1. Объяснитезначение инженерной геологии для строительства железных дорог и их эксплуатации
Инженерная геология является одной из геологическихдисциплин. Она разрабатывает широкий круг научных и практических проблем,решает многие задачи, возникающие при проектировании, строительстве сооружений(тоннелей, плотин, мостов, дорог и различных промышленных и гражданских зданий)и при проведении инженерных работ по улучшению территорий (осушение, борьба соползнями, карстом и другими геологическими явлениями).
Инженерная геологиявключает следующие основные разделы: инженерную петрологию, инженернуюгеодинамику и специальную инженерную геологию. Инженерная петрология изучаетсостав, строение, физико-механические свойства горных пород. В задачуинженерной петрологии входит также прогноз изменения свойств пород под влияниемвозводимых сооружений.
Инженерная геодинамикаизучаетгеологические процессы, как природные, так и возникающие под воздействиемсооружений, влияющие на устойчивость и эксплуатацию сооружений, и разрабатываетзащитные мероприятия.
Специальная инженернаягеология изучаетусловия строительства гражданских, дорожных, гидротехнических и подземныхсооружений в различных геологических условиях.
Возникновение инженернойгеологии и ее развитие на первых этапах были связаны со строительством, когдастроители изучали горные породы как основание, среду и материал для различныхсооружений. Началом же научных исследований инженерно-геологического планаследует считать первые десятилетия XIX века. Строительство путей сообщения, заводов, фабрик, плотин и другихсооружений требовало обеспечения их надежности. В этом большую роль сыгралипервые русские инженеры путей сообщения, воспитанники и профессора старейшеговуза страны — Института корпуса инженеров путей сообщения, ныне Петербургскогогосударственного университета путей сообщения (ПГУПС), основанного в 1810 г.
Уже в первые годы работыинститута в нем изучался курс минералогии и геологии. Можно считать, чтозарождение инженерной геологии в приложении к строительству путей сообщения вРоссии относится к началу XIXвека и первые работы в этой области принадлежат перу инженеров путей сообщения.Выполнение геологических исследований для целей железнодорожного строительствав России относится к 1842 г. — началу постройки первой железной дорогинормальной колеи. В этой связи строители начали уделять горным породам большоевнимание. Растущие масштабы строительных работ требовали привлечения геологов кизысканиям под строительство. Поэтому уже в начале XX века геологи начали привлекаться к решению вопросов,связанных со строительством железных дорог. Среди геологов в этой работепринимали активное участие: И.В. Мушкетов, В.А. Обручев, А.В. Львов, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг,А.П. Павлов и др. Они работали как эксперты и изыскатели на различных стройках,проводили исследования с целью изучения оползней, карста, обвалов, вечноймерзлоты на железных дорогах. По результатам обследования объектов появиласьлитература, касающаяся условий проведения железнодорожных линий.
Строительство такихсооружений, как ДнепроГЭС, гидроэлектростанции на Волге, Оке, строительствоБеломорско-Балтийского канала, канала им. Москвы вызвало необходимостьвсестороннего изучения геологических условий возведения этих сооружений,потребовало применения новых методов геологических исследований иколичественных оценок природных геологических условий, определяющихустойчивость сооружений. Столь же серьезные требования предъявляли к геологиистроительство промышленных предприятий Магнитогорска, Кузнецка, Запорожья,реконструкция Москвы и других городов. Значительный комплекс геологическихисследований был выполнен в связи с постройкой Московского метрополитена. Такимобразом, инженерная геология как наука появилась в результате запросов практикистроительства. Все возрастающие объемы строительных работ способствовалисозданию в 1930 г. кафедры грунтоведения в Ленинградском университете, а в 1938г. аналогичной кафедры в Московском университете. Грунтоведение изучало любыегорные породы как объект инженерно-строительной деятельности. В 1944 г. при АНСССР была организована Лаборатория гидротехнических проблем имени академикаФ.П. Саваренского, которая наряду с гидрогеологическими проблемами занималасьвопросами инженерной геологии. В настоящее время инженерная геология натранспорте все более совершенствуется в своем развитии: используютсягеофизические методы разведки, аэрокосмические и другие методы, позволяющиеулучшить и ускорить выполнение инженерно-геологических исследований.Используются также данные физико-химии грунтов, что дает возможность познатьприроду происходящих в них процессов. Не меньшее значение для инженернойгеологии имело успешное развитие сопредельных наук. Так, например, развитиефизики, химии, математики и механики грунтов позволило инженерной геологиивоспользоваться новыми методами для количественной оценки свойств горных породи геологических явлений. Инженерная геология из описательной науки стала наукойконкретной, комплексной, тесно связанной со многими инженерными дисциплинами,такими как: «Механика грунтов, основания и гундаменты», «Изыскания ипроектирование железных дорог», Железнодорожный путь», «Мосты и тоннели»,которые без геологических данных не могли правильно решать свои задачи. Изприведенной схемы (рис. 1.1) следует, что инженерная геология многое берет изразделов геологии, пополняет их результатами собственных исследований и даетнеобходимый материал строительству и горному делу.
Известно, что всякоеинженерное сооружение должно быть возведено с наименьшими затратами рабочейсилы, материалов я времени. Одновременно оно должно обладать высокой прочностьюи устойчивостью. Иногда возводимые сооружения вызывают возникновение новыхприродных геологических процессов и изменение существующих. Поэтому оценкаприродных условий района строительства является важнейшим условием егоуспешности. Чтобы обезопасить сооружение от деформации и разрушения в каждомслучае следует определить возможность появления процессов, которые могутнепредсказуемо проявитьсявпоследствии. При этом опасны не стольконеблагоприятные геологические условия, сколько их недостаточное знание. Поэтомупри возведении сооружений необходимо проведение тщательных и весьма детальныхинженерно-геологических изысканий, которые бы позволили вскрыть всю сложностьгеологического строения и предупредить проектировщиков от ошибок и недоучетагеологических особенностей и физико-механических свойств горных пород в местахпостройки, а также предусмотреть необходимые профилактические мероприятия,предохраняющие сооружения от различных деформаций и обеспечить их нормальнуюэксплуатацию.
Проведениеинженерно-геологических изысканий при изучении районов строительства даетвозможность при проектировании сооружений учесть все природные особенностиместа строительства и выбрать наиболее благоприятные участки. Для организацииинженерно-геологических изысканий и последующего инженерно-геологическогозаключения следует получить ясное представление о геологическом строенииместности, т.е. стратиграфии, тектонике, литологии, физико-геологическихпроцессах, получивших развитие в данном районе. Правильно установленнаястратиграфия определяет положение горных пород, обладающих различнымифизико-механическими свойствами, и тем самым является необходимой для оценкиусловий размещения сооружения. Роль тектоники в оценке инженерно-геологическихусловий места возведения сооружения очень велика. Тектонические нарушениягорных пород создают иногда настолько трудные условия для строительства, чтоприходится искать мероприятия, позволяющие с безопасностью возводитьсооружение, или определять другое место для его возведения.
Сложные формы залеганияпород вызывают чрезвычайную изменчивость инженерно-геологических условий.Весьма значительна роль гидрогеологических особенностей винженерно-геологических работах.
Инженерно-геологическиеизыскания выполняются при составлении проекта любого инженерного сооружения илихозяйственного использования территории. Материалы изысканий служат обоснованиемпроекта, поэтому в них освещаются геологические условия и оцениваются всефакторы, влияющие на выбор места расположения сооружения, условия егостроительства, эксплуатации и реконструкции.
Основными задачамиинженерной геологии являются:
· изучение горныхпород как грунтов основания, среды для размещения сооружений и строительногоматериала для различных сооружений;
· изучениегеологических процессов, влияющих на инженерную оценку территории, выяснениепричин, обусловливающих возникновение и развитие процессов;
· разработкамероприятий по обеспечению устойчивости сооружений и защите их от вредноговлияния различных геологических явлений.
При изучениигеологических процессов обычно используют все основные методы геологии и этиисследования должны обязательно завершаться количественной оценкой и прогнозом.Поэтому в учебнике уделяется особое внимание использованию количественныхпоказателей и методам их расчета.
В инженерной геологииизвестна следующая классификация геологических процессов, вызываемых эндогенными(глубинными), экзогенными (поверхностными) иинженерно-геологическими факторами, предложенная Ф.П. Саваренским (1941) и И.В.Поповым (1951) (табл.).
Таблица. Классификациягеологических процессовПроцессы Физико-геологические явления I. Деятельность поверхностных вод (морей, озер, рек) и временных потоков Подмыв и обрушение берегов (морей, рек, озер), размыв склонов, сели II. Деятельность поверхностных и подземных вод Заболачивание территорий, просадочные явления, карст III. Деятельность подземных, поверхностных вод на склонах Оползни IV. Деятельность подземных вод Суффозия, плывуны V. Промерзание и оттаивание Морозное пучение грунтов, вечная мерзлота и ее проявления VI. Выветривание Обвалы, осыпи VII. Внутренние силы Земли Сейсмические явления VIII. Инженерная деятельность человека Осадка, просадочность, набухание, подземные и поверхностные деформации
Как следует из табл.,геологические процессы, происходящие на Земле, обусловлены эндогенными силами,особенностями рельефа, физико-географическими условиями: климатическими,сезонными, составом горных пород, их выветрелостыо, структурой скальных пород и«провоцирующей» к нарушению природного равновесия деятельностьючеловека.
В учебнике все важнейшиегеологические и инженерно-геологические процессы рассматриваются в соответствиис табл.
2. Опишите данныеминералы и породы
Минерал: ортоклаз.Класс Силикаты и алюмосиликаты Химический состав
K[AlSi3O8] Цвет Белый, кремовый, розовый, желтоватый Блеск Стеклянный Спайность
Спайность совершенная по одному и средняя по другому направлению под углом 900 Твёрдость 6 Породы, в которые входит этот минерал Сиенит, трахит, ортофир
Породы. габбро песок кварц Происхождение Магма-Лакколиты, штоки, дайки Речные, морские, ледниковые, эоловые Кристаллизация из расплавов и растворов Минералогический состав
Полевой шпат, (лабрадор-лабрадорит), авгит, роговая обманка, иногда оливин Мономинералы (кварцевый песок) и полиминералы (зёрна полевого шпата, кварца, слюды) Слюда и минералы Структура Полнокристаллическая, равномернозернистая Рыхлая порода Рыхлая порода Текстура Гладкая Зернистая Зернистая Цвет Зелёный, иногда чёрный Жёлтый, коричневый, белый Белый, бесцветный, чёрный, серый, фиолетовый Практическое применение Буровой камень, щебень для бетона и как дорожный материал. Гидротехнические сооружения. Декоративный материал (облицовочные плиты) Как строительный материал. В стекольной, фарфорофаянсовой, металлургической промышленности, дорожном строительстве (бетон) Облицовка зданий, опор мостов
3. Назовите основныефизико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования истроительства. Опишите условия образования и строительные свойства данныхгрунтовых отложений
Горные породы находят встроительстве обширное применение. При возведении инженерно-техническихсооружений учитываются прочность, жесткие связи и несущая способность скальныхпород, при возведении откосов берутся во внимание монолитность, трещиноватость,степень выветривания горных пород, при строительстве дамб, плотин, подтопляемыхнасыпей, определяется подверженность пород (слагающих минералов) к размоканию ивыветриванию.
Многие горные породыпредставляют собой незаменимый строительный материал для дорожных покрытий,бутового камня, облицовочных плит, при изготовлении цемента, извести, гипса.
Из обломочных породдовольно широкое применение может иметь булыжный камень из гранита, гнейса,базальта: большая прочность, высокая теплопроводность и значительная плотность(1,80-2,50 г/см3). Более мелкие булыжники (до 20 см в поперечнике)применяют для мощения дорог.
Гравий используется дляизготовления бетона (при размере частиц от 5 до 80 мм) и для мощения проезжейчасти дорог. Песок применяют в кирпичной кладке (размер частиц до 2,5 мм),бутовой кладке (до 5 мм), для отделочной затирки (0,5-1,0 мм). Плотность пескаколеблется в пределах 1,25-1,65 г/см3 при объеме пустот до 40%.
Глина по характеруобразования подразделяется на: а) первичную или остаточную и б) вторичную илипереотложенную. Первая более качественная и содержит меньше примесей. Поогнеупорности выделяют:
огнеупорную стемпературой плавления выше 1580°С;
тугоплавкую —1350-1580°С;
неогнеупорную — 1350°С.
Применение глины обширно:кирпичное, черепичное, гончарное производства, строительные растворы.
Применяются в хозяйстветехногенные породы (шлаки) — остатки от сжигания угля, торфа и горючих сланцев— так называемые котельные шлаки; доменные шлаки в гранулированном виде идут вкачестве мелкого заполнителя в легких бетонах, в тонкоразмолотом виде какдобавки к вяжущим материалам.
Условия образования истроительные свойства ледников
Ледники — это движущиеся естественныескопления льда, возникающие на поверхности суши при постепенном уплотнении и перекристаллизациимноголетних скоплений снега.
Ледники покрывают 11% поверхностисуши (16,2 млн. км2). 1.5% этой площади приходится на ледникиАнтарктиды, Гренляндии и островов Северного Ледовитого океана.
Условия образованияледников.
Необходимые условияобразования ледников — это холодный климат и твердые атмосферные осадки. Втаких условиях происходит постепенное накопление снежного покрова, так как выпадающийза зиму снег в летнее время растаивает не весь. При существовании такого режимапродолжительное время толщина снежного покрова из года в год увеличивается.Выпадающий снег под влиянием лучей солнца оплавляется и превращается взернистый снег — фирн. Фирн под влиянием цементации замерзающей водыпревращается в фирновый лед, а он при дальнейшем уплотнении — в сплошнойглетчерный лед (нем. gletsher — лед).
На образование 1 м3глетчерного льда расходуется около 11 м3 снега.
Несмотря на то, что ледявляется твердым телом, он все же обладает значительной пластичностью. Поэтомув горных ледниках движение льда подобно течению воды в реках, с той лишь разницей,что скорость движения льда значительно меньше скорости течения воды. Она весьмаизменчива и зависит от интенсивности питания, уклона поверхности подледниковоголожа.Скорости движения ледников различны в поперечном сечении.Срединные части ледника, где мощность льда больше, движутся быстрее, краевые — менее мощные и испытывающие трение борта долины — медленнее. Вследствиеизменчивости поперечного сечения долины, неровности подледникового ложа, различияскорости движения, ледники, перемещаясь по долинам, испытывают деформации,приводящие к возникновению трещин. Иногда глубина трещин достигает 50 м и даже250 м. Геологическая деятельность ледников заключается прежде всего в том, чтоони истирают своей тяжестью, а также вмерзшими в их придонные части камнямиложе долины, придавая форму кара, цирка, трога (нем. trog — корыто). Инженерно-геологическая характеристикаледниковых отложений. К ледниковым отложениям относят различные моренныеобразования. Они отличаются большой неоднородностью как по мощности, так и попростиранию, а также неоднородностью их гранулометрического состава. Основнаямасса морен обычно сложена глинистым материалом, образовавшимся в значительнойчасти путем механического перетирания движущимся льдом более крупных обломковгорных пород. В составе морен могут быть также пески и крупные обломки пород.Состав основной массы морен неодинаков. В одних частях она более глинистая, вдругих — более песчаная, гравийная или щебенистая. Отличительной чертойглинистых моренных образований является их высокая плотность — 1,8-2,3 г/см3и небольшая пористость 25-35%. Моренные глинистые грунты считаются надежнымоснованием для инженерных сооружений.
4. Перечислитеметоды определения абсолютного и относительного возраста пород. Назовите эры ипериоды геологической истории Земли
Метод определенияабсолютного возраста пород. Метод основан на использовании изотопов химических элементов.В горных породах обычно содержится некоторое, иногда очень ничтожное,количество радиоактивных элементов (U, Ra, Th и др.). Каждый их них распадается с присущей только емускоростью. Процессы распада идут самопроизвольно и на скорость распада невлияют ни какие внешние факторы. Поэтому радиоактивные элементы могут служитьэталоном геологического времени. Длительность процесса обычно очень велика. Например,период полураспада урана Uсоставляет 5 млрд. лет. При тщательном и весьма точном анализе горной породыустанавливается, сколько в ней появилось Pb (продукт распада) и сколько осталось неразложившегосярадиоактивного элемента. На этом основании и определяется возраст породы. Дляобразования из ста граммов урана одного грамма Pb потребуется 7400 млн. лет. Абсолютный возраст породы, лет, вкоторой найдено т, г U и n, г Pb, определяется по формуле:
A=/>,
где npb— содержание в породе свинца, г;
mu — содержание в породе урана, г.
На основе изучениягеологического строения земной коры и истории развития жизни, исследователиполучили возможность разбить всю геологическую историю Земли на отдельныеотрезки времени и составить по данным абсолютного и относительного возрастагорных пород шкалу геологического времени — геохронологическую шкалу. Каждыйотрезок геологического времени имеет свое название и индекс (на геологическихкартах также применяют различные цвета). Для слоев пород, которые образовалисьв эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфическиешкалы: фанерозоя и криптозоя. Толщу пород, образованную за время эона называютэонотемой, за время эры — эратемой, за время периода — системой, за время эпохи — отделом. Самый короткий отрезокгеохронологической шкалы — век, а образовавшаяся за это время толщагорных пород называется ярусом. Например, К2datчитается как — меловой период, поздняяэпоха, датский век, а цвет заливки на инженерно-геологической карте — зеленый.
Метод определенияотносительного возраста пород.
Относительный возраст осадочных пород определяется на основеизучения условий залегания и взаимоотношения отдельных слоев осадочных пород ина основе изучения сохранившихся в них остатков растительных и животныхорганизмов. Основной принцип определения относительного возраста пород этимметодом заключается в том, что при последовательном залегании пластов осадочныхпород лежащие ниже будут древнее, чем вышележащие.
Стратиграфический методоснован на изученииусловий залегания пластов горных пород.
Палеонтологическийметод получил вгеологической практике наибольшее применение. Он основан на изучении ископаемыхостатков вымерших организмов. Еще в начале XIX в. инженер Смит при строительстве каналов в Англииобнаружил в различных толщах многочисленные окаменелые остатки животныхорганизмов. При изучении установлено, что отдельные формы животных организмовприурочены только к определенным слоям и отсутствуют в других. Был сделан оченьважный вывод: в пластах одного и того же возраста присутствуют одни и те жеископаемые животные и растительные остатки, не встречаемые в более древних иболее молодых отложениях. Установлено также, что чем пласт древнее, тем болеепростые формы организмов он содержит. Работы Ж.Б. Ламарка, Ч. Дарвина и другихученых по эволюции органического мира позволили установить, что органическаяжизнь на Земле развивалась постепенно от более простых форм к более сложным.Животные и растительные организмы в течение геологической истории постепенносовершенствовались в борьбе за существование, приспосабливаясь к изменяющимсяусловиям жизни. Некоторые организмы на определенных стадиях развития Землиполностью вымирали, на смену им приходили другие — более совершенные. Это позволилоустановить относительный возраст каждого организма в сравнении с другимиорганизмами. Таким образом, палеонтологический метод дает возможность поостаткам организмов судить об относительном возрасте горных пород.
Эры и периодыгеологической истории земли. N2, J1, C2, T1.Эра Период Отдел Кайнозойская KZ Неогеновый -N
Плиоцен –N2 Мезозойская MZ Юрский -J
Нижнеюрский –J1 Триасовый -Т
Нижнетриасовый-Т1 Палеозойская PZ Каменноугольный-C
Среднекаменноугольный –С2
5. Опишите сущностьпроцессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемынарушений форм залегания пород. Покажите зависимость силы землетрясения отсостава пород
Процессы внутреннейдинамики Земли.
Земная кора (наружныйслой Земли, мощностью 20-70 км на континентах и 5-15 км в океанах, ограниченныйснизу поверхностью Мохоровичича) находится в постоянном и непрерывном движении:землетрясения, складчатые и разрывные нарушения, блоково-купольные поднятия,опускания и т.д. Эти движения и изменения лика земной коры происходят поддействием внутренних (эндогенных), так называемых, тектоническихсил Земли. Геологические тела (структурные формы), возникающие при тектоническихдвижениях, несмотря на их значительное разнообразие, довольно приемлемоотражают главные движения земной коры:
· горизонтальныеперемещения блоков земной коры;
· вертикальныеколебательные движения в виде сопряженных во времени и пространстве поднятий иопусканий участков земной коры;
· складчатыедеформации, поражающие практически все слоистые толщи земной коры (пликативныедеформации);
· разрывныенарушения, расчленяющие земную кору на блоки различных размеров, включая мелкуютрещиноватость (дизъюнктивные дислокации);
· магматические ивулканические перемещения расплавленногоматериала, взрывных газов, водныхи грязевых смесей (инъективные дислокации);
· метаморфизмгорных пород, возникающий в результате подъема глубинных флюидов и термических аномалий,что обусловлено тектоническими дислокациями и внедрением изверженных пород;
· сейсмические движенияземной коры, землетрясения.
Перечисленные типыдвижений земной коры обычно взаимосвязаны между собой, нередко взаимообусловлены.Общим для них является изменение первоначальных условий залегания горных пород.
Процессы внутреннейдинамики Земли — этопроцессы, происходящие в недрах Земли за счет распада радиоактивных элементов,в результате вращения Земли и ее силы тяжести. Эти процессы могут бытьобусловлены также изменением скорости вращения Земли и угла наклона осивращения. Выявляется существенная роль космических факторов на активизациювнутренней динамики Земли.
К числу важных процессоввнутренней динамики следует отнести тектонические явления, изменяющиепервоначальные условия залегания горных пород,
Тектонические процессыв зависимости отформы проявления делятся на три типа: колебательные; складчатые; разрывные. Повремени проявления они подразделяются на: 1) современные; 2)1 новейшие,связанные с четвертичным периодом и 3) прошедших геологических периодов.
Схема нарушения формзалегания пород.
/>
в) г)
Рис. Разрывныедислокации: а — сброс; б — взброс; в — грабен; г —горст.
Выделяются следующие,часто встречающиеся: сброс, взброс, грабен, горст, а также: ступенчатыесброс и взброс, сдвиг и надвиг.
Сброс — это тектонический разрыв, прикотором лежачее крыло поднято, а висячее — опущено. Сместитель падает в сторонуопущенного крыла. В случае, если висячее крыло оказалось поднятым относительнолежачего, разрыв именуется взбросом. Аналогичный разрыв, но с плоскостьюсмещения, наклоненной под углом менее 45°, называется надвигом. Депрессии,ограниченные сбросами, падающими один навстречу другому, называются грабенами(от нем. Graben — канава). Впадина оз. Байкалпредставляет собой грабен. Дно его лежит на глубине 1731 м ниже его уровня.
Горст (нем. Horst — возвышенность, холм) — поднятый участок земнойкоры, ограниченный с двух сторон падающими от него сбросами.
Зависимость силыземлетрясения от состава пород.
Скорость распространениясейсмических волн определяется составом и физическим состоянием пород. В общемслучае этузависимость можно сформулировать следующим образом:
1. В плотных горныхпородах сейсмические волны распространяются быстрее и захватывают большиепространства; при этом разрушения зданий на этих горных породах менее значительны,чем на рыхлых.
2. В рыхлых горныхпородах волны распространяются слабее, но в то же время они являются наиболееразрушительными, вследствие неравномерного уплотнения пород и неравномерной осадкисооружений. Они разрушительны и в тех случаях, когда рыхлые породынезначительной мощности лежат на кристаллических породах и заболоченных землях.Разрушительная сила землетрясений зависит от их интенсивности (т.е. от количестваосвобождаемой энергии) и от глубины распространения очага — гипоцентра.
В соответствии с этим все землетрясения по глубине очагов подразделяются на:
поверхностные от 1 до 10км
коровыедо 50 км
глубокие до 700 км.
Чаще землетрясениявозникают на глубине 20-50 км. Вертикальная проекция гипоцентра на поверхностьЗемли называется эпицентром.
Сначала сейсмическиеволны достигают эпицентра, где удар направлен по вертикали. Затем сейсмическиеволны выносят колебания частиц в другие места земной поверхности, где ударынаправлены как бы сбоку. Чем меньше угол выхода удара а, тем слабее будутосуществляться удары.
Различают два типа волн: Р— продольные и S — поперечные.
Продольные волны вызывают колебания частиц горныхпород вдоль направления сейсмических волн и они проявляются в виде переменногосжатия и расширения вещества в направлении их распространения. Продольные волныобладают наибольшим запасом энергии и распространяются с максимальной скоростьюв твердых, жидких и газообразных средах. Скорость распространения продольныхволн в гранитах и аналогичных породах составляет 5000-7000 м/с, в известняках2000-5000 м/с, винах — 1500-2000 м/с, песках — 500-1000 м/с.
Поперечные волны вызывают колебания частиц среды в направлении,перпендикулярном к направлению луча продольной волны, Поперечные волныраспространяются только в твердой среде и несут меньший запас энергии. Скоростьраспространения меньше в 1,7 раза, чем продольных волн.
На поверхности земли отэпицентра во все стороны расходятся волны особого рода — поверхностные (L-волны), являющиеся по своей природеволнами тяжести. Скорость их распространения ниже, чем у поперечных, но ониоказывают на сооружения неблагоприятные воздействия. L-волны подразделяются наволны Лява и волны Рэлея.
6. Объясните сущностьпроцессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите данные вам процессыи возможные защитные мероприятия
Процессы внешнейдинамики Земли.
Солнечная энергияпорождает на поверхности Земли различные экзогенные процессы. Среди них важноезначение имеет выветривание. Термин «выветривание» широко вошел влитературу, но он не отражает сложности и существа природных процессов,определяемых этим понятием. Во всяком случае, выветривание не следует смешиватьс деятельностью собственно ветра.
Выветривание — это процесс физического ихимического разрушения горных пород под воздействием температурных колебаний,замерзания и оттаивания воды в трещинах пород, под химическим воздействиемводы, а также в результате деятельности различных организмов, газов: кислородаи углекислого газа (находящихся в атмосфере и растворенных в воде) и ветра.
Главной особенностьювыветривания является постепенное дробление горной породы, при которомпроисходит исчезновение прочных кристаллизационных связей и возникновение новых,сравнительно слабых в механическом отношении коллоидных связей.
Многолетняя мерзлота.
Существуют зоны земнойкоры, в которых на некоторой глубине в течение тысячелетий сохраняетсяотрицательная температура. Это явление называют вечной мерзлотой, устойчивоймерзлотой или многолетней мерзлотой. Многолетнемерзлые породы имеютширокое развитие, и площадь их распространения составляет около 25% всей сушиземного шара.
Многолетнемерзлые горные породыразвиты в северных, северо-восточных и восточных районах России. Южная границаих распространения имеет весьма прихотливые очертания. В пределах Кольскогополуострова и севера европейской части России она оконтуривает относительноузкую полосу, постепенно расширяющуюся к Уралу. После резкого изгиба к югувдоль Уральского хребта она несколько отклоняется к северу и проходит наогромных пространствах западной Сибири почти в широтном направлении, пересекая рекиОбь и Енисей. Далее она круто поворачивает к югу, протягивается вдоль правогоберега р. Енисей и, огибая Алтай, уходит за пределы России, вновь появляясь наюго-востоке страны, проходя по левобережью Амура.
Достаточно широкоераспространение многолетнемерзлые горные породы имеют на Северо-Американскомконтиненте, на островах Северного Ледовитого океана, в Гренландии, Антарктиде.
Мощность вечномерзлыхпород колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Жители Якутска в 1632г., намереваясь черпать воду из колодца, рыли колодец до 16 м и оставили его ввечномерзлых грунтах. Эту попытку для получения питьевой воды повторил в 1826г. житель Якутска Ф. Шергин. Но, несмотря на большую глубину (116,4 м), колодецне вышел из мерзлого грунта. Установлено, что мощность толщи вечномерзлыхгрунтов в районе Якутска составляет 250 м. максимально установленная мощностьтолщи многолетнемерзлых пород составляет 1450 м. Это в южной части Анабарскогомассива в верховьях р. Мархи. В районе хребтов Удокан и Жодарский мощность толщивечномерзлых пород достигает 1300 м.
Защитные мероприятия.
Выбор того или иного методазависит от конструктивных термических характеристик возводимых зданий исооружений от геоморфологических и геотехнических характеристик условийзалегания толщи вечномерзлых пород.
Метод строительствабез учета температурного режима грунтов может применяться в тех случаях, когда основание сооруженийна всю глубину оттаивания являются скальные роды,
Метод строительства ссохранением режима вечной мерзлоты применяется для неотапливаемых зданий и сооружений, также длязданий, отапливаемых с применением мер по сохранению вечномерзлого состояниягрунтов основания. Этот метод используется, главным образом, в тех случаях,когда мерзлые грунты имеют большую мощность (15-20 м и более), а сооружение невыделяет большого количества тепла. В этих условиях мерзлое состояние грунтовможет быть сохранено без сложных конструктивных решений и значительных затрат.В этом случае устраивают продуваемые крупнопористые каменные подсыпки под всейплощадью основания здания или устанавливают сооружение на свайном фундаменте спроветриваемым подпольев Ленточные фундаменты почти не применяются. Известнынекоторые старинные здания (двухэтажный дом архиерея в Якутии и инженерныесклады в Чите), имеющие проветриваемые подполья, которые сохранились беззначительных деформаций. четно-теоретическое и конструктивное обоснованиепринцу использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий исооружений с сохранением их мерзлого состояния был произведено в конце 20-хгодов XX в. в связи с проектированем истроительством Петровско-Забайкальского металлургического завода и ЯкутскойЦЭС. В настоящее время этот метод является общепризнанным и универсальным.
Метод возведениясооружений с предварительным протаиванием вечномерзлой толщи применяется главным образом в тех случаях,когда сооружения выделяют большое количество тепла сохранение мерзлого состояниягрунтов оказывается технического невозможным или экономически невыгодным. Еслимерзлый слой не более 10 м, то рекомендуется: летом снять верхний утепленныйслой грунта (мох, дерн, торф) и оставить его протаивать. В зимнее время научастке предусмотреть снегозадержании для утепления поверхности грунта. Такимобразом, в течение 2-3 лет вечномерзлые породы оттаивают на 5-6 м. Оттаивание можнопроизводить с помощью пара: через паровые иглы пропускают горячий пар и породыоттаивают на 7-10 м.
Метод строительства иэксплуатации сооружений с последующим оттаиванием вечномерзлых пород применим, когда:
1. температурныйрежим грунтовой толщи близок к 0°С;
2. грунты приоттаивании не являются сильно просадочными и осадка их меньше предельнойвеличины для данного сооружения.
По этому методурекомендуется возводить сооружения лишь награвелистых, щебенистых,песчаных грунтах, уплотняющихся при оттаивании под нагрузкой, но невыдавливающихся из-под подошвы фундамента.
Строительство насыпейжелезных дорог. Строителижелезных дорог впервые встретились с вечномерзлыми породами в начале XX века на участке Транссибирскоймагистрали в пределах Читинской и Амурской областей. Стремление сохранить в мерзломсостоянии льдистые породы в основании земляного полотна выражалось в назначениивысоты насыпей не менее 2м. При отсыпке их использовались любые горныепороды. Последующая эксплуатация железных дорог показала, что сохранить грунтыоснования в мерзлом состоянии не удалось, на значительном протяжении имеласьнеравномерная осадка земляного полотна. В 30-40 годы XX в. строительство железных дорог в районах Севера, Сибири иДальнего Востока велось по принципу сохранения вечномерзлых пород в основании земляногополотна дорог. С целью сохранения вечной мерзлоты намечалась укладкатермоизоляции из торфа и мха в основании насыпей, а также покрытие ими откосовнасыпей и выемок. На состояние земляного полотна оказывают влияние:
· состав и свойствагрунтов насыпи и ее основания;
· высота насыпи;
· температуравечномерзлых грунтов;
· характеррастительного покрова;
· климатическиеусловия;
· динамическоевоздействие поездной нагрузки.
В разных климатических районахпри одинаковых грунтах земляного полотна и основания и других равных условияхсущественное влияние на режим вечномерзлых грунтов основания оказывает ихтемпература.
7. Приведитеклассификацию подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах, атакже условия залегания и движения подземных вод
В горных породахнаблюдается несколько видов воды, отличающихся по физическим свойствам. Винженерной геологии принята классификация видов воды, предложеннаяЛебедевым (1930), которая позднее была уточнена в соответствии с новыми представлениями о природе водыи строении ее молекул. Согласно этой классификации выделяют следующие видыводы:
1. парообразная;
2. физическисвязанная:
-гигроскопическая(прочносвязанная);
-пленочная(рыхлосвязанная);
3. капиллярная;
4. гравитационная(свободная);
5. вода в твердомсостоянии;
6. химически связаннаявода в минералах:
-кристаллизационная;
-конституционная.
Пленочная вода.
Пленочная(рыхлосвязанная) вода. Пленочная вода также удерживается на частицах горных пород молекулярнымисилами.
Пленочная вода вместе спрочносвязанной называется молекулярной водой.
Максимальное количествомолекулярной воды, удерживаваемой породой, А.Ф. Лебедев назвал максимальноймолекулярная влагоемкостью. Эта влагоемкость примерно соответствует влажностинижнего предела пластичности. Средняя толщина слои пленочной воды составляет0,1-0,5 мкм. По мере увеличения толщины пленки действие молекулярных силуменьшается. Поэтому внешние слои пленочной воды уже доступны для литаниирастений.
Наличие пленочной воды вгорных породах заметно на глаз так как порода при этом приобретает более темнуюокраску. При соприкосновении частиц породы между собой пленочная водаперемещается от частиц с более толстыми пленками к частицам с более тонкими,пока толщина пленок у обеих частая не сравняется.
Температура замерзанияпленочной воды составляет -3-*- -4: С
Максимальное содержаниепленочной воды, %, достигает:
в песках 1-7,
супесях 9-13
суглинках 15-23
глинах 25-40.
Пленочная вода оказываетвлияние на процесс уплотнения и набухания глинистых грунтов. Известно, что длявозведения земляных дамб и плотин широко применяются суглинки. Чтобы обеспечитьнеобходимую прочность и минимальную водопроницаемость этих пород, их уплотняюткатками, трамбующими мо ханизмами до получения заданной величины плотностискелета грунта — рд. На уплотнение затрачивается значительная работа.
Исследователями были определеныоптимальные условия, соблюдение которых позволяет уменьшить затраты на уплотнениепород. Установлено, что вначале при увеличении влажности значение рдвозрастает. При этом плотность пород становится наибольшей. Эта влажностьполучила название оптимальная, При дальнейшем увеличении влажностиплотность пород уменьшается. При приближении влажности пород к величине молекулярнойвлагоемкости возрастает смазывающее влияние пленочной воды. Это лишьспособствует уплотнению грунтов.
При увеличении влажностисвыше значения максимально молекулярной влагоемкости вода заполняет ужезначительную часть объема пор. И в этом случае вода, заполняющая поры грунтов,препятствует уплотнению. Без удаления некоторого количества воды из поровогопространства под действием катка уплотнение может не произойти. Вода при этомиграет роль механического препятствия, сопротивляясь уплотнению. Вместе с тем,малая прочность суглинков при высокой влажности приводит к их выдавливаниюиз-под катка. Оно проявляется в виде зыби. Поэтому уплотнение суглинковнеобходимо производить только при оптимальной влажности.
Верховодка.
Верховодка — это ненапорные подземные воды зоныаэрации, залегающие на небольшой глубине от поверхности Земли выше уровнягрунтовых вод и имеющие ограниченное распространение.
Если в толщеводопроницаемых пород залегает линзаводонепроницаемых пород, топроникающие сверху осадки, достигая линзы, задерживаются, скапливаются, образуясамостоятельный водоносный горизонт — верховодку. Верховодка обычно насыщаетразличные пористые породы. Она встречается также в верхней части корывыветривания скальных пород. Кроме того, верховодка распространена в районахмноголетней мерзлоты, где она в зимнее время полностью перемерзает. Мощность пород,насыщенных верховодкой, обычно невелика (в среднем 14-1,0 м), местами онадостигает 2-5 м.
Заметное влияние наформирование верховодки оказывает характер рельефа. Так на склонах, особеннокрутых, где благоприятны условия для поверхностного стока и неудовлетворительныдля инфильтрации, верховодка не формируется. Наилучшие условия для верховодкисоздаются на плоских водоразделах, особенно в понижениях микрорельефа (западинах,степных блюдцах и т.п.). На территориях больших городов образованию верховодкиспособствуют также многочисленные понижения, ямы, старые котлованы.
Ввиду незначительноймощности и распространения водоупорных линз верховодка образует лишь временноескопление воды, которое исчезает в засушливое время года. Поэтому вода верховодкииспользуется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств сельской местности илиснабжения мелких предприятий.
Качество вод верховодкиразлично. В районах избыточного увлажнения они слабо минерализованы, взасушливых районах — сильно минерализованы. На территориях городов воды верховодки,вследствие неглубокого залегания от поверхности, сильно загрязняются.
При строительных работахводы верховодки являются неблагоприятным фактором и для устранения вредноговлияния верховодки применяется дренаж-осушение.
При инженерно-геологическихизысканиях следует учитывать следующие особенности:
1)верховодка можетобразовываться даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорныхпропластков, например, когда в толщу суглинков обильно поступает вода, но из-заих низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхнейчасти толщи может образоваться верховодка, которая затем, через некотороевремя, рассасывается;
2)в сухое время годаверховодка не всегда обнаруживается при изысканиях, поэтому, чтобы предотвратитьее внезапное появление в период строительства, следует выполнять вероятностныйинженерно-геологический прогноз ее появления, в том числе, с привлечениемметодов имитационного моделирования особенно на просадочных (лессовых,протаивающих многолетнемерзлых) и набухающих глинистых грунтах.
8. Сформулируйтеосновной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определениякоэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовитетребования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону иметаллу
Линейный закон фильтрации.
Движение подземных вод впористых породах (пески, супеси, суглинки) неглубокого залегания имеет параллельно-струйчатыйили ламинарный характер, т.е. без разрывов и пульсации, [плавным изменениемскорости и подчиняется закону Дарси, экспериментально установленному им в 1856г. I Основной закон фильтрации — закон Дарси выражается формулой:
Q=KфF/>= KфFi,
где Q—расход воды (количество фильтрующейсяводы в единицу
времени), м3/сут;
Kф— постоянная величина для данной породы,характеризующая ее водопроницаемость; эта величина называется коэффициентомфильтрации, м/сут;
F— площадь поперечного сечения потока,м2;
ΔH — разность уровней в двухрассматриваемых сечениях, м;
l — длина пути фильтрации, м;
i — гидравлический уклон.
Разделив обе частиуравнения на Fи назвав /> — скоростью фильтрации V, м/сут, получим:
V=Кфi.
Это уравнение показывает,что по линейному закону скорость фильтрации прямо пропорциональнагидравлическому градиенту.
Если принять i = 1, то получим V=Кф, т.е. при гидравлически градиенте,равном единице, коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации.
Формула позволяетопределить так называемую кажущуюся скорость фильтрации. Так как водатечет лишь через часа сечения F, равную площади пор и трещин породы,то для определения действительной скорости фильтрации V, м/сут, следует учесть пористость п, выраженнуюв долях единицы и корректировать расчет: для песков и крупнообломочных пород Vд=V/n; для глинистых —
Vд=V/nакт,
где nакт — актив пористость в долях единицы.
Нелинейный законфильтрации.
В крупнообломочных,сильно трещиноватых скальных породах неглубокого залегания при наличии крупныхпустот трещин значительной протяженности движение водного потока имеет вихревойили турбулентный вид. Оно характеризуем вихреобразностыо, пульсацией и перемешиваниемотдельных струй воды.
Нелинейный закон фильтрациивыражается форм>~:А.А. Краснопольского:
V=Kк/> ,
где Кк—коэффициент,определяемый опытным путем в поле, м/сут;
i— гидравлический уклон.
Методы определениякоэффициента фильтрации.
К основным фильтрационнымпараметрам пород относят коэффициент фильтрации, а также коэффициентыводопроводимости, пьезопроводности и уровнепроводности.
Во всех уравнениях определениядвижения подземных вод основной расчетной величиной, количественно характеризующейфильтрационные свойства пород, является коэффициент фильтрации Кфм/сут. На его величину, а следовательно, и на пень водопроницаемости рыхлыхпород оказывают влияние:
диаметр пор — суменьшением диаметра пор уменьшается коэффициент фильтрации;
количество глинистыхчастиц — с увеличением количества глинистых частиц, особенно монтмориллонита, Кфуменьшается;
характер обменныхкатионов — при наличии двухвалентных катионов (Са2+, Мg2+) водопроницаемость и Кф возрастают,а в присутствии одновалентных катионов (Nа+, К+) — уменьшаются. Влияние Nа+, уменьшающее Кфсуглинков в десятки и сотни раз, используется на практике для сокращенияпотерь воды из водохранилищ.
Определениекоэффициента фильтрации методом инфилътрации из шурфа. Существует несколько способов длявыполнения этой работы (методы А.К. Болдырева, Н.С. Нестерова, Н.К.Гиринского,Н.Н. Веригина, Н.Н. Биндемана и др.). Наиболее простым является метод А.К.Болдырева. Он применяется для определения Кфв грунтах,не насыщенных водой. Метод заключается в следующем. В сухом грунте вырываетсяшурф, не доходящий до уровня грунтовых вод. Из градуированных судов,поставленных у бровки шурфа, по трубке наливается вода на дно шурфа так, чтобыуровень воды в приямке на дне шурфа оставался все время постоянным — около 10см. Для наблюдения за уровнем воды на дне шурфа устанавливается рейка. Черезкаждые 10-30 мин ведут замеры расхода воды на фильтрацию по шкалам сосудов.Опыт проводят до стабилизации расхода воды (в песках 10-20 ч, в суглинках 24-48ч).
Определив значениеустановившегося (стабилизировавшаяся) расхода Qуст, м3/сут, и разделив его на площадь дна шурфа F, м2, получают среднюю скорость инфильтрации из шурфа м/сут,равную
Vуст =/>.
Коэффициент фильтрацииопределяется еще и следующий методами: 1) полевыми работами — откачками; 2)лаборатории ми методами с использованием специальных приборов; 3) эмпирическимформулам.
Определение коэффициентафильтрации откачкой воды из скважин.Определения Кфоткачкой воды из скважиндают наиболее точные данные для расчета коэффициента фильтрации. Откачкиразделяются на откачки из одиночных скважин и кустовые.IОткачка из одиночной скважины позволяет предварительно Вшитьводообильность изучаемых пород. Произвести точный расчет коэффициентафильтрации по данным откачек из одной скважины нельзя, т.к. неизвестна величинарадиуса влияния, следующий пункт входящая в расчетные формулы. Кустовыеоткачки проводятся на специально выбритых опытных участках при глубинезалегания водоносного горизонта не более 100 м. Опытный куст состоит изцентральнной (опытной) скважины и ряда наблюдательных, располагаемых по одномуили нескольких лучам в случае неоднородности водоносного пласта. При четырех лучевойсистеме расположения скважин один луч проводится о направление потока подземныхвод, второй — против направления потока подземных вод третий и четвертый — в направлениях,перпендикулярных к ним. При двухлучевой системе применяются один или два луча,состоящие из двух-трех наблюдательных скважин. Один из лучей проводится вниз потечению подземных вод, второй перпендикулярно направлению потока, Расстояниенаблюдательных скважин от центральной рекомендуется применять равным 5; 10; 20;40; 80 м.
Оценка качествапитьевой воды. Приоценке подземных вод водоснабжения пользуются ГОСТами. В этой связи питьеваявода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15°С, неиметь неприятного вкуса и запаха, не содержать болезнетворных бактерий и солейтяжелых металлов. Сухой остаток в воде не должен превышать 1 г/л. жесткостьдолжна быть менее 7 мг-экв/л. Совершенно не допускается в питьевой водеприсутствие аммиака и азотистой кислоты, указывающих на фекальнуюзагрязненность. Питьевая вода может содержать не более 0,1 мг/л свинца, 0,05мг/л мышьяка, 1,5 мг/л фтора, 3 мг/л меди, 5 мг/л цинка, 1 мг/л железа 0,6 мг/лурана, 0,005 мг/л ртути. В воде не должны присутствовать болезнетворныебактерии брюшного тифа, холеры и другая недопустимая патогенная флора.Бактериальное загрязнение оценивается по «коли-титру», который должен быть неменее 300 мл и «коли-индексу», который должен быть не более 3.
Оценка качестватехнической воды.Вода,предназначен для промышленных целей, должна быть прозрачной, без запаха имягкой. Вода для питания котлов должна иметь сухой остаток не более 0,3 г/л,содержать хлора мене 200 мг/л, жесткость должна быть не более 3 мг-экв/л.
Агрессивность подземныхвод по отношению к бетону. Бетонные сооружения, находясь в соприкосновении с подземнымиили поверхностными водами, часто разрушаются некоторые химическимисоединениями, содержащимися в воде. Это разрешающее действие естественных водназывается агрессивной способностьо вод. В целях увеличения срока службысооружений необходимо определить степень агрессивности воды.
Сульфатная агрессивность.При повышенном содержаниисульфатов происходит кристаллизация в бетоне гипса Са5О4-2Н2Ос увеличением объема в 2 раза и образование «цементной бациллы», с увеличеннаяобъема в 2,5 раза. Все это приводит к разрушению бетона.
Магнезиальнаяагрессивностьведетк разрушению бетона при проникновении в тело бетона воды с повышеннымсодержанием. При содержании иона более 2000 мг/л вода агрессивна по отношению кбетонным сооружениям в песчаных породах, а при содержании иона свыше 5000 мг/лвода становится агрессивной в суглинках,
Карбонатная (углекислая)агрессивностьпроявляетсяпреимущественно в песчаных породах. Карбонатная агрессия возникает [результатедействия агрессивной углекислоты СО2. В процессе взаимодействия сводой из цемента выделяется свободная известь С03, которая реагируетсо свободной углекислотой СО2 Реакция идет по схеме:
СаС03 + СО2'+Н20 = Са (НСО3)2
Образующийся бикарбонаткальция является растворимым и легко выносится из бетона. Максимальнымсодержанием агрессивен СО7 является 3 мг/л, при менее опасныхпородах — 8,3 мг/л.
Кислородная агрессивностьвызываетсясодержащимся в воде кислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическимконструкциям.
При совместномприсутствии кислорода с углекислотой агрессивное действие кислорода повышается.
9. Опишите методыинженерно- геологических исследований
Аэрокосмическиймониторингсостояниягеотехнических систем выполняется по схеме: кадастр — динамика — прирекомендации по инженерной защите — разработка технологии инженерной защиты навсех стадиях создав функционирования сооружений.
Разработанные в НПЦтехнологии включают в себя: зональную аэрофотосъемку, тепловую инфракрасную,спектральную аэрофотосъемку, перспективную аэрофотосъёмку с использованиемматериалов космической фотосъёмки выполнением наземных экспедиционныхисследований, грамметрическая, оптико-электронная и тематическая обра!материалов съемок позволяют изготавливать кадастровые намические ипрогнозно-оценочные картографические и за вые модели состояния геотехническихсистем с назначением мероприятий по инженерной защите сооружений и окружаясреды.
В НПЦ «Аэроизыскания»применяется современная апаратура: многозональная аэрофотосъемочная камераМСК-4 гозональный синтезирующий проектор МСП-4, аппаратура для фотограмметрическойобработки и прессования изображений ППА-Б, стереокомпараторы, стереомграфы,комплекс цифровой обработки изображений С 106 ОС и другие.