Инженерно-геологическая оценка грунтов

Бугры пучения образуются в результате подъема промороженного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых напорных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокарст представляет собой процесс вытаивания льда в мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли. В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

Солифлюкация -- оплывание оттаивающих в летнее время грунтов, которые залегают на обогреваемых солнцем склонах рельефа (с уклоном 7--10). Оплывание происходит по мерзлым грунтам. При этом льдонасыщенные дисперсные грунты утрачивают структурные связи и переходят в вязкопластичное состояние.

Наледи представляют собой образование льда за счет прорыва на поверхность земли надмерзлотных (грунтовых) вод или выхода речных вод на свой ледяной покров. Вода заливает подвалы и здания разрушаются.

Возведение и эксплуатация объектов на территории вечной мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется по специальным нормативам. При земляных работах приходится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при этом стремятся не делать выемок. Деформация зданий и сооружений связаны с оттаиванием вечно-мерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечномерзлых грунтов осуществляется по трем принципам:

-без учета мерзлого состояния мерзлых грунтов, например, при наличии скального основания при сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации объекта

- с предварительным (до строительства) оттаиванием мерзлых грунтов и последующим их укреплением или заменой на другие грунты, например глинистые или щебеночные

Выбор варианта или их комплексное применение зависит от геологии строительной площадки, состава и состояния мерзлых грунтов, технических возможностей строительной организации

Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов оснований, постоянных профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Строительство на вечномерзлых грунтах: а -на скальном основании; б-с сохранением мерзлоты; в- с заменой мерзлого грунта на гравий; 1- деятельный слой 2-вечная мерзлота; 3-гравий 4- здания

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ЛИТОСФЕРЕ

Сейсмические явления в литосфере - это результат упругих колебаний земной коры при этом сейсмические волны передают деформации, возникающие в горных породах на значительные расстояния. Эти волны по виду деформации разделяются на продольные или волны сжатия- растяжения - колебание частиц породы совпадает с направлением движения волны и поперечные или волны сдвига, распространяются в направлении перпендикулярном к направлению движения продольных волн.

При встрече подземных упругих волн с поверхностью земли возникают поверхностные волны. Это волны силы тяжести, которые проводят к деформациям поверхности земли. Точка, в которой возникает сейсмический толчок, лежащая на некоторой глубине от поверхности, называется гипоцентром. Проекция гипоцентра на земную поверхность носит название эпицентром. Чем глубже залегает гипоцентр, тем большая площадь охватывается землетрясением, однако интенсивность его будет больше при близповерхностном положении очага землетрясения.

По происхождению различают 5 типов землетрясений: тектонические - вызванные тектоническими движениями земной коры, характеризуется широкой площадью распространения и высокой бальностью; вулканические - имеют локальное распространение, но большой силой; денудационные - землетрясения обвального и провального характера, имеют локальный характер и невысокую бальность; техногенные - вызываются в результате взрывов для инженерных и строительных целей; морские (цунами) - связанны с поднятием морского дна и возникновением разрушительной морской силы волны.

На интенсивность землетрясений влияют следующие факторы: 1) в плотных породах скорость распространения сейсмического толчка больше, чем в рыхлых связных и несвязных грунтах, однако, его бальность, наоборот, возрастает в последних 2) территории сложенные плывунами, илами, заболоченными и обводненными грунтами, являются районами повышенной интенсивности землетрясений 3) геологические структуры и тектонические нарушение расположенные поперек движения сейсмических волн, могут уменьшать интенсивность землетрясений 4) отдельно стоящие и резкоочерченные формы рельефа (останцы, холмы, крутые склоны и овраги) могут повышать сейсмичность территории на 1 балл

В районах, где землетрясения не превышают 5 баллов, строительство ведется без учета сейсмичности. При 6 - 9 баллах проектирование и строительство ведется в соответствии со СНиП П-7-81.

Усиление сейсмической активности в связи с устройством водохранилищ.

Появление сейсмических толчков в сейсмически малоактивных районах и резкое оживление сейсмической деятельности в связи с постройкой и заполнением водохранилищ было впервые отмечено в 1935г. на реке Колорадо. Наиболее сильные точки совпадали с максимальными уровнями наполнения водохранилища. В дальнейшем исследования показали что и на других крупных водохранилищах мира Китае, Греции, Индии, Таджикистане была зафиксирована возбужденная сейсмичность. Основной причиной этих землетрясений является изменение режима давления порово-трещинных вод. Дополнительная нагрузка воды при заполнении водохранилища вызывает опускание его ложа, влияет на изменение порового давления в пластах и приводит к высвобождению сейсмической энергии, что вызывает землетрясение.

ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД НАД ПОДЗЕМНЫМИ ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ

Горные породы в земной коре находятся в естественно напряженном состоянии, вызванном гравитационными силами. Проходка подземных горных выработок (туннелей, штолен, штреков и т. д.) вызывает в массиве пород перераспределение напряжений, причем на одних участках возникает повышенное сжатие, на других -- растягивающие силы.

При концентрации напряжений возникает горное давление, воздействующее на крепь подземных выработок. Горное давление можно понимать, как силу давления на крепь, вызванную движением горных пород в сторону выработки. Горное давление зависит от геологического строения массива и свойств пород, глубины заложения и особенностей самой выработки. Оно колеблется от 0 до 1200 МПа.

Горное давление приводит к ряду инженерно-геологических явлений, возникающих вокруг подземных выработок и на поверхности земли, -- горные удары, выбросы пород, пучение, обрушение, сдвижение массива пород и т. д. Эти явления развиты не только на обширных пространствах горно-промышленных районов, таких как Донбасс, Урал, Кузбасс, где добывают полезные ископаемые подземным способом. Они могут возникать в городах и рабочих поселках, где в строительных целях выполняют различные подземные выработки типа тоннелей, коллекторов, штолен и других подземных сооружений.

Сдвижение горных пород.

Наиболее крупные деформации зданий и сооружений возникают при сдвижении массивов горных пород. Под сдвижением обычно понимают деформацию пород, залегающих непосредственно над горными выработками (или выработанными пространствами). На этом участке в массиве происходит изгиб пластов или беспорядочное обрушение пород, а поверхность земли искривляется и опускается вместе с сооружениями. Участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению, называют мульдой сдвижения.

Развитие процессов сдвижения зависит от свойств пород, слагающих толщу над горной выработкой, и прежде всего от их прочности и способности к пластическим деформациям. В таких прочных, но непластичных породах как песчаники, известняки, конгломераты, сдвижение происходит при значительной выработке пространства по площади, но зато оно будет развиваться быстро в форме обрушения с образованием трещин и провалов на земной поверхности. В пластичных породах (глины, глинистые сланцы, аргиллиты) сдвижение начинается при значительно меньших размерах выработанного пространства. На поверхности земли это выражается в виде постепенного плавного прогибания, причем длительное время без каких-либо трещин на поверхности земли.

Значительную роль в формировании мульды играет чередование слоев. Например, если пластичные породы подстилают жесткие, прочные, то явление будет таким же, как если бы вся толща состояла из непластичных пород. Если пластичные породы будут подстилаться прочными породами, то деформации поверхности будут плавными. Существенную роль играет трещиноватость, которая ускоряет процесс сдвижения, облегчая перемещение пластов и блоков пород в вертикальном

Величина осадки поверхности земли в пределах мульды различна и составляет 0,1--0,9 (чаще 0,6--0,7) от мощности разрабатываемого пласта или высоты подземной выработки. Глубина центральной части мульды сдвижения колеблется от долей метрадо 1 --2 м. Так, в Донбассе при пологом залегании пластов каменного угля осадка составляет 50--60 % мощности пласта, т. е. при пласте в 1 м осадка поверхности земли достигает 50--60 см, а при наклонных пластах с углом падения больше 45° -- 30--50%.

Размер площади мульды превышает размер выработанного пространства. Это связано с подвижкой пород не только над выработкой, но и в сторону от нее под некоторым углом, который получил название угла сдвижения (рис. 138). Его величина зависит от состава и состояния пород

Мульда сдвижения грунтов: 1-нормальная поверхность земли; 2-поверхность мульды; 3-деформирующейся массив пород; 4-подземная выработка; угол сдвижения

Для коренных пород Донбасса, например, при горизонтальном положении пластов угол составляет 85 °, для четвертичных наносов -- 60°.

Величину осадки поверхности земли (прогиба мульды), площадь мульды и наклон ее бортов определяют расчетным путем и специальными наблюдениями с помощью инструментов и реперов. Скорость оседания земной поверхности зависит от соотношения глубины залегания и мощности разрабатываемого пласта. (при глубине залегания выработки 100м средняя скорость осадки 16 м\сут

Провалы поверхности земли

образуются в результате обрушения грунтов в горные выработки. Размеры провалов различны. Наиболее значительные провалы характерны для крутозалегающих пластов. В Кузбассе такие провалы тянутся на десятки километров по простиранию крутозалегающих пластов.

При возведении сооружений в районах подземных выработанных пространств необходимо учитывать возможность возникновения мульды сдвижения, так как наклон, искривление и оседание земной поверхности обусловливает деформации и даже разрушение наземных сооружений. В центральной части мульды осадки зданий происходят более или менее равномерно. На этом участке деформации проявляются в меньшей степени. На окраинах мульды, где наклон и искривление земной поверхности велики, здания подвергаются неравномерным осадкам и значительно деформируются (рис.). Высокие сооружения (башни, трубы и т. д.) при этом получают опасный крен (рис. 140).

При проектировании объектов необходимо предусмотреть конструктивные или защитные мероприятия. Выбор мероприятий зависит от ожидаемой величины деформации земной поверхности. При очень небольших деформациях специальные меры защиты не применяются. При значительных деформациях и провалах земной поверхности строительство нецелесообразно. В остальных случаях при строительстве на подрабатываемых территориях можно применять следующие меры:

повышение расчетного сопротивления грунтов основания;

разрезку зданий на отсеки;

повышение прочности несущих конструкций и приспособление их к неравномерным осадкам;

усиление фундаментов;

использование высококачественных строительных материалов и повышенное качество строительных работ;

проходка горных выработок на глубинах, при которых опасные деформации поверхности земли не возникают.

На участках, где процесс сдвижения уже закончился, возведение сооружений осуществляется без каких-либо предохранительных мероприятий

Рис. 140 Опасный крен (а) и разрушение здания при наклоне и кривизне поверхности земли на участке мульды (б)

Последние данные, подтверждающие, что процесс сдвижения происходит при любом нарушении баланса земляных масс подземными выработками, получены при нивелировке трасс тоннелей метро Москвы и Киева. В зависимости от глубины подземных выработок и литологии пород сдвижение может носить характер: а) плавного прогиба, б) трещин, в) провалов. Сдвижение начинает развиваться от выработки (рис. 98) и имеет следующие зоны:

I.Зону обрушения, ближайшую к выработанному пространству, где порода характеризуется полной потерей сил внутренних связей.

II.Зону трещиноватости, характеризующуюся разрывом сплошности пород с образованием трещин от нескольких миллиметров до метров.

III.Зону плавных сдвижений -- зону перемещений и деформаций, не сопровождающихся нарушением сплошности.

При проектировании зданий и сооружений на подрабатываемых территориях состояние территории или процесс сдвижения на данный отрезок времени характеризуются максимальным оседанием поверхности, максимальным горизонтальным сдвижением, наклоном поверхности и площадью мульды сдвижения. грунт сооружение инженерный геология

Оседание земной поверхности при эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых.

В последние десятилетия значительное распространение приобрел процесс оседания территорий больших городов и районов эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых (флюидов). Как показали исследования, оседания приурочены в геологическом отношении к молодым слабоуплотненным песчано-глинистым отложениям четвертичного времени или неогена, представляющим собой водоносные или нефтегазовмещающие толщи. Механизм этого процесса заключается, в постепенном освобождении пустот в этих дисперсных грунтах от несжимаемой воды или слабосжимаемых флюидов, возрастании природного давления в пластах по мере понижения уровней полезных ископаемых и уплотнения пород под действием собственного веса. В первые эти явления были отмечены в связи с интенсивной откачкой подземных вод в японских городах Токио, Осака и Ниигата в 30-х годах, оседание поверхности составило 18 см\год. В СССр было отмечено резкое увеличение скорости осадки Газлинского месторождения природного газа.

Размещено на Allbest.ru