Контрольная работа
по Инженерной геологии
Введение
Геология – комплекс наук о составе, строении, историиразвития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезныхископаемых. Основным объектом изучения, исходя из практических задач человека,является земная кора.
Особое развитие получила такая составная часть геологии, какинженерная геология – наука, изучающая свойства горных пород (грунтов),природные геологические и техногенно — геологические (инженерно-геологические)процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностьючеловека.
В современных условиях инженерная геология изучаетгеологическую среду для целей строительства и для обеспечения её рациональногоиспользования и охраны от неблагоприятных для человека процессов и явлений. Главнаяцель инженерной геологии – изучение природной геологической обстановкиместности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которыепроизойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительстваи эксплуатации сооружений.
На первый план выступают задачи по оценки горных пород и ихмассивов как среды производства инженерных работ и размещения сооружений.
В данной работе освещены геологические процессы и явленияестественного (природного) происхождения. А также рассмотрены вопросы,связанные с деятельностью человека при осуществлении строительных работ.
1. Химическийсостав земной коры. Понятие о кларках и их величины для основных химическихэлементов. Причины изменения химического состава земной коры
Земная кора является наиболее хорошо изученной твердойоболочкой Земли. Название «кора» исторически связано с представлением о твердойоболочке, образовавшейся в результате остывания поверхностных слоеврасплавленного огненно-жидкого вещества Земли, из которого она состоялапервоначально, как это представлялось по ранее господствовавшим космогоническимгипотезам.
Земля уникальна тем, что обладает корой двух типов:континентальной и океанической. Масса земной коры равна 2,8 х 1019тонн (из них 21% -океаническая кора и 79% — континентальная). Кора составляет0,473% общей массы Земли.
Земная кора образована различными по составу и происхождениюгорными породами. Проблемами химического состава земной коры, закономерностямиего изменения в пространстве и во времени занимается наука – геохимия. Поданным геохимии в земной коре установлено 93 химических элементов. Большинствоиз них являются сложными т.е. представлены смесью различных изотопов. В земнойкоре известно более 360 изотопов.
Впервые попытался оценить средний химический состав земнойкоры в 1815 г. английский минералог В. Филлипс на примере, правда, всего лишь10 элементов. В общем, он правильно определил количественную последовательностьраспространенности их и показал, что в неорганической природе резко преобладаюткислород и оксиды кремния, алюминия и железа, подобно тому как в живой природе«царствует» четверка элементов-органогенов: кислород, водород, углерод и азот. Тобыла эпоха накопления сведений. Затем наступило время обобщений. Наиболее значимымиисследованиями были труды американского геохимика Ф. Кларка. Он проанализировалданные по химическому составу большого количества минералов и горных пород:этих данных было более 5000. В 1889 г. Ф. Кларк опубликовал первую своднуютаблицу среднего химического состава земной коры. Это было лишь начало. Спустя20 лет появился гораздо более капитальный труд, в котором Ф. Кларк обобщилработы почти 1000 исследователей. В этом справочнике можно было найти данные осоставе горных пород, почв и вод. Вскоре Ф Кларк с помощью геолога Г.Вашингтона произвел классический расчет среднего содержания химическихэлементов в условном слое земной коры толщиной 16 км. Полученные данные длянаиболее распространенных элементов q тех пор изменялись в незначительной степени.
Среднее содержание отдельных элементов в земной коре называюткларками. Различают кларки весовые (массовые), атомные и объемные. Весовыекларки – это средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах илив граммах на грамм породы. Атомные кларки выражают процентные количества числаатомов элементов. Объемные кларки показывают, какой объем в процентах занимаетданный элемент.
В сумме эти числа дают около 98%. Следовательно, на долю всехостальных элементов, существующих на Земле, приходится немногим более 2%.Словом, геохимия констатирует крайне неравномерное распределение химическихэлементов в земной коре.
Анализ кларковых содержаний различных химических элементовпозволил установить некоторые закономерности их распространённости в земнойкоре:
· Кларки отдельных элементов изменяются от десятков процентовдо 10-8 и ниже т. к. распространенность хим. элементов в земной корекрайне неравномерна и характеризуется большими контрастами.
· Распространенность хим. элементов связана с их положением впериодической системе. Как отмечал еще Д.И. Менделеев, наиболеераспространенные элементы земной коры располагаются в начале периодическойсистемы. С увеличением порядкового номера распространённость элементовнеравномерно убывает. Таким образом, в земной коре явно преобладают легкиеэлементы. А.Е. Фермсан для более наглядного изображения особенностейраспространения хим. элементов построил полулогарифмический график (рис. 1)
/>
Рис. 1. Логарифмы кларков химических элементов: 1-четных;2-нечетных.
На графике хорошо видны избыточные и недостаточные, илидефицитные, хим. элементы, дающие соответственно пики вверх и вниз.
· Из двух соседних элементов периодической системы кларкчетного элемента. как правило, выше кларка нечетного. При этом наиболеевысокими кларками обладают элементы, раз), разности порядковых номеров которыхравны или кратны 6, например О (8), Si (14).
· Главными элементами – строителями литосферы являются всеговосемь химических элементов – О, Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg. (см. таблицу 2). При этом ведущее место среди нихпринадлежит кислороду, составляющему почти половину массы литосферы и около 92%ее объема. Наиболее распространенными являются элементы с наиболее устойчивымиядрами атомов. Дефицитность же ряды элементов, наоборот, обусловлена малойустойчивостью ядер их атомов.
Также существуют гипотезы, которые связывают закономерностираспространенности хим. элементов с особенностями образования земной коры какчасти Земли. Предполагается, что во время возникновения земной коры,существовали такие энергетические условия, которые благоприятствовалиобразованию хим. элементов с энергией связи в ядре, соответствующей наиболеераспространенным хим. элементам. Таким образом, распространенность хим.элементов в земной коре в настоящее время определяется двумя видамизакономерностей: обусловленными свойствами ядер хим. элементов и связанными сособенностями образования земной коры как части Земли. Особенности химическогосостава земной коры достаточно удовлетворительно объясняются механизмом ееобразования. Наиболее обоснованной и экспериментально и теоретически являетсягипотеза о «зонном» выплавлении вещества земной коры из мантии, разработаннаяА.П. Виноградовым. В основу ее экспериментального обоснования положентехнологический процесс зонной плавки. Механизм этого процесса представлен нарис. 2.
/>
Рис. 2. Моделирование процесса зонной плавки.
1-исходная смесь; 2-расплав; 3-закристаллизованное вещество;4-нагреватель
В трубку поместили смесь соединений, обладающих различнойтемпературой плавления. При помощи нагревателя 4 расплавим узкую зону внизутрубки и будем перемещать нагреватель вверх вдоль трубки. По мере движениянагревателя всё вещество трубки пройдет стадии плавления и последующейкристаллизации. Если такую операцию повторить неоднократно, то исходная смесьразделиться: вверху обособятся более легкоплавкие соединения, внизу – болеетугоплавкие. Данные механизмы имеют место при образовании земной коры. Придостижении массой Земли некоторой критической величины произошло образованиеядра. Под влиянием энергии, выделяемой при распаде радиоактивных элементов, атакже за счет гравитационного уплотнения, началось разогревание первоначальнохолодной Земли. Расплавленные массы под влиянием конвекционных токовперемещались в радиальном направлении к поверхности Земли, проплавляя при совемдвижении вещество мантии. Многократное повторение этого процесса обусловилозакономерную дифференциацию вещества, а именно- вынос из мантии относительнолегкоплавких соединений (К2О, Na2O, SiO2, Al2O3), накопление их вверхней оболочке Земли, которую мы называем земной корой. Таким образом, помеханизму своего образования земная кора есть не что иное, как продуктдифференциации мантии. Одновременно с выплавлением легкоплавких соединений извещества мантии происходило выделение паров и газов. В результате дегазациимантийного вещества образовалась основная масса газов и воды, имеющихся наЗемле. В настоящее время можно считать установленным, что единственнымисточником паров воды, при конденсации которых могли образоваться огромныемассы Мирового океана, было вещество мантии Земли.
Химический состав земной коры изменяется в течениегеологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день. Основнымипричинами изменения химического состава являются:
· Процессы радиоактивного распада, приводящие ксамопроизвольному превышению одних химически элементов в другие, болееустойчивые в условиях земной коры.
· Поступление метеорного вещества в виде метеоритов икосмической пыли.
· Продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли,приводящие к миграции химических элементов из одной геосферы в другую.
2. Дизъюнктивные нарушения залегания горных пород
Дизъюнктивные нарушения — разрывы сплошности геологическихтел. Общий термин для трещин, разрывов, разломов. По происхождениюдизъюнктивные нарушения делятся на нетектонические, возникающие при сокращенииобъёма породы, выветривании, оползнях, падении метеоритов; и тектонические,подразделяемые на разрывы без смещения (трещины) и разрывы со смещением(сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги, шарьяжи и раздвиги). По отношению кскладчатым и другим тектоническим структурам они могут быть краевыми илиграничными, внутренними и сквозными; по глубине проявления — приповерхностнымиили глубинными, рассекающими земную кору и верхнюю мантию.
Разрывы в горных породах делятся надве большие группы. К первой группе относятся трещины, представляющиесобой разрывы, перемещения по которым имеют очень незначительную величину.Во вторую группу объединяются разрывыс заметными перемещениями пород, разъединяемых разрывами. Совокупностьтрещин, разбивающих тот или иной участок земной коры, называетсятрещиноватостью. По степени проявления трещины можно разделить на три группы:открытые, закрытые и скрытые.
Открытые трещины характеризуютсячетко видимой полостью. В закрытых трещинах разрыв хорошо заметен невооруженнымглазом, но стенки трещин оказываются сближенными до такой степени, что заметитьполость по разрыву неудается.
Скрытые трещины очень тонки и приобычных наблюдениях не заметны, но их легко обнаружить при разбивании илиокрашивании горных пород.
В геометрической классификации трещинв осадочных и метаморфических породах, обладающих ясно выраженной слоистостьюили имеющих неясную слоистость, но четкую сланцеватую текстуру, выделяются(рис.3):
а) поперечные трещины, секущие вплане слоистость или сланцеватость по направлению падения. В разрезахпоперечные трещины могут быть либо вертикальными, либо наклонными;
б) продольные трещины, параллельныелинии простирания, но секущие слоистость или сланцеватость в вертикальныхразрезах;
в) косые трещины, секущие слоистостьили сланцеватость под углом относительно простирания и направления падения;
г) согласные трещины, ориентированныепараллельно слоистости, или сланцеватости как в плане, так и в разрезах.
В массивных, а также в слоистых исланцеватых породах нередко трещины удобнее классифицировать по углу наклона.
В таких случаях обычно выделяютсяследующие виды трещин: вертикальные (с углами падения от 80 до 90°), крутые (суглами падения 45 до 80°), пологие (с углами падения 10 до 45°), слабонаклоненные и горизонтальные (с углами падения от 0 до 10°).
/>
В генетической классификациивыделяются следующие типы и виды трещин:
Нетектонические трещины:
1. Первичные трещины.
2. Трещины выветривания.
3. Трещины оползней, обвалов ипровалов.
4. Трещины расширения пород приразгрузке.
Тектонические трещины:
1. Трещины отрыва;
2. Трещины скола (скалывания);
3. Трещины раздавливания(сплющивания).
Образование нетектонических трещин вгорных породах обусловлено изменениями внутренних свойств пород под влияниемсил, проявляющихся при экзогенных процессах на поверхности Земли или вблизинее.
Первичные трещины развиваются врезультате проявления внутренних сил, возникающих в породах при их усыхании,уплотнении, изменении объема и температуры и физико-химических превращениях.
Трещины выветривания. Привыветривании порода теряет свою монолитность. Разрушение ее происходит главнымобразом за счет раскрытия и расширения ранее существовавших в ней трещин иобразования новых — трещин выветривания.
Трещины оползней, обвалов и провалов.В описываемую группу объединены трещины, довольно разнообразные попроисхождению. Они обычно часты и четко выражены, но имеют местноераспространение.
Трещины расширения пород приразгрузке. Горные породы в земной коре находятся в сильно сжатом состоянии.Одна из основных сил, действующая повсеместно, вызывается тяжестью вышележащейтолщи. При высвобождении пород от действия сжимающих сил, что происходит уповерхности Земли, в горных выработках, в бортах речных и овражных долин и придругих подобных условиях, породы начинают выдавливаться в свободноепространство. В выработках выдавливаются боковые стенки, кровля и почва,стремящиеся заполнить все ее сечение; у поверхности Земли развиваются трещины отслаивания;в бортах речных долин и оврагов появляются характерные трещины бокового отпора.
Тектонические трещины появляются вгорных породах под влиянием тектонических сил, вызываемых в земной кореэндогенными процессами.
Тектонические трещины во многом,отличаются от трещин нетектонических. Различия выражаются прежде всего в том,что эти трещины более выдержаны как по простиранию, так и по падению иориентированы по единому плану в различных по составу породах.
Трещины отрыва имеют обычнолинзовидную (иногда S – образную)форму. Трещины отрыва нередко образуют кулисообразные ряды.(рис.4).
Они образуются в результатераздвигания (приоткрывания) стенок трещин: прямого (трещины отрыва) или косого(трещины разрыва). Обычно трещины выполнены различными жильными минералами(кварц, карбонаты, рудные и др.) и / или дайками магматических пород.
Ось алгебраически максимальныхглавных нормальных напряжений (σ1) в период формирования трещинотрыва ориентирована в направлении, нормальном (перпендикулярном) их плоскостям.
Оси σ2 иσ3 залегаютв плоскости трещины отрыва: в общем (простейшем) случае ось σ3залегает в направлении простирания формирующейся трещины отрыва, а ось σ2– совпадает с линией её падения (рис. 4). Трещины скола – по морфологиипрямолинейны или слабоизвилисты и характеризуются притертыми (тесно сжатыми)краями и наличием на плоскостях трещин штрихов (борозд) скольжения. Последниесвидетельствуют о перемещении стенок трещин относительно друг друга. Трещиныобычно «пустые» (без выполнения) и лишь в местах изгибов при перемещении стеноктрещин могут возникнуть пустые (позднее выполненные жильными минералами)небольшие по мощности полости.
Обычно одновременно формируются неменее 2 систем так называемых сопряженных во времени и пространстве(синхронных) трещин скола. В кинематическом отношении эти трещины относятся ккатегории взбросов (взбросо-сдвигов, сдвигов и др.).(рис.4.).
Трещины сплющивания – прямолинейные,тесно сжатые, короткие, без выполнения, на их стенках отсутствуют штрихискольжения, что свидетельствует о том, что перемещения по плоскостям трещинсплющивания не происходили.
Ось σ3 всегдаориентирована строго перпендикулярно плоскостям трещин сплющивания, ось σ2–по их простиранию, ось σ1 – по направлению их падения (рис. 4).Классификация разрывов со смещениями разработана на основании многолетнейпрактики геологов. Эти разрывы делятся на шесть основных групп: сбросы,взбросы, сдвиги, раздвиги, надвиги и покровы.
/>
Разрывы каждой из групп обладаютотличительными морфологическими признаками и образуются при различныхдинамических и кинематических условиях. Поэтому данная классификация являетсякак морфологической, так и генетической. Сбросами называются нарушения, в которыхповерхность разрыва наклонена в сторону расположения опущенных пород.
залегание геологическийдрен котлован
Классификация сбросовПо углу наклона смесителя По отношению к простиранию нарушенных горных пород По отношению наклонов смесителя и нарушенных пород По направлению движения крыльев (рис.5) По взаимному расположению По отношению к времени образования нарушенных разрывами отложений
пологие сбросы ( с углом наклона до 300) продольные (общее простирание смесителя совпадает с простиранием нарушенных пород) согласные (наклон пород и смесителя направлен в одну и ту же сторону) прямые (висячее крыло перемещается вниз) параллельные (поверхности смесителей в плане и разрезе параллельны) Конседиментационные (возникающие и развивающиеся одновременно с накоплением осадков)
крутые ( от 300до 800) косые (смеситель ориентирован под углом к простиранию пород) несогласные (породы и смеситель падают в противоположные строны) обратные (лежачее крыло перемещается вверх) радиальные (расходятся от одной точки или от определенного участка по радиусам) постседиментационные
вертикальные (угол наклона смесителя больше 800) поперечные (направленные вкрест простирания пород) шарнирные (крылья поворачиваются в разные стороны) перистые (образуют ветвящуюся сеть)
/>
Взбросами называются нарушения, вкоторых поверхность разрыва наклонена в сторону расположения приподнятых пород.
Классификация взбросовПо углу наклона смесителя По отношению к простиранию нарушенных пород По соотношению наклона пород и смесителя (рис. 6) По направлению перемещения крыльев По взаимному расположению в плане По отношению к времени образования
пологие (с углом наклона смесителя до 300) продольные (простирание смесителя совпадает с направлением простирания попод) согланые (наклон пород и смесителя направлен в одну и ту же сторону) прямые (висячее крыло перемещается вверх) ступенчатые Конседиментационные
крутые ( от 300 до 800) косые (ориентированные под углом к простиранию пород) несогласные (порода и смеситель наклонены в противополож. стороны) обратные (лежачее крыло перемещается вниз) радиальные постседиментационные
Групповые сбросы и взбросы. Сбросы и взбросы развиваютсягруппами, охватывающими значительные территории. Широко распространены системысмещенных блоков горных пород, разделенных сбросами или взбросами, называемыхграбенами и горстами. Грабенами называются структуры, образованные сбросами иливзбросами, центральные части которых опущены и сложены на поверхности породами,болеемолодыми, чем породы, обнажающиеся в приподнятых краевых частях. Такимобразом, грабены характеризуются погружением их центральных частей относительнопериферических вдоль линий разрывов (рис.7). Различают простые и сложные грабены.Простые грабены образуются двумя сбросами или взбросами; в сложных грабенахпринимает участие большое количество разрывов.
/>
Грабены планетарного размера,образованные сбросами, получили название рифтов, а грабены, в строении которыхучаствуют взбросы — рампы.
Горстами называются структуры,образованные сбросами или взбросами, центральные части которых приподняты и наповерхности сложены более древними породами, чем породы, обнаженные в ихкраевых частях (рис. 8).
/>
Сдвигами называются разрывы, смещенияпо которым происходят в горизонтальном направлении — по простиранию сместителя(рис. 9). В сдвигах различаются крылья, сместитель, угол наклона сместителя иамплитуда смещения.
По углу наклона сместителя сдвигиделятся на горизонтальные (угол наклона от 0 до 10°), пологие (угол наклона от10 до 45°), крутые (угол наклона от 45 до 80°), вертикальные (угол наклонасместителя от 80 до 90°).
По отношению к простиранию нарушенныхпород сдвиги, так же как и сбросы, могут быть продольными, косыми, илидиагональными, и поперечными. Различают правые и левые сдвиги.
По предложению В. В. Белоусова, разрывы,в которых перемещение крыльев происходит перпендикулярно к поверхности отрыва,называют раздвигали. При раздвиге увеличивается зияние между крыльями разрыва.
Разрывы взбросового характера,возникающие одновременно со складчатостью, называются надвигами.
Тектоническими покровами, илишарьяжами, называются крупные надвиги, характеризующиеся перемещениями накилометры и десятки километров по пологим, горизонтальным и волнистымповерхностям.
В покровах выделяются перемещенныемассы висячего крыла, называемые аллохтоном, и оставшееся на месте лежачеекрыло — автохтон. Поверхность, по которой перемещается аллохтон, называютповерхностью волочения.
Тектонические покровы относятся кчислу наиболее сложных структурных форм земной коры.
Тектонические покровы (шарьяжи) – это крупные структуры перекрытия,когда один геологический комплекс пород лежит (залегает) на другом наподобие болеемолодой толщи, но отделен от него полого залегающим разрывным нарушением (рис.10).
Породы, залегающие под покровом,называются автохтонными (автохтоном).
Породы, слагающие покровы(перемещенные, шарьированные), называются аллохтонными (аллохтоном).
Поверхность, разделяющая авто- иаллохтонные пластины, залегает полого, участками – горизонтально и обычно имеетсложную форму.
Останцы разрушенных (подвергшихсяденудации) после своего формирования аллохтонных пластин называются клиппами(рис.10.)
Выходы пород автохтона средиаллохтонных (например, в долине реки, эродирующей тело шарьяжа) называются тектоническимиокнами (рис. 10.)
Типы тектонических покровов.
Выделяют два типа покровов: 1)покровы течения и 2) покровы скалывания.
Первый тип покровов–шарьяжи,образованные сложно дислоцированными (смятыми в лежачие, опрокинутые складки ирассеченные разрывами (отложениями. Они сложены мощными толщами пластичных (впериод шарьяжеобразования) пород: флишоидами, серпентинитами и др.
Второй тип покровов образовансравнительно слабо деформированными пластинами, сложенными твердыми,непластичными (в период формирования) хрупкими горными породами.
Мощность покровов достигает 3-4 км, пакетов покровов – 7-8 км.
/>
3. Геологическая деятельность океанов, морей, озер
Вся совокупность водных пространств океанов и морей,занимающих 361 млн. км, или 70,8% поверхности Земли, называется Мировым океаном или океаносферой.Мировой океан включает четыре океана: Тихий, Индийский, Атлантический, СеверныйЛедовитый, все окраинные (Берингово, Охотское, Японское и др.) ивнутриконтинентальные моря (Средиземное, Черное, Балтийское и др.).Особенностью океаносферы является единство и взаимосвязь между отдельнымичастями — океанами и морями. Окраинные моря, будучи отделены от океанов толькоотдельными островами или подводными возвышенностями, характеризуютсяотносительно свободным водообменом с океанами. Внутриконтинентальные моря,окруженные материковой сушей, имеют связь с океанами через относительно узкиепроливы, что вызывает изменения в динамике, составе вод и в других показателях.Море – это одна из главных геологических сил, преобразующих облик Земли. Вморских бассейнах, как обычно именуют, моря и океаны, протекают сложные процессыэнергичного разрушения, перемещения продуктов разрушения, отложения осадков иформирования из них различных осадочных горных пород. Эти процессы наиболееинтенсивно проявляются в прибрежной мелководной зоне (0-200м) — зоне шельфа,которая окаймляет сушу полосой различной ширины и представляет собой подводноепродолжение континентов (рис. 11). Площадь шельфа составляет 7,6% площади морейи океанов.
/>
Рис. 11 Поперечный разрез океана. I – зона шельфа, II – материковый склон, III –ложе океана, IV – глубоководные впадины на дне.
На глубине от 200 до 2000 м располагается материковый склон,от 2000 до 6000 м — океаническое ложе и более 6000 м – глубоководные впадины.На глубине свыше 200 м волнения, происходящие на поверхности воды, несказываются на донных отложениях. Дневной свет сюда не проникает. Эта глубинаявляется пределом распространения донных растительных организмов.
В прибрежной зоне морские осадки (обломочные горные породы)формируются как за счет продуктов разрушения берегов, так и за счет привносаматериала ветром и особенно реками. В морях обитают многочисленные организмы,имеющие твердые скелеты (раковины, панцири), состоящие из СаСО3 иSiO2n/>H2O, чтодает органические осадки переходящие в органические горные породы. Морская водабогата солями, поэтому среди морских отложений большое место занимают отложенияхимического происхождения.
Вследствие вертикальных колебаний земной коры моряперемещаются. В одних местах берег отступает, и населенные пункты заметноудаляются от моря. В другие море наступает. Берег погружается под воду,энергично размывается. В геологии эти явления называются – трансгрессии(наступление) и регрессии (отступление) моря.
Инженерно-геологические исследования на морских берегахвыполняют либо в целях освоения морских прибрежных территорий, либо длястроительства зданий и сооружений на берегах.
Геологическая деятельность моря в виде разрушения горныхпород, берегов и дна называется – абразией. Процессы абразии находятся в прямойзависимости от особенностей движения воды, интенсивности и направления дующихветров и течений. Основную разрушительную работу совершают: морской прибой и вменьшей мере различные течения.
Волны действуют на берег постоянно. Под силой удара морскиеберега разрушаются, образуются обломки пород, которые подхватываются волнами и«бомбардируют» берега. Главное значение в этом процессе имеет механическаясила, постоянное ударное действие волн и обломков пород. Морские берега в результатеподмыва разрушаются от волн с различной скоростью от сантиметров до несколькихметров в год. На скорость подмыва влияет ряд факторов. Существенное значениеимеет характер напластовывания (рис. 12). Так, наиболее быстро разрушаютсяберега, сложенные породами с пологим углом падения от моря, и менее быстро – спологим уклоном падения в сторону моря. В этом случае волны скользят поповерхности слоев, причиняя им незначительные разрушения.
/>
Рис. 12 Устойчивость берега моря в зависимости отнапластования пород: а) – средняя; б) – минимальная; в) – максимальная; 1 –волны; 2 – положение слоев пород.
Разрушительная работа волн особенно значительна у крутых,обрывистых берегов, где глубина моря сравнительно большая. В результате абразиина берегах образуются волноприбойные террасы (рис. 13).
/>
Рис. 13 Строение морского берега, террасы: 1 и 2 – надводные;3 и 4 – подводные; 5 – пляжная.
В силу колебания уровня моря морские террасы могутрасполагаться выше пляжа или находиться под водой. Террасы выше пляжапоказывают поднятие берега и отступление береговой линии в сторону моря(морские террасы). Подводные террасы свидетельствуют о наступлении моря иопускании берега ниже уровня воды.
Кроме механического разрушения морская вода оказываетхимическое воздействие. Она растворяет породы и строительные материалы.Значительное разрушительное воздействие оказывают многие морские организмы ирастения. Известную разрушительную работу оказывают морские течения –прибрежные и донные, приливы и отливы. Однако, разрушительная работа течений всравнении с волнами невелика. Наибольшее значение течения имеют в переносепродуктов разрушения. Во взвешенном состоянии ими транспортируются растворенныевещества и песчано-глинистые частицы. Более крупные частицы и обломки породпереносятся в основном волочением по дну.
При проектировании зданий и сооружений на берегах морейнеобходимо учитывать абразию, обрушение берегов и возможное истощение пляжей. Всилу транспортирующего действия воды, в морях и океанах осадки распределяютсядовольно закономерно. Так, у берегов накапливается грубообломочная масса(галечники, гравий); в зоне шельфа – пески различной крупности; на материковомсклоне преобладает глинистый материал. По мере удаления от берега к обломочнымнакоплениям все более примешивается органический материал (илы) и осадкихимического происхождения. Главная масса осадков откладывается в прибрежной имелководной части моря. На материковом склоне и океанском ложе более всегоразвиты органогенные осадки. Обломочные и химические осадки имеют подчиненноезначение. Отложения, образовавшиеся в морской среде, широко распространены насуше, где они занимают огромные пространства на континентах в виде отложенийбольшой мощности и различного литологического состава (рис. 14).
/>
Рис. 14 Осадочная толщина морского происхождения, перекрытыесовременными наносами; 1 – песок; 2 – известняк; 3 – песчаник; 4 – глины; 5 –современные наносы в виде суглинка.
Озера – замкнутые углубления, на поверхности Земли,заполненные водой и не имеющие непосредственной связи с морем. Озера занимают 2% поверхности суши. Берега многих озер, особенно крупных, довольно плотнонаселены и широко используются для промышленного и гражданского строительства.Отсюда ясна вся важность изучения инженерно-геологических условий районов озер.Озера имеют различные происхождения. Среди них различают:
— тектонические – во впадинах тектонического происхождения(Байкал, Ладожское);
— эрозионные – в котлованах размыва;
— карстовые – в заполненных водой карстовых воронках;
— запрудные – образовавшиеся запруживанием рек в результатеобвалов.
Озера подобно морям совершают геологическую работуразрушительного и созидательного характеров, только в меньших масштабах.
Разрушительная работа озер проявляется в абразивнойдеятельности волн, нагоняемых ветром. Постоянно дующие в определенныхнаправлениях ветры вызывают волны, которые прибоем подмывают берега. Таксоздаются озерные абразионные террасы, выработанные в коренных берегах, иаккумулятивные, сложенные озерными осадками. Озерные террасы формируются втесной зависимости от изменения положения уровня озер. Большое влияние наположение уровня воды в озерах оказывают тектонические движения земной коры, ав последнее время и производственная деятельность человека. Созидательнаяработа озер заключается в образовании отложений. Озерные осадки представленыбольшим комплексом различных накоплений обломочного, химического иорганического происхождения. Вдоль побережий, где формируются пляжи, навеваютсядюны. Озера откладывают в основном грубые обломки и различной крупности пески.Донная часть озер заполняется глинистыми осадками, песками, илами. На днесоленых озер самостоятельно или вместе с механическими осадками отлагаются соли(хлориды, сульфаты). В озерах формируются специфические образования,свойственные только озерам, такие как сапропель, торф, особые озерные мергели.Важнейшей особенностью некоторых мелководных озер является способность вопределенных геологических и физико-географических условиях переходить в стадиюболот.
4. Приток воды в безнапорные совершенные дрены
Дрены — устройства, отбирающие из пределов водоносногогоризонта воду. Могут быть горизонтальными и вертикальными. Дрены совершенноготипа пересекают водоносный горизонт полностью, достигая водоупора. Дренынесовершенного типа прорезают лишь часть водоносного горизонта.
Приток воды кней происходит по всейповерхности соприкосновения стенок выработки с водоносным горизонтом. Еслиже выработка не доходит до водоупора, она называется несовершенной по степенивскрытияводоносного горизонта. Зачастую выработки закрепляются от обрушения,цементируются скважины оборудуются обсадными трубами, фильтрами и т. п.Естественно, что приток воды в такие выработки затруднен и их называют несовершеннымипо характеру вскрытия водоносного горизонта.Основные уравнения притока воды кводозаборам (скважинам и дренам) будем выводить при условии совершенствавыработок.
Представим себе плоский поток грунтовых вод. Гидравлическийградиент I в данном случае равен
/> (1)
где х — расстояние междусечениями h1 и h2
Если мы будем сближать сечения h1 и h2 так,чтобы расстояние между ними стало равно нулю, то получим уклон (гидравлическийградиент) в точке а, который равен тангенсу угла наклона зеркалагрунтовых вод или первой производной
/> (2)
Подставив полученное выражение гидравлического уклона ввыражение закона Дарси, получим для безнапорных вод
/> (3)
После устройства дрены скоростьдвижения воды в ней увеличивается и уровень воды понижается на величину S,которую в гидрогеологии принято называть величиной понижения. Инымисловами, величина понижения представляет собой разницу между статическим и динамическимуровнями. Мощность водоносного горизонта до понижения обозначим через H,глубину воды в дрене — через ho. В результате понижения уровня вдрене в водоносном горизонте образуется депрессионная воронка. Расстояние R,на которое сказывается влияние понижения, называют радиусом влияния.
Для расчета притока воды в дрену Qвыбираем на расстоянии хот стенки дрены сечение с напором к, котороенаходится в интервале от нуля до R.
В общем виде приток воды в дрену будет равен выражению (3).Подставим сюда величину площади фильтрации
/> (4)
где В — длина дрены. Получим
/> (5)
При расчете притока воды в дрену удобно пользоваться понятиемединичного притока д, т. е. притока воды на единицу длины дрены
/> (6)
Отсюда элементарная формула для расчета притока воды
/> (7)
Разделим переменные в выражении (18), т. е. умножим обе егочасти на dх и проинтегрируем
/> (8)
В результате получим
/> (9)
/> (10)
/> (11)
Формула (11) выражает величинуединичного притока с одной стороны дрены. Для получения полного притока воды вдрену необходимо умножить единичный приток на два, а затем — на длину дрены.Приток воды в торцы дрены обычно не учитывают, так как он при большой длинедрены составляет ничтожную долю.
По формуле (11) можно рассчитатьрасход плоского грунтового потока. Подставив вместо радиуса влияния расстояниемежду сечениями, равное I, получим
/>(12)
Выражение /> можно записать так
/> (13)
т. е. единичный расход равен
/> (14)
а полный расход составит
/> (15)
Исследуя выражение (11), мы сможемрешить одну из весьма важных задач в гидрогеологических расчетах — вывестиуравнение депрессионной кривой. Построение депрессионной кривой необходимо привозникновении угрозы затопления подземными водами котлованов, подвалов зданий ит. п..
Изменив пределы интегрирования ввыражении (9) по X от 0 до х, а по У от h0 до hК получим
/> (16)
Естественно, что приток воды ввыражениях (11) и (16) одинаков, т. е.
/> (17)
Решаем (17) относительно h
/> (18)
Для построения депрессионной кривоймы задаемся величиной hо в зависимости от 5, мощность водоносного горизонта Hлегко получить по данным бурения, величину радиуса влияния можно найти поэмпирическим формулам.
На миллиметровой бумаге строим разрезчерез дрену и котлован и, задаваясь разными значениями х(хи x2,...,хп), например 10, 20, 30 и т. д. метров, получаем величины h(h,h2,...,hп). Соединив полученные точки плавной линией, получим кривуюдепрессии. Если она проходит через котлован, строят новую кривую, задавшисьбольшей величиной понижения и, естественно, меньшим значением глубины воды вдрене. Построение производят до тех пор, пока депрессионная кривая не опуститсяниже дна котлована.
5. Схемы и системы осушения при проектировании котлованов итраншей
Водоотвод необходим для защиты котлованов и траншейот затопления их ливневыми и талыми водами. Для водоотвода обычно используютрасположенные с нагорной стороны резервы, кавальеры, а также специальноустанавливаемые оградительные обвалования, водоотводящие канавы, лотки исистемы дренажей. Канавы или лотки устраивают с продольным уклоном 0,002-0,003,а их размеры и виды креплений принимают в зависимости от расхода ливневых илиталых вод и предельных значений неразмывающих скоростей их течения. Воду извсех водоотводящих устройств, а также от резервов и кавальеров отводят впониженные места, удаленные от возводимых и существующих сооружений
Предварительное осушение часто осуществляется при устройствекотлованов и траншей, поскольку большинство сооружений и сетей водоснабжения иводоотведения возводят либо в непосредственной близости от водоемов, либо вусловиях обводненных и неучтойчивых грунтов. Выемки (котлованы и траншеи) принебольшом притоке грунтовых вод разрабатывают с применением открытоговодоотлива, а если приток значителен и толщина водонасыщенного слоя,подлежащего разработке, большая, то до начала производства работ уровеньгрунтовых вод (УГВ) искусственно понижают с использованием различных способовзакрытого, т.е. грунтового, водоотлива, называемого еще строительнымводопонижением. Работы по строительному водопонижению во многом зависят отпринятого метода механизированной разработки котлованов и траншей.Соответственно устанавливают очередность работ как по монтажу водоотливных иводопонизительных установок, их эксплуатации, так и по разработке котлованов итраншей. Например, если котлован размещен на берегу, в пределах поймы реки, торазработку его начинают только после монтажа водопонизительного оборудования,причем так, чтобы понижение уровня грунтовых вод опережало заглубление котлованана 1-1,5 м. Если котлован расположеннепосредственно в русле реки (пристроительстве, например, водозабора или насосной станции первого подъема), тодо работ по водопонижению котлован ограждают со стороны воды специальнымидамбами (перемычками). Работы по осушению при этом складываются из удаленияводы из отгороженного котлована и последующей откачки воды, фильтрующей вкотлован. Начальное осушение котлованов требуется после ограждения ихперемычками. При этом объем воды, подлежащий откачке,
W= V+qt
где V — объем воды в котловане, м3;q — приток воды в котловане, м3/ч;t — продолжительность осушения котлована, ч.
По величине объема начального водоотлива подбирают тип иколичество насосных агрегатов. Обычно для откачки воды из неглубокихкотлованов, когда глубина воды в них не превышает высоты всасывания, применяютстационарные центробежные насосы, в том числе консольного типа K, размещаемыена перемычке, а при больших глубинах используют плавучие или передвижныенасосные установки. В процессе осушения котлована очень важно правильно выбратьскорость откачки воды, так как очень быстрое осушение может вызыватьповреждение перемычек, откосов и дна котлована. Опыты показывают, что в первыедни откачки интенсивность понижения уровня воды в котлованах из крупнозернистыхи скальных грунтов не должна превышать 0,5-0,7 м/сут, из среднезернистых — 0,3-0,4 и в котлованах из мелкозернистых грунтов 0,15-0,2 м/сут. В дальнейшемоткачку можно увеличить до 1-1,5 м/сут, но на последних 1,2-2 м глубины откачкуводы следует замедлить. Открытый водоотливпредусматриваетоткачку притекающей воды непосредственно из котлована или траншей. Способприменим в скальных, обломочных, галечниковых и гравийных грунтах, устойчивыхпротив фильтрационных деформаций. При открытом водоотливе грунтовая вода,просачиваясь через откосы и дно котлована, поступает в водосборные канавы и поним в приямки (зумпфы), откуда ее откачивают насосами (рис. 16, а). Размерыприямков в плане в целях удобства их очистки принимают 1х1 или 1,5х1,5 м, аглубину от 2 до 5 м, в зависимости от требуемой глубины погруженияводоприемного рукава насоса. Минимальные размеры приямка назначают из условияобеспечения непрерывной работы насоса в течение 10 мин. Приямки в устойчивыхгрунтах крепят деревянным срубом из бревен (без дна), а в оплывающих — шпунтовой стенкой и на дне его устраивают обратный фильтр. Примерно такжекрепят траншеи в неустойчивых грунтах при использовании открытого водоотлива(рис. 16, б). Число приямков зависит от расчетного притока воды к котловану ипроизводительности насосного оборудования. Приток воды к котловану (или дебит)рассчитывают по формулам установившегося движения грунтовых вод.
Системой насосных установок качают воду в водосборныйколлектор и по нему отводят ее за пределы котлована. Открытый водоотливдовольно эффективный и простой способ осушения котлованов и траншей. Однаковозможно разрыхление или разжижения грунтов в основании и унос части грунтафильтрующейся водой. Поэтому на практике во многих случаях чаще применяютразличные способы искусственного понижения уровня грунтовых вод, т.е.грунтового водоотлива, исключающего просачивание воды через откосы и днокотлована. Источник статьи: www.sbh.ru Искусственное понижениеуровня грунтовых вод предполагает устройство системы дренажей, трубчатыхколодцев, скважин, использование иглофильтров. Среди остальных средствводопонизительного оборудования широко используются легкие иглофильтровыеустановки (ЛИУ), эжекторные водопонизительные установки (ЭВУ), системы скважин(СС) с артезианскими и глубинными насосами и установки вакуумного водопонижения(УВВ). Все перечисленные средства предусматривают забор воды из грунта через цепьрасположенных скважин с трубчатыми водоприемниками, соединенных коллектором,насосами (насосными станциями) для откачки воды и отводящим трубопроводом. Способыводопонижения и тип применяемого оборудования выбирают в зависимостиот глубиныразработки котлована (траншеи), инженерно-геологических и гидрогеологическихусловий площадки, сроков строительства, конструкции сооружения итехнико-экономических показателей. Для такого выбора можно воспользоватьсярекомендациями, приведенными в таблицы «Выбор способов водопонижения».
/>
Рис. 16 Открытый водоотлив из котлована (а) и траншеи (б).1 — дренажная канава; 2 — приямок (зумпф); 3 — пониженный уровень грунтовых вод; 4- дренажная пригрузка; 5 — насос; 6 — шпунтовое крепление; 7 — инвентарныераспорки; 8 — всасывающий рукав с сеткой (фильтром).
Грунтовый водоотлив, или искусственное водопонижениеосуществляют, когда осушаемые породы имеют достаточную водопроницаемость,характеризующуюся коэффициентами фильтрации (обычно не менее 1 — 2 м/сут).применить его в грунтах с коэффициентами фильтрации менее 1 — 2 м/сут нельзяиз-за малых скоростей движения грунтовых вод. В этих случаях используютвакуумирование или способ электроосушения(электроосмос). Иглофильтровый способпредусматривает использование для откачки воды из грунта часто расположенныхскважин с трубчатыми водоприемниками малого диаметра — иглофильтров,соединенных общим всасывающим коллектором с общей (для группы иглофильтров)насосной станцией.
Выбор способов водопониженияХарактеристика грунта Коэффициент фильтрации k, м/сут Рекомендуемые способы водопонижения при глубине понижения уровня грунтовых вод, м до 4 — 5 до 18 — 20 свыше 20 Глина --- Электроосушение Суглинок 0,005 — 0,4 Легкие одноярусные ЛИУ и эжекторные иглофильтры Многоярусные ЛИУ и эжекторные иглофильтры --- Супеси 0,2 — 0,7 Песок: мелкозернистый мелкий средний крупный гравелистый 1,2 — 2,0 2,0 — 10,0 10,5 — 25,0 25,0 — 75,0 50 — 100 Одноярусные ЛИУ Буровые скважины с центробежными насосами Многоярусные ЛИУ и эжекторные иглофильтры --- Буровые колодцы с артезианскими погружными насосами Гравий: с песком чистый 75 — 150 100 — 200 Поверхностный водоотлив Буровые скважины с погружными насосами
Для искусственного понижения УГВ на глубину 4 — 5 м впесчаных грунтах применяют легкие иглофильтровые установки. При этом дляосушения траншей шириной до 4,5 м используют однорядные иглофильтровыеустановки (рис. 17, а), а при устройстве более широких траншей (например, дляпрокладки коллекторов) — двухрядные (рис. 1.7, б). Для осушения котловановприменяют замкнутые по контуру установки (рис. 17, в). При необходимостипонижения уровня воды на глубину более 5 м применяют двух- и трехъярусныеиглофильтровые установки (рис. 17, г). В этом случае вначале вводят в действиепервый (верхний) ярус иглофильтров и под его защитой отрывают верхний уступкотлована, после чего монтируют второй (нижний) ярус иглофильтров и отрываютвторой уступ котлована и т.д. После ввода в действие каждого последующего ярусаиглофильтров предыдущие можно отключить и демонтировать.
Применение иглофильтров может оказаться эффективным и дляводопонижения в слабопроницаемых грунтах, если под ними залегает болееводопроницаемый слой. При этом иглофильтры заглубляют в нижний слой (рис. 17,д) с обязательной их обсыпкой.
Погружают легкие иглофильтры на глубину 7-8 м чаще всегогидравлическим способом. При этом собранный иглофильтр с присоединенным к немушлангом от насоса поднимают краном в вертикальное положение, после чеговключают насос.
Вода, нагнетаемая по внутренней трубе иглофильтра,отталкивает шаровой клапан (кольцевой клапан при этом закрывает доступ впространство между наружной и внутренней трубами) и поступает к наконечнику,выйдя из которого с большой скоростью размывает грунт.
В результате образуется скважина, в которую опускаютиглофильтр. Расстояния между иглофильтрами принимают в зависимости от схемы ихрасположения (кольцевой или линейный), глубины водопонижения, типа насосногоагрегата игидрогеологических условий, но обычно эти расстояния равны 0,75; 1,5, а иногда и 3 м.
/>
Рис. 17 Водопонижение легкими иглофильтровыми установками. 1 — траншея с креплениями; 2 — всасывающий коллектор; 3 — соединительные патрубки (шланги); 4 — кран иливентиль; 5 — насосный агрегат; 6 — иглофильтры; 7 — пониженный уровеньгрунтовых вод; 8 — водоприемное фильтровое звено иглофильтра; 9 — проложенныйтрубопровод в траншее; 10 — напорный трубопровод; 11 — сборный трубопровод; 12- дренажная пригрузка; 13 — иглофильтры верхнего яруса; 14 — то же, нижнегояруса; 15 — конечное положение депрессионной поверхности грунтовых вод; 16 — глиняный тампон; 17 — песчано-гравийная обсыпка.
Откачку воды из системы с легкими иглофильтрами производятнасосным агрегатом, состоящим из центробежного насоса, соединенного свакуум-насосом или вихревым самовсасывающимнасосом. при откачке воды шаровойклапан иглофильтра под влиянием вакуума поднимается, а кольцевой клапан опускается,открывая грунтовой воде, поступающей вовнутреннюю трубу через отверстиянаружной трубы фильтра. На практике применяют легкие иглофильтровые установкиразличных типов, но наибольшее распространение получили ЛИУ-3, ЛИУ-5 и ЛИУ-6производительностью соответственно 60, 120 и 140 м3/ч с комплектом 60-100 иглофильтров.
Эжекторные иглофильтровые установки(рис. 18, а) откачивают воду изскважин с помощью водоструйных насосов-эжекторов, работающих по принципупередачи энергии одним потоком воды другому. ЭИУ используются для понижения УГВодним ярусом на глубину от 8 до 20 м в грунтах с k>2-3 м/сут. Установкисостоят из иглофильтров с эжекторными водоподъемниками (рис. 18, б),распределительного трубопровода (коллектора) и центробежных насосов. Эжекторныеводоприемники, помещенные внутри иглофильтров (рис. 18, в), приводятся вдействие струей рабочей воды, нагнетаемой в них насосом под давлением 0,6-1,0МПа через коллектор.
/>
Рис. 18 Водопонижение эжекторными фильтрами,водопонизительными скважинами и электроосмотическим способом а — эжекторная иглофильтроваяустановка; б — эжекторный иглофильтр; в — его фильтровое звено; г — открытаяводопонизительная скважина; д — схема электроосмотического водопонижения; 1 — низконапорный насос; 2 — циркуляционный резервуар; 3 — высоконапорный насос; 4- распределительный трубопровод; 5 — сливный лоток; 6 — трубопровод; 7 — эжекторныйиглофильтр; 8 — водоприемное фильтровое звено; 9 — водоотводящая труба; 10 — труба от насоса; 11 — наружная труба; 12 — диффузор с насадкой; 13 — сетка; 14- шаровой клапан; 15 — наконечник с зубчатой коронкой; 16 — отстойник; 17 — просеченный лист; 18 — песчано-гравийная обсыпка; 19 — местный песчаный грунт;20 — кондуктор; 21 — пьезометр для замера уровня воды в скважине; 22 — то же, вобсыпке; 23 — надфильтровая труба; 24 — водоподъемные трубы; 25 — направляющиефонари; 26 — муфта; 27 — насосный агрегат; 28 — трубы-аноды; 29 — иглофильтры-катоды; 30 — двигатель-генератор; 31 — насосный агрегат; 32 — всасывающий коллектор; 33 — пониженный уровень грунтовых вод.
Рабочая вода поступает в кольцевой зазор между внутренней инатужной колонной труб иглофильтра и далее к входному окну эжектора12,состоящего из насадки, камеры смещения, горловины и диффузора. Рабочая вода,выходя из насадки с большой скоростью, вследствие внезапного расширения струисоздает разрежение и подсасывает из внутренней трубы грунтовую воду, смешиваясьс ней, и подает ее вверх. Как видно из схемы эжекторной установки (см. рис. 18,а), вода, выбрасываемая из иглофильтров, поступает в лоток и затем сливается вциркуляционный резервуар, откуда часть воды вновь засасывается насосом, а остальнаячасть сбрасывается за пределы строительной площадки. Эжекторный иглофильтр (см.рис. 18, б) состоит из надфильтровых труб диаметром 2,5 (ЭИ-2,5) или 4 дюйма(ЭИ-4), фильтрового звена (см. рис 18, в), из внутренних колонн водоподъемныхтруб, к нижнему концу которых прикреплен эжекторный водоподъемник.Призводительность эжекторных иглофильтров ЭИ-2,5 и ЭИ-4 при напоре рабочей воды0,6-1 МПа составляет соответственно 0,1-1,8 и 2,9-5,1 л/с. Погружают эжекторныеиглофильтры, так же как и легкие, гидравлическим способом. Расстояние междуиглофильтрами определяется расчетом, но в среднем оно равно 5-15 м. Выбороборудования иглофильтровых установок, а также типа и числа насосных агрегатовпроизводят в зависимости от величины ожидаемого притока грунтовых вод Q итребований ограничения длины коллектора, обслуживаемого одним насосом. Электроосмотическое водопонижение,или электроосушение,основано на использовании в целях усиления эффекта водоотдачи явленияэлектроосмоса, т.е. способности воды двигаться под воздействием поляпостоянного тока в порах грунта от анода к катоду. Его используют вслабопроницаемых (глинистых, илистых, суглинистых) грунтах, имеющихкоэффициенты фильтрации менее 1 м/сут при ширине котлована до 40 м. при этомвначале по периметру котлована на расстоянии 1,5 м от его бровки и с шагом0,75-1,5 м погружают иглофильтры-катоды соединенные с отрицательным полюсомисточника постоянного тока, а затем с внутренней стороны контура этихиглофильтров на расстоянии 0,8 м от них с таким же шагом, но со смещением, т.е.в шахматном порядке, погружают стальные трубы или стержни-аноды, соединенные сположительным полюсом (см. рис. 11.9, д). причем и иглофильтры, и трубы(стержни) погружают на 3 м ниже необходимого уровня водопонижения. Рабочеенапряжение системы, исходя из требований техники электробезопасности, не должнопревышать 40-60 В. При пропускании постоянного тока вода, заключенная в порахгрунта, передвигается от анода к катоду, благодаря чему коэффициент фильтрацииего возрастает в 5-25 раз, а уровень напора в массиве грунта снижается, что вцелом значительно повышает эффективность работы иглофильтровой установки.Котлованы начинают разрабатывать обычно через трое суток после включениясистемы электроосушения, а в дальнейшем работы в котловане можно вести приработе этой системы. Открытые(соединяющиеся с атмосферой) водопонизительныескважины,оборудованные насосами, применяют в тех случаях, когда требуются большиеглубины понижения УГВ, а также когда использование иглофильтров затруднительноиз-за больших притоков, необходимости осушения больших площадей и стесненноститерритории. Основным конструктивным элементом скважины-колодца является фильтроваяколонна (см. рис. 18, г), состоящая из фильтра, отстойника, надфильтровых труб,внутри которых размещен насос. Для откачки воды из скважин применяютартезианские турбинные насосы типа АТН, а также глубинные насосы погружноготипа (с погружным электродвигателем). Вакуумныйспособ водопонижения, при котором в зоне иглофильтра создаетсяустойчивый вакуум, применяют для осушения мелкозернистых грунтов (пылеватых иглинистых песков, супесей, легких суглинков, илов, лессов), имеющих малыекоэффициенты фильтрации (0,01-3 м/сут). при необходимости понижения УГВ до 7 мприменяют установки вакуумного водопонижения типа УВВ с легкими иглофильтрами,снабженными воздушными трубками, а при глубине понижения до 10-12 м — эжекторными иглофильтрами с обсыпкой. Эжекторные вакуумные водопонизительныеустановки типа ЭВВУ с вакуумными концентрическими скважинами позволяют достигатьпонижения уровня грунтовых вод до 20-22 м. В установках УВВ для создания вовсасывающем коллекторе устойчивого вакуума применяют водовоздушный эжектор, адля откачки воды — водоводяной эжектор. Они питаются рабочей водой, поступающейот центробежного насоса.
6. Суффозия и меры по её предотвращению
При фильтрации подземная вода совершает разрушительнуюработу. Из пород вымываются составляющие их мелкие частицы. Это сопровождаетсяоседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процессвыноса частиц, а не его последствия, называют суффозией. Различают два видасуффозии – механическую и химическую. При механической фильтрующаяся водаотрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые,пылеватые, песчаные); при химической вода растворяет частицы пород (гипс, соли,карбонаты) и выносит продукты разрушения.
При одновременном действии этих двух видов суффозияназывается химико-механическая. Такая суффозия может быть в лессовых породах,где растворяется карбонатное цементирующее вещество и одновременно выносятсяглинистые частицы. Основной причиной суффозионных явлений следует считатьвозникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления ипревышение величины некоторой критической скорости воды. Это вызывает отрыв ивынос частиц во взвешенном состоянии. Взвешивание частиц происходит прикритическом напоре, который можно определить по формуле:
Iкр = (/>
где /> - плотность породы (песка); n – пористость породы, доли единицы.
Гидродинамическое давление, г/см3, действующее покасательной к депрессионной кривой дренируемого потока, определяют по формуле:
D = />
где /> – плотность воды; n – пористость, доли единицы; I – гидравлический уклон (градиент).
Суффозия наиболее свойственна гранулиметрически неоднороднымпородам. Процесс механической суффозии в разнозернистом песке происходитследующим образом. Песок состоит из частиц различного размера – больших ималых. Большие частицы создают структурный каркас породы. Поры достаточно великии через них под действием фильтрующей воды свободно проходит мелкие частицы(глинистые, пылеватые). Суффозия в таких песках возникает с момента появлениякритического напора Iкр/>5.
Суффозия может происходить в глубине массива пород или вблизиповерхности земли. В глубине массива перенос мелких частиц осуществляется водойиз одних пластов в другие или в пределе одного слоя. Это приводит к изменениюсостава пород и образованию подземных каналов. В глубине массива суффозия можетвозникать также на контакте двух слоев, различных по составу и пористости. Приэтом мелкие частицы одной породы потоком воды переносятся в поры другой породы.При суффозии на контакте между слоями иногда формируются своеобразные прослоиили вымываются пустоты. Это можно наблюдать на контакте глинистых и песчаныхслоев, когда соотношение коэффициентов фильтрации этих пород больше 2.Характерными являются пустоты лессовых пород, в частности, на контакте сподстилающими их кавернозными известняками-ракушечниками. Размер пустот иногдадостигает нескольких метров. Такие небольшие пещеры развиты, например, насклонах долины р. Темерник в г. Ростов-на-Дону (рис. 19).
/>
Рис. 19 Суффозионная полость (1) в лессовых породах,залегающих на склоне рельефа, сложенном известняками-ракушечниками (2); 3 –здания.
Развитие пещер нередко сопровождается провалом поверхностиземли, повреждением зданий и подземных коммуникаций. Следует отметить, что влессовых породах суффозия развивается не только на контактах, а и в самыхтолщах, образуя так называемый «глиняный карст». Развитие пустот начинается сходов землемеров при условии возникновения в них турбулентных завихренийфильтрующей воды. Порода разрушается и образуются пустоты размыва.
Как механическая, так и химическая суффозия активнопроявляется также вблизи поверхности земли при естественном или искусственномизменении гидродинамических условий – формировании воронок депрессии,колебаниях уровня подземных и поверхностных вод, откачках, дренировании.Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных долин и откосахкотлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод или сброселишних вод, в местах выхода на прверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях.
В откосах строительных выемок суффозионный вынос частицприводит к оседанию поверхности, образованию провалов, воронок, оползней.
Химическая суффозия может проходить длительное время ивыщелачивает не только карбонаты и другие, сравнительно легко растворимыевещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород химическаясуффозия переходит в карстовый процесс.
При исследовании пород, в которых наблюдается или возможнафильтрация воды, необходимо выявлять их способность к суффозии. Следуетучитывать, что при малом гидродинамическом давлении в породах может происходитьтолько фильтрация воды, при повышении давления начинается суффозия. Длявыявления этих свойств определяют критические градиенты и давление воды, прикоторых начинается процесс суффозии. Эту работу проводят в лабораторных иполевых условиях.
При проектировании объектов необходимо установить возможностьпроявления суффозионной осадки. Определять величину и характер протеканиясуффозионной осадки (Sс). При этом следует определять всюсуммарную величину вертикальной деформации засоленного основания, котораяскладывается из осадки, вызванной уплотнением грунтов от нагрузки объектов исуффозионной осадки.
При прогнозе величины суффозионной осадки следует учитывать:
— в глинистых грунтах с содержанием глинистых частиц более 40% осадка практически не проявляется;
— наибольшая осадка наблюдается при высокой засоленности ибольшой пористости грунтов;
-величина и характер протекания осадки во времени во многомзависят от химического состава фильтрующейся в грунте воды.
Величина суффозионной осадки определяется по результатамполевых испытаний засоленных грунтов статической нагрузки (штампом) последлительного замачивания.
Строительство на суффозионных грунтах имеет свои трудности иосуществляется по своим строительным нормам и правилам. При возведении объектовиспользуются различные приемы строительства. Выбор того или иного приемастроительства зависит от геологического строения и гидрогеологическойобстановки строительной площадки, типа и вида грунтов оснований, характеразасоления, конструкции объекта и технических возможностей строительнойорганизации.
Суффозионные явления отрицательно сказываются на устойчивостизданий и сооружений. С суффозией следует активно бороться. Основой всех мероприятийявляется прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями:регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляциейповерхности земли; перекрытием места выхода подземных вод тампонированием илиприсыпкой песка; устройством дренажей для осушения пород или уменьшениемскорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методамисиликатизации, цементации, глинизации, применением особых видов фундаментов,например, свайных.
Заключение
Изложенные основы инженерной геологии применяются на практикегорно-строительных и горно-эксплуатационных работ.
Развитие геологических процессов и явлений на той или инойтерритории связано с особенностями ее геологического строения, распространенияопределенных комплексов горных пород, с историей геологического развития.
Как следует из данных работы, изучение закономерностейразвития геологических процессов возможно только на широкой геологическойоснове, т.е. с учетом развития рельефа того или иного района, егогеологического строения, гидрогеологических условий, условий формированиясвойств горных пород, развития сопутствующих геологических процессов и явлений.
Всесторонний учет инженерно-геологических факторов таит всебе значительные резервы и возможности улучшения технико-экономическихпоказателей работы.
Список используемой литературы
1. Ажгирей Г. Д. Структурная геология. – М.: Изд. МГУ,1966- 228 с.: ил.
2. Белецкий Б. Ф. Технология и механизациястроительного производства. – 2003. [Электронный ресурс]URL:www.sbh.ru/articles/art1_2.htm
3. Горшков Г. П., Якушева А. Ф. Общая геология. – М.:Изд. МГУ, 1976- 314 с.: ил.
4. Ершов В.В., Новиков А. А., Попов Г. Б. Основыгеологии. Учебник для вузов. – М.: Недра, 1986- 310 с.: ил.
5. Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. Инженернаягеодинамика. – Л.: Недра, 1977- 436 с.: ил.
6. Панюков П. Н. Инженерная геология. – М.: Недра,1978-296 с.: ил.
7. Шепард Ф. П. Морская геология. – Л.: Недра, 1976 –412 с.: ил.
8. Чаповский Е. Г. Инженерная геология. Учебное пособиедля студентов геолог. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1975 – 296 с.: ил.