Инженерно-геологические процессы

Содержание 
 
Раздел 1. Основы грунтоведения. 
1.1 Структура грунтоведения……………………………………………………3

1.2 Классификация грунтов (по гранулометрическому составу, числу пластичности, минералогическому составу……………………………………4 
1.3 Физические свойства грунтов (влажность грунта, влажность на границе текучести, влажность на границе раскатывания, плотность грунта, плотность частиц грунта, пористость, льдистость, проницаемость грунта)………….….7 
1.4 Механические свойства (модуль Юнга, компрессионная кривая грунта, сопротивление грунтов сдвигу, закон Кулона-Мора, понятие инженерно-геологический элемент)…………………………………………………………..8 
Раздел 2.Инженерно-геологические процессы (и способы защиты от их проявлений) 
2.1. Классификация процессов ……………………………………….………...13 
2.2. Выветривание (виды, элювий)……………………………………………..15

2.3. Карст…………………………………..……………………………………..22 
2.4. Абразия берегов морей, озер и водохранилищ……………………………23 
2.5. Гравитационные процессы (оползни, обвалы, коллювий, элементы оползня…………………………………………………………………………...23 
Раздел 3. Региональная инженерная геология 
3.1. Инженерно-геологические условия (примеры)…….…………………….24 
3.2. Инженерно-геологическое районирование……………………………….25 
3.3 Инженерно-геологические карты (масштабы и назначение)…………….26 
Раздел 4. Инженерно-геологические изыскания 
4.1 Состав инженерно-геологических изысканий (лабораторные и полевые методы исследования грунтов, определяемые ими характеристики грунта)………………………………………………………………………..….27 
4.2 Содержание отчета по инженерным изысканиям………………………...28 
Список литературы……………………………………………………………..31 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Раздел 1. Основы грунтоведения.

 
1.1. Структура грунтоведения

 
       Содержание грунтоведения как науки вытекает из определения термина «грунт». Под грунтами принято понимать любые горные породы, почвы и техногенные образования, обладающие определёнными генетическими признаками и рассматриваемые как динамичные многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека.  
       Грунтоведение включает в себя общее, региональное и геодинамическое грунтоведение. 
      Общее грунтоведение – научный раздел грунтоведения, исследующий общие особенности состава, состояния, строения и свойств грунтов и их ассоциаций, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов. В рамках этого раздела исследуются логическое (общепланетарное) разнообразие химико-минерального и структурно-текстурного многообразия грунтов и их свойств и влияние на них различных факторов. Общее грунтоведение исследует объект в основном в признаковомпространстве. 
      Региональное грунтоведение – научный раздел грунтоведения, исследующий особенности пространственного распределения грунтов, пространственно-временные закономерности формирования их состава, состояния и свойств и изменение под воздействием современных и прогнозируемых природных и антропогенных процессов. Региональное грунтоведение исследует свой объект чаще всего в геологическом пространстве, причем он (объект) может рассматриваться и в морфологическом, и в ретроспективном, и в прогнозном планах. Региональное грунтоведение представляет собой научный раздел региональной инженерной геологии. 
      Геодинамическое грунтоведение – научный раздел грунтоведения, исследующий закономерности пространственно-временного изменения состава, состояния и свойств грунтов под влиянием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов.     Объект – динамическая система – в этом случае обычно изучается в физической временной системе в геологическом пространстве.        Геодинамическое грунтоведение является одновременно и частью инженерной геодинамики.  
       Общее, региональное и геодинамическое грунтоведение тесно связаны между собой как по объекту, так и по методам исследования. Каждый из этих научных разделов изучает разные стороны исследуемого объекта и вносит необходимый элемент и познание грунтов и грунтовых толщ.

 

1.2. Классификация грунтов (по гранулометрическому  составу, числу пластичности, минералогическому составу)

         Рыхлые  грунты состоят из механической  смеси частиц различных размеров. Частицы, близкие по крупности, объединяют в группы, которые называют гранулометрическими (зерновыми) фракциями. Гранулометрический состав грунта, т. е. весовое содержание в нем различных фракций, выраженное в процентах по отношению к общему весу сухого грунта, весьма разнообразен и оказывает большое влияние на его важнейшие физико-механические свойства.

          Отдельные  фракции грунта классифицируются по крупности следующим образом:

  

     Твердые частицы имеют различную форму (шарообразную, пластинчатую, тонкоигольчатую и пр.). Лабораторное определение гранулометрического состава грунта зависит от крупности частиц. Для выделения фракций крупнее 0,05 мм применяют ситовый анализ (просеивание через сита с различным диаметром отверстий), а менее 0,05 мм - пипеточный метод (по скорости оседания частиц в спокойной воде).

       Минеральные частицы грунтов или отдельные агрегаты (скопления частиц) могут быть связаны или не связаны между собой так называемыми структурными связями. К несвязным относят крупнообломочные и песчаные грунты, наименование которых устанавливается по зерновому составу (табл. 3).

Таблица 3   Виды крупнообломочных и песчаных грунтов

       Внутренние связи препятствуют перемещению частиц или агрегатов грунта, а их прочность, жесткость и упругость являются важными факторами, определяющими свойства грунтов как оснований сооружений и как строительного материала (э насыпях, дамбах, плотинах и т. д.).

       Различные глинистые грунты относятся к связным: они обладают способностью сопротивляться разрыву.

Наименование таких грунтов можно установить по содержанию в них глинистых частиц (табл. 4).

Таблица 4  Классификация глинистых грунтов

 
       Это содержание определяют по увеличению объема (набуханию) грунта в воде или по пределу раскатывания. Последний метод заключается в следующем: из грунта делают пластичный шарик диаметром 5—8 мм и на листе бумаги или на ладони раскатывают в жгут до минимального диаметра, при котором грунт уже начинает крошиться. По этому диаметру и устанавливают содержание глинистых фракций (табл. 5).

Таблица 5 Определение содержания глинистых частиц по пределу раскатывания грунта

 
        Связь между отдельными частицами или агрегатами глинистого грунта обусловливается главным образом их взаимодействием с молекулярной водой  (водно-коллоидные связи) и появлением различных цементирующих веществ в местах контактов между минеральными составляющими (кристаллизационные связи).

        Связность глинистых грунтов главным образом зависит от их минералогического состава, размеров и формы частиц и особенно влажности, в зависимости от которой эти грунты могут находиться в твердом, пластичном и текучем состояниях.

При малой влажности глинистый грунт является твердым телом и может обладать достаточно высокой прочностью. Для его разработки часто требуется применение ударных механизмов и даже проведение взрывных работ.

При большой влажности тот же грунт свободно стекает с лопаты.

Промежуточное положение, в котором находится глинистый грунт между твердым и текучим состояниями, называется пластичным. В этом случае грунт под действием внешних сил легко изменяет свою форму без образования трещин и сохраняет ее после снятия нагрузки.

Переход грунта из одного состояния в другое происходит при определенном для него уровне влажности, который зависит от содержания глинистых частиц. Чем больше таких частиц в грунте, тем больше число пластичности Wп, которое определяется по формуле:  
Wп =Wтек –Wтв где  Wтек - весовая влажность  грунта (в %), соответствующая переходу его из пластичного состояния в текучее или наоборот (верхний предел пластичности); Wтв - весовая влажность грунта  (в  %), соответствующая переходу его из пластичного состояния в твердое или наоборот (нижний предел пластичности). По   числу   пластичности   можно   определить   разновидность грунта:   Wп >17 - глины;    Wп = 17-7 - суглинки;     Wп = 7-1 - супеси. Например, если Wтек = 25%, а Wтв =15%, то число пластичности Wп равно 10, и грунт относится к суглинкам.

Если число пластичности грунта менее 1, значит он совсем не обладает пластичностью и при увлажнении сразу переходит из твердого состояния в текучее. Такое свойство характерно для крупнообломочных и песчаных грунтов, имеющих Wп<1.

Особую разновидность глинистых грунтов представляют лессы. Важнейший признак этих грунтов - наличие крупных пор (макропор), размеры которых превышают диаметр минеральных частиц. По гранулометрическому составу лессовые грунты отличаются однородностью с преобладанием пылеватых фракций (обычно более 50%). Кроме указанных характерных признаков, лессовые грунты быстро размокают в воде (в течение 1-2 мин) и вскипают при действии на них кислоты (так как содержат углекислый кальций).

Все мелкозернистые грунты - от слабоглинистых песков до жирных супесей - при определенных гидродинамических условиях могут переходить в плывунное состояние и превращаться в густую, вязкую жидкость. В этом состоянии их называют плывунами. Они содержат значительное количество мельчайших частиц - ультраколлоидов, которые при взбалтывании такого грунта в дистиллированной воде долгое время (несколько месяцев) могут находиться во взвешенном состоянии.

 
1.3. Физические свойства грунтов (влажность, плотность, пористость) 
 
         Представим себе некоторый объем трехкомпонентного грунта массой , разделенный на отдельные компоненты, где , — соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной компонент грунта . Тогда , так как масса газообразной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияния на результаты определений. 
         Плотность грунта (г/см3, т/м3) - отношение массы грунта к его объему: .  
Величина плотности грунта зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости) грунтов. С увеличением содержания тяжёлых минералов она увеличивается, а при увеличении содержания органических веществ уменьшается. С увеличением влажности плотность возрастает; максимальной при данной пористости она будет в случае полного заполнения пор водой. С увеличением пористости плотность грунта уменьшается. Плотность дисперсных грунтов колеблется обычно от 1,30 до 2,20 г/см3. Грунты, характеризующиеся наличием жёстких кристаллизационных и цементационных связей между частицами, обладают большей плотностью, которая при малой пористости приближается к значению плотности твёрдых частиц.  
       Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах: .  
       Плотность частиц грунта (г/см3, т/м3) определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему: .  
       Плотность сухого грунта (плотностью скелета грунта) - отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта: или .  
       Пористость грунта - отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта: .  
      Пористость и коэффициент пористости характеризуют структуру грунта. Весовая пористость характеризует влажность грунта при полном заполнении пор водой. Пористость, не являясь расчетной величиной, используется как весьма важная вспомогательная характеристика при некоторых расчетах, например при выборе расчетных сопротивлений грунтов, при построении компрессионной кривой, при вычислении характеристик сжимаемости и др.  
Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта, тогда .  
     Коэффициент пористости грунта - отношение объема пор к объему твердых частиц: или .  
      Степень влажности (степень водонасыщения) - отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости: или .  
 
1.4. Механические свойства (компрессионная кривая грунта, сопротивление грунтов сдвигу) 
      Механическими называются те свойства грунтов, которые характеризуют их поведение под нагрузкой.

     Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации[1]. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

где:

• E — модуль упругости,
• F — сила,
• S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы,
• l — длина деформируемого стержня,
• x — модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Через модуль Юнга вычисляется скорость распространения продольной волны в тонком стержне:

где   — плотность вещества.

 

Компрессионная кривая

Поскольку уплотнение и разуплотнение, грунта непосредственно связаны с изменением его пористости, в проектно-изыскательской практике результаты компрессионных испытаний традиционно представляют в виде компрессионной кривой  -  зависимости коэффициента пористости грунта от сжимающего напряжения.

Компрессионные кривые и зависимости изменения относительной деформации от напряжения:

1  -  нагружение; 2  -  разгрузка

Если исходить из того, что твердые частицы грунта и норовая вода практически несжимаемы и жесткое металлическое кольцо полностью препятствует боковым деформациям, то сжатие образца в одометре компрессионного прибора происходит только за счет уменьшения объема пор. Следовательно, объем твердых частиц в образце грунта в процессе его уплотнения остается постоянным, а объем пор уменьшается. Тогда в соответствии с определением уменьшение коэффициента пористости при изменении объема образца грунта в связи с его уплотнением будет иметь вид.

С другой стороны, поскольку образец деформируется без возможности бокового расширения, общее уменьшение объема пор (пористости) будет численно равно произведению осадки образца на его площадь A. Объем твердых частиц в образце в соответствии с формулой определится. Формулой пользуются для вычисления коэффициентов пористости грунта при каждой данной ступени нагрузки и построения по результатам опытов компрессионной кривой. Естественно, что эти же рассуждения соответствуют и случаю разгрузки образца, тогда в формулах знак минус надо заменить на плюс 
       Компрессионная кривая изображается в координатах: коэффициент пористости e - давление p, МПа. Для полностью водонасыщенных глинистых грунтов она может быть представлена в координатах: влажность w - давление p, МПа. Зависимость осадки штампа s, мм, от нагрузки p, МПа, представлена на графике.        
        С увеличением давления кривая становится более пологой, так как грунт при этом постепенно уплотняется и становится менее сжимаемым. 
Закон сжимаемости в дифференциальной форме имеет вид где e - коэффициент пористости, p - давление, m0 - коэффициент сжимаемости. Знак минус перед m0 вызван тем, что при увеличении давления коэффициент пористости уменьшается. В разностной форме этот закон записывается и формулируется так: отношение приращений коэффициента пористости и давления есть величина постоянная, равная коэффициенту сжимаемости с обратным знаком.