Инженерно-геологические процессы

 

 

 

 

Сопротивление грунтов сдвигу

Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т.

В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р1, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ1.

Берём второй образец с Р2 и получаем τ2.

Фотография локализованного объема сдвига грунта в сдвиговом приборе

На приведенной фотографии показана зона локализованного сдвига, возникающая в месте среза в образце грунта. Отдельные полосы, полученные в результате проведенного опыта, показывают зону развития касательных напряжений τ в образце грунта по мере возрастания сдвигающей нагрузки (Т). В момент разрушения образца грунта касательные напряжения достигают максимального значения τ.

Существуют большое разнообразие типов сдвиговых приборов, применяемых в лабораторных испытаниях

Результаты испытаний на сдвиговом приборе могут быть представлены следующей схемой:

Здесь:

• φ – угол внутреннего трения грунта;
• Ре – давление связности;
• С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой).

На представленном рисунке приведены результаты испытаний (доведение до разрушений) 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р1< Р2< Р3(левый график представленной схемы). В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τmax1,τmax2, τmax3, значения которых откладываем на графике τmax=τmax(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины (обладающей способностью сцепления).

Таким образом, математическая формулировка III закона механики грунтов, или сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона), может быть представлена зависимостью τ = С + f(Р) или сформулирована в следующим определением:

Сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (при консолидированном состоянии грунта).

Представленные зависимости отражают работу грунта при консолидировано-дренированных испытаниях, что чаще всего отвечает работе возводимых сооружений.

Однако в ряде случаев, необходимо получать характеристики грунтов при неконсолидированном-недренированном состоянии – быстрый сдвиг (устойчивость стен котлованов, насыпей и т.д.), что имеет первостепенное значение для глинистых водонасыщенных грунтов.

На приведенной ниже схеме показано, что сопротивление быстрому сдвигу связных водонасыщенных грунтов зависит в основном только от влажности W . Такие грунты будут обладать лишь параметром сцепления (С) при практическом значении угла внутреннего трения равного нулю φ≈0.

 

Закон Кулона-Мора

       Теория прочности Мора имеет две характерные особенности. Первая заключается в том, что абсолютные значения нормального и касательного напряжений по площадке сами по себе не оказывают влияния на прочность, в решающее значение имеет отношение этих напряжений. В самом деле, следует, что ф = у tgp если увеличить пропорционально значения ф и у, как показано пунктиром, то отношение их ф/ у, остается без изменений и будет равно тангенсу угла p (отклонения равнодействующей напряжений р от нормали к площадке). Этот угол p называютуглом отклонения. Очевидно, что чем больше этот угол, тем меньше при том же p величина у и больше ф и тем ближе к моменту разрушения будет система. Значение угла p, при которой наступает сдвиг называется предельным углом отклонения и обычно обозначается ц. Вторая особенность теории Мора заключается в следующем: проекция напряжений, нормальных к плоскости чертежа на эту плоскость, равна нулю. Поэтому эти напряжения не оказывают влияния на величины ф и у в рассматриваемой плоскости, а следовательно, и не влияют на их отношение. Если рассматриваемая плоскость является плоскостью главных напряжений, например (у1, у3), то на значения ф и у по площадке сдвига не будет оказывать влияния третье главное напряжение у2, перпендикулярное плоскости чертежа. Легко сообразить, что наибольшее значение угол p имеет тогда, когда рассматривается плоскость действия наибольшего и наименьшего главных напряжений. Следовательно, вторая особенность теории Мора заключается в том, что она по самой своей сути не может учесть влияния на прочность третьего главного напряжения, хотя в формулу энергетической теории прочности это напряжение входит.

           Опыты показывают, что для одних материалов можно, действительно, пренебрегать влиянием третьего главного напряжения в силv незначительности этого влияния, тогда как для других это напряжение необходимо учитывать. Положение площадок сдвига. Пользуясь свойствами полюса крута Мора, можно легко найти положение площадок сдвига в разрушающемся теле. Из этого построения отчетливо видно, что угол в между двумя площадками сдвига в данной точке зависит при криволинейной огибающей от напряжений у1, у3, так как при изменении этих напряжений угол о наклона линий MP будет изменяться. У материалов с одинаковым сопротивлением на растяжение и сжатие огибающие кругов Мора превращаются в две параллельные прямые, и углы наклона площадок сдвига к площадкам главных напряжений у1, у3 становятся одинаковыми и равными 45°. 

 

 

Инженерно-геологический элемент

       Рассмотрим иерархическую систему инженерно-геологических тел, начиная с низшей категории — инженерно-геологического элемента (ИГЭ). Инженерно-геологическим элементом следует считать инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой, статистически однородное по некоторому показателю свойств, выбираемому в каждом конкретном случае исходя из требований расчета того или иного инженерно-геологического процесса, который выполняют при проектировании сооружения.

         Объем и конфигурацию ИГЭ устанавливают, учитывая геологические данные и данные о типе, конструкции и технической характеристике сооружения. Это определение уточняет понятие ИГЭ, предложенное Н. В. Коломенским. При расчете осадки сооружения (величины уплотнения геологической среды в его основании) активную зону СВ следует расчленить на инженерно-геологические элементы, т. е. на инженерно-геологические тела, статистически однородные по модулю общей деформации — коэффициенту сжимаемости (рис. 1.1). При расчете фильтрации зона фильтрации должна быть разделена на ИГЭ, статистически однородные по величине коэффициента фильтрации.

Рис. 1.1. Структура зоны уплотнения (активной) сферы взаимодействия сооружения. 
1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески; границы: 5 — геологические, 6 — инженерно-геологических элементов, 7 — расчетных элементов (РЭ), 8 — зоны сферы взаимодействия

Внутри СВ обычно развиваются разные инженерно-геологические процессы, поэтому одни и те же области геологической среды могут быть разделены на различное число ИГЭ в разных зонах СВ в зависимости от инженерно-геологических процессов, расчет которых ведут при проектировании ПТС. ИГЭ, относящиеся к разным зонам, могут пересекаться в одной области геологического пространства, так как различные зоны СВ, выделяемые по инженерно-геологическим процессам, как правило, не граничат друг с другом, а пересекаются. Пересечение ИГЭ означает, что один и тот же объем геологической среды одновременно принадлежит к двум ИГЭ, выделенным по разным показателям свойств.

Таким образом, объем литосферы, включенный в ИГЭ, и требования к ее свойствам изменяются в зависимости от того, какое положение занимает ИГЭ внутри СВ.

 
Раздел 2.Инженерно-геологические процессы

 
2.1. Классификация процессов 
        Классификация процессов в инженерной геологии ведётся с учётом главных действующих сил, под влиянием которых возникают и развиваются инженерно-геологические процессы. 
      Эндогенные процессы. 
- Природные — орогенные, эпелгрогенические движения земной коры; сейсмические явления; вулканизм.  
- Вызванные деятельностью человека — сейсмические, вызванные взрывом; опускание поверхности при добыче полезных ископаемых и откачке воды. 
Экзогенные природные и вызванные деятельностью человека.  
         Климатического характера:  
- выветривание — подвержены все породы;  
- криогенные и посткриогенные — преобладают морозобойные растрескивания. 
Ветрового характера (эоловые — перевевания коренных пород выпадающие в виде эоловых осадков).  
      Водного характера: 
- растворение солоидные, карбонатные, сульфидные, суффозноидные процессы;  
- размывание абразия, речных долин и линейная эрозия;  
- заболачивание — образование болот, торфяников. 
- Обусловленные характером рельефа (склоновые — обвалы, осыпи, курумы, сплавы). 
     Из инженерно-геологических процессов эндогенного характера применять к горно-складчатым областям следует отнести сдвижение горных пород. При углах падения пластов более 20–30°. Сдвижение пород сопровождается их сдвигом поплоскостям напластовывания.  
       В силу этого сдвижения горных пород в горных областях может быть интенсивнее, чем в платформах.   
       В связи с увеличением размеров подземных выработок происходит перераспределение от веса вышележащей толщи пород, которая находится горным давлением, с ним связаны многие инженерно-геологические явления, возникающие в подземных горных выработках — горные удары, выбросы пород. Наибольшую опасность представляют горные удары, происходящие на большой глубине (более 200 м) и преимущественно в породах твёрдой прочности. В выработках угольных шахт наблюдается отбросы угля и газа. В низшей глубине выбросы могут происходить в сильнодисцированных породах.  
         Пучение (поддувание) заключается в выдавливании пород в горные выработки из стенок. Это явление связано в основном, с горным давлением и лишь в некоторой степени с увеличением объёма пород при их набухании или при изменении свойств в результате выветривания. 

 
2.2. Выветривание (виды, элювий)

Выветривание  (weathering, degradation)

- процесс разрушения и изменения  горных пород и минералов в  приповерхностных условиях под  воздействием физико-химических  факторов атмосферы, гидросферы  и биосферы.

Факторами выветривания являются:

1. Колебание температур (суточное, сезонное)
2. Химические агенты: O2, H2O, CO2
3. Органические кислоты (ульминовая, гуминовая)
4. Жизнедеятельность организмов

В зависимости от факторов, вызывающих выветривание различают несколько видов:

Таблица 1

тип	выветривание
класс	физическое	химическое	органическое
вид	Температурное Морозное Кристаллизация солей	Окисление Растворение Гидратация Гидролиз	Механическое разрушение Разложение (химическое) Образование органогенных соединений

 

 

Физическое выветривание

Физическое выветривание пород происходит без изменения их химического состава. Порода просто дробится на обломки с постепенным уменьшением их размера вплоть до песка. Примером такого физического разрушения может служить температурное выветривание.

 

Температурное выветривание. 

        Температурное  выветривание происходит в результате резких колебаний температур, вызывающих неравномерное изменение объема горных пород и слагающих их минералов. Периодическое нагревание и охлаждение пород при суточных и сезонных колебаниях температур приводит к образованию трещин и к распадению их на глыбы, которые в свою очередь подвергаются дальнейшему измельчению. Чем резче колебания температур, тем интенсивнее проявляется физическое выветривание и наоборот, в условиях «мягкого» климата механическое разрушение пород происходит крайне замедленно. .

Продукты физического выветривания. 

        В результате физического выветривания на поверхности образуются угловатые обломки, которые в зависимости от своего размера подразделяются на: глыбы – (> 20 см); щебень – (20 – 1 см); дресва – (1 – 0.2 см); песок – (2 – 0.1 мм); алеврит – (0.1 – 0.01 мм); пелит – (< 0.01 мм). Скопление этих продуктов приводит к формированию рыхлых осадочных горных пород.

Химическое выветривание

         При химическом выветривании разрушение горных пород происходит с изменением их химического состава главным образом под воздействием кислорода, углекислого газа и воды, а также активных органических веществ содержащихся в атмосфере и гидросфере.

         Главными реакциями, обуславливающими химическое выветривание, являются окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

        Окисление – это переход элементов с низкой валентностью в высоковалентное за счет присоединения кислорода. Особенно быстро окислению подвергаются сульфиды, некоторые слюды и другие темноцветные минералы.

        Лимонит – это самая устойчивая форма существования железа в поверхностных условиях. Все ржавые пленки и ржаво-бурая окраска пород обусловлена присутствием гидроокислов железа. Так как железо постоянно входит в химический состав многих породообразующих минералов – значит при химическом выветривании этих минералов Fe++ перейдет в Fe+++, т.е. лимонит. Окисляется не только Fe, но и другие металлы.

        В условиях недостатка кислорода протекает процесс восстановления, при котором металлы с высокой валентностью переходят в соединения с более низкой валентностью. Подобный процесс наиболее ярко протекает в зонах окисления сульфидных месторождений.

Рис.2. Зона окисления и восстановления сульфидных руд

Выше уровня (зеркало) грунтовых вод располагается зона обогащения O2, и в ней интенсивно протекают процессы окисления, в результате чего сульфиды металлов переходят в сульфаты, которые хорошо растворимы и просачивающимися водами перемещаются вниз до уровня грунтовых вод в зону обедненную кислородом. В этой зоне сульфаты восстанавливаются и переходят во вторичные сульфиды в результате чего возникает зона богатых руд (зона вторичного обогащения). На поверхности же рудного тела в результате окисления и выщелачивания образуется так называемая железная шляпа, которая представляет собой каркас кварца пропитанного лимонитом.

        Гидратация – это химическое присоединение воды к минералам горных пород с образованием новых минералов (гидросиликатов и гидроокислов) с другими свойствами.

Fe2O3 + nH2O ® Fe2O3 ´ nH2O 

 гематит                           лимонит

CaSO4 + 2H2O ® CaSO4 ´ 2H2O

ангидрит                              гипс

превращение ангидрита в гипс всегда сопровождается значительным увеличением объема породы, что приводит к механическому разрушению всей гипс-ангидритовой толщи.

         Растворение – способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе. Оно происходит с различной скоростью для разных пород и минералов. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (галит NaCl, сильвин KCl и др.). Менее растворимы сульфаты, карбонаты.