Инженерная геология

 

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ТЕКУЧИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

Распространяясь по поверхности  земли в сторону падения рельефа, вода разрушает горные породы, переносит  их и откладывает продукты разрушения. Этот процесс носит название эрозии (делювий).

При таянии снега и  дождя отдельные струйки воды образуют на склонах рельефа временные потоки, которые приводят к возникновению оврагов. Образование оврагов представляет собой большую угрозу для культурных угодий и поселений, дорог и сооружений. Это вызывается интенсивным развитием овражной сети, при этом глубина оврагов достигает нескольких десятков метров с общей протяженностью 5-10 и даже 20 км.

Геологическая деятельность рек оказывает исключительно  большое влияние на формирование земной поверхности. Долиной реки называется углубление в земной поверхности, в котором протекает река. Руслом ее называют часть долины, заполненной водой при меженном (низком) уровне. Та часть долины, которая заполняется паводковыми водами, называется поймой. Незаливаемые участки долины реки образуют надпойменные террасы.

Рекой переносятся частицы  горных пород на большие расстояния. Они откладываются в тех местах, где уменьшается скорость течения, и образуют аллювиальные отложения или аллювий. В зависимости от условий отложений различают пойменный (представлен суглинками различного состава, супесью, глиной и мелкозернистыми песками), русловый (пески и более грубые обломки – галечник, гравий, валуны) и дельтовый аллювий. Дельтовый аллювий накапливается в устьях рек при впадении в водный бассейн. Происходит это при потере рекой скорости движения, и весь принесенный обломочный материал оседает на дно.

В горных районах при  определенных условиях (обильные выпадения  дождей или быстрое снеготаяние) возникают грязевые потоки, которые называются селями. Вода такого грязекаменного потока после прекращения движения фильтруется у подножья, а каменный материал осаждается в виде конуса выноса. Такие отложения селевого потока называются пролювиальными.

 

САМОСТОЯТЕЛЬНО

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРЕЙ, ОЗЕР И БОЛОТ

Изучение разрушительного воздействия волн моря и крупных озер имеет большое значение для устройства и эксплуатации ограждений в портах, охранения трассы автомобильных и железных дорог. Геологическая деятельность моря определяется в основном разрушением морского берега под действием прибоя. Разрушающее действие морских волн называется абразией. Под влиянием абразии береговой уступ отодвигается к суше и образует подводную террасу. При этом образуется узкая полоса между подводной террасой и береговым уступом, называемая пляжем (рис. 5.10).

В морях и океанах  осадки распределяются в основном равномерно. Морское дно можно разделить на литоральную, неритовую и абиссальную зоны (рис. 5.11).

 

Литоральная (береговая) зона (глубина 0-20 м) располагается на береговой полосе и представляет собой зону отложений самых крупных продуктов морских разрушений. Около берега откладывается щебень, далее следует галька, пески; так постепенно формируется пологая наклонная слоистость (рис. 5.12). В неритовой зоне (глубина 20- 200 м) отложения характеризуются большим разнообразием. На определенном расстоянии от берега в сравнительно спокойных условиях осаждаются мелкие частицы, представленные продуктами речного стока и морского разрушения, а также глинистыми отложениями. Здесь отлагаются химические и органогенные породы. Шельф (мелководье) окаймляет материки и архипелаги узкой полосой 60-70 км и глубиной до 400 м. Он полого спускается в сторону батиальной зоны и составляет около 8% площади морского дна. По геологическому строению шельф не отличается от прибрежной суши.

Батиальная и абиссальная зоны (глубина более 200-400 м) представлены илами, красными глубоководными глинами и различными нерастворимыми осадками. На больших глубинах вторичные биохимические осадки постепенно сменяются грубозернистыми отложениями.

Озерами называются замкнутые углубления на поверхности земли, заполненные водой и не связанные с морями и океанами. Озера занимают 2% суши. Аккумуляция осадков озер происходит за счет впадающих рек, химических и биологических процессов. В озерах образуется большое количество органических осадков в виде гнилостных илов (сапропель). Последний уплотняется и образует плотную и легкую породу, называемую сапроколой.

Болотами называются участки земной поверхности, избыточно увлажненные, с развитой специфической растительностью и покрытые торфяниками. Большинство болот образовалось из озер в результате их обмеления и развития растительности. Болотные отложения в основном представлены торфом, подстилаемым сапропелем. Торф имеет очень большую и неравномерную сжимаемость достигающую 30-50% толщины слоя.

 

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ РАБОТА ЛЕДНИКОВ

Льды занимают в настоящее  время 10 % всей поверхности суши, большая их часть приходится на полярные области (98,5%) и высокие горы (1,8%). Различаются ледники горные и материковые. Горные образуются высоко в горах, располагаясь на вершинах, в ущельях, впадинах и углублениях, материковые представляют собой мощные ледяные массы со сплошным покровом.

В процессе движения лед  истирает и вспахивает поверхность земли, создает котловины, рытвины, борозды. Движущимся льдом увлекаются обломки горных пород и образуют подвижную прослойку ледника. Такие массы обломочного материала называют моренами. Существует донная морена – обломочный материал донной части ледника и боковая – породы боковой части ледника. На поверхности ледника также скапливаются обломки горных пород и образуют поверхностную морену (рис. 5.14).

 

 

СМЕЩЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА СКЛОНАХ

При оценке устойчивости все склоны подразделяются на три  основные группы: склоны сноса; склоны обрушения и склоны накопления.

В результате воздействия  различных внешних факторов (вода, лед и т. д.) происходит максимальное выполаживание и сглаживание  склона, что ведет к образованию склонов сноса. Эти склоны обладают определенным запасом устойчивости. Если склоны подвержены оползням и им угрожают оползневые явления, то они относятся к группе склонов обрушения. При накоплении продуктов разрушения горных пород у подножия склонов образуются склоны накопления. Как и склоны обрушения, они находятся в состоянии предельного равновесия. Большую опасность представляют осыпи – двигающиеся скопления крупнообломочных продуктов выветривания.

Нарушение устойчивости склонов происходит чаще всего под  влиянием активных сил, уменьшением  сил сопротивления склонов под одновременным воздействием многих факторов. Среди них существенное значение имеют процессы выветривания, способствующие образованию трещин и понижению сопротивления грунтов сдвигу. Поверхностные воды морей, рек и озер подмывают подошву склона и образуют впадину, над которой склон подвисает. Важную роль в понижении устойчивости склонов играют подземные воды, которые могут растворять и выносить частицы грунта приподошвенного слоя и, таким образом, стать причиной оползней суффозионного происхождения. Устойчивость склонов может быть снижена также вследствие гидростатического давления воды (увеличивает действующие сдвигающие силы), дополнительным увлажнением маловлажных пород атмосферными и хозяйственными водами, строительством на склонах, сейсмическими явлениями.

Для разработки противооползневых  мероприятий важно знать основные формы нарушения устойчивости склонов  и откосов(рис. 5.15). Обвалы и вывалы характеризуются неожиданностью проявления и более всего происходят у скальных и глинистых, сцементированных пород с выраженными трещинами и крутыми уступами. В таких породах опасно замерзание воды, потому что при оттаивании льда днем возникают опасные камнепады. Обвалы могут возникнуть в связи с землетрясениями, при подмыве водой крутых берегов, подстилаемых неустойчивыми породами. Для склонов и откосов, сложенных глинистыми однородными породами, возможно обрушение со срезом и вращением. В этом случае создается перенапряжение под действием собственного веса грунта и в откосе появляются поверхности с опасностью сдвига по ним определенной части толщи. Линии возможного среза откоса имеют криволинейный характер и ниже переходят в прямую или ломаные линии. Перемещение оползающего клина происходит с вращением вокруг одного из нескольких центров вследствие криволинейности линии среза. Скол при просадке обусловлен выдавливанием из основания откоса слабых размягченных пород, выпиранием из толщи плывунов. Оползень-скольжение имеет отчетливо выраженную поверхность скольжения с углом падения в сторону склона и перемещением по поверхности скольжения глыб и пачек пород. Скольжение в данном случае происходит по маломощным глинистым прослойкам, контакту двух слоев, линиям тектонических разломов. Решающую роль здесь всегда играет выветривание и смачивание водой поверхности скольжения. Покровные толщи могут перемещаться по увлажненным глинистым прослойкам при их слабом падении в результате фильтрационного давления грунтовых вод. Наиболее часто встречающейся формой оползневого процесса являются покровные оползни – оползания. Характерным для них является отсутствие поверхностей скольжения. Роль секущей массива склона выполняют поверхности коренных пород (поверхности оползания). Оплыв возникает при перемещении по склону обильно увлажненных земляных масс. Обычно это возникает при локальном увлажнении земляных масс и их отчленении от толщи пород. При этом отсутствует фиксированная поверхность скольжения и оплыв происходит локально, в местах выходов грунтовых вод – источников и ключей.

 

ЯВЛЕНИЯ СУФФОЗИИ И КАРСТА

Горные породы подвергаются воздействию движущихся подземных вод механически и химически. В результате происходит вынос частиц пород, образуются провалы и пустоты и поверхность земли оседает. Этот процесс называется суффозией. Вынос частиц пород зависит от многих факторов, в том числе от таких, как размеры пор и частиц, минералогический состав, скорость фильтрации воды, гидродинамический напор. Различают два вида суффозии – механическую и химическую. Механическая суффозия обусловлена перемещением частиц пород, химическая определяется процессами выщелачивания, в результате чего разрушаются кристаллические связи и породы перемещаются. При этом сначала растворяются соли стенок пор и далее – карбонатные частицы. С растворением солей и карбонатов происходит увеличение пор и, как следствие, вынос нерастворенных грунтовых частиц.

При определении мер  по борьбе с суффозией необходимо прежде всего прекратить движение воды через массив в горных породах. С  этой целью применяют тампонаж пород твердеющими растворами, устройство дренажа, противо-фильтрованный завес и т. д.

Карстом, или карстовым явлением, называется химическое растворение горных пород в земной коре и на ее поверхности, сопровождающееся образованием крупных пустот (каналов, пещер). Карстовые явления имеют место в областях с залеганием легко растворимых горных пород – известняка, гипса, доломитов, мергелей и т. Воздействие протекающей воды на породу может усиливаться или ослабляться в зависимости от химического состава воды и породы.

Наиболее распространенной формой карстовых явлений являются карстовые воронки, достигающие по своим размерам 1-100 м в поперечнике и глубины 1-20 м.

 

ПЛЫВУНЫ

Происходящие в рыхлых горных породах гидродинамические процессы приводят к возникновению плывучести или оплыванию. Горные породы, обладающие свойствами плывучести, получили название плывунов.

Плывуны – преимущественно песчаные породы, проявляющие подвижность при определенных гидродинамических условиях. Плывуны — это пески, содержащие гидрофильные коллоиды, ложные не содержат коллоидных частиц. Установлено, что у истинных плывунов в состояний естественной влажности отсутствуют контакты между зернами и они располагаются в плотной массе хлопьев высокодисперсного материала. Высокогидрофильная коллоидная масса образует очень подвижную малопрочную структурную сетку, в которой располагаются зерна инертного заполнителя. Это приводит к высокой влажности песчано-коллоидных пород (21-48%), высокой пористости (41-58%) и значительной максимальной молекулярной влагоемкости (3-18%). Основной причиной образования структуры плывунов является деятельность особых микроорганизмов, которые поглощают органические и минеральные вещества грунта и выделяют коллоидную массу – слизь. Плотность истинных плывунов может изменяться при их перемещении, разжижении и самоуплотнении. Прочность плывунов может уменьшаться в 50-300 раз при нарушении их естественной структуры. Например, при сопротивлении сжатию, равном 0,28-0,43 МПа в природном состоянии, оно уменьшается в 80 - 100 раз после нарушения структуры.

К мероприятиям по борьбе с плывунами относится осушение пород, насыщенных водой. Это осуществляется откачкой воды из скважины. Если водопроницаемость плывунов составляет не менее 1 м/сут, осушение осуществляется откачкой воды из скважин. При осушении плывунов с водопроницаемостью менее 0,2 м/сут используют иглофильтры, электродренаж, возможна также изоляция плывунов шпунтовыми ограждениями, в горных выработках – заложением опускных колодцев. Иногда используется кессонный способ проходки плывунных грунтов или замораживание.

 

ЛЕКЦИЯ 6          Инженерно-геологические изыскания

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ  ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

Изыскания подразделяются на ряд этапов, которые соответствуют стадиям проектирования. На стадии технико-экономического обоснования проекта (ТЭО) собирают литературные и архивные материалы об инженерно-геологических условиях площадки строительства, при этом сами исследования приводятся очень редко. Материалы используют для определения технической возможности и экономической целесообразности строительства. Инженерно-геологические обоснования начальных стадий проектирования (проектные задания, технический проект) выполняются на основе изысканий большого района или нескольких конкурирующих участков. Среди них ведущее место занимает инженерно-геологическая съемка, геофизические работы, зондирование грунтов. Объем инженерно-геологических изысканий во многом определяется геоморфологической характеристикой строительной площадки.

Для составления рабочего проекта инженерно-геологические  изыскания проводятся на участке строительства сооружений. Здесь преобладают разведочные работы, полевые опытные испытания грунтов. Инженерно-геологические изыскания для жилищного и промышленного строительства производят для обеспечения проектирования и строительства зданий и сооружений с учетом их надежности, долговечности и экономичности. Изыскания проводят в два этапа: на первом выполняются необходимые исследования для выбора участка строительства, на втором – детальные исследования, основными из которых являются лабораторные определения физико-механических характеристик грунтов оснований проектируемых зданий. Зачастую гражданские здания и сооружения проектируют в одну стадию, которая называется рабочим проектом. При одностадийном проектировании и отсутствии генерального плана проводят предварительные изыскания, позволяющие сделать выбор участка. Эти изыскания переходят сразу в рабочий проект. Необходимо иметь в виду следующие факторы:

1) инженерно-геологические  изыскания на предпроектном этапе  должны дать такой материал, который позволит решить все вопросы по использованию территории строительства с обеспечением охраны природы и реализации мероприятий по борьбе с негативными последствиями, возможными в результате влияния строительства на окружающую геологическую среду;