Инженерная геология

В песках преобладают  минералы, наиболее устойчивые к выветриванию – кварц, слюды и др.

Вредными в строительном отношении примесями являются окислы железа, гипс, слюды, глинистые частицы. Происхождение песков – речное, ветровое, морское и т. д.

Пылеватые и  глинистые породы. Пылеватые и глинистые частицы являются основными составными частями супесей, суглинков и глин. Каждая из этих пород в зависимости от количественного взаимоотношения песчаных, пылеватых и глинистых частиц имеет свои разновидности. Так, например, супесь бывает легкая крупная, легкая пылеватая, тяжелая пылеватая; суглинки – легкие, легкие пылеватые, тяжелые, тяжелые пылеватые; глины – песчанистые, жирные.

Пылеватые и глинистые  породы имеют наиболее широкое распространение  на поверхности земли, составляют около 50% общего объема осадочных пород  и чаще всего являются основаниями различных зданий и сооружений.

Глины в своем составе  содержат более 30% глинистых частиц. В сухом состоянии они твердые  и плотные, в соединении с водой  дают пластичную массу, увеличиваются  в объеме.

Сцементированные обломочные породы. Рыхлые обломочные породы в природных условиях могут подвергаться цементации за счет веществ, выделяющихся из циркулирующих водных растворов. Обычно это происходит в зоне цементации, которая располагается в земной коре на некоторой глубине, ниже зоны выветривания.

По взаимоотношению  обломков (или зерен) и цементирующего вещества различают базальный, контактовый  и поровый тип цемента. Наиболее прочны породы с базальным цементом, в котором обломки рассеяны в  общей массе цементирующего вещества. Цементирующие вещества по своему составу могут быть кремнеземистыми, железистыми, известковыми и глинистыми. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент, менее прочным – глинистый. Наиболее широко распространены следующие типы сцементированных пород: конгломераты, брекчии, алевролиты и аргиллиты.

Хемогенные  породы образуются в результате выпадения из водных растворов химических осадков. Такой процесс происходит в водах морей, континентальных усыхающих бассейнов соленых источниках и т. д. К таким породам относятся различные известняки, известковый туф, доломит ангидрит, гипс, каменная соль и др. Общей для этих пород особенностью является их растворимость в воде, трещиноватость.

Наиболее распространенными  породами являются известняки, которые  по своему происхождению могут быть также обломочными, органогенными и др.

Органогенные  породы образуются в результате накопления и преобразования остатков животного мира и растений, отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде, обладают большой сжимаемостью. К органогенным породам относятся диатомит, трепел, опока, торф, асфальты и др.

Метаморфические горные породы

Происхождение метаморфических пород. На земной поверхности господствует процесс выветривания (разрушение горных пород). Глубже располагается зона цементации. Здесь рыхлые породы уплотняются, цементируются. Под зоной выветривания и цементации, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие километры располагается зона метаморфизма. В этой зоне горные породы, как осадочные, так и магматические, под воздействием факторов метаморфизма – высокой температуры, давления, химически активных веществ (магматических газов и растворов) претерпевают глубокие изменения. На их основе в процессе метаморфизма («превращения») рождаются принципиально новые породы – метаморфические, со своим минеральным составом, структурами и текстурами.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям залегания  занимают промежуточное положение  между магматическими и осадочными породами. По минеральному составу  они ближе к магматическим  породам. Типичными минералами являются слюды, кварц, хлорит, тальк и др.

Метаморфическим породам  присущи кристаллическая структура  и своеобразные текстуры. Наиболее характерны следующие текстуры: 1) слоистая; 2) сланцеватая – однообразное расположение параллельно друг другу пластинчатых минералов;

3) полосчатая – обособление  минеральных скоплений в форме  полос, в виде слоев. Для  пород типа кварцита характерны  также массивные текстуры.

В зависимости от ведущего фактора различают следующие  типы метаморфизма: 1) контактовый, при котором породы преобразуются под влиянием высокой температуры на контакте с магмой; 2) динамометаморфизм, который вызывается высоким давлением при горообразовательных (тектонических) процессах, 3) региональный (глубинный) метаморфизм, обусловленный совместным воздействием на горные породы высокого давления, температур и активных веществ, протекающий на больших глубинах с захватом участков земной коры.

Форма залегания. Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, более или менее сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадочных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфических пород, окружающих магматические породы. Динамометаморфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные складки. При региональном метаморфизме измененные осадочные породы часто сохраняют первичную слоистость.

В процессе движения земной коры метаморфические породы могут  быть выведены на дневную поверхность  и служить объектом строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строительстве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагоприятное действие, так как по плоскостям сланцеватости возможны обвалы, особенно кровли горизонтальных подземных выработок. Породы чаще всего бывают трещиноватыми.

Классификация метаморфических пород основана на структурно-текстурных признаках и минеральном составе. Среди них выделяют породы: 1) массивные – (зернистые) – кварцит, мрамор; 2) сланцеватые – гнейс и кристаллические сланцы различного минерального состава.

Лекция №4: Магматические, осадочные и метаморфические  горные породы

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Воды, находящиеся в  верхней части земной коры и залегающие ниже поверхности земли, называют подземными. Исследованием подземных  вод  занимается гидрогеология.

Подземные воды рассматриваются  в зависимости от двух факторов – гидравлического и условий залегания. По гидравлическому подземные воды подразделяются на безнапорные и напорные, в зависимости от условий залегания – на почвенные и верховодку, грунтовые, межпластовые, жильные и трещинные воды, родники или источники.

Почвенные воды и верховодка залегают в самых верхних слоях земной коры. Почвенные не имеют водоупорного ложа и как бы подвешены в порах почвы вследствие капиллярных явлений. Характерные свойства их – сезонный характер, сезонные колебания температуры, наличие микроорганизмов и органических веществ (рис. 4.1). Верховодкой называют временное скопление подземных вод, возникающее главным образом в период обильных дождей и усиленной инфильтрации. Верховодка залегает на небольших линзах водонепроницаемых пород (в моренных отложениях) и на аллювиальных поймах. Линзы моренных отложений задерживают часть инфильтрующей воды и способствуют накоплению верховодки. Во втором случае она образуется вследствие слоистости аллювиальных отложений и скопления воды в слоях с меньшей водопроницаемостью.

Грунтовые – подземные воды постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом от поверхности водоупоре (рис. 4.1), характеризуются следующими особенностями:

1) имеют свободную  поверхность, которая называется зеркалом или уровнем грунтовых вод, и водоупорное ложе. Они безнапорны, от земной поверхности залегают на 1-50 м;

2) питание их осуществляется за счет инфильтрации осадков и поступлений воды из водоемов и рек. Следует обращать внимание на предотвращение загрязнения грунтовых вод, поскольку площадь распространения ориентировочно совпадает с территорией их питания;

3) постоянно находятся  в динамике, движении и образуют  потоки в сторону общего уклона водоупорного слоя грунта;

4) глубина залегания  грунтовых вод, их распространение во многом зависят от геологических условий конкретной местности, климатических и геоморфологических факторов.

Межпластовые подземные воды залегают между двумя водонепроницаемыми слоями. По условиям залегания эти воды могут быть безнапорные (встречаются редко) и напорные, или артезианские, обусловленные залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей (рис. 4.2). Напор подземных вод создается залеганием отдельных частей водоносных горизонтов на различных высотных отметках. Может быть несколько напорных горизонтов, каждый из которых имеет область питания и пьезометрический уровень. Геологические структуры больших размеров с наличием артезианских вод называются артезианскими бассейнами. Они играют большую роль в снабжении населения питьевой водой. Трещинные воды относятся к тектоническим образованиям, жильные передвигаются в размытых трещинах осадочных пород и тектонических образованиях. По характеру залегания жильные и трещинные воды относятся к грунтовым или межпластовым водам и имеют небольшую мощность водотоков. Родниками или источниками называются выходы подземных вод на поверхность. Их образование обусловливается пересечением водоносного горизонта с поверхностью рельефа.

По происхождению подземные  воды подразделяются на ин-фильтрационные, конденсационные, седиментационные, ювениальные.

Инфильтрационные образуются в результате выпадения атмосферных осадков и инфильтрации воды из рек, водохранилищ и т. д.; конденсационные обусловлены конденсацией и выпадением паров воды из воздуха и за счет пополнения подземных вод; седиментационные возникают вследствие отжатия воды из горных пород и грунтов при уплотнении; ювениальные проникают в поверхностные горизонты земной коры из недр Земли и обусловлены конденсацией паров магмы. Так возникают различные минеральные источники, которые отличаются повышенной температурой и высокой минерализацией.

Химический состав подземных  вод определяется в каждом конкретном случае с помощью химического анализа. Растворенные в воде различные газы (О, С0₂, CН₂, H₂S и др.) обусловливают степень пригодности воды для питьевых и технических нужд. По содержанию растворенных солей подземные воды подразделяются на пресные (содержание растворенных солей меньше 1 г/л), солоноватые (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Следует заметить, что питьевая вода должна содержать не более 1 г/л растворенных солей.

Соли в подземных  водах придают им такие свойства, как жесткость и агрессивность. Жесткость воды обусловливается наличием растворенных солей кальция и магния и оценивается в настоящее время количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния (1 мг-экв соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция или 12,6 мг иона магния). Агрессивность подземных вод оказывает отрицательное воздействие на металл и бетон. Различают следующие виды агрессии: 1) выщелачивающая – происходит растворение и вымывание из бетона извести; возникает при малом содержании в воде ионов НСО₃^-; 2) общекислотная – обусловливается низким значением водородного показателя рН, в результате чего происходит растворение извести бетона; 3) углекислотная – является результатом воздействия углекислоты СО₂; 4) сульфатная – характерна при наличии в воде сульфата SO₄^-2. Это обусловливает кристаллизацию новых соединений, которая приводит к увеличению объема и разрушению бетона; 5) магнезиальная – аналогична сульфатной, приводит к разрушению бетона при контакте с водой, содержащей высокое количество Мg²⁺. Для борьбы с агрессивностью воды применяют специальные цементы (например сульфатостойкие), производят гидроизоляцию подземных конструкций, понижают уровень грунтовых вод и т. д.

РЕЖИМ ПОДЗЕМНЫХ  ВОД

Изучение режима подземных  вод необходимо для решения многих задач, в том числе по проектированию и возведению зданий и сооружений. Рассматривается совокупность изменений, связанных с положением уровня, температуры, химического состава, характера поверхности и т. д.

Основными причинами  колебания уровня подземных вод являются метеорологические факторы, гидрогеологические условия, колебания земной коры, производственная и строительная деятельность человека. Главнейшим из метеорологических факторов является количество атмосферных осадков. Гидрогеологические условия обусловливаются влиянием на уровень подземных вод имеющихся водохранилищ и рек, особенно паводков. В хорошо фильтрующихся песках зоны влияния паводков достигают 1-2 км. На уровень подземных вод значительное влияние оказывают колебания земной коры, при этом поднятие суши приводит к повышению уровня подземных вод и наоборот. На режим подземных вод влияют искусственные факторы – возведение плотин, ирригационных сооружений, водозаборов подземных вод, утечка воды из водопроводов и т. д. Их влияние зависит от гидравлических условий района, интенсивности и продолжительности воздействия. Возведение зданий, сооружений обычно изменяет гидрологические условия участка, приводит к повышению уровня подземных вод, затоплению подвалов и подземных коммуникаций. Особенно это заметно при относительно неглубоком залегании водоупорных пород. В отдельных районах нашей страны интенсивность подъема уровня подземных вод составляет 0,8-1,2 м в год.

Для наблюдения за режимом  уровня подземных вод производится замер глубины их залегания. Чаще всего это выполняется в период инженерно-геологических изысканий. Необходимо наблюдать за режимом подземных вод во время строительства и в период эксплуатации сооружения (постоянные наблюдения). Для определения залегания уровня подземных вод используются буровые скважины – одиночные или групповые (по сетке или створам). На основе гидрогеологической съемки и стационарных наблюдений составляются гидрогеологические карты. Одна из них – карта гидроизогипс, на которую наносятся поверхности подземных вод. Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с равными отметками поверхности подземных вод. Карта гидроизогипс датируется и привязывается к определенному сезону, что позволяет судить о динамике подземных вод. Используются они при проектировании водоснабжения, сооружении гидроузлов, выборе площадки строительства инженерных сооружений. Карта изопьез – карта поверхности напорных вод. Изопьезы (пьезоизшмпсы) – линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня. По карте изопьез можно определить направление движения артезианского потока, величину напора, глубину залегания, пьезотермический уклон и т. д. Карта изобат – карта глубины залегания подземных вод. Гидроизобатими называются линии равных глубин, построенных по результатам их замеров по скважинам.