Инженерная геология

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Значение инженерной геологии для проектирования и строительства промышленно-гражданских сооружений и их эксплуатации

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

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

Сколь велико значение инженерно-геологических изысканий для строительства любого по величине и значимости сооружения, проектировщикам и строителям известно не понаслышке. дороже становится дом, возведенный на недостаточно исследованном участке. Ведь под зданием могут оказаться подземные воды, торф, просадочные грунты. В результате - “кривые” стены, трещины, сырость и плесень в подвалах, и прочее, что приносит определенные сложности при эксплуатации зданий. Вода способствует растворяемости различных химических соединений, в том числе и агрессивных, что приводит к неблагоприятному воздействию на цементный раствор, каменную кладку, бетон. И хотя процесс разрушения фундамента незаметен, его последствия ощутимо сказываются на здании: нарушается целостность несущих конструкций, плесень и грибок проникают через подвал на верхние этажи и “заражают” в конце концов, весь дом. Дверные коробки и оконные рамы деформируются, что становится причиной появления щелей и зазоров, через которые дом начинает ускоренно терять тепло. Паркет или любое другое напольное покрытие под воздействием сырости коробится. Ремонт становится неотвратимым. А он влечет новые затраты, причем без гарантии, что восстановительные процессы не придется повторять снова и снова. И в этом вины строителей как таковых нет, первопричины кроются в некачественной или несвоевременной оценке инженерно-геологических условий стройплощадки

Инженерно-геологические изыскания - для строительства обеспечивают комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения. На основе материалов, инженерных изысканий для строительства осуществляется разработка предпроектной документации, в том числе градостроительной документации и обоснований инвестиций в строительство, проектов и рабочей документации строительства предприятий, зданий и сооружений, включая расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, эксплуатацию и ликвидацию объектов, ведение государственных кадастров и информационных систем поселений, а также рекомендаций для принятия экономических, технических, социально-экологических обоснованных проектных решений.

Топографо-геологические изыскания - наличие материалов инженерно-геологических и геодезических изысканий на площадке проектируемого дома позволяет избежать многих ошибок проектирования, строения и прокладки наружных инженерных систем: правильно расположить все строения на отведенном участке, вспомогательные помещения внутри коттеджа, которые требуют водоснабжение и водоотведение, организовать отвод поверхностных вод с учетом рельефа местности.

При обустройстве автономного источника водоснабжения (колодец или скважина) и местных очистных сооружений без инженерно-геодезических и гидрогеологических изысканий просто нельзя обойтись. Изыскания проводят для определения несущих характеристик грунтов, состава и уровня грунтовых вод. Характер грунта на участке диктует конструктивное устройство фундамента, возможность устройства подвала, способ прокладки коммуникаций, тип очистных сооружений и в целом влияет на экономичность строительства.

Геологические работы включают:

- бурение;

- отбор проб грунта и воды (на постройку здания - от 2 до 6 скважин различной глубины в зависимости от габаритов здания и состава грунтов);

- лабораторные испытания;

- составление отчета с рекомендациями по типу фундаментов, способам прокладки коммуникаций и мероприятиям по их защите.

При исследовании грунта учитываются следующие основные показатели:

- пучинистость, то ест сила, с которой грунт при воздействии отрицательных температур будет выталкивать из себя фундамент, трубы и заглубленные очистные сооружения. На основе полученных данных прогнозируют допустимую деформацию инженерных сооружений и, соответственно, выбирают материалы, способы строительства и обустройства систем;

- водонасыщенность, то есть уровень грунтовых вод. Знание этого показателя помогает, во-первых, определить глубину будущего колодца или частной скважины и, во-вторых, позволяет прогнозировать устойчивость строения и проложенных коммуникаций;

геология порода грунтовый строительство

- агрессивность высокостоящих грунтовых вод: в случае высокой концентрации некоторых химических соединений приходится использовать специальные марки бетона и думать о специальной защите труб и кабелей.

неразумно строить или реконструировать сооружение, не зная точно геологического строения участка (на каких грунтах будет монтироваться фундамент, физико-механических характеристик и несущей способности грунтов под нагрузкой, их коррозионной активности, режима подземных вод и т.д. и т.п.), а следовательно - какую выбрать конструкцию и глубину заложения фундамента. Одни и те же грунты ведут себя по-разному в результате обводнения или промерзания, серьезно меняют свои прочностные характеристики в результате разрушения их природной структуры и влажности.

Строительные нормы и правила устанавливают основные положения по определению опасных природных воздействий, вызывающих проявления и (или) активизацию природных процессов, учитываемых при разработке предпроектной документации (обосновании инвестиций в строительство объектов, схем и проектов районной планировки, генеральных планов городов, поселков и сельских поселений и другой документации), технико-экономических обоснований и рабочей документации на строительство зданий и сооружений, а также схем (проектов) их инженерной защиты

В настоящих нормах и правилах использованы ссылки на следующие нормативные документы:

СНиП 10-01-94 “Система нормативных документов в строительстве Основные положения”

СНиП 11-01-95 “Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений”

СНиП 1.02.07-87 “Инженерные изыскания для строительства”

СНиП 2.01.01-82 “Строительная климатология и геофизика”

СНиП 2.01.15-90 “Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования”

СНиП 2.06.15-85 “Инженерная защита территорий от затопления и подтопления”

СНиП II-7-81“Строительство в сейсмических районах”

При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, а также при проектировании их инженерной защиты необходимо выявлять геофизические воздействия, вызывающие проявления и (или) активизацию опасных природных (геологических, гидрометеорологических и др.) процессов.

Оценка опасности возникновения геофизических воздействий в литосфере, гидросфере и атмосфере должна проводиться на основе использования опубликованных и фондовых данных о состоянии природной среды, материалов комплексных инженерных изысканий, включающих прогноз взаимодействия проектируемых объектов с окружающей средой, и исходных данных для разработки предпроектной и проектной документации в соответствии с требованиями СНиП 11-01-95, СНиП II-7-81 и СНиП 2.0.01-82.

При выявлении опасных геофизических воздействий и их влияния на строительство зданий и сооружений следует учитывать категории оценки сложности природных условий.

Для прогноза опасных природных воздействий следует применять структурно-геоморфологические, геологические, геофизические, сейсмологические, инженерно-геологические и гидрогеологические, инженерно-экологические, инженерно-геодезические методы исследования, а также их комплексирование с учетом сложности природной и природно-техногенной обстановки территории

Уже на стадии выбора строительной площадки необходимы самые детальные изыскания, ведь только на основе полной картины геологического строения площадки и физико-механических свойств грунтов можно возвести объект без перерасхода бетона и гидроизоляционных материалов, качественно рассчитать конструкцию фундамента и гидроизоляции с учетом всех негативных факторов, способствуя тем самым сокращению сроков и стоимости строительства. Но никак не наоборот -- экономить на инженерно-геологических изысканиях, требовать от проектировщиков удешевления стоимости строительства.

Недостаточное изучение инженерно-геологических условий, а иногда игнорирование их при проектировании и строительстве нередко приводят к еще более грозным последствиям -- авариям и разрушению сооружений. То, что они должны предшествовать проектным работам, -- аксиома. Только тогда заказчик может быть уверен в том, что построенное здание окажется жестким, недеформируемым и не подтопляемым.

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

Ортоклаз - (от греч. orthуs - прямой и klбsis - ломка, раскалывание), породообразующий минерал из группы полевых шпатов.

Химический состав K [AlSi3O8].

В качестве примеси содержит Na (до 8% Na2O), реже Ва и в небольших количествах Fe, Са, Rb, Cs и пр. Кристаллизуется в моноклинной системе. Кристаллы призматической формы. Характерны разнообразные двойники адуляр, лунный камень, обыкновенный полевой шпат, санидин (стекловатый полевой шпат). Спайность совершенна, под углом 90° (отсюда и название), чем отличается от микроклина. Цвет светло-розовый, буровато-жёлтый, иногда красный; блеск стеклянный. Твердость по минералогической шкале 6-6,5; плотность 2550-2580 кг/м3. Ортоклаз - один из важнейших породообразующих минералов магматических горных пород. скопления крупных кристаллов Ортоклаза характерны для пегматитовых жил. Часто образуется в процессе регионального и контактного метаморфизма. При выветривании ортоклаз превращается в каолин, в калиевую слюду, иногда эпидот. Места залегания Эйфель, Пантеллерия, Монте-Сомма, Албанские горы. Используется в качестве сырья в стекольной и керамической промышленности.

Мергель (нем. Mergel, от лат. marga) - осадочная горная порода смешанного глинисто-карбонатного состава: 50 -- 75% карбонат (кальцит, реже доломит), 25 -- 50% -- нерастворимый остаток (SiO2 + R2O3). В зависимости от состава породообразующих карбонатных минералов мергели делятся на известковые и доломитовые. У обычных мергелей в нерастворимом осадке содержание кремнезема превышает количество полуторных окислов не более чем в 4 раза. Мергели с соотношением SiO2 : R2O3> 4 относятся к группе кремнеземистых.

Виды мергелей

Мергель ангидрита-доломитовый -- термин, примененный для сильно ангидританосных доломитовых мергелей и глинистых ангидрита-доломитов, которые по содержанию глинистого вещества соответствуют мергелям.

Мергель гипсовый -- мергель содержащий гипс, рассеянный или образующий желвачки, тонкие пропластки.

Мергель гипсово-доломитовый -- то же, что мергель ангидрита-доломитовый, но кальция представлены гипсом, а не ангидритом.

Мергель глинистый -- содержит от 50 до 70% (или от 50 до 75%) глинистых частиц.

Мергель доломитовый - глинисто-карбонатная осадочная горная порода, в которой карбонатный породообразующий мергеля представлен доломитом, составляющим от 5 до 50% всей породы.

Мергель доломитовый глинистый - доломитовый мергель, содержат от 50 до 75% глинистого вещества.

Мергель известковый -- глинисто-карбонатная порода, содержит от 50 до 75% СаСО3. Используется в цементной промышленности.

Мергель мелоподобный -- порода, содержащая 10 - 30% глинистого материала и 35 - 90% кальцита, представленного мельчайшими скелетами организмов и микрозернистым кальцитом, тонко перемежающихся с глинистыми частицами. Сравнительно мягкая, растирающаяся, обычно светлоокрашенная горная порода.

Мергель пресноводный - рыхлая, рассыпчатая, порошкообразная масса углекислого кальция, отложенная в водоемах озерно-болотного типа в результате выпадения [СаСО3] из раствора, обогащенная глинистой примесью (свыше 30%). Применяется для выжига извести и производства цемента. Синонимы: мергель озерный, мергель торфяной.

Мергель руинный - известковая порода, структура которой напоминает обломочную. В мергеле руинном участки четырехугольной формы, сохраняющие первичный серый цвет породы, окружены пространством, окрашенным окислами железа в красный цвет. Мергель руинный отмечен среди верхнемеловых флецевых отложений Австрии и во флецевых зонах Италии.

Мергель цементный -- естественный известковый мергель, пригодный для производства портландцемента; для этого он подвергается обжигу до спекания. Состав колеблется, особенно изменчиво отношение кремнезема к сумме полуторных окислов (Аl2О3 + Fe2O3). Поэтому при приготовлении шихты для цементного клинкера в мергель цементный вводятся известковистая или глинистая добавки. В природе встречаются натуральные разности мергеля цементного (СаСО3 75 - 80%, R2O3 + SiO2 20 - 25%), пригодные для обжига без добавок (например, новороссийская группа месторождений).

Мергель малоустойчив к атмосферным воздействиям. Мергель широко распространён в природе, встречается во всех системах, начиная с протерозоя, развит повсеместно среди карбонатных и глинистых толщ. Используются как сырьё в производстве некоторых видов цемента. Наибольшее значение имеют цементные мергеля-натуралы, содержащие 75-80% CaCO3. Наиболее известны цементные мергелям район: Новороссийска, Амвросиевки (Донецкая область) и с. Подгорного (Воронежская область). Месторождения мергеля разрабатываются открытым способом.

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

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

Аргиллит (от греч. бrgillos - глина и lнthos - камень) - твёрдая, камнеподобная глинистая порода, образовавшаяся в результате уплотнения, дегидратации и цементации глин при диагенезе и эпигенезе. По минералогическому и химическому составу аргиллиты очень сходны с глинами, но отличаются от них большей твёрдостью и неспособностью размокать в воде. Сложены в основном глинистыми минералами гидрослюдистого монтмориллонитового и хлоритового типов с примесью частиц кварца, слюды, полевых шпатов. Подобно глинам, аргиллит образуют либо массивные пласты, либо микрослоистые (плитчатые) разновидности. Аргиллиты - типичные осадочные породы, характерные для геосинклинальных складчатых областей, а также глубоко погруженных осадочных толщ платформ.



3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, знание которых необходимо для проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные свойства отложений (озёрные)

Основные физико-механические свойства горных пород

Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно разнятся, особенно физические. Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давлении, удара).

Для решения задач проектирования, строительства зданий и сооружений все физико-механические характеристики грунтовых оснований разделяют на две группы:

1) Показатели физико-механических свойств, которые используют непосредственно в расчётах оснований;

2) Вспомогательные показатели, с помощью которых осуществляют классификацию грунтов. Прогнозируются механические характеристики первой группы, выделяют инженерно-геологические элементы в толще грунтов.

Характеристики физико-механических свойств используемых в расчётах оснований

Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потере целостности).

Эта характеристика называется пределом прочности (Rс) измеряется в Мпа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещенности, степень выветриваемости, степень размягчения в воде.

Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д.

Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига, измеряется в градусах, сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторым - сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

Для практических расчетов по деформациям и несущей способности грунтов применяются показатели удельного сопротивление C, кПа, ?, град. Сдвиговые характеристики определяют полевыми работами (срез целиком грунта, вращательный срез, зондирование) и лабораторными исследованиями в приборе плоского среза (стабилометре).

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

Для проведения расчетов по деформациям грунтов используют модуль общей деформации E, измеряется в МПа. Для его определения проводят штамповые и прессиометрические полевые работы, а так лабораторные исследования компрессионные и стабилометрические испытания грунтов.

При определении ориентировочных размеров подошвы слоя по таблицам СНиП 2.02.01-83 находят значение расчетного сопротивления грунтов R0 (кПа)

Для расчета стабилизации осадок зданий и сооружений определяющим показа телем будет коэффициент фильтрации kф. Определяется в лабораториях, по таблицам, по опытным откачкам воды для водонасыщенных и наливы для сухих грунтов.

В расчетах по деформациям и по несущей способности грунтов используется плотность грунта p (отношение массы образца к его объему).

Вспомогательные характеристики, отражающие физические свойства дисперсных грунтов.

Важными расчетными характеристиками являются коэффициент пористости , степень влажности Sr и показатель текучести JL, они характеризуют состояние грунтов. По наименованию грунтов и их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести характеризует подвижность глинистых частиц при механических воздействиях на грунт. JL отражает степень заполнения пор грунтовой водой.

В лабораторных условиях для определения гранулометрического состава исследуют зерновой и микроагрегатный состав (по ГОСТ 12536-84), природную влажность W, влажность на границе раскатывания (пластичности) для глинистых грунтов Wp, влажность на границе текучести только для пыле глинистых грунтов WL (по ГОСТ 5180-84).

Кроме указанных характеристик на свойства грунтов во многих случаях существенное влияние оказывают минеральный и химический составы, структуры и текстуры, для скальных грунтов - растрескивание, степень выветриваемости, для дисперсных- содержанием водорастворимых солей, присутствие органического вещества.

Реологические свойства грунтов. При оценке свойств грунтов следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок.

Всё это приводит к «усталости» грунтов. В грунтах возникают процессы деформации в виде ползучести и даже текучести - этот процесс называется реологическим. В результате грунт разрушается, и здание, сооружение деформируется.

Озёрные отложения - осадочные образования на дне озёр современных и древних, существовавших в прошлые геологические эпохи. Озёрные отложения относятся к континентальным отложениям, но в то же время обладают некоторыми признаками, присущими морским отложениям (хорошая сортировка материала, горизонтальная слоистость и др.). Отличительные черты озёрных отложений: линзовидное залегание, небольшое число остатков специфической фауны и занесённых с берегов остатков растений и животных, а также тесная связь с аллювиальными и др. типами континентальных осадков. В особую категорию выделяют озёрно-ледниковые отложения. В пресноводных озёрах накапливаются механические осадки, среди которых часто преобладают тонкозернистые с чёткой горизонтальной слоистостью, а также сапропель, диатомит. При зарастании озёра нередко превращаются в торфяные болота. Характер озёрных отложений изменяется в зависимости от климата. В областях с холодным климатом отлагается обломочный песчано - глинистый материал, иногда с ленточной слоистостью; в озёрах умеренного пояса вместе с обломочным материалом накапливаются железо ("бобовые" руды), кремнезём (диатомиты), карбонат кальция, органические вещества (торф, сапропель и др.). В засушливых областях, где распространены солоновато-водные и солёные озёра, отлагаются карбонаты, гиалит, гипс, а в бессточных озёрах - доломитовые осадки, иногда сода.

Озерные отложения - осадки, образующиеся на дне озер, сложенные обломочным (гравий, галька, песок, глина), химическим или органическим материалом. Различают отложения пресноводных, соленых и вулканических озер. Состав озерных отложений подчинен климатической зональности. Применяются, в зависимости от их свойств, в качестве заполнителей бетонов, растворов.



4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород. Назовите эры и периоды геологической истории Земли. (Т₂, О₁, С_3, О₂)

Метод определения абсолютного возраста пород.

Метод основан на использовании изотопов химических элементов. В горных породах обычно содержится некоторое, иногда очень ничтожное, количество радиоактивных элементов (U, Ra, Th и др.). Каждый их них распадается с присущей только ему скоростью. Процессы распада идут самопроизвольно и на скорость распада не влияют ни какие внешние факторы. Поэтому радиоактивные элементы могут служить эталоном геологического времени. Длительность процесса обычно очень велика. Например, период полураспада урана U составляет 5 млрд. лет. При тщательном и весьма точном анализе горной породы устанавливается, сколько в ней появилось Pb (продукт распада) и сколько осталось неразложившегося радиоактивного элемента. На этом основании и определяется возраст породы. Для образования из ста граммов урана одного грамма Pb потребуется 7400 млн. лет. Абсолютный возраст породы, лет, в которой найдено т, г U и n, г Pb, определяется по формуле:

A=,

где n_pb -- содержание в породе свинца, г;

m_u -- содержание в породе урана, г.

На основе изучения геологического строения земной коры и истории развития жизни, исследователи получили возможность разбить всю геологическую историю Земли на отдельные отрезки времени и составить по данным абсолютного и относительного возраста горных пород шкалу геологического времени -- геохронологическую шкалу. Каждый отрезок геологического времени имеет свое название и индекс (на геологических картах также применяют различные цвета). Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфические шкалы: фанерозоя и криптозоя. Толщу пород, образованную за время эона называют эонотемой, за время эры -- эратемой, за время периода - системой, за время эпохи -- отделом. Самый короткий отрезок геохронологической шкалы - век, а образовавшаяся за это время толща горных пород называется ярусом. Например, К₂^dat читается как -- меловой период, поздняя эпоха, датский век, а цвет заливки на инженерно-геологической карте -зеленый.

Метод определения относительного возраста пород.

Относительный возраст осадочных пород определяется на основе изучения условий залегания и взаимоотношения отдельных слоев осадочных пород и на основе изучения сохранившихся в них остатков растительных и животных организмов. Основной принцип определения относительного возраста пород этим методом заключается в том, что при последовательном залегании пластов осадочных пород лежащие ниже будут древнее, чем вышележащие.

Стратиграфический метод основан на изучении условий залегания пластов горных пород.

Палеонтологический метод получил в геологической практике наибольшее применение. Он основан на изучении ископаемых остатков вымерших организмов. Еще в начале XIX в. инженер Смит при строительстве каналов в Англии обнаружил в различных толщах многочисленные окаменелые остатки животных организмов. При изучении установлено, что отдельные формы животных организмов приурочены только к определенным слоям и отсутствуют в других. Был сделан очень важный вывод: в пластах одного и того же возраста присутствуют одни и те же ископаемые животные и растительные остатки, не встречаемые в более древних и более молодых отложениях. Установлено также, что чем пласт древнее, тем более простые формы организмов он содержит. Работы Ж.Б. Ламарка, Ч. Дарвина и других ученых по эволюции органического мира позволили установить, что органическая жизнь на Земле развивалась постепенно от более простых форм к более сложным. Животные и растительные организмы в течение геологической истории постепенно совершенствовались в борьбе за существование, приспосабливаясь к изменяющимся условиям жизни. Некоторые организмы на определенных стадиях развития Земли полностью вымирали, на смену им приходили другие -- более совершенные. Это позволило установить относительный возраст каждого организма в сравнении с другими организмами. Таким образом, палеонтологический метод дает возможность по остаткам организмов судить об относительном возрасте горных пород.

Эры и периоды геологической истории земли. T₂, O₁, C₃, O₂.

Эра	Период	Отдел
Мезозойская MZ	Триасовый -Т	Среднериасовый - Т2
Палеозойская PZ	Ордовикский - О	Нижнеордовик - О1
		Нижнеордовик - О2
	Каменноугольный-C	Верхнекаменноугольный -С3

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

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

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

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

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

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

Разрывные дислокации - горст

Грабен возникает, когда участок земной коры опускается между двумя крупными разрывами. Если участок поднимается, то образуется горст.

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

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

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

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

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

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

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

Карстовые процессы. Это процессы выщелачивания водорастворимых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами осадков и образования в них различных пустот. Для карстового процесса, в отличие от обычной 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, растрескиванию пород, характером растительности, климатом.

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

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

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



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

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

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

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

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

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

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

На рис. показано, как располагаются основные подземные воды в земле.

Классификация подземных вод по условиям залегания в земной коре

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

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

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

Верховодки - это временные скопления подземных вод в зоне аэрации.

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

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

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

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

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

Залегание трещинно-грунтовых вод: 1 - скважины; 2 - трещины с водой в скальных породах; 3 - трещины, заполненные водой

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Гигроскопическая вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при абсорбации грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100%.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей. Вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные плёнки воды, из-за чего величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, эта потеря прочности весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц. В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит в пределах 0,2-30%



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

Линейный закон фильтрации

Движение подземных вод в пористых породах (пески, супеси, суглинки) неглубокого залегания имеет параллельно-струйчатый или ламинарный характер, т.е. без разрывов и пульсации, плавным изменением скорости и подчиняется закону Дарси, экспериментально установленному им в 1856 г. I Основной закон фильтрации -- закон Дарси выражается формулой:

Q=KфF= KфFi,

где Q --расход воды (количество фильтрующейся воды в единицу

времени), м3/сут;

Kф-- постоянная величина для данной породы, характеризующая ее водопроницаемость; эта величина называется коэффициентом фильтрации, м/сут;

F -- площадь поперечного сечения потока, м2;

ДH -- разность уровней в двух рассматриваемых сечениях, м;

l -- длина пути фильтрации, м;

i -- гидравлический уклон.

Разделив обе части уравнения на F и назвав -- скоростью фильтрации V, м/сут, получим:

V=Кфi.



Это уравнение показывает, что по линейному закону скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Если принять i = 1, то получим V=Кф, т.е. при гидравлически градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации.

Формула позволяет определить так называемую кажущуюся скорость фильтрации. Так как вода течет лишь через часа сечения F, равную площади пор и трещин породы, то для определения действительной скорости фильтрации V, м/сут, следует учесть пористость п, выраженную в долях единицы и корректировать расчет:

для песков и крупнообломочных пород

Vд=V/n;

для глинистых --

Vд=V/nакт,

где nакт -- актив пористость в долях единицы.

Нелинейный закон фильтрации.

В крупнообломочных, сильно трещиноватых скальных породах неглубокого залегания при наличии крупных пустот трещин значительной протяженности движение водного потока имеет вихревой или турбулентный вид. Оно характеризуем вихреобразностью, пульсацией и перемешиванием отдельных струй воды.

Нелинейный закон фильтрации выражается формулой А.А. Краснопольского:



V=Kк ,

где Кк --коэффициент, определяемый опытным путем в поле, м/сут;

i-- гидравлический уклон.

Методы определения коэффициента фильтрации.

К основным фильтрационным параметрам пород относят коэффициент фильтрации, а также коэффициенты водопроводимости, пьезопроводности и уровнепроводности.

Во всех уравнениях определения движения подземных вод основной расчетной величиной, количественно характеризующей фильтрационные свойства пород, является коэффициент фильтрации Кф м/сут. На его величину, а следовательно, и на пень водопроницаемости рыхлых пород оказывают влияние:

диаметр пор -- с уменьшением диаметра пор уменьшается коэффициент фильтрации;

количество глинистых частиц -- с увеличением количества глинистых частиц, особенно монтмориллонита, Кф уменьшается;

характер обменных катионов -- при наличии двухвалентных катионов (Са2+, Мg2+) водопроницаемость и Кф возрастают, а в присутствии одновалентных катионов (Nа+, К+) -- уменьшаются. Влияние Nа+, уменьшающее Кф суглинков в десятки и сотни раз, используется на практике для сокращения потерь воды из водохранилищ.

Определение коэффициента фильтрации методом инфильтрации из шурфа.

Существует несколько способов для выполнения этой работы (методы А.К. Болдырева, Н.С. Нестерова, Н.К.Гиринского, Н.Н. Веригина, Н.Н. Биндемана и др.). Наиболее простым является метод А.К. Болдырева. Он применяется для определения Кф в грунтах, не насыщенных водой. Метод заключается в следующем. В сухом грунте вырывается шурф, не доходящий до уровня грунтовых вод. Из градуированных судов, поставленных у бровки шурфа, по трубке наливается вода на дно шурфа так, чтобы уровень воды в приямке на дне шурфа оставался все время постоянным - около 10 см. Для наблюдения за уровнем воды на дне шурфа устанавливается рейка. Через каждые 10-30 мин ведут замеры расхода воды на фильтрацию по шкалам сосудов. Опыт проводят до стабилизации расхода воды (в песках 10-20 ч, в суглинках 24-48 ч).

Определив значение установившегося (стабилизировавшаяся) расхода Qуст, м3/сут, и разделив его на площадь дна шурфа F,м2, получают среднюю скорость инфильтрации из шурфа м/сут, равную

Vуст =.

Коэффициент фильтрации определяется еще и следующий методами: 1) полевыми работами - откачками; 2) лаборатории ми методами с использованием специальных приборов; 3) эмпирическим формулам. Определение коэффициента фильтрации откачкой воды из скважин. Определения Кф откачкой воды из скважин дают наиболее точные данные для расчета коэффициента фильтрации. Откачки разделяются на откачки из одиночных скважин и кустовые. I Откачка из одиночной скважины позволяет предварительно Вшить водообильность изучаемых пород. Произвести точный расчет коэффициента фильтрации по данным откачек из одной скважины нельзя, т.к. неизвестна величина радиуса влияния, следующий пункт входящая в расчетные формулы. Кустовые откачки проводятся на специально выбритых опытных участках при глубине залегания водоносного горизонта не более 100 м. Опытный куст состоит из центральной (опытной) скважины и ряда наблюдательных, располагаемых по одному или нескольких лучам в случае неоднородности водоносного пласта. При четырех лучевой системе расположения скважин один луч проводится о направление потока подземных вод, второй -- против направления потока подземных вод третий и четвертый -- в направлениях, перпендикулярных к ним. При двухлучевой системе применяются один или два луча, состоящие из двух-трех наблюдательных скважин. Один из лучей проводится вниз по течению подземных вод, второй перпендикулярно направлению потока, Расстояние наблюдательных скважин от центральной рекомендуется применять равным 5м; 10м; 20м; 40м; 80 м.

...