборудованием, приборами и высококвалифицированными кадрами.

В состав современной инженерной геологии входят специальные разделы, имеющие уровень самостоятельных наук: механика грунтов; механика скальных пород; инженерная гидрогеология; инженерная геофизика; геокриология (мерзлотоведение).

2. Состав и строение Земли, ее происхождение и форма. Теории происхождения Земли

Гипотезы о происхождении Земли можно разделить на две группы. Согласно первой Земля возникла как тело с большой температурой и затем остывала (Канта-Лапласа). По второй Земля возникла из газового пыльного облака с малой температурой и была разогрета при прохождении через него Солнца от радиоактивного распада элементов (О.Ю.Шмитдт сформулировал в 1943-44 гг., доложил в 1951 г.).

Форма и размеры Земли

Рис. 2 Схема деления земного шара на геосфе-ры: 1 - атмосфера (21 % кислорода, 78% азота, 1% другие газы); 2 - гидросфера; 3 - земная кора (литосфера); 4 - слой Мохоро-вичича; 5 - мантия Земли: 6 - ядро Земли; 7 - верхняя зона; 8 - переходная зона; 9 - нижняя зона; 10 - верхняя оболочка; 11 - ядрышко

Форма - геоид в виде эллипсоида вращения с поднятиями и опущениями (рис. 2) Размеры в км: полярный радиус 6357, экваториальный 6378, средний 6370.

В земной коре находятся все химические элементы. Впервые попытался установить состав американский ученый Кларк в 80-е годы 19-го столетия. Он собрал анализы горных пород и обработал статистически. Позже были получены уточненные данные о химическом составе земной коры в %: кислород - 46,8; кремний - 27,4; алюминий - 8,7; железо -5,1; кальций - 3,6; натрий - 2,6; калий - 2,6; магний - 2,1; другие - 1,2.

3. Методы инженерной геологии. Геосферы Земли и их взаимодействие

Инженеры-изыскатели для изучения геологической среды используют методы:

- Геологический или естественноисторический.

- Экспериментальный (лабораторные и полевые исследования).

- Аналогий - по опыту предыдущих исследований.

- Моделирования (вещественные модели).

- Расчетно-теоретический.

Атмосфера - воздушная оболочка, постоянно движется и колоссально влияет на процессы на поверхности Земли.

Гидросфера - водная оболочка Земли (примерно 71% ее поверхности), очень активный геологический фактор. Мощность различная, максимально свыше 11 км (Марианская впадина).

Земная кора - литосфера мощностью от 3 до 80 км (в среднем - примерно 50 км) и средней плотностью вещества 2,8 г/см3, неоднородна по составу и имеет ряд слоев.

Исследована земная кора на глубину порядка 8 км, а за последнее время в сверхглубоких скважинах (Кольская - свыше 11 км). Ниже этих глубин оценка производится по результатам сейсморазведки.

Гранитный слой включает граниты, гнейсы и базальты. Базальтовая оболочка состоит из базальта, оливина и перидотита.

Мантия включает оболочки: а) симатическую (барисферу) - верхнюю мантию с плотностью 2,2-4,5 г/см3; б) промежуточную с плотностью 5,3-6,6 г/см3, включающую хрофесиму (от 900 до 1800 км) и нифесиму (от 1800 до 2900 км).

О составе мантии судят предположительно. Бурение выполняют с поверхности дна океана, где нет гранитного слоя. Мантия состоит из силикатных пород, примерно как в базальтовом слое, но они находятся в другом состоянии (давление и температура больше).

Ядро с плотностью 7-11 (9-12) г/см3, в среднем 8,5 г/см3 как у стали, тоже неоднородно по составу. Волны не проходят на внешней оболочке со свойствами жидкости.

Одна из гипотез утверждает, что ядро состоит из элементов типа железа и никеля, а другая - из пород силикатного состава (как мантия и базальтовый слой). Высокая плотность обусловлена колоссальным давлением (порядка 3,5 млн. атм.). Вещество находится в металлизированном состоянии и переходит в низкотемпературную плазму с температурой порядка 2000-10000о (в среднем - 4000о), поскольку электронные оболочки атомов разрушаются.

Биосфера (сфера жизни, по определению акад. В.И. Вернадского) - более или менее равномерно распределенный по земной поверхности покров живого вещества (более 500 растений и более 100 организмов и живых существ).

4. Геохронологическая шкала. Значение геохронологических данных для водохозяйственного строительства

Геохронологимческая шкалам -- геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет.

Геохронологическая шкала создавалась для определения относительного геологического возраста пород. Абсолютный возраст, измеряемый в годах, имеет для геологов второстепенное значение.

Геохронологическая шкала	Стратиграфическая шкала слоев пород
Эон Эра Период Эпоха Век	Эонотема Эратема (группа) Система Отдел Ярус

Самый длительный отрезок времени - эон. Толщу, оборазованную за это время из слоев пород, называют эонотемой. Самый короткий отрезок - век. Образованную в течении века толщу называют ярусом. Каждый отрезок времени получил наименование и обозначение в виде индекса (табл. 3), а на геологических картах - свою окраску. Современный четвертичный период имеет индекс Q, на геологических картах обозначен серо-зеленым цветом. Самый древний период - кембрийский.

Периоды делят на эпохи (отделы). Например, триасовый период подразделяют на нижнюю (Т1), среднюю (Т2) и верхнюю (Т3) эпохи. Каждую эпоху разделяют на века (ярусы). Например, К2dat читается как меловой период, верхняя эпоха, датский век. Верхний индекс дает наименование века. Современный четвертичный период имеет деление на эпохи, обозначенные римскими цифрами - QI, QII, QIII, QIV. Кроме того, перед индексом Q ставят знаки, обозначающие генезис (происхождение) пород, например, аQIII - породы аллювиального (речного) генезиса, eoQII - эолового (ветрового) генезиса, mQI - морского происхождения и т.д.

Инженеры-строители и архитекторы должны знать возрастные индексы горных пород (грунтов) и использовать для чтения геологической документации (карт, разрезов) при проектировании зданий и сооружений.

5. Абсолютный и относительный возраст горных пород. Методы определения возраста горных пород

Различают относительный и абсолютный возраст горных пород, устанавливаемые для оценки их свойств и определения положения среди других пород с отражением в геологической документации (картах и разрезах).

Относительный возраст определяют по отношению друг друга двумя методами: стратиграфическим и палеонтологическим.

Стратиграфический метод применяют для толщ с ненарушенным горизонтальным залеганием слоев (рис. 7). При этом нижележащие слои считают древнее вышележащих. Этот метод не используют при залегании слоев в виде складок.

Рис. 7 Залегание слоев: а - горизонтальное, б - в виде складок

Из рис. 7,а видно, что самым молодым является верхний слой 3, самым древним - нижний 1. На рис. 7,б показан выход на склон рельефа слоев, смятых в складки. Видно, что более древние слои 1 и 2 лежат на более молодом слое 3.

Палеонтологический метод определения относительного возраста пород базируется на истории развития органической жизни на Земле по остаткам вымерших организмов в осадках.

Абсолютный возраст - это срок существования («жизни») породы в годах, определяемый по радиоактивным превращениям в уране, калии, рубидии и др., входящим в состав пород. По образованию свинца из 1 г урана в год находят абсолютный возраст минерала и породы в млн. лет, по углероду 14С с периодом полураспада 5568 лет - более молодых образований.

6. Принципы построения геологических карт и разрезов

Геологическая карта - изображение геологического строения определенной территории земной коры. Она дает представление не только о геологическом строении поверхности земли, но в определенной мере и о внутреннем строении земной коры.

Инженерно-геологические карты бывают трех видов: 1) инженерно-геологических условий, 2) инженерно-геологического районирования и 3) инженерно-геологические карты специального назначения. Каждая такая карта включает условные обозначения (рис. 91), геологические разрезы и пояснительную записку.

Рис. 91 Условные обозначения пород для литологических разрезов и карт

Карта инженерно-геологических условий содержит информацию для всех видов наземного строительства.

Карта инженерно-геологического районирования отражает разделение территории на части (регионы, области-районы и т. д.) в зависимости от общности их инженерно-геологических условий.

Карты специального назначения составляют применительно к конкретным видам строительства. Они содержат оценку инженерно-геологических условий территории строительства и прогноз инженерно-геологических явлений.

В основу составления геологической карты положены след. принципы: на карте условными знаками (цветом-краской, штриховкой, буквенными индексами и др. знаками) показывается распространение осадочных, изверженных и метаморфических горных пород различного возраста. Состав и возраст пород отображается цветом и особыми спец знаками. Линиями разной толщины обозначаются геологические границы горных пород, слагающие геологические тела и тектонические нарушения - разломы. Форма границ позволяет судить об условиях залегания, соотношении горных пород, геологических структурах и поведении горных пород на определенных глубинах.

Геологические разрезы представляют проекцию геологических структур на вертикальную плоскость и позволяют выявить геологическое строение по глубине. Их строят по геологической карте или по данным разведочных выработок (шурфов, буровых скважин). Вертикальный масштаб разрезов обычно принимается в 10 и более раз крупнее горизонтального.

На геологическом разрезе показывают возраст, состав, мощность, условия залегания грунтов, гидрогеологические условия.

7. Тектонические движения и их значение в формировании кристаллического фундамента

Процессы внутренней динамики (эндогенные процессы) можно подразделить на:

1 - магматизма;

2 - метаморфизма (большие давления и температура);

3 - тектонические.

Все они тесно связаны друг с другом и взаимно влияют.

Движения земной коры с её деформациями и изменением залегания пород называются тектоническими процессами. Их можно разделить на три основных типа:

- колебательные - медленные поднятия и опускания участков земной коры с образованием крупных выпуклостей и прогибов;

- складчатые - смятие горизонтальных слоев земной коры в складки без их разрыва;

- разрывные - с разрывом слоев и массивов горных пород.

Колебательные движения. Отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий поднимаются, другие в это же время опускаются с их изменением наоборот со временем. Различают виды таких движений земной коры: 1 - прошедших геологических периодов; 2 - новейшие четвертичного периода; 3 - современные с изменением высот поверхности земли в данном районе.

Кристаллический фундамент платформы неровный. В нем впадины - синклинали, поднятия - антиклинали. Амплитуда колебаний на платформе достигает 2-3 км.

8. Сейсмические явления. Платформы и геосинклинали

Сейсмические явления (от греческого - сотрясения) проявляются в виде упругих колебаний земной коры. Типичны районам геосинклиналей с разрывами, подвижками, расколами и другими остаточными деформациями земной коры. В наиболее резком появлении сейсмические явления называются землетрясениями.

Землетрясения могут происходить при извержении вулканов, а также в результате мощных взрывов сооружений что приводит к гибели людей.

По характеру тектонических движений земная кора может быть разбита на 2 области, которые принято называть:

1 - платформы;

2 - геосинклинали (земные впадины).

Платформы - малоподвижные, устойчивые участки земной коры. Для них характерны вертикальные колебания.

Кристаллический фундамент платформы неровный. В нем впадины - синклинали, поднятия - антиклинали. Амплитуда колебаний на платформе достигает 2-3 км.

Щиты - выходы кристаллического фундамента на поверхность земли. На Русской платформе - Украинский и Балтийский щиты.

Плита - это комплекс чередующихся морских и континентальных осадочных отложений. Море отступает и наступает, а платформы колеблются: поднятия и опускания - трансгрессия моря.

Геосинклинали - узкие вытянутые участки земной коры с интенсивным накоплением осадков, превращаемых в высокие горы (академик Наливайко). Они претерпели несколько этапов развития:

1. Наиболее часто это - моря с интенсивным накоплением осадков (мощность - 15-20 км) и прогибами. Часто сопровождаются подземными извержениями. Пример - Средиземное море.

2. Геосинклинали превращаются в горную систему, а море отступает. Осадочные породы сминаются в складки с вертикальными колебаниями и горизонтальными смещениями (Карпаты, Кавказ). Часто возникает вулканическая деятельность.

3. Происходит разрушение гор (Уральские горы).

9. Складчатые и разрывные дислокации земной коры

Складчатые дислокации. Под дислокациями понимают вторичные формы залегания горных пород. При колебаниях часто происходит смятие слоев (пластов) пород в складки или их наклон (рис.8) без разрыва сплошности. В вершинах складок они всегда бывают трещиноваты, а иногда даже раздроблены. При первичном (ненарушенном) залегании осадочных пород их расположение не меняется и остается таким же как при формировании.

Разрывные дислокации имеют нарушения сплошности пластов. На территории Беларуси новейшие дислокации не образуются, но старые встречаются. Примером служит Припятский грабен (рис. 9), поверху которого очень много отложений морского происхождения.

К разрывным дислокациям относятся (рис. 10) сбросы, взбросы, сдвиги, грабены, горсты, надвиги.

Рис. 8 Складчатые дислокации: а - моноклиналь; б - флексура; в - антиклиналь; г - синклиналь; О - ось складок; П - поверхность земли

Рис. 10 Разрывные дислокации: а - сброс; б - ступенчатый сброс; в - взброс; г - надвиг; д - грабен; е - горст; 1 - неподвижная часть толщи; 2 - смещаемая часть; П - поверхность земли; р - разрыв слоев

10. Формы и типы рельефа

Формы рельефа классифицируются по своему происхождению:

- тектонические формы, возникшие в результате процессов движения земной коры (крупные).

Формы рельефа: горные хребты, равнины, океанические понижения.

- эрозионная, связана с разрушающей работой текучих вод (атмосферные, речные, подземные). К ним относятся: ущелья, речные долины, овраги, промоины.

- аккумулятивные - речные террасы, дюны, барханы, все то, что является следствием накопления продуктов процесса разрушения горных пород водой и ветром.

Эрозионные и аккумулятивные формы рельефа активно меняют свои очертания во времени.

Типы рельефа. Для земных поверхностей характерны типы рельефа, т.е. определенные сочетания форм рельефа закономерно повторяющихся на обширных пространствах земли, имеющих сходное происхождение в геологическом строении, однотипную историю развития.

Три типа рельефа: равнинный, холмистый и горный.

Равнинный - обширные участи суши, с ровной или слабо волнистой поверхностью. В зависимости от положения над уровнем моря, равнины бывают: отрицательные (ниже уровня моря), низменные (высота которых не превышает 200м над ур.моря), возвышенные равнины (с высотой отметок от 200 до 500м). Равнины нагорные, расположены по отметкам выше 500м.

Холмистый - поверхность земли состоит из сочетания часто чередующихся возвышенностей. Холмы с относительными отметками, высотой менее 200м и пониженных участков: ложбин и котловин.

Горный рельеф - чередование крупных возвышенностей: горы, хребты и понижений, долины, впадины, котловины. По своему происхождению горный рельеф подразделяется на: тектонический, вулканический и эрозионный.

11. Классификация природных инженерно-геологических процессов

Природные геологические процессы совершаются на поверхности земли или на малых глубинах в результате геологической работы воды, льда, организмов, ветра, гравитации, деятельности людей при замачивании просадочных грунтов под зданиями и сооружениями, от сдвижения грунтовых толщ над подземными выработками и т.д.

Геологические процессы можно расчленить на 3 стадии:

а) разрушение грунтов;

б) перенос продуктов разрушения;

в) образование из продуктов разрушения новых осадков.

В результате этих процессов происходит изменение рельефа, сглаживаются его крупные элементы и образуются слегка приподнятые равнины - пенеплен.

12. Виды выветривания: механическое, химическое, биологическое. Кора выветривания

Выветривания - это разрушение и изменение состава грунтов под воздействием различных агентов, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание воды, кислоты, щелочи, углекислоты, ветер, организмы и т.д.

Выветривания бывают: физическое, химическое и органическое (биологическое).

Физическое выветривание - механическое дробление пород почти без изменения их минералогического состава. Это происходит в результате колебания температур, замерзания воды, ударов переносимых ветром песчинок, кристаллизации солей в капиллярах, давления от роста корневой системы растений и т.д.

Весьма интенсивно выветриваются наружные части зданий и сооружений, особенно в местностях с сухим резко континентальным или холодным климатом.

Химическое выветривание изменяет состав пород. Активные реагенты - вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

Примерами химического выветривания служат растворение в воде каменной соли и гипса, переход ангидрита в гипс (CaSO4 +2H20 = CaSO4.2H2O) с резким увеличением объема (до 50-60%), что вызывает разрушительное давление на окружающие породы.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений и играет ведущую роль в образовании почв. Породы дробятся и разрушаются органическими кислотами при отмирании растений. Корни деревьев расщепляют даже скальные грунты, а бактерии поглощают одни вещества и выделяют другие.

При выветривании пород изменяются их физико-механические свойства, снижается устойчивость оснований сооружений, возникают откосы, подземные выработки и т.д.

Корам вывемтривания -- континентальная геологическая формация, образующаяся на земной поверхности в результате выветривания горных пород.

13. Суффозозионные процессы. Химическая и механическая суффозия

Суффозия - вынос мелких частиц из горной породы под воздействием фильтрационного потока (подземной воды).

От породы отрываются мелкие частицы и выносятся за её пределы.

Различают два вида суффозии механическую и химическую. При механической фильтрующаяся вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы глинистые, пылеватые, песчаные. При химической вода растворяет частицы породы гипс, соли, карбонаты и выносит продукты разрушения. Суффозия наиболее свойственна гранулометрически неоднородным породам. Процесс механической суффозии в разнозернистом песке происходит следующим образом. Песок состоит из частиц различного размера больших и малых. Большие частицы создают структурный каркас породы. Поры достаточно велики и через них под действием фильтрующейся воды свободно проходят мелкие частицы глинистые, пылеватые. Суффозия в таких песках возникает с момента появления критического напора. Суффозия может происходить в глубине массива пород или вблизи поверхности земли. В глубине массива перенос мелких частиц осуществляется водой из одних пластов в другие или в пределах одного слоя. Это приводит к изменению состава пород и образованию подземных каналов.

В глубине массива суффозия может возникать также на контакте двух слоев, различных по составу и пористости. При этом мелкие частицы одной породы потоком воды переносятся в поры другой породы. При суффозии на контакте между слоями иногда формируются своеобразные прослои или вымываются пустоты. Это можно наблюдать на контакте глинистых и песчаных слоев, когда соотношение коэффициентов фильтрации этих пород больше 2. Характерными являются пустоты лессовых пород, в частности, на контакте с подстилающими их кавернозными известняками-ракушечниками. Размер пустот иногда достигает нескольких метров.

14. Карст. Зона карстообразования и зона цементации

Карст - химическое растворение горной породы, происходит в результате фильтрации подземной воды, конечные продукты сталактиты и сталагмиты.

По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и скрытый.

При открытом типе карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности земли, а при скрытом они перекрываются слоями нерастворимых водопроницаемых пород и лежат на некоторой глубине.

При растворении горных пород в массиве горной породы образуются пустоты, существенно снижающие несущую способность массива грунта.

Карстовые процессы - это процессы выщелачивания водорастворимых горных пород известняков, доломитов, гипсов подземными и атмосферными видами и образования в них различных пустот. Для карстового процесса в отличие от суффозии главным является растворение пород и вынос из них веществ в растворенном виде.

Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и степенью ее минерализации, геологическим строением участка, рельефом местности, трещиноватостью пород, характером растительности, климатом. Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы с ангидридами и известняки.

Наиболее сильно растворяет породы слабо минерализованная вода, а также водные растворы, содержащие свободную углекислоту. В этом случае растворяющее действие воды увеличивается во много раз. Растворению способствуют повышенная температура и движение воды.

Поднятие или опускание карстового массива, вследствие движений земной коры, вызывает изменение положения базиса коррозии. Карстовый процесс при этом либо усиливается, либо ослабевает. Ниже уровня подземных вод, если они достаточно минерализованы и поток их движется медленно, карстообразования не происходит. В этой части массива наблюдается цементация трещин за счет выпадения из водного раствора кальцита и других веществ. В связи с этим в карстующемся массиве следует различать зону карстообразования и зону цементации.

15. Поверхностный и глубинный карст. Особенности строительства на карстующихся породах

Классификации карста весьма разнообразны. В морфологическом отношении выделяют три группы карста: поверхностный, глубинный и комбинированный (провальный); по геологическому строению разрезов карстовых массивов: открытый (голый), покрытый и перекрытый.

Поверхностные карстовые формы - элементы карстового ландшафта, включающие отрицательные и положительные карстовые формы. Различают: - простые поверхностные карстовые формы, образованные сочетанием элементов рельефа: карры, воронки, рвы, останцы; - сложные поверхностные карстовые формы, состоящие из комбинации простых форм: карстовые долины, карстовые котловины, полья.

Глубинный карст представлен многочисленными трещинами, кавернами, колодцами, пустотами и погребенными полостями, выполненными песчано-глинистыми, а чаще бокситоносными отложениями (размеры их достигают нескольких десятков метров). Карст широко развит и имеет определенное значение для формирования подземных карстовых вод.

Там, где массивы карстующихся пород пересекаются глубинными тектоническими разломами, формируются участки повышенной обводненности, или зоны сосредоточения трещинно-карстовых вод со значительными ресурсами. Карстующиеся породы легко подвергаются растворению подземными водами. В результате формируются карстовые и трещинно-карстовые коллекторы, поверхностные и подземные карстовые формы. Карстовые процессы увеличивают объемы коллекторов, но существенно осложняют разработку месторождений полезных ископаемых, строительство и эксплуатацию сооружений и коммуникаций. С геологической деятельностью трещинно-карстовых вод связано формирование: бурых железняков, мартитов, бокситов, руд никеля, огнеупорных глин, кварцевых песков, россыпных месторождений золота, платины, алмазов и др. Залежи полезных ископаемых приурочены к зонам интенсивного карста вдоль несогласных контактов карбонатных пород с некарстующимися отложениями. Трещинно-карстовые воды массивов карбонатных пород имеют в регионе большое водохозяйственное значение, но в присутствии сульфатных пород резко теряют свои высокие качества в связи с ростом их минерализации, общей жесткости и концентрации сульфат-ионов. Формирование карстовых пустот и провалов под сооружениями и коммуникациями вызывает аварии на железных дорогах, шахтах, мостовых переходах и продуктопроводах. Карстовые процессы, формируя коллекторы для ценных трещинно-карстовых вод, одновременно наносят ощутимый экономический ущерб народнохозяйственным объектам. Поэтому исследование карстовых процессов гидрогеологическими методами в комплексе с геолого-геофизическими исключительно актуально.

16. Способы защиты от карста и суффозии

При исследовании грунтов необходимо выявлять их способность к суффозии, определять критические градиенты. Выбор этих приемов строительства зависит от геологических и гидрогеологических условий строительной площадки, типа и вида грунтов оснований, характера засоления, конструкции объекта, технических возможностей строительной организации. Суффозионные явления отрицательно сказываются на устойчивости зданий и сооружений. С суффозией следует активно бороться. Основой всех мероприятий является прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями: регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; перекрытием места выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка; устройством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цементации, глинизации, применением особых видов фундаментов, например, свайных.

Строительство в карстовых районах связано со значительными трудностями, так как карстующиеся породы являются ненадежным основанием. Пустотность снижает прочность и устойчивость пород, как оснований зданий и сооружений. Развитие карстовых форм может вызвать недопустимые осадки или даже полное разрушение конструкций. Карстовый процесс особенно опасен для гидротехнических сооружений. Через карстовые пустоты возможны утечки воды из водохранилищ, каналов. При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на прекращение развития карстовых форм, повышения устойчивости и прочности пород:

- предохранять растворимые породы от воздействия поверхностных и подземных вод, что достигается планировкой территории, устройством системы ливнеотводов, покрытием поверхности слоем жирной глины, выполняющей роль гидроизоляции. Фильтрация подземных вод пресекается сооружением дренажных систем;

- упрочнять карстующиеся породы и одновременно предотвращать доступ в них воды, что может быть достигнуто нагнетанием в трещины и мелкие пустоты жидкого стекла, цементного или глинистого раствора, горячего битума.

В карстовых районах предусматривают строительство зданий малочувствительных к неравномерным осадкам, фундаменты свайного типа и другие специальные конструктивные решения. Для правильного проектирования зданий и сооружений в карстовых районах необходимы детальные инженерно-геологические исследования, которые должны носить комплексный характер. При этом изучают климат, растительность, гидрологию, геоморфологию, геологию местности, подземные воды и в том числе все, что связано с самими карстовыми формами.

17. Гравитационные процессы и явления на склонах: осыпи, лавины, обвалы и оползни. Признаки оползневого склона

Осыпи. На крутых склонах у подножья склонов накапливаются глыбы, щебень, более мелкие обломки образуют валы - осыпи. Их мощность колеблется от нескольких до десятков метров. По признаку подвижности осыпи подразделяют на действующие, находящиеся в стадии интенсивного движения, затухающие и неподвижные.

Обвалы - обрушение массы горных пород на крутых склонах (более 45 - 50°) и обрывах естественных форм и рельефа (речные долины, ущелья, побережья морей и т. д.), а также в строительных котлованах, траншеях, карьерах. Вывалы являются разновидностью обвалов отдельных глыб и камней в откосах выемок.Все мероприятия по борьбе с обвалами и вывалами сводятся к предупреждению их возникновения и устройству защитных мероприятий: подпорных и улавливающих стен, рвов, траншей, отводу поверхностных вод.

Оползни -- скользящее смещение грунтов на склонах долин, оврагов, балок, берегов морей, выемок под действием гравитации и напоре поверхностных или подземных вод. Оползни разрушают здания и сооружения на склонах и ниже их. Большой ущерб приносят оползни на берегах Черноморского побережья Кавказа, Крыма, в долинах рек и горных районов. Происходят оползни и в Беларуси. Деформации в результате сползания подвергаются насыпи шоссейных и железных дорог, здания и сооружения. На оползневых склонах можно наблюдать разрушенные здания со значительными трещинами и иными повреждениями. Часто внешними признаками оползней являются так называемый «пьяный лес» и разорванные стволы деревьев, потеря вертикальности столбов телефонной связи и электролиний, заборов, стен, появление разрывных трещин на отмостке или поверхности грунта. На возникновение и развития оползней оказывают влияние: высота, крутизна и форма, геологическое строение, свойства пород, гидрогеологические условия. Сползание может возникнуть под действием природных процессов или от производственной деятельности человека. Склоны с крутизной менее 15° оползней не образуют. Часто оползни проявляются при падении слоев, особенно обладающих «ползучестью» глинистых, в сторону склона.

Основными причинами оползней служат 3 группы процессов:

1. Изменяющие внешнюю форму и высоту склона: колебания базиса эрозии рек, оврагов; разрушающая работа волн и текучих вод; подрезка склона.

2. Изменяющие структуру и ухудшающие физико-механических свойства слагающих склон грунтов за счет выветривания; увлажнения подземными, дождевыми, талыми и хозяйственными водами; выщелачивания водорастворимых солей и выноса частиц текучей водой с образованием суффозионных пустот.

3. Создающие дополнительное давление на слагающие склон грунты: напор воды, статические и динамические нагрузки на склон, сейсмические воздействия.

Каждый случай образования оползня бывает связан с несколькими причинами.

В лессовидных суглинках возникают оползневые цирки. Между несколькими цирками располагаются межоползневые гребни.

На склонах речных долин образуются террасовидные уступы (оползневые террасы), наклоненные обратно падению склона.

Различают оползни одно-, и многоярусные, действующие и недействующие.

Снежные лавины возникают от обрушения больших масс снега с крутых склонов. Они бывают сухими в мороз и мокрыми при оттепели. В зависимости от особенностей местности и характера движения лавин для защиты склоны террасируют, садят деревья, возводят подпорные стены, организуют инженерную защиту с возведением галерей над сооружениями, горными дорогами и др.

18. Активные, пассивные и специальные противооползневые мероприятия

Противооползневые мероприятия. Прежде всего должно быть высококачественное выполнение инженерно-геологических изысканий. Для успешной реализации противооползневых мероприятий необходимы:

* установление природы возможных форм нарушения устойчивости склона и разработка рациональных расчетных схем;

* количественная оценка степени устойчивости склона;

* выявление наиболее эффективных путей повышения степени устойчивости склона до необходимых пределов;

* проектирование откосов с заранее заданной степенью устойчивости.

* разработка наиболее эффективных для конкретного случая оползнеудерживающих конструкций (заанкеренные подпорные стены и свайные ростверки, лучевые дрены).

Мероприятия по обеспечению охранной обстановки сводятся в основном к ограничению деятельности человека в районе склона:

* по зеленому поясу (запрещение рубки леса, корчевания и разработки участков под огороды, уничтожение кустарника, травяного покрова);

* по строительству (установление границы предельной застрой-ки, типа и веса сооружений, снос существующих сооружений, замедление темпов строительства);

* по земляным работам (запрещение любых разработок в пассивной зоне - у подножья, загрузки склона в активной зоне - у бровки, увеличения крутизны откоса, вскрытие неустойчивых грунтов);

* в области водного хозяйства (запрещение спуска поверхностных вод и поливов, содержание в порядке водоотводящих и осушительных устройств, водопроводно-канализационных систем, заделка ям, трещин, установление уровней и темпов сработки омывающих откос вод);

* по динамическим воздействиям (запрещение применения взрывных работ, забивки свай, работы транспортных средств).

Берегозащитные мероприятия и сооружения на водотоках и водоемах у подножья склона включают отвод и выправление русел, устройство защитных покрытий, возведение лотков, быстротоков, перепадов, стен - набережных.

Водоотводные осушительные и дренажные мероприятия и устройства делят на:

* работы на поверхности - планировка местности, устройство покрытий, дамб, обвалования, нагорных и осушительных канав, лотков, каптаж источников;

* обустройство дренажей (продольные и поперечные прорези и галереи, дренажные шахты, поглощающие скважины и колодцы);

* выполнение изоляционных мероприятий (устройство различных инъекционных завес, водонепроницаемых пленочных экранов, глинизация грунтов).

Землеустроительные мероприятия направлены на:

* разгрузочные работы в активной зоне (полный съем оползневых масс, срезка активной части оползня, очистка скальных откосов, террасирование и уполаживание склона, общая планировка склона) и пригрузки в пассивной зоне (отсыпка и отвал грунта);

* покрытие склонов плитами, металлическими и геосинтетическими сетками;

* армирование поверхности геосинтетическими материалами (сетками, ячеистыми каркасами и т. п.);

Механическое крепление склона (откоса) - устройство одиночных элементов в виде свай, проходящих сквозь оползень в коренные породы, или шпунтовых стенок, инъекционных завес и др.

Подпорные сооружения в виде шпунтовых стенок (металлических, железобетонных, деревянных), подпорных стен (каменных, бетонных, железобетонных), стен из свай-оболочек большого диаметра.

Покрытия предназначены для закрепления поверхности склона от воздействия ливневых и речных вод. Их выполняют из песчаных, гравелистых, галечных грунтов, каменной наброски и мощения, шлакоглинобетона, асфальта и асфальтобетона, бетона и железобетона, геосинтетических пленок из армированного высокопрочного полиэтилена. Для закрепления береговой зоны часто используют фашинные тюфяки.

Использование растительности для закрепления и осушения склона предусматривает сплошное травосеяние, посадку влаголюбивого кустарника, облесение склона (вяз, дуб, клен, липа, лиственница).

Искусственное уплотнение и закрепление грунтов на склоне посредством инъекций (цементация, глинизация).

Обеспечение устойчивости сооружений в зоне действий оползня включает мероприятия:

* удаление неустойчивого массива до коренных прочных пород;

* закладку глубоких фундаментов на устойчивые породы;

* устройство фундаментов из буронабивных свай;

* использование каркасных конструкций;

* армирование откосов геосинтетическими сетками и каркасами;

* применение железобетонных поясов;

* устройство деформационных швов.

19. Теплофизические процессы и явления. Температурный режим поверхности Земли

Тепловой режим земной коры определяется (рис. 4) влиянием двух факторов: а - солнечной энергией; б - внутренней энергией самой Земли.

Геотермальная ступень - расстояние, на котором температура горных пород увеличивается на 1. Для стран СНГ - примерно равна 33 м. Эта закономерность справедлива до глубины порядка 20 км.

Рис. 4 Распределение температур в земной коре: I - зона сезонного колебания температур (мощность 12-15 м); II - зона постоянных температур (10-30 м); III - зона увеличения температур

20. Геологическая деятельность ледников

Сейчас льды занимают 10 % поверхности суши, 98,5 % полярные области и 1,5% - высокие горы. Различают 3 типа ледников: горные, плоскогорий и материковые.

Горные ледники образуются высоко в горах на вершинах, в ущельях, впадинах, различных углублениях. Они движутся на Кавказе со скоростью 0,03 - 0,35 м/сут, на Памире -- I - 4 м/сут.

Ледники плоскогорий залегает сплошной массой и по ущельям спускаются в виде языков. Такой ледник располагается сейчас на Скандинавском полуострове.

Материковые ледники залегают сплошным покровом в Антарктиде (4200 м), Гренландии (>2400 м) и в других местах. Скорость движения льда к океану в Гренландии составляет 4 - 38 м/сут. На побережье льды раскалываются, и огромные глыбы (айсберги) ветром и течениями уносятся в открытый океан.

Разрушительная работа ледников. При своем движении лед под действием тяжести и вмерзших в него обломков истирает и вспахивает поверхность земли, создавая котловины, рытвины, борозды. При толщине ледника 100 м на его ложе давит 920 МПа. В результате обработки льдом образуются округленные формы скал в виде «бараньих лбов», «курчавых скал», «штрихованных валунов» и т. д.

21. Ледниковые периоды на Беларуси. Формирование и типы ледниковых отложений

За последние 500-600 тыс. лет было не менее пяти оледенений территории Беларуси и сравнительно теплых межледниковий. Общая схема оледенения территории Беларуси с указанием зон геологической деятельности ледника приведена на рис. 98. Центр оледенения находился в горах Скандинавии. Наиболее мощным было Днепровское оледенение, проникшее далеко за южные границы республики, и достигавшее Херсона и Волгограда.

Двигаясь по ущельям или другой наклонной плоскости, ледники захватывают вмороженные в лед продукты разрушения, а при их таянии возникаю мощные ледниковые отложения, называемые «моренами». Они бывают поверхностные (боковые и срединные), внутренние и донные (рис. 34), береговые и конечные.

Рис. 34 Морены горного ледника: а - язык ледника в поперечном разрезе; б - то же в плане; 1 - донная; 2 - внутренняя; 3 - поверхностная; 4 - срединная; 5 - боковая; 6 - конечная

Ледниковые отложения иногда образуют друмлины - эллипсо-идальные холмы в несколько десятков метров высоты, состоящие из отложений донной морены (моренные глины с валунами.

Моренные отложения представлены грубым неоднородным, неотсортированным, неслоистым обломочным материалом: валунными опесчаненными красно-бурыми суглинками и глинами или серыми разнозернистыми глинистыми песками с валунами. Морены залегают покровами мощностью в десятки метров. Конечные моренные гряды имеют высоту до 30 - 40 м и содержат обломки всех пород, по которым прошел ледник. Донные морены состоят из неслоистых и неоднородных по составу валунных глин и суглинков.

При таянии ледника водные потоки размывают донную и конечную морены, вынося и откладывая за его пределами размываемый материал: вблизи его границ крупные обломки: дальше - пески и еще дальше - глинистый материал (рис. 35). Такие водно-ледниковые отложения получили название флювиогляциальных.

При наступлении или отступлении ледника последовательно смещаются зоны накопления материала по его крупности. Если на глины накладываются пески и крупные обломки, то значит ледник наступал. Наложение на крупные обломки и пески глинистых осадков свидетельствует о периоде отступления ледника (рис. 36).

Флювиогляциальные отложения представлены толщами сравнительно отсортированных и слоистых песков, гравия, галечника, глин и покровных пылеватых супесей и суглинков мощностью много метров. эти отложения имеют характерные формы рельефа:

Озы - накопления обломочного материала (песка, гравия) в виде высоких узких валов длиной от сотен метров до десятков километров при высоте 5 - 10 м.

Камы -беспорядочно разбросанные холмы, состоящие из слоистых песков, супесей с примесью гравия и прослоев глины.

Зандровые поля - широкие пологоволнистые равнины за краем конечных морен, включающие слоистые пески, гравий и гальку.

Рис. 35 Схема образования флювиогляциальных отложений:1 - ледник; 2 - конечная морена; 3 - поток талых вод; 4 - 6 - флювиогляциальные отложения (крупные обломки, пески, глины)

Рис. 36 Разрезы толщ ледниковых отложений при наступлении (а) и отступлении (б) ледника

Строительные свойства ледниковых отложений. Моренные и флювиогляциальные отложения являются надежным основанием для сооружений различного типа. За счет давления мощных толщ льда они хорошо спрессованы и даже переуплотнены (пористость до 25 - 30 %), слабоводопроницаемы и служат водоупором. Весьма высокими прочностными и деформационными свойствами обладают практически все разновидности морен, поэтому здания и сооружения на них дают малую осадку. Валунники с песком и валунные пески с гравием и галькой водопроницаемы и водоносны. Подземную воду используют для питьевых и технических целей.

Флювиогляциальные песчано-гравелистые и глинистые отложения озов и зандров уступают моренным глинистым грунтам по прочности, но являются надежным основанием. Исключение составляют ленточные глины и покровные суглинки, которые размокают. Ленточные глины достаточно плотны, слабо водопроницаемы, но при насыщения водой могут быть текучими.

Ледниковые отложения (камень, пески), пески озов, камов и зандров пригодны для насыпей, а валуны для изготовления пьедесталов памятников (например, памятник Петру I в Санкт-Петербурге).

22. Сезонная и многолетняя мерзлота

МНОГОЛЕТНЯЯ МЕРЗЛОТА ГРУНТОВ -- подземное оледенение (криолитозона). Поверхностный слой земной коры, имеющий круглогодичные отрицательные температуры (ниже 0°С) и на сотни и даже тысячи лет сохраняющий в грунтах льды. Многолетняя мерзлота занимает всю площадь Антарктиды, Гренландии, Тибета, немногим меньше половины территории России и Канады, часть Монголии, встречаются в высоких горах (Кавказ, Памир, Анды).

Мощность многолетней мерзлоты в Антарктиде до 4 км при температуре до -50°С, а в субарктической части Якутии до 1,5 км и до -16°С. В остальных районах и мощность и отрицательная температура уменьшаются.

СЕЗОННАЯ МЕРЗЛОТА (франц. saison -- отрезок времени) -- промерзание почвогрунтов за холодный сезон года, в том числе с образованием ледяных включений, которые оттаивают за лето. В России находятся все зоны распространения многолетнемерзлых грунтов. Длительность и мощность сезонной мерзлоты постепенно уменьшаются в южном из-за нарастания солнечной радиации и западном направлениях благодаря адвекции теплых и влажных атлантических воздушных масс.

23. Происхождение землетрясений и моретрясений

Сейсмические явления (от греческого - сотрясения) проявляются в виде упругих колебаний земной коры. Типичны районам геосинклиналей с разрывами, подвижками, расколами и другими остаточными деформациями земной коры. В наиболее резком появлении сейсмические явления называются землетрясениями. В год их регистрируется более 100 тысяч, из которых около 100 приводят к опасным последствиям, а отдельные - даже к катастрофам с гибелью людей, массовыми разрушениями зданий и сооружений.

Землетрясения могут происходить при извержении вулканов (например, на Камчатке), а также в результате мощных взрывов.

История знает катастрофические землетрясения, когда погибали десятки тысяч людей и разрушались целые города (г. Лиссабон - 1755 г., г. Токио - 1923 г., г. Сан-Франциско - 1906 г., Чили и Сицилия - 1968 г.). В первой половине ХХ в. их было 3749, причем 300 только в Прибайкалье. Наиболее разрушительные были в Ашхабаде (1948) и Ташкенте (1966). Катастрофическое землетрясение с огромными разрушениями в Монголии 4 декабря 1956 г. было зафиксировано также на территории Китая и России. Один из горных пиков раскололся пополам, часть горы высотой 400 м обрушилась в ущелье. Образовалась сбросовая впадина длиной до 18 км и шириной 800 м. На поверхности земли появились трещины шириной до 20 м., главная из них протянулась до 250 км.

Землетрясение 1976 г. в г. Тян-шань (Китай) привело к гибели 250 тыс. человек. В 2003 г. землетрясения порядка 7 баллов с разрушениями и человеческими жертвами произошли в Афганистане, Турции и Алжире.

Моретрясения возникают на дне глубоких впадин Тихого, реже Индийского и Атлантического океанов. Быстрые поднятия и опускания дна вызывают смещение крупных масс горных пород и порождают на поверхности океана пологие волны (цунами) с расстояниями между гребнями до 150 км. При подходе к берегу вместе с подъемом дна, а иногда сужением берегов в бухтах, высота волн увеличивается до 15-20 м и даже 40 м.

24. Продольные и поперечные волны при землетрясениях. Шкала сейсмической бальности в районах геосинклиналей и на платформах

Землетрясения. Сейсмические волны. Очаг зарождения сейсмических волн называют гипоцентром (рис. 13).

Рис. 13 Рис. 13. Гипоцентр (Г), эпицентр (Эп) и сейсмические волны: 1 - продольные, 2 - поперечные; 3 - поверхностные

Различают землетрясения: поверхностные - от 1 до 10 км глубины, коровые - 30-50 км и глубокие (или плутонические) - от 100 до 700 км.

Наиболее разрушительны поверхностные и коровые землетрясения.

Различают продольные и поперечные сейсмические волны. Скорость поперечных волн примерно в 1,7 раза меньше продольных.

Оценивают силу землетрясений сейсмографами. В России и странах СНГ распространена 12-балльная шкала по Рихтеру.

...