Геологические и эндогенные процессы в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

« Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Основания и фундаменты»

Конспект лекций

по Инженерной геологии

Для студентов строительных специальностей заочной формы обучения

В.М. Бевзюк, П.Л. Клемяционок, С.Г. Колмогоров, С.С. Колмогорова

Санкт Петербург 2010

Содержание

• Лекция 1. Введение. Общие сведения о Земле
• 1.1 Инженерная геология (ИГ), ее задачи и содержание. ИГ как наука о рациональном использовании и охране геологической среды
• 1.2 Общие сведения о Земле
• Лекция 2. Минералы и горные породы. Процессы их образования, классификации, основные свойства
• 2.1 Определения и основные сведения
• 2.2 Магматические горные породы (МГП)
• 2.3Осадочные горные породы (ОГП)0
• 2.3.1 Обломочные ОГП
• 2.3.2 Глинистые ОГП
• 2.3.3 Химические и биохимические ОГП
• 2.4 Метаморфические горные породы (ММГП)
• Лекция 3.Основы геохронологии. Эндогенные процессы
• 3.1 Абсолютный и относительный возраст горных пород. Геохронологическая шкала
• 3.2 Тектонические движения (ТД) и дислокации
• 3.3 Платформы и геосинклинали
• 3.4 Сейсмические явления - землетрясения
• Лекция 4. Основы грунтоведения
• 4.1 Строительная классификация грунтов
• 4.2 Физические показатели, их использование в классификациях грунтов
• 4.3 Состав дисперсных грунтов
• 4.4 Структура и структурные связи. Природное и нарушенное состояния грунтов. Сжимаемость и прочность грунтов
• Лекция 5. Подземные воды
• 5.1Общие сведения и значение подземных вод (ПВ)
• 5.2 Физические свойства и химический состав ПВ
• 5.3 Виды ПВ по условиям залегания
• 5.4Закономерности движения подземных вод

Лекция 6. Экзогенные процессы. Выветривание и элювий. Геологическая работа атмосферных вод

6.1 Выветривание, его виды

6.2 Кора выветривания и элювиальные отложения

6.3 Геологическая работа атмосферных вод

Лекция 7. Геологическая работа рек и аллювиальные отложения

Лекция 8. Геологическая деятельность морей, озер и болот

8.1 Геологическая деятельность морей и морские отложения

8.2 Озера и озерные отложения

8.3 Болота и болотные отложения. Строительная оценка болот

Лекция 9. Геологическая работа ледников и ледниковые отложения

Лекция 10.Геологическая работа ветра. Образование и свойства эоловых отложений. Человек как геологический фактор. Техногенные отложения

10.1 Геологическая работа ветра и эоловые отложения

10.2 Геологическая деятельность человека. Техногенные отложения

Лекция 11. Геологические процессы, обусловленные действием поверхностных и подземных вод

Лекция 12. Геологические процессы, обусловленные действием силы тяжести

12.1 Обвалы

12.2 Осыпи

12.3 Оползни

12.4 Горное давление и сдвижение горных пород

Лекция 13. Геологические процессы, обусловленные действием отрицательной температуры

13.1 Сезонное промерзание и морозное пучение грунтов

13.2 Вечная мерзлота. Общие сведения и классификации

13.3 Геологические процессы и явления в области вечной мерзлоты

Лекция 1. Введение. Общие сведения о Земле

1.1 Инженерная геология (ИГ), ее задачи и содержание. ИГ как наука о рациональном использовании и охране геологической среды

Инженерная геология сформировалась как наука геологического цикла в 20 - 30 годах ХХ века в связи с запросами различных видов строительства - транспортного, промышленного, энергетического и др. Были созданы специализированные изыскательские организации, инженерно-геологические исследования стали необходимой стадией проектирования и строительства. ИГ, включающая на этом этапе грунтоведение и инженерную геодинамику, стала изучаться в вузах. В последующие 1940…70-е гг. она интенсивно развивалась применительно к решению проблем строительства в сложных геологических условиях транспортных сооружений, крупных ГЭС и ТЭС, атомных электростанций и др. Содержание ИГ расширилось за счет обобщения закономерностей инженерно-геологических условий обширных территорий (регионов); региональная ИГ стала третьей составной частью инженерной геологии.

В настоящее время (с 1980-х гг.) инженерная геология рассматривается как наука о геологической среде (ГС), т.е. верхней толще земной коры, ее охране и рациональном использовании. Это обусловлено резким ростом нагрузки на природную среду по многим причинам: рост численности населения в целом, городского в особенности; энерговооруженности и производительных сил общества; масштабов возводимых сооружений и т.д. Соответственно возрастает нагрузка на геологическую среду и растет опасность ее реакций на критические техногенные воздействия. Примерами таких реакций являются «наведенные» землетрясения при заполнении больших водохранилищ и закачке воды в глубокие скважины; выбросы пород, газа в глубоких шахтах и рудниках, приводящие иногда к авариям с человеческими жертвами; подтопление грунтовыми водами и наоборот, истощение глубоких водоносных горизонтов и др. Особенно велик уровень техногенных воздействий в больших городах.

Для России с ее огромной территорией (17,08 млн км²) и разнообразием природных условий значение ИГ особенно велико для всех видов строительства, разработки месторождений полезных ископаемых, надежной эксплуатации сооружений.

1.2 Общие сведения о Земле

Земля имеет сложную форму геоида, но упрощенно представляется шаром, слегка сплюснутым вдоль полюсов (относительное сжатие около 1:300) со средним радиусом 6371 км. Поэтому строение Земли можно характеризовать совокупностью внешних и внутренних геосфер. К внешним относятся атмосфера, гидросфера и биосфера - область распространения жизни, включая все ее формы до микроорганизмов и бактерий.

Внутренние геосферы - земная кора, литосфера, мантия и ядро (рис.1.1). Вся деятельность человека протекает в верхней толще земной коры (ЗК). В ней выделяют три слоя: осадочный, мощностью до 15 км, а в среднем 3…4 км; гранитный, до 35 км (в океанической ЗК он отсутствует); базальтовый. Мощность ЗК около 70 км, глубже до 2900 км идет мантия, затем ядро. Верхний слой мантии 4 состоит из твердых пород (литифицированная мантия), как и ЗК; вместе они называются литосферой. Установлено, что под литосферой на отдельных участках верхней мантии породы находятся в состоянии расплава (астеносфера 5). С этим связано проявление на Земле вулканической деятельности и разнообразных движений ЗК. Все геосферы взаимосвязаны: например, атмосферные явления влияют на изменения горных пород и характер земной поверхности (рельеф); процессы в литосфере и биосфере влияют на состав атмосферы и т.д.

Из сопоставления средних плотностей пород ЗК и Земли в целом (соответственно 2.7 и 5,52 т/куб.м.) следует, что к центру плотность вещества возрастает. Растут также давление и температура.

В породах ЗК установлены все химические элементы. Наиболее распространены кислород (46,8), кремний (27,3), алюминий (8,7); в скобках указаны массовые доли элемента (кларки). Далее идут железо (5,1), кальций (3,6), натрий и калий (по 2,6), магний (2,1), водород (1,0). На долю всех остальных приходится менее одного процента. Отсюда ясно, что в химическом составе пород ЗК будут преобладать перечисленные элементы.

Рис. 1.1. Внутренние геосферы

Из физических полей Земли большое значение имеют тепловое, гравитационное, магнитное; закономерности последних используются в геофизических методах, применяемых в инженерной геологии.

Тепловой режим Земли формируется за счет внешней энергии, в основном солнечной, и внутренней, связанной с процессами в мантии и ядре. На поверхности действует солнечное тепло, и соответственно имеют место колебания температуры - суточные, сезонные, годовые и вековые. На глубине 10…15 м они постепенно затухают, и далее располагается зона постоянных температур, примерно равных среднегодовой для данной местности. С глубины 40…50 м сказывается влияние внутренней энергии и температура растет. Количественно ее рост характеризуют указанием геотермической ступени (ГС) или геотермического градиента (ГГ). ГС - это расстояние в глубину, на котором температура увеличивается на один градус Цельсия. ГГ - это возрастание температуры на 100 метров глубины. Очевидно соотношение ГС = 100/ГГ. В среднем ГС равна 33 м, но в общем она меняется от 5 до 100 м. Например, для Москвы ГС = 59 м, для Петербурга только 20 м; различие объясняется более близким к поверхности для последнего расположением кристаллических пород и наличием в них глубоких разломов. Учет роста температуры с глубиной имеет непосредственное практическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе температура достигала 40⁰, Симплонского тоннеля в Альпах (на глубине 2690м) - 50⁰, что значительно осложняло строительство.

Лекция 2. Минералы и горные породы. Процессы их образования, классификации, основные свойства

2.1 Определения и основные сведения

Земная кора состоит из горных пород, представляющих собой агрегаты, то есть соединения нескольких (иногда одного) минералов. Минералом называется природное образование, относительно однородное по внутреннему строению, химическому составу и физическим свойствам. Большая часть минералов имеет кристаллическое строение, когда составляющие их частицы - атомы, ионы - располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Для отдельного кристалла это проявляется правильной формой многогранника - куба, призмы, октаэдра и др. Лишь некоторые минералы имеют некристаллическое, аморфное строение.

Обычной и наиболее важной формой существования минералов в ЗК являются горные породы. Более редки отдельные кристаллы или их сростки (друзы). Встречаются и другие формы: конкреции - округлые минеральные агрегаты радиально-лучистого строения; секреции - результат заполнения минералом пустот в горных породах с нарастанием его от стенок к центру; оолиты - мелкие сферические образования; натеки в виде желваков, почек, сталактитов и т.п.

Всего известно более трех тысяч минералов, но основную массу пород ЗК составляют несколько десятков наиболее распространенных минералов, называемых породообразующими. Знание их свойств и умение выделить их в конкретной породе имеют важное значение.

Минералы и горные породы образуются в ходе разнообразных процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. По характеру энергии, порождающей процессы, они делятся на эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли и экзогенные - с внешней, главным образом солнечной энергией. Основными эндогенными процессами минерало- и породообразования являются магматизм и метаморфизм. Магматизмом называется внедрение в толщу ЗК огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) или излияние ее на земную поверхность в виде лавы с последующим остыванием и затвердеванием. Горные породы, составленные образующимися таким образом минералами, называются магматическими (МГП).

Метаморфизмом называются процессы изменения ранее возникших минералов и горных пород в новых условиях их существования, под действием высоких давления и температуры, а также химически активных жидкостей и газов. Образующиеся породы называются метаморфическими (ММГП).

Экзогенные минералы образуются на земной поверхности и на небольшой глубине вследствие преобразования эндогенных минералов, кристаллизации и осаждения солей из водных растворов, а также в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов, накопления их остатков. Такой процесс минералообразования называется осадочным, а возникающие при этом горные породы называются осадочными (ОГП).

По химическому составу минералы подразделяются на 10 классов: силикаты (наиболее распространены минералы магматического происхождения - полевые шпаты ортоклазы и плагиоклазы, слюды, оливин, авгит, роговая обманка; метаморфического - тальк, хлорит, серпентин; осадочного - каолинит, монтмориллонит, гидрослюды), оксиды (кварц, корунд, халцедон, кремень), гидроксиды (лимонит, опал), карбонаты (кальцит, доломит), сульфиды (пирит), сульфаты (гипс, ангидрит), галоиды (галит, сильвин, флюорит), фосфаты (апатит), вольфраматы, самородные минералы; породообразующие минералы принадлежат к первым восьми классам.

Во многих случаях минерал можно определить по его физическим свойствам, к которым относятся: форма кристаллов; оптические свойства - цвет, блеск, прозрачность; спайность, то есть способность раскалываться или расщепляться с образованием гладких блестящих плоскостей; характер излома; плотность, твердость и др.

По плотности различают минералы легкие ( ?2,5г/см³), тяжелые ( >= 4) и средней плотности при изменении в указанных пределах. Для определения твердости минералов пользуются шкалой Мооса, в которой каждый последующий из приведенных эталонных минералов царапает предыдущий, т.е. превышает его по твердости на один балл: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд, алмаз. Последние три минерала относятся к редким, так что из перечисленных породообразующих минералов к твердым относятся полевой шпат (6) и кварц (7); к мягким тальк (1) и гипс (2); остальные имеют среднюю твердость.

Очень большое практическое значение имеет устойчивость минералов к выветриванию. В этом отношении они подразделяются на очень устойчивые - кварц, мусковит; устойчивые - ортоклаз, альбит, т.е. полевые шпаты с большим содержанием кремнекислоты (кислые); умеренно устойчивые - кислые плагиоклазы, авгит, роговая обманка, биотит и др.; малоустойчивые - основные плагиоклазы (с малым содержанием кремнекислоты), оливин, пирит. Некоторые другие сведения о влиянии минералов на строительные свойства горных пород будут приведены далее.

2.2 Магматические горные породы (МГП)

С учетом условий образования МГП могут быть интрузивными (глубинными) и эффузивными, или излившимися. Для интрузивных характерно медленное остывание магмы, при котором происходит полная ее раскристаллизация. Образующиеся породы имеют зернистую полнокристаллическую структуру и плотную текстуру (граниты, сиениты, диориты, габбро). Формы залегания таких пород - батолиты, лакколиты, штоки, жилы и др. (рис.2.1).

Рис. 2.1. Формы залегания интрузивных МГП:

1 - батолит; 2 - шток; 3 - лакколит; 4,5 - жилы (4 - пластовая или силл; 5 - секущая или дайка)

При эффузивном магматизме магма вытекает на поверхность земли из трещин в ЗК или из кратеров вулканов. Процесс твердения по сравнению с интрузиями ускоряется и образующиеся породы имеют порфировую ( с кристаллами в виде отдельных вкраплений в общей стекловатой массе) или стекловатую структуру; текстура может быть как плотной, (порфиры, порфириты, диабазы), так и пористой - липариты, трахиты, андезиты, базальты, пемза. В зависимости от рельефа, объема и свойств лавы эффузивные породы образуют купола (а очень вязкие кислые и ультракислые лавы даже обелиски), потоки, покровы (рис.2.2).

Все МГП широко применяются в различных областях строительства. Из интрузивных наиболее распространенная порода - гранит, а из эффузивных - андезиты и базальты.



Рис. 2.2. Формы залегания эффузивных МГП:

1- купол; 2 - покров; 3 - поток

При рассмотрении образцов МГП представляется, что все они обладают большой прочностью и практически несжимаемы. Однако перенести такое представление на массивы МГП в природных условиях не всегда возможно. Это связано с трещиноватостью пород, причем трещины имеют различную природу. Уже при остывании и твердении магмы из-за неравномерного сокращения объема появляются трещины отдельности, разбивающие массив на блоки различной формы, специфической для разных пород - матрацевидной для гранитов, столбчатой и шаровой для базальтов и др.

Далее ослабляющее влияние на породы оказывает процесс выветривания. В результате отдельности разбиваются трещинами выветривания на еще более мелкие части. Проникающие в трещины вода, кислород, углекислота, микроорганизмы взаимодействуют с минералами. При этом в массиве МГП могут появиться совершенно несвойственные им минералы - например, глинистые, карбонаты и др.

Еще одним типом являются трещины, возникающие вследствие изменения напряженного состояния массивов пород, называемые трещинами разгрузки. Наконец, тектонические движения приводят к появлению тектонических трещин большой протяженности и раскрытия. Заполняются трещины материалом, совершенно измененным по сравнению с исходными породами.

Трещиноватость в некоторых случаях полезна, облегчая разработку пород, дробление их, изготовление щебня и т.п. В то же время при возведении тяжелонагруженных сооружений может оказаться необходимым удалить выветрелый слой породы или упрочнить массив нагнетанием в трещины цементного раствора (цементация).

2.3 Осадочные горные породы (ОГП)

Составляя всего 5% от массы ЗК, осадочные породы чаще всего слагают ее верхние слои и выходят на поверхность, оказываясь в зоне хозяйственно-строительной деятельности человека. На происхождение ОГП указывает название - формирующиеся из осадка. Последний возникает при разрушении ранее существовавших пород вследствие выветривания и переносе продуктов разрушения, при кристаллизации солей в усыхающих водных бассейнах, а также при накоплении остатков животных и растительных организмов. В соответствии с указанными условиями образования ОГП разделяются на три группы: обломочные, глинистые, химические и биохимические. Основной формой залегания ОГП является слой, в котором различают подошву, кровлю и мощность Н - расстояние между ними (рис.2.З).

Слоистость, значительная пористость, большая изменчивость прочности и сжимаемости, повышенная чувствительность многих пород к внешним воздействиям - характерные черты ОГП. В них нередко обнаруживаются остатки и отпечатки животных и растений, позволяющие устанавливать возраст пород. Охарактеризуем каждую группу ОГП.



Рис. 2.3. Формы залегания ОГП:

1 - слои; 2 - линзы; 3 - выклинивание слоя;

4 - пережим слоя (пласта); 5 - пропласток (прослоек)

2.3.1 Обломочные ОГП

Представляют собой скопления обломков ранее существовавших пород как результата их физического выветривания - увеличения трещиноватости с дальнейшим дроблением, измельчением пород под действием перепадов температуры, замерзания в порах и трещинах воды, кристаллизации солей при ее испарении. Особенно интенсивно физическое выветривание в районах с резко континентальным или холодным арктическим климатом. Далее продукты выветривания в той или иной мере изменяются под влиянием различных геологических факторов, образуя обломочные породы. На их свойства влияют размеры обломков, форма, характер поверхности, плотность сложения; наличие или отсутствие связей между обломками; их минералогический состав, а также характер цементирующего вещества при его наличии.

По размеру обломки или частицы объединяются в группы - фракции. Выделяются следующие фракции с размерами (мм): валуны (глыбы) d >100; галька (щебень) 40…100; гравий (хрящ, дресва) 2…40; песок 0,05…2; пыль 0,005…0,05; глина d<0,005. Указанные в скобках названия используются для неокатанных, угловатых обломков.

В природе обломочные породы представляют собой смесь различных фракций. Наименование породе присваивается по преобладающей фракции, cоставляющей по массе более 50%. Если связи между частицами отсутствуют, породы называются рыхлыми или несвязными. Это галечник, гравий, щебень, хрящ, песок. Для последнего ограничивается также содержание глинистой фракции тремя процентами. Цементированные природным цементом галька и гравий называются конгломератом; то же, щебень и хрящ - брекчия. Конгломераты образуются в прибрежной зоне морей и поэтому распространены шире брекчий. Цементированный песок называется песчаником.

Цементированными оказываются продукты вулканических извержений - пепел, песок и др. Оседая на землю, уплотняясь, цементируясь и твердея, они образуют пористые породы, называемые вулканическим туфами или туффитами, если включают обломочный материал другого происхождения.

Прочность несвязных пород зависит от трения между отдельными частицами; при шероховатой, угловатой их форме оно больше. Большое значение имеет плотность «упаковки» частиц: плотные породы будут и более прочными.

Содержание различных фракций в процентах по отношению ко всей массе достаточно представительной пробы породы называется гранулометрическим составом. Он приводится в табличной или графической форме и является важной характеристикой любых дисперсных грунтов. Соответствующий график называется кривой однородности (рис.2.4). Для неоднородного грунта кривая более пологая. Численно это можно характеризовать коэффициентом неоднородности k = d₆₀/d₁₀, т.е. отношением диаметров частиц, меньше которых в грунте 60 и 10% соответственно. Если k>3, то песок неоднородный. По размеру частиц пески подразделяются на гравелистые, когда частиц крупнее 2 мм более 25%; крупные и средней крупности, когда частиц крупнее 0,5 и 0,25 мм соответственно содержится более 50%; мелкие, когда частиц крупнее 0,1 мм более 75% и пылеватые, когда этих частиц менее 75%. Если содержание ни одной из перечисленных фракций не достигает 50%, песок называют разнозернистым. От гравелистых и крупных к пылеватым строительные свойства песков ухудшаются: снижаются прочность и водопроницаемость, увеличиваются сжимаемость и способность к разжижению, переходу в состояние плывуна, проявляется пучинистость.

Рис. 2.4. Графики гранулометрического состава грунтов

(кривые однородности): 1 - неоднородный песок; 2 - суглинок

Для цементированных пород очень важен вид природного цемента. По минеральному составу он может быть кремнистым (из минералов опал, халцедон), карбонатным (кальцит, доломит), железистым (лимонит), гипсовым, глинистым. В указанном порядке прочность цемента убывает; гипсовый растворим в воде, глинистый самый слабый и в воде размокает. Песчаники с кремнистым цементом по прочности могут не уступать граниту, а с глинистым иметь сопротивление сжатию 1 Мпа и менее. Цемент может быть смешанным, состоящим из разных минералов - например, карбонатно-гипсовым и т.п.

2.3.2 Глинистые ОГП

Наиболее распространены среди осадочных пород. Представляют собой продукты физического и химического выветривания первичных пород и обладают свойством пластичности: в некотором интервале влажности могут менять форму без нарушения сплошности - без появления трещин. Вне интервала пластичности с уменьшением влажности переходят в твердое состояние, а при увеличении - в текучее. Таким образом, в зависимости от содержания воды их физико-механические свойства сильно меняются.

Для глинистых пород особенно характерна дисперсность с высоким содержанием наиболее мелких фракций - пылеватой и глинистой. Достаточно небольшого количества глинистой фракции, чтобы проявились такие типичные свойства глинистых пород, как пластичность, усадка при высыхании, размокание и текучесть при увлажнении, липкость, набухание.

В начале своего формирования (диагенеза) глинистая порода представляет собой ил с большими влажностью и пористостью. Постепенно уплотняясь и обезвоживаясь, ил переходит в собственно глинистую породу, которая в зависимости от содержания глинистой фракции называется супесью (при содержании 3…10%), суглинком (10…30%), глиной (более 30%).

Если глинистая порода перекрывается толщей более поздних отложений, она уплотняется, обезвоживается, между частицами породы возникают прочные связи. Такая прочная камнеподобная глинистая порода, уже не размокающая в воде, называется аргиллитом. Однако в обнажении или выработке аргиллит интенсивно выветривается, рассыпаясь в мелкую щебенку неправильной угловатой формы. Аргиллиты со сланцеватой текстурой называются глинистыми сланцами.

Глинистые породы могут содержать различные примеси, что отражают в их названии: глины известковистые, кремнистые, железистые и т.д.

Особой разновидностью глинистых пород являются лессы. Их особенности - большое содержание пылеватой фракции, высокая пористость, (причем некоторые поры различимы на глаз - макропоры), малая естественная влажность, наличие в минеральном составе карбонатов и сульфатов. В природном состоянии лессы достаточно прочны, но при дополнительном увлажнении (замачивании), резко уплотняются даже под собственным весом, давая большие и быстропротекающие осадки - просадки. Отсюда их характеристика: «макропористые просадочные при замачивании грунты». При строительстве на них обязателен учет указанной особенности.

При длительном уплотнении лессы переходят в твердое камнеподобное состояние. Такие породы называют алевролитами. По своим свойствам они близки к аргиллитам.

2.3.3 Химические и биохимические ОГП

Это породы, образовавшиеся в результате выпадения вещества из водных растворов и накопления остатков растительных и животных организмов. По минеральному составу выделяют группы карбонатных, кремнистых, сульфатно-галоидных и углисто-битуминозных пород.

Наиболее распространенные карбонатные породы - известняки, состоящие в основном из кальцита. В виде примесей содержат глину, доломит, кремнистые соединения. Известняки могут быть органогенового происхождения (ракушечник, мел), химического (известковый туф, оолитовый известняк), смешанного - микрозернистый и мраморизованный известняки. К карбонатным породам относятся также мергель, представляющий смесь глины с кальцитом и доломит, состоящий из одноименного минерала с примесью гипса, кальцита и др. Выветрелые до порошка разности доломита называются доломитовой мукой.

К кремнистым породам относятся диатомит, трепел, опока; их основной минерал опал. Диатомит - сильно пористый, легкий, белого цвета, представляет собой скопление скорлупок диатомовых водорослей и по виду напоминает мел. Трепелы несколько плотнее, часто с примесью глины, карбонатов. Опоки представляют собой уплотненные трепелы; порода твердая и пористая, но поры неразличимы невооруженным глазом.

К сульфатам относятся гипс и ангидрит, к галоидам - каменная соль, состоящая из галита и калийная - из сильвина. Из водных растворов перечисленные соли выпадают в определенной последовательности: сульфаты, каменная соль, затем калийная. Поэтому часто встречаются вместе, залегая слоями и чередуясь с песчаниками, глинами, известняками. Отличительная черта - легкая растворимость, особенно у галоидов.

К углисто-битуминозным породам относятся ископаемые угли (бурый, каменный, антрацит), торф, асфальт, горючие сланцы. В отличие от других ОГП, это темные породы от бурого до черного цвета. Основное значение перечисленные породы имеют как полезные ископаемые; свойства торфа - основного типа отложений болот - важны также для строительства, особенно транспортного.

2.4 Метаморфические горные породы (ММГП)

Образуются из МГП и ОГП под действием факторов метаморфизма - высоких давления и температуры, химически активных жидкостей и газов. Метаморфизм может происходить в ограниченных зонах, например, вблизи области внедрения магмы или в зоне тектонических разломов и смещения пород, а может охватывать огромные территории. В последнем случае метаморфизм называется региональным. Соответствующие породы имеют наибольшее распространение; структура их кристаллическая, а по текстуре они могут быть сланцеватыми (гнейсы и различные сланцы) и несланцеватыми (мраморы и кварциты).

Гнейсы - породы, по минеральному составу и механическим свойствам близкие к гранитам, из которых они образуются при перекристаллизации последних. Но при метаморфизме может происходить изменение и минералогического состава; например, гнейсы возникают также в ходе глубокого метаморфизма глинистых пород. Сланцы - породы с наиболее отчетливо выраженной сланцеватостью, возникшей как результат перекристаллизации при метаморфизме. Плоскости сланцеватости ослаблены, по ним породы раскалываются при ударе и разрушаются при выветривании. Из-за анизотропности и легкой выветриваемости мало пригодны как строительный камень. Название сланца устанавливается по преобладающему минералу - слюдяной, тальковый, хлоритовый и др.

Мраморы представляют собой перекристаллизованные известняки и доломиты. В качестве примесей содержат кварц, графит, гематит, хлорит, пирит и др., что влияет на их свойства. Прочность на сжатие зависит также от структуры: для мелкозернистого мрамора до 200 МПа, а крупнозернистого до 70…100.

Кварциты образуются из кварцевого песка и песчаника. При метаморфизме отдельные зерна кварца оплавляются и сливаются в сплошную массу. Поэтому кварциты характеризуются большой прочностью (до 500 МПа), твердостью, абразивностью.

Лекция 3. Основы геохронологии. Эндогенные процессы

3.1 Абсолютный и относительный возраст горных пород. Геохронологическая шкала

Во многих случаях важное значение имеет возраст горных пород и установление времени и (или) последовательности геологических событий. Используемая в этих целях геохронологическая шкала построена с помощью двух методов определения относительного возраста пород: стратиграфического и палеонтологического. Суть первого способа в том, что вышележащий слой моложе подстилающего, нижележащего. Палеонтологический способ основан на изучении остатков, следов органической жизни, сохранившихся в горных породах. Жизнь на Земле развивалась от примитивных простейших форм к более сложным. Поэтому слои, содержащие следы более простых организмов, будут и более древними.

Оба способа имеют ограничения. Например, в результате сложных движений отдельных участков ЗК первоначальное залегание пород может нарушиться вплоть до «запрокидывания» слоев. В некоторых породах всякие следы жизни отсутствуют - например, в МГП. Тем не менее сочетание обоих способов, сопоставление геологического строения многих участков ЗК позволили составить геохронологическую шкалу, являющуюся также и стратиграфической.

Временные подразделения шкалы от более крупных: эра - период - эпоха - век. Соответствующие стратиграфические подразделения для горных пород: группа - система - отдел - ярус. Названия эр и периодов приведены ниже в таблице. В периодах выделяют две, а чаще три эпохи (ранняя, средняя, поздняя); названия отделов соответственно нижний, средний, верхний. Отличаются они индексами при обозначении периода или системы. Особые названия получили эпохи Кайнозойской эры: в палеогене 1 - палеоцен, 2 - эоцен, 3 - олигоцен; для неогена 1 - миоцен, 2 - плиоцен. В четвертичном периоде выделены две эпохи - плейстоцен (1,2,3) и современная - голоцен Q₄.

В конкретных геологических разрезах отложения некоторых систем и даже целых групп могут отсутствовать. Это означает, что в соответствующие периоды или даже целые эры на данной территории господствовали процессы разрушения и сноса пород (денудация). Такие выпадения характеризуются как стратиграфические перерыв (во времени) или несогласие (в залегании пород).

Возможность определять не только относительный, но и абсолютный возраст пород ЗК появилась только в ХХ веке, после изучения закономерностей процесса радиоактивного распада. В некоторых породах содержатся элементы, обладающие свойством переходить в другие (распадаться) при самопроизвольном испускании элементарных частиц. По содержанию в породе исходного элемента и продуктов его распада можно установить абсолютное время существования породы.

Указанным методом возраст наиболее древних пород ЗК оценен в 4,5 млрд. лет. Как видно из табл. 3.1, большая часть этого времени приходится на Архейскую эру, когда только появились осадочные породы и жизнь на Земле отсутствовала и на Протерозойскую - эру первичной жизни. Длительность последнего - четвертичного периода Кайнозойской эры составляет около 2 млн. лет.

Таблица 3.1

Эра (группа), лет	Период (система)	Эпоха (отдел)	Складчатость
KZ	Кайнозойская (65 млн.)	Четвертичный Q Неоген N Палеоген Pg	1, 2, 3, 4 1, 2 1, 2*, 3	Альпийская
МZ	Мезозойская (170 млн.)	Меловый К Юрский I Триасовый Т	1, 2 1*, 2, 3 1, 2, 3	Киммерийская
РZ	Палеозойская (330 млн.)	Пермский Р Карбон С Девонский D Силурийский S Ордовикский O Кембрийский €	1, 2 1* 2, 3 1, 2, 3 1, 2 1, 2, 3 1, 2*, 3	Герцинская
PR	Протерозойская (1930 млн.)	Венд V Рифей R Ранний PR	*	Каледонская
AR	Архей (2500 млн.)	-	-	Байкальская

Породы более раннего, дочетвертичного возраста называются коренными. При сравнении их с близкими по составу четвертичными они, как правило, оказываются более плотными и прочными. Свойства пород зависят от условий их образования и происходящих далее изменений. Очевидно, что изучать и описывать их вне времени невозможно. Поэтому возраст пород обязательно указывается при их описании, а также на геологических картах и разрезах.

В последнем столбце таблицы приведены названия эпох складчатости, т.е. периодов особенно интенсивного проявления эндогенных процессов, сильно изменивших строение ЗК и ее поверхности.

3.2 Тектонические движения (ТД) и дислокации

ТД разнообразны и классифицируются по ряду признаков:

- по времени проявления ТД подразделяются на древние (до палеогена), новейшие и современные, проявившиеся в исторический период.

- по скорости - медленные и быстрые (землетрясения);

- по преобладающему направлению - радиальные (вертикальные) и тангенциальные (горизонтальные); если первые были известны давно, то факт горизонтальных движений стал общепризнанным только в ХХ веке.

- по характеру движений - колебательные, складкообразующие и разрывообразующие.

Основным видом ТД являются колебательные, проявляющиеся практически везде. Они представляют собой очень медленные (несколько мм в год) поднятия и опускания отдельных участков ЗК, причем размеры этих участков могут меняться от нескольких до тысяч километров. Значение колебательных ТД очень велико, поскольку за длительные геологические периоды поднятия и опускания могут составить десятки и сотни метров, что приведет к изменению очертаний береговой линии и соответственно наступлению (трансгрессия) или отступлению моря (регрессия).

При изменении направленности движений меняется последовательность отложений: при отступлении моря в верхней части разреза оказываются прибрежные отложения гравия, гальки, конгломератов. При наступлении моря, наоборот, в верхней зоне такого трансгрессивного разреза залегают глинистые породы, известняки и др.

Далее, поднятие территории вызывает активизацию процессов денудации: реки углубляют русла, расчлененность поверхности и высота склонов растут, усиливается смещение пород на склонах, их снос. Опускание территории, напротив, способствует отложению осадков и накоплению отложений.

При проектировании сооружений на прибрежных территориях, в том числе участков железнодорожных линий, направленность и интенсивность ТД обязательно учитываются. Известны случаи разнонаправленных ТД по поперечному профилю долины реки, что затрудняет проектирование плотин, в особенности арочного типа. Наглядный пример практического значения ТД - длительное опускание суши в Голландии, что приводит к наступлению моря. Поэтому постоянно наращиваются защитные дамбы, достигшие уже высоты 15 метров. Другие примеры - изменение уровня Каспийского моря, Венеция и т.д.

Складко- и разрывообразующие ТД приводят к нарушениям первоначального залегания пород - дислокациям. К складкообразующим относятся дислокации без разрыва слоев: моноклиналь (наклон слоев) и складки - флексура, антиклиналь и синклиналь (рис.3.1). В последних выделяют ось складки, крылья и ядро - седло для антиклинали и мульду для синклинали.

По размерам, наклону оси, положению крыльев складки очень разнообразны. Важно, что складкообразование приводит к изменению не только положения форм залегания (слоев для ОГП), но и свойств пород. Например, в ядре антиклинали породы более трещиноваты, чем в ядре синклинали. В последнем следует ожидать большего обводнения пород.

Основные виды разрывных дислокаций - сбросы, взбросы, надвиги, сдвиги (рис.3.2). Во всех случаях смещения происходят вдоль поверхности разрыва - сместителя. Слои по обе его стороны называются крыльями. Крыло над сместителем - висячее; при сбросе оно опущено, при взбросе поднято по отношению к лежачему крылу под сместителем. Взброс по очень пологому сместителю называется надвигом. При сдвиге смещение происходит в горизонтальной плоскости.

Рис. 3.1. Складчатые дислокации:

а - моноклиналь; б - флексура; в - антиклиналь; г - синклиналь

Системы сбросов и взбросов образуют опускания пород - грабены, и поднятия - горсты. Грабены (при большой глубине образовавших их разломов называемые рифтами) часто образуют впадины озер (Байкал), узких морей (Красное море); горсты обычно представляют собой возвышенности - Саяны, Ангарский массив. Однако и горсты, и грабены могут быть перекрыты четвертичными отложениями и не обнаруживаться с поверхности. Такие дислокации встречаются, например, в Карелии; при этом перепад отметок кровли одинаковой скальной породы даже на отдельной строительной площадке может составлять 5-10 метров.

Рис. 3.2. Разрывные дислокации:

а - сброс; б - взброс; в - надвиг; г - грабен; д - горст;

1 - сместитель; 2 - лежачее крыло; 3 - висячее крыло

В зоне тектонического разрыва (разлома) происходит изменение первоначальных пород с возникновением новых ММГП - милонитов, тектонических брекчий. По разломам возможны прорывы подземных вод, в том числе термальных. Эти зоны облегчают распространение выветривания в глубину. Все это осложняет строительство подземных сооружений.

В условиях нарушенного залегания пород сложнее установление геологического строения; при этом необходимо характеризовать пространственное положение слоев, замеряя горным компасом углы их падения и азимуты простирания.

3.3 Платформы и геосинклинали

В геотектоническом отношении ЗК разделяется на платформы и геосинклинали. Платформы - большие по площади территории (например, Восточно-Европейская или Русская, Сибирская между р. Енисеем и Леной), для которых характерны лишь слабые колебательные движения. Разделяющие платформы геосинклинали, напротив, характеризуются интенсивными ТД всех типов, с проявлением процессов вулканизма и магматизма. Так, Русская платформа на юге ограничена средиземноморской геосинклиналью (Карпаты,Крым, Кавказ). Еще большее протяжение имеет тихоокеанская геосинклиналь.

В истории Земли чередовались длительные эпохи «тектонического покоя» со слабыми ТД и более короткие эпохи складчатости с интенсивными ТД, вулканизмом и магматизмом. Результатом такой тектонической революции являлось присоединение подвергнувшейся складчатости территории, то есть геосинклинали, к платформе. Выделяют геотектонические циклы: Байкальский (от позднего РR), Каледонский (от среднего кембрия до раннего девона), Герцинский (от раннего карбона до среднего триаса), Киммерийский (от ранней Юры до палеоцена) и Альпийский (от среднего палеогена до настоящего времени). В таблице начало цикла отмечено звездочкой над номером соответствующей эпохи (отдела).

Платформы имеют двухэтажное строение: первый этаж, или фундамент, сложен кристаллическими МГП и ММГП, а второй мощной толщей ОГП. Поэтому в платформенных условиях строительство проходит обычно в породах второго этажа, то есть осадочных. В условиях геосинклинали часто встречаются также МГП и ММГП. Плотность пород здесь выше, более сложны условия их залегания. Характерны распространенность дислокаций, повышенная степень метаморфизации. Существенно отличаются поля напряжений: для геосинклиналей коэффициент бокового давления в породных массивах зачастую оказывается больше единицы, так что горизонтальные напряжения больше вертикальных. Причина в интенсивных тектонических движениях.

Таким образом, ТД и геотектоническое строение в целом влияют на всю совокупность инженерно-геологических условий (ИГУ) - рельеф, геологическое строение, гидрогеологические условия, протекающие геологические процессы. Поэтому они должны учитываться при выборе местоположения сооружений, особенно подземных, проведении изысканий и проектировании их конструкций, выборе технологии возведения - например, проходки тоннелей. Тектонические разломы - это места наиболее интенсивного развития физического и химического выветривания пород; по ним возможен сильный приток в выработку подземных вод и смещения при землетрясениях. Следует еще отметить определяющее влияние тектоники при выделении инженерно-геологических регионов, то есть обширных территорий, характеризуемых общностью важнейших событий их геологической истории. Далее регионы подразделяются на области, устанавливаемые уже по климатическим и геоморфологическим признакам.

3.4 Сейсмические явления - землетрясения

Землетрясения делятся на тектонические, вулканические, денудационные и техногенные. Наиболее сильные - тектонические. Их причина - накопление энергии в некоторых областях ЗК вследствие происходящих в ней и подстилающей мантии процессов. Разрядка накопленной энергии и есть землетрясение, всегда проявляющееся как волновой нестационарный случайный процесс с толчками, колебаниями, смещениями пород по существующим разломам и с появлением новых разрывов и трещин. Место разрядки энергии, или очаг землетрясения называется гипоцентром, а его проекция на поверхность - эпицентром.

Вулканические землетрясения сопутствуют извержениям вулканов; денудационные возникают вследствие больших обвалов в горах, провалов в полости ЗК, образующиеся при некоторых геологических процессах. Техногенные землетрясения связаны с деятельностью человека; примеры - ядерные взрывы, устройство глубоких водохранилищ, закачка больших объемов воды в глубокие скважины.

Для оценки силы землетрясений используется 12-бальная шкала. Баллы устанавливаются по проявлениям землетрясения, включая ощущения людей, повреждения и разрушения сооружений, смещения пород и др. Применяются также другие шкалы; например, в сообщениях СМИ часто указывается магнитуда по шкале Рихтера, характеризующая энергию землетрясения.

Указание силы землетрясения, возможного в данном районе, или, иначе, сейсмического риска, имеет большое значение. Например, повышение балльности с 7 до 8 влечет удорожание сооружений на 20…30% за счет антисейсмических мероприятий.

На основе длительных исследований в СССР была составлена карта сейсмического районирования. Например, для Северного Кавказа по ней находим, баллов: Краснодар, Ставрополь - 6; Кисловодск, Пятигорск - 7; Махачкала -8.

Однако общая карта сейсмического районирования не может отразить всех особенностей участка. Возможно, что в пределах большого по территории города различные его районы будут подвержены различному сейсмическому риску. Уточнение его, или сейсмическое микрорайонирование проводится на основе учета ИГУ конкретного участка.

Перечислим факторы, заставляющие повышать сейсмический риск и соответственно балльность участка, указав также и возникающие опасности:

- резко расчлененный, тем более горный рельеф, вследствие чего резко возрастает опасность обвалов, оползней, селевых потоков;

- наличие на участке и вблизи него тектонических нарушений (разломы, сбросы, сдвиги и др.), по которым возможны смещения пород;

- высокое положение уровня подземных вод, обводненность пород;

- наличие в основании сильно выветрелых, трещиноватых скальных пород;

- то же - водонасыщенных песков (а для рыхлых - независимо от влажности) и глинистых грунтов с I_L>0,5. При сейсмических воздействиях возможно разжижение таких грунтов в основаниях сооружений, откосах насыпей и выемок.

- то же, вечномерзлых песчаных и глинистых грунтов, если предполагается их оттаивание при строительстве или эксплуатации сооружения; при этом их влажность повышается и они переходят в категорию предыдущих грунтов. В СНиП «Строительство в сейсмических районах» грунты подразделены на три категории; из них первая - благоприятные, а третья - неблагоприятные грунты, повышающие сейсмическую опасность. При первых расчетная сейсмичность может быть понижена, а при третьих, наоборот, повышена.

Антисейсмические мероприятия можно разделить на пассивные и активные. К первым относятся ограничения на нагрузки и параметры сооружений. Например, при сейсмичности 7…9 баллов высота насыпей на песчано-глинистых грунтах ограничена 20 метрами, глубина выемок 15 м. Сюда же относится прогноз землетрясения, информация населения о поведении и защите, страхование и другие меры социального характера.

Активные меры сейсмозащиты зависят от типа сооружений и рассматриваются в специальных курсах.

Лекция 4. Основы грунтоведения

4.1 Строительная классификация грунтов

Изложенное в л.№2 показывает, что породы, по условиям образования относящиеся к различным группам, могут обладать прочностью одного порядка: например, гранит (МГП), мрамор (ММГП), песчаник с кремнистым цементом (ОГП). С другой стороны, в группе ОГП сжимаемость торфа на 3 - 4 порядка выше, чем твердой глины или аргиллита.

Поэтому по строительным свойствам выделяются следующие группы пород: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и особые.

К скальным и полускальным относятся породы с прочными кристаллизационными или цементационными связями отдельных частиц. Практически это все МГП, ММГП, ОГП обломочные цементированные, аргиллиты, алевролиты, химические и биохимические ОГП. Формальным критерием для выделения полускальных является меньшая прочность (расчетное сопротивление сжатию R < 5 МПа).

Три следующих группы представляют собой дисперсные (раздробленные) породы, состоящие из твердых частиц и пор, заполненных жидкостью (обычно вода) и газом (обычно воздух, иногда метан, сероводород и др.) В некоторых случаях присутствуют микроорганизмы, бактерии (биота). Таким образом, дисперсные грунты представляют собой многокомпонентные системы (обычно трехфазные) и их строительные свойства определяются как свойствами отдельных составных частей (компонент или фаз), так и их соотношением. Детально они изучаются в грунтоведении.

В последнюю группу особых объединены породы, обладающие тем или иным особым, характерным только для них свойством. Это, например, торф, лесс, мерзлые грунты.

4.2 Физические показатели, их использование в классификациях грунтов

Соотношение составных частей грунта можно охарактеризовать тремя основными физическими показателями:

Плотность с - отношение массы образца к его объему (обычно с= 1,5 …2,2 т/м³); плотность частиц грунта с_s - отношение массы частиц к их объему (обычно с_s = 2,5…2,7 т/м³); влажность щ - отношение массы воды в пробе к массе частиц. Обычно влажность значительно меньше единицы, но для торфа возможно и щ > 1, причем намного больше.

На практике часто используются показатели, которые можно рассчитать по основным, например:

- плотность сухого грунта _d - отношение массы частиц к объему (пробы) грунта;

- пористость n - отношение объема пор ко всему объему; пористость можно рассчитать по введенным показателям: n = 1 - _d/_s;

- коэффициент пористости е - отношение объема пор к объему частиц, причем n и е взаимосвязаны: е = n/(1- n);

- степень влажности S_r - отношение объема воды к объему пор; если поры грунта полностью заполнены водой, то S_r = 1 и такая влажность представляет собой полную влагоемкость, или водопоглощение грунта.

Значения пористости или коэффициента пористости позволяют характеризовать состояние грунта по плотности - плотное, средней плотности или рыхлое. По значению S_r грунты подразделяются на маловлажные (S_r <0,5), водонасыщенные (S_r > 0,8) и влажные при значении в указанном интервале.

Для глинистых грунтов, кроме приведенных, важными показателями являются влажности, соответствующие верхней и нижней границам пластичности, получившие названия верхнего и нижнего пределов пластичного состояния грунта, или, соответственно, его пределов раскатывания щ_p и текучести щ_L. Их разность называется числом пластичности; это интервал влажности, в котором глинистая порода находится в пластичном состоянии.

Для большинства глинистых пород число пластичности I_p тесно связано с содержанием глинистой фракции. Поэтому на практике используется классификация: при I_p< 0,07 грунт супесь, при I_p > 0,17 - глина; при изменении числа пластичности в указанном интервале грунт- суглинок.

Консистенция, т.е. состояние глинистого грунта по отношению к пределам пластичности, оценивается показателем текучести I_L= (щ - щ_p)/(щ_L - щ_p). Очевидно, при I_L < 0 консистенция твердая, при I_L > 1 - текучая, а в интервале от 0 до 1, т.е. при пластичной консистенции для суглинков и глин выделяют еще состояния полутвердое, тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное (с шагом I_L, равным 0,25).

4.3 Состав дисперсных грунтов

Для характеристики твердой фазы, или скелета грунта устанавливаются минеральный и гранулометрический составы грунта. Особенности их влияния на свойства грунтов отмечались ранее (см. л. №2 и рис. 2.4) и будут рассматриваться далее для различных генетических типов грунтов. Имеет значение также содержание органического вещества, повышающего дисперсность грунта и снижающего его плотность и водопроницаемость.

Вода в порах грунта разнообразна по свойствам и значению. Она подразделяется на свободную и связанную. Свободная может быть в газообразном состоянии (водяной пар) и жидком - гравитационная и капиллярная. Связанная вода подразделяется на химически и физически связанную.

Гравитационная вода заполняет открытые поры и трещины в грунтах, перемещаясь под действием силы тяжести. Для большинства грунтов закон этого движения, или фильтрации воды, имеет вид:

V = Q/A = k I,

где V - скорость фильтрации (фиктивная), м сутки;

Q - расход воды в единицу времени, м³/с;

А - площадь поперечного сечения;

I = (H - h)/L - гидравлический градиент, т.е. разность напоров на единицу пути фильтрации (рис.4.1);

k - коэффициент фильтрации, т.е. скорость фильтрации при единичном градиенте.

...