Механика грунтов 4

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ІНСТИТУТ

ДЕРЖАВНОГО ВИЩОГО НАВЧАЛЬНОГО ЗАКЛАДУ

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛБНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСІТЕТ»

Кафедра «Б та ЕАД»


КОНТРОЛЬНЕ ІНДІВІДУАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
з дисципліни «ІНЖЕНЕРНА ГЕОЛОГІЯ І ОСНОВИ МЕХАНІКИ ГРУНТІВ»

Виконав: студент

Мітасов Д.О.

Перевірив: доц.

Дирда Н.П.


ГОРЛІВКА 2010


Содержание

Вопроси: с

1.Тектонические явления................................................................................................3

2.Метаморфические горные породы...........................................................................17

3.Фильтрация и методы ее определения....................................................................28

4. Сопротивление горных пород и грунтов сдвигу. Условия Мора-Кулона...........35

5.Критическая нагрузка по условию обеспечения устойчмвости основания сооружений....................................................................................................................41

Литература......................................................................................................................47



Вопросы:

1. Тектонические явления


Ответ:Тектонические явления — явления, происходящие при смещениях земной коры. напр. землетрясения. Тектонические движения, обладая диахронным циклическим (синусоидальным) типом периодичности, благодаря астрономическим причинам скользят с запада на восток и проявляются асинхронно и регионально-синхронно. Проходя через материки и океаны, они создают колебания уровня Мирового океана и притока вещества в биосферу. Однако тектонические движения при наложении на колебания уровня океанов затушевывают их глобальное синхронное выражение, и они проявляются в виде трансгрессий и регрессий регионально-синхронно, хотя и на огромных территориях. Все местные тектонические явления, воздействуя на биосферу, суммируются ее подвижными оболочками и имеют глобальные последствия. Тектонические движения, ответственные за соотношение на поверхности нашей планеты суши и моря и поставку в биосферу вещества литосферы, работают по космическому расписанию. Они осуществляют внешние воздействия на биосферу. Чтобы ответить на вопрос, как реагировала биосфера на эти воздействия, необходимо восстановить историю развития биосферы, которая записана в земных недрах.

ТЕКТОНИКА — от греческого tektonike — строительное искусство. В геологии тектоника рассматривает тектонические процессы, под действием которых различные участки земной коры в определенный исторический промежуток времени приобретают различный облик или строение, т.е. происходит перестройка литосферы.

Тектонические процессы объединяют такие понятия как тектонические напряжения и тектонические движения.

Тектонические напряжения — это суммарная и векторная величина эндогенных сил на единицу объема. Величина эндогенных сил слагается из целого ряда разнообразных сил, действующих в разных направлениях. Это силы гравитации, движения тепловых потоков, силы связанные с изменением объема и т.д. вплоть до сил сцепления и разрушения между отдельными зернами минералов в породе. Действие части из них взаимно гасятся (уравновешиваются), а другой части наоборот усиливаются по какому-то вектору. Вот они и создают тектонические напряжения в блоках пород Земной коры и образуют области сжатия и растяжения. Вследствие этого, нарушается равновесие и начинается движение блоков земной коры друг относительно друга — происходят тектонические движения. При этом горные породы могут претерпеть смятие, разрыв; происходит их воздымание или опускание. Изменяется рельеф земной поверхности — возникают горы или впадины.

Кроме эндогенных сил, предполагается влияние космических на глобальные тектонические события. По каким признакам рассматривают типы тектонических движений?

1. По направлению движения — вертикальные или радиальные и горизонтальные, или тангенциальные.

2. По интенсивности воздействия — колебательные и деформационные.

3. По глубине и масштабу (или области их проявления):

поверхностные, связанные с процессами в осадочном чехле;

коровые, охватывающие земную кору,

глубинные, обусловленные процессами в верхней мантии.

4. По времени проявления — современные, неотектонические (неоген — четвертичный периоды), тектонические движения прошлых геологических эпох.

Часто перечисленные признаки в разной степени проявляются совместно. Поэтому мы рассмотрим тектонические движения на примере колебательных и деформационных и как с ними сопрягаются другие перечисленные признаки. Колебательные движения — это движения, у которых, во-первых, направление движения вертикальное, во-вторых направление движения периодически сменяется (т.е. при колебательных движениях один и тот же блок земной коры испытывает попеременно опускание или подъем). Колебательные движения происходили во все геологические этапы развития земной коры и происходят и сейчас. Современные колебательные движения — это медленное воздымание или опускание отдельных блоков с разными скоростями и величиной перемещений. Наибольшее поднятие установлено на Аляске. Здесь на горе, на высоте 1500 м, обнаружены раковины современных моллюсков. Изучение таких движений проводится с помощью повторного нивелирования по одним и тем же профилям. Это дает возможность определить скорость движения данного участка.

Колебательные движения в геологическом прошлом.

Признаками таких движений являются:

литолого-фациальные изменения осадочного разреза,

мощность отложений,

стратиграфические несогласия.

Рассмотрим, как по этим признакам можно определить такие движения.

1. При опускании участка (или трансгрессии моря) происходит смена фациальных условий и в разрезе это фиксируется сменой грубообломочных осадков на мелкообломочные морские. В том случае, когда участок воздымается (происходит регрессия моря) в стратиграфическом разрезе породы глубоководных морских фаций сменяются мелководными и грубообломочными. Таким образом, по изменению литолого-фациального состава можно определить направление колебательных движений.

2. Амплитуду тектонических движений или величину прогибания отражает мощность отложений, накопившихся в геологический отрезок времени. При этом исходят из представления, что прогибание дна бассейна компенсировалось накоплением в нем осадков.

3. При длительном погружении осадочные толщи разного возраста формируются последовательно друг на друге, имея общие или близкие элементы залегания. В этом случае говорят о согласном залегании толщ. Если поверхность морского дна при последующем воздымании становится сушей, то она начинает разрушаться и наступает перерыв в осадконакоплении. При этом образуется поверхность разрушения или размыва. Если через какой-то период времени на этом участке начнется новое опускание, то на поверхности размыва начнут накапливаться новые отложения, залегание которых будет отличаться от залегания нижележащих толщ. В этом случае говорят о несогласном залегании разновозрастных толщ, а поверхность размыва — поверхностью несогласия. Различают несколько типов несогласий.

1-Параллельное, когда между пачками пород проходит поверхность размыва, а углы наклона залегания слоев не меняются.

2-Угловое несогласие возникает тогда, когда на поверхности размыва накапливаются пачки пород, у которых углы наклона слоев отличаются от элементов залегания пород до поверхности размыва.

Уже из перечисленных признаков можно представить, какие методы анализа необходимо применить для реконструкции колебательных тектонических движений. Эти методы следующие:

1. Стратиграфических разрезов 3. Анализ мощностей отложений

2. Фациальный анализ 4. Анализ перерывов и несогласий

Все эти методы применяются совместно, т.е. исследования проводят комплексно. В результате таких исследований определяют палеотектоническую обстановку в тот или иной период времени осадконакопления. Но в таком виде мы рассмотрели идеальную схему развития, когда направленность процесса не нарушена и не подверглась изменению под влиянием других тектонических движений, объединяемых в деформационные.

Деформационные тектонические движения — это такие движения блоков Земной коры, в результате которых нарушаются условия первичного залегания слоев, их смещение относительно друг друга, т.е. происходит их деформация или тектоническое нарушение. Наиболее наглядно они проявляются в слоистых толщах. Поэтому предварительно рассмотрим слой и его элементы.

Слой или пласт — это плитообразное тело, ограниченное близ параллельными поверхностями, у которого длина в несколько раз превышает мощность. У слоя выделяют: кровлю, подошву и мощность. Кроме того, каждый слой занимает какое-то положение в пространстве. Это положение определяют элементы залегания его поверхностей: простирание и падение. Иначе еще можно сказать, что это положение в плане и разрезе. Для наклонных слоев — простирание пласта — это его протяженность на горизонтальной плоскости. Отсюда — линия простирания пласта — это линия его пересечения с горизонтальной плоскостью.

Линия, лежащая в плоскости пласта и перпендикулярная линии простирания называется линией падения пласта. Их положение относительно стран света измеряют в углах относительно северного меридиана и называют азимутами простирания и падения. Кроме этих элементов определяют угол падения, который образуется линией падения и горизонтальной плоскостью. Все эти элементы определяются с помощью горного компаса.

Перейдем теперь к рассмотрению тектонических деформаций. Все они подразделяются на: упругие, пластические и хрупкие (разрывные).

Упругие деформации — это такие воздействия тектонических сил, при которых сохраняется способность восстанавливать первоначальную форму телом, после прекращения действия на него какой-либо нагрузки. (Пример пружины). Упругие свойства сохраняются до определенной величины воздействия, которую называют пределом упругости. При достижении предела упругости тело теряет способность восстанавливать первоначальную форму. Происходят пластические деформации, в результате которых в пластах пород возникает новая форма, но сохраняется их сплошность.

Упругие и пластические деформации происходят до тех пор, пока не будет пройден предел прочности пород, после чего происходит их разрушение или хрупкие деформации.

Каждый из указанных типов деформаций зависит от величины и длительности действия тектонических напряжений и от физико-механических свойств горных пород. В таких породах как аргиллиты и алевролиты (глинистые), в некоторых метаморфических породах (гнейсы, серпентиниты) чаще проявляются пластические деформации, тогда как песчаники, граниты и др. больше подвержены хрупким деформациям. В природе часто эти деформации встречаются совместно.

В результате сжатия и пластических деформаций в толще пород слои изгибаются и образуют складки, и такие нарушения первичного залегания слоев называют складчатыми или пликативными нарушениями.

Основные элементы складок:

1. Крылья — боковые части складки,

2. Ядро — внутренняя часть складки,

3. Замок складки или свод-место перегиба пластов,

4. Осевая плоскость-плоскость делит угол складки пополам. Ось складки — это линия пересечения осевой плоскости с горизонтальной поверхностью.

5. Шарнир-линия пересечения осевой плоскости с перегибом крыльев.

Среди складок выделяют два типа: 1 — антиклинали и 2 — синклинали. Относительно дневной поверхности в разрезе первый тип имеет выпуклое строение слоев, а второй тип — вогнутое строение. Признаком первого типа складок является залегание в их ядре древних пород, а в крыльях — более молодых; а у второго типа — молодые породы в ядре, а на крыльях более древние.

По соотношению размеров в складке (длина и ширина) их разделяют на:

— линейные — длина в несколько раз >ширины.

— брахискладки — длина в 2-3 раза > ширины.

— изометричные — длина и ширина примерно равны. Среди них выпуклые складки называются куполами, а вогнутые — мульдами.

Линейные складки образуют сложные складчатые формы и занимают обширные пространства, называемые складчатыми областями. В них происходит сочетание антиклинальных и синклинальных складок, и если такое сочетание в целом образует сводовое поднятие, то оно называется антиклинорием, а если образует прогиб-то называется синклинорий. Для них характерны крутые падения крыльев и протяженность на сотни км.

Сочетание антиклинориев и синклинориев образует мегасинклинории и мегантиклинории. На Урале примером мегасинклинория является Тагильский, а мегантиклинория — Восточно-Уральское поднятие.

Разрывные нарушения образуются вследствие тектонической деформации пластов с нарушением их сплошности. Они различаются по форме, размерам, амплитуде и другим параметрам.

Элементы разрывных нарушений:

— плоскость разрыва или сместитель,

— крылья или блоки пород по обе стороны от сместителя.

Как и у пласта горных пород у сместителя есть элементы залегания — аз. пад. и угол пад. Блок пород расположенный над плоскостью разрыва называется висячим, а под плоскостью — лежачим.

Основные типы тектонических разрывов.

По направлению перемещений блоков в вертикальном и горизонтальном направлениях выделяют:

— взбросы и сбросы — образуются при вертикальных перемещениях блоков вдоль сместителя, у которого угол падения >45о. Взбросом называют разлом, у которого лежачий блок опущен, а висячий — приподнят (взброшен); сбросом же называют разлом, у которого висячий блок опущен, а лежачий — приподнят;

— сдвиги образуются в случае, когда блоки перемещаются относительно друг друга в горизонтальном направлении. Сдвиги разделяются на: правые — когда блоки смещаясь двигаются по часовой стрелке; левые — перемещения блоков в плане происходит против часовой стрелки.

В природе редко встречаются разрывы какого-то одного типа. По одному сместителю могут происходить как вертикальные, так и горизонтальные смещения. Образуются взбросо- и сбросо-сдвиги.

Поверхность сместителя и его мощность могут измеряться: от мм (зеркала скольжения) до сотен метров (в этом случае сместитель рассматривается как геологическое тело линейной формы, заполненное перетертым материалом — тектоническими брекчиями и милонитами, или жилами различного состава).

Часто тектонические нарушения образуют систему разломов:

— грабен представляет систему, в которой центральная часть (блок) опущена, а крылья подняты;

— горст-это система разломов, в которой центральная часть поднята, а крылья опущены.

Система грабенов протяженная на сотни км называется рифт.

(Байкальский рифт, Восточно-Африканская рифтовая система).

По глубине и протяженности разрывы делятся на трещины и разломы. Трещины имеют размеры от см до нескольких метров. Разломы имеют размеры от км до сотен км.

По глубине разломы подразделяются на: коровые — пересекают земную кору и входят в мантию, глубинные — пересекают мантию.

Взбросы, у которых угол наклона сместителя
Неотектонические (новейшие) движения проявились в различных частях Земли и определили её современный рельеф. Наиболее максимально они проявились в формировании горного рельефа. Все горы на Земле сформировались в неоген — четвертичном периодах, реже палеоген — четвертичном, хотя по высоте они отличаются. Гималаи и Альпы — высокие, а Уральские горы значительно ниже первых. Это зависело от неравномерности проявления интенсивности неотектонических движений.

Для изучения современных и неотектонических движений широко используется геоморфологические методы. С помощью топокарт и аэроснимков выявляют аномалии рельефа, которые отражают тектонические движения.

О перемещении речной долины или береговой линии моря можно судить по положению речных и морских террас. Признаками неотектонических опусканий служит образование эстуариев, погружение террас ниже уровня моря, величина коралловых рифов более 40-60 м.

Научное и практическое значение изучения тектонических движений и результатов этих движений:

1-Позволяет проводить палеотектонические реконструкции;

2-Возможность определять условия формирования строения земной коры (как частный случай — определение условий формирования рельефа земной поверхности).

Реконструкции движений по разломам и определения путей движения рудоносных растворов и их концентрации в благоприятных структурных позициях позволяют на практике проводить целенаправленные поиски полезных ископаемых.

Тектоника плит

Тектоника плит — это основной процесс, который в значительной степени формирует облик Земли. Слово «тектоника» происходит от греческогот «тектон» — «строитель» или «плотник», плитами же в тектонике называют куски литосферы. Согласно этой теории литосфера Земли образована гигантскими плитами, которые придают нашей планете мозаичную структуру. По поверхности 3 емли движутся не континенты, а литосферные плиты. Медленно передвигаясь, они увлекают за собой континенты и океаническое дно. Плиты сталкиваются друг с другом, выдавливая земную твердь в виде горных хребтов и горных систем, или продавливаются вглубь, создавая сверхглубокие впадины в океане. Их могучая деятельность прерывается лишь краткими катастрофическими событиями — землетрясениями и извержениями вулканов. Почти вся геологическая активность сосредоточена вдоль границ плит.

То, что плиты перемещаются, вполне доказано (с помощью спутников можно точно измерить изменение расстояния между двумя точками на разных плитах и определить скорость их перемещения), но механизм их движения все еще до конца неизвестен. Существующая теория объясняет движение плит тем, что возникающие в толще мантии горячие зоны выбрасывают к поверхности нагретое подвижное вещество — плюмы, которые своим напором заставляют континенты смещаться.

Вопрос о том, когда процессы плитовой тектоники возникли впервые, обсуждается среди специалистов уже более трех десятилетий. Сначала считалось, что они сравнительно молоды — всего несколько сот миллионов лет, но в связи с новыми данными их возраст может бьть «отодвинут» глубоко в архейскую эру. Если это предположение подтвердится, то придется признать, что примерно 2,5 млрд. лет назад Земля выделяла тепловую энергию на поверхность таким же образом, как и сегодня.

К сожалению, теория тектоники плит не объясняет, как движение плит связано с процессами, происходящими в глубине планеты, поэтому необходима иная теория, описывающая не только строение и передвижение литосферных плит, но и внутреннее строение самой Земли, и те процессы, которые происходят в ее недрах. Однако разработка такой теории связана с большими трудностями, так как требует совместных усилий геологов, геофизиков, физиков, химиков, математиков и географов. И тем не менее попытки ее создании не прекращаются.

Тектонические движения — движения земной коры, вызванные процессами проходящими в ее недрах. Основной причиной тектонических движений считаются конвективные течения в мантии, возбуждаемые теплом распада радиоактивных элементов и гравитационной дифференциацией ее вещества в сочетании с действием силы тяжести и стремлением литосферы к гравитационному равновесию по отношению к поверхности астепосферы.
--PAGE_BREAK--1.Вертикальные тектонические движения.
Любой участок земной поверхности с течением времени неоднократно испытывал восходящие и нисходящие тектонические движения. Имеются данные о погружении обширных районов дна в юго-западной части Тихого океана.

Однако колебания уровня моря нельзя связывать с локальными по площади поднятиями. Существуют другие доказательства вертикальных тектонических смещений.

Изменение характера осадконакопления.

Трансгрессия (наступление) моря, начавшаяся вследствие погружения суши, приводит к накоплению морских осадков на эрозионной поверхности Земли. Регрессия (отступление) отражается в смене морского осадконакопления континентальным или же просто прекращением морского осадконакопления с последующей эрозией. В стратиграфических разрезах запечатлено множество событий такого рода. Многократно море заливало целые области, затем покидало их, а спустя некоторое время снова покрывало водой. Максимальная амплитуда вертикальных тектонических движений отражена в максимальной мощности морских отложений на погружавшихся участках земной поверхности, может достигать 20 км. и более.

Крутопадающие сбросы со смещением по падению сбрасывателя. Любые разрывы со смещением слоев по падению или восстанию по плоскости сбрасывателя свидетельствуют о вертикальных тектонических смещениях. Они относительны: вверх? вниз? и т.д.

Максимальное относительное смещение по одной плоскости может достигать 1 км.

Поднятия. Морские отложения часто можно обнаружить высоко в горах. Они накапливались первоначально ниже уровня моря, но позже были подняты на большую высоту. Амплитуда подъема в ряде случаев может достигать 10 км.

Метаморфизм. На поверхности Земли широко распространены метаморфозы породы, которые были перекристаллизированы при давлениях до 10 кбар и более. Такие давления достигаются на глубинах до 20 — 30 км, характерных для пород глацкофанлавсаней-сланцевой фации. Степень перекристаллизации этих пород, свидетельствует о том, что в процессе геологической истории эрозией была уничтожена мощная перекрывавшая их толща отложений, а амплитуда поднятия составляет 20-30 км.

Поднятия могут происходить с деформацией или без деформации слоев. Например, в области современного плато Колорадо, где в PZ и MZ происходит спокойное осадконакопление, воздымание произошло в раннем Z и не сопровождалось занятной деформацией слоев (в районе Большого Каньона залегают совершенно горизонтально). А докембрийский щит Западной Австралии был поднят вдоль разлома на западной окраине континента; этому разлому в рельефе поверхности соответствует уступ.

В некоторых случаях перемещения могут обусловливаться стремлением к изостатическому равновесию. Если, например, эрозией уничтожается часть телец создающих нагрузку в горном хребте, остаток хребта воздымается, а если на морском дне отлагаются осадки, оно может прогибаться под их тяжестью.
2.Горизонтальные тектонические движения.
Проявляются в двух видах: сжатия и растяжения.

Сжатия. Собранные в складки осадочные слои указывают на уменьшение горизонтальных расстояний между отдельными точками, происходившие перпендикулярно осям складок. Такое уменьшение предполагает сжатие. Объяснение сжатия основывалось на наблюдающейся потере Землей тепла и возможным ее остыванием, что должно обусловливать сокращение ее объема. Другая гипотеза: складки и покровные структуры могут образовываться под воздействием вертикальных движений и последующего скольжения крупных блоков осадочных пород, начинающих сминаться в складки в ходе этого процесса. То, что определенные сжимающие усилия и уменьшение размеров коры сопровождают образование складчатых горных хребтов(Альпы), представляется очевидным.

Растяжение. Под растяжением понимают такой тип тектонических деформаций, преимущественно связанный со взбросами, который характерен для рифтовых долин (рифты — ╚рифт╩ — расхождение, зияние — протяженные в сотни и тысячи километров сложные системы грабенов, часто сочетающихся с горстами). Во всех случаях имеется компонент вертикального смещения, связанный с растяжением. При растяжении возникают трещины, через которые на поверхность поступает огромное количество базальтовой магмы, образующей дайки и потоки. Примеры: изменение базальтов в бассейне Параны на юге Бразилии и в соседних странах. На обрамлении бассейна обнажаются тысячи подводящих даек. Средняя ширина их около 50 м, до 100 м и протяженность >1000 км. Исландия, расположенная на гребне Срединно-Атлантического хребта, образована мощными толщами лавовых потоков (1000 даек, протяженность до 53 км).

Подобная картина растяжения и образования сбросов, по-видимому, типична для срединно-океанических хребтов.

Подробно об этих и других участках земной коры будет прочитано на следующей лекции по теме: Структурные элементы земной коры.
3.Тектонические нарушения (деформации).
Большинство осадочных пород и лавовых потоков формируется и первоначально залегает в виде > или
При горизонтальном залегании может быть нормальное и перевернутое залегание пород, которые распознаются по различным текстурным образованиям, например, косой слоистости, следам дождевых капель, трещин усыхания и др.

Положение слоя в пространстве характеризуется двумя взаимно перпендикулярными направлениями: линиями простирания и падения, приходящими в плоскости напластования и называемыми элементами залегания слоя. Наиболее просто определяется линия простирания (линия пересечения поверхности напластования с горизонтальной плоскостью), для установления положения которой используется два инструмента: клинометр (угломер) — для определения ее положения на поверхности напластования, и компас — для определения ее направления относительно сторон света. Направление простирания характеризуется азимутом — углом между линией простирания и направлением магнитного меридиана, считая его от северного конца по ходу часовой стрелки. Оба этих инструмента обычно объединяются в одном инструменте — горном компасе. Перпендикулярная к линии простирания и направленная вниз — линия падения. Клинометром замеряют угол падения. Компасом замеряют азимут падения.

Различают тектонические нарушения, складчатые и разрывные.

3.1.Складчатые тектонические нарушения.

Различают два основных типа складок: антиклинальные (антиклинали), в которых изгиб слоев горных пород обращен выпуклостью вверх, и синклинальные (синклинали), в которых слои изогнуты выпуклостью вниз (см.рис.).

Формы этих структур могут быть весьма разнообразны. Они различаются по положению осевых плоскостей в пространстве, наклону крыльев и по соотношению элементов (см.рис.).

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ CКЛАДКИ

Различают складки: прямые (симметричные); с вертикальными осевыми плоскостями, косые (наклонные, асимметричные), у которых осевые плоскости наклонены.═ Кроме того складки бывают опрокинутыми (крылья наклонены в одну сторону), лежащие(крылья имеют горизонтальное залегание) и перевернутые. Складки могут быть открытыми (широко расставленными) или тесно сжатыми, оси складок могут быть наклонены к горизонту, складки ныряют в глубину. Наиболее крупные и резко выраженные складки встречаются только в определенных районах, чаще всего в областях складчатого горообразования (Северо-Шотланское нагорье, Альпы, Гималаи, Анды состоят из серии разнообразных крупных складок) (см.рис.).

В плане по протяженности различают складки:

Линейные, имеющие большую протяженность и длину, во много раз превосходит ширину. Они приурочены к горным складчатым областям или складчатым зонам, где все слои г.п. сильно дислоцированы.

Брахискладки (или укорочение), в которых длина больше ширины в 2-3 раза. Выпуклая брахискладка — брахиантиклиналь, вогнутая — брахисинклиналь.

Купола и мульды — длина и ширина складок одинаковы или близки по размеру. В плане образуют округлый или неправильный формы купол — выпуклая (антиклинальная) складка, мульда — вогнутая (синклинальная).

Дианировые складки (греч. ╚дианиро╩ — протыкаю). В ядре залегают сильно перемятые пластичные породы (соль, гипс, насыщенные водой глины и др.), которые называются ядром протыкания. Наиболее распространенные — соляные и глиняные дианиры.

3.2.Разрывные тектонические нарушения.

Разрывные тектонические нарушения образуются в результате раскалывания горных пород крупными трещинами на блоки, которые перемещаются вдоль трещин относительно друг друга с образованием разрывных структур. Эти нарушения могут возникнуть при интенсивном сдавливании или наоборот, при растягивании пород.

При растяжении с разрывом пород один блок взгромождается на другой и возникают взбросы (обратные сбросы) или надвиги (угол падения плоскости разрыва
Горизонтальное перемещение блоков пород преобладает в разрывных структурах, называемых сдвигами.

Вдоль плоскостей разрыва часто прослеживаются зоны дробления (шириной от нескольких сантиметров до нескольких метров) заполненные тектонической брекчией массой угловатых обломков пород и тонким глинистым материалом, которые образуются за счет трения блоков. При отсутствии тектонических брекчий породы в плоскости разрыва могут быть сильно притерты и отполированы или изборождены царапинами и называются зеркалами скольжения (шоссе Севастополь-Ялта, над ущельем Бати лиман Зеркало скольжения; штрихи показывают направление смещения; плоскость разрыва вертикальная; определяется как сбросо-подвиг) в большинстве случаев крупные разрывные структуры, тянущиеся на сотни километров, представляет собой целую зону нескольких почти параллельных разрывов, которые проявляются на поверхности в виде четко выраженных обнажений — уступов, обрывов (положительных форм рельефа).

Они являются ослабленными зонами, в которых пород легче поддаются разрушению и могут быть местами развития оврагов, руслами рек и заполнены выветренным обломочным материалом.

Нормальные сбросы часто группируются в две параллельные системы разрывов с плоскостями, наклоненными навстречу друг другу, между которыми ступенчато опущены крупные блоки пород, такие разрывные структуры называют грабенами или рифтовыми доменами, представляющими собой узкие вытянутые понижения рельефа, в которых обычно развиваются крупные озерно-речные системы.

Разрывные структуры, образованные в результате воздымания пород между параллельными системами разрывов называются горстами или блоковыми горами. Пример: горы Гари в Восточной Германии.

Надвиги могут возникать на подвернутых крыльях лежачих складок. Системы очень полых надвинутых пластин пород называются надвиговыми покровами или марьяжами и бывают надвинуты как на пластичные молодые, так и на жесткие породы древнего складчатого основания (Северо-Шотландское нагорье), где была установлена часть пород и была перемещена с места первичного залегания примерно на 16 км.

Нарушение сплошности в породах без перемещения блоков называется трещинами.

Возникновение их обусловлено различного рода напряжениями, возникающими при движении земной коры. В местах их распространения в породах возникают ослабленные зоны, легко поддающиеся воздействию выветривания, поэтому они играют важную роль в формировании рельефа и гидрографической сети.

Различают такие типы трещин:

Трещины сокращения (усадки) и уплотнения образовавшихся в процессе диагенеза, когда возникшие из осадка породы полностью обезвоживаются и становятся более плотными под влиянием веса вышележащих слоев.

Трещины остывания — вертикальные, характерны для магматических лав.

Трещины параллельные контактам интрузии с вмещающими породами. Считают, что возникновение их было вызвано расширением пород, когда первоначальные силы сжатия были устранены в результате разрушения и сноса вмещающих пород. Интрузии рассекаются также системными взаимно перпендикулярными трещинами, возникающими при остывании и затвердении магматических разрывов. Часто определяют характер гидрографической сети.

Есть другие трещины.
45>    продолжение
--PAGE_BREAK--4.Землетрясения.
Землетрясения — это сотрясение земной коры, вызванное мгновенной разрядкой напряжений, накапливающихся в разных участках земной коры. Регистрируются землетрясения сейсмографами установленными на сейсмических станциях (в мире их свыше 700). Ежегодно они регистрируют несколько миллионов землетрясений. Среди них около ста разрушительных, одно-два опустошительных.

Место в земной коре или в верхней мантии, где произошло смещение масс, вызвавшее упругие волны в теле Земли, называется гипоцентром (очаг или фокус) землетрясения.

Волны от гипоцентра расширяются, постепенно затухая, во все стороны. Скорее всего волны достигают поверхности Земли в области, лежащей над гипоцентром, т.к. они направлены к поверхности Земли. Область поверхности Земли, где наблюдаются вертикальные удары, называется эпицентром. При увеличении расстояния от эпицентра в два раза энергия очага убывает в 10-12 раз и т.д.



2. Метаморфические горные породы.
Ответ: Метаморфические горные породы — горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Благодаря движениям земной коры осадочные горные породы и магматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых и водных растворов, при этом они начинают изменяться.

Одна из последних классификаций метаморфизма приведена в таблице:

Тип метаморфизма

Факторы метаморфизма

Метаморфизм погружения

Увеличение давления, циркуляция водных растворов

Метаморфизм нагревания

Рост температуры

Метаморфизм гидратации

Взаимодействие горных пород с водными растворами

Дислокационный метаморфизм

Тектонические деформации

Ударный метаморфизм

Падение крупных метеоритов, мощные эндогенные взрывы (?)
Состав, текстуры и структуры метаморфических горных пород Формы залегания метаморфических пород
Так как исходным материалом метаморфических горных пород являются осадочные и магматические породы, их формы залегания должны совпадать с формами залегания этих пород. Так на основе осадочных пород сохраняется пластовая форма залегания, а на основе магматических — форма интрузий или покровов. Этим иногда пользуются, чтобы определить их происхождение. Так, если метаморфическая порода происходит от осадочной, ей дают приставку пара- (например, парагнейсы), а если она образовалась за счёт магматической породы, то ставится приставка орто- (например, ортогнейсы).
Состав метаморфических пород
Химический состав метаморфических горных пород разнообразен и зависит в первую очередь от состава исходных. Однако состав может отличаться от состава исходных пород, так как в процессе метаморфизма происходят изменения под влиянием привносимых водными растворами веществ и метасоматических процессов.

Минеральный состав метаморфических пород также разнообразен, они могут состоять из одного минерала, например кварца (кварцит) или кальцита (мрамор), или из многих сложных силикатов. Главные породообразующие минералы представлены кварцем, полевыми шпатами, слюдами, пироксенами и амфиболами. Наряду с ними присутствуют типично метаморфические минералы: гранаты, андалузит, дистен, силлиманит, кордиерит, скаполит и некоторые другие. Характерны, особенно для слабометаморфизованных пород тальк, хлориты, актинолит, эпидот, цоизит, карбонаты.

Физико — химические условия образования метаморфических пород, определённые методами геобаротермометрии весьма высокие. Они колеблются от 100—300 °C до 1000—1500 °C и от первых десятков баров до 20—30 кбаров
Текстуры метаморфических пород
Текстура пород, как пространственная характеристика свойств породы, отражает способ заполнения пространства.

Сланцевая: большое распространение в метаморфических породах получили листоватые, чешуйчатые и пластинчатые минералы, что связано с их приспособлением к кристаллизации в условиях высоких давлений. Это выражается в сланцеватости горных пород, которая характеризуется тем, что породы распадаются на тонкие плитки и пластинки.

Полосчатая — чередование различных по минеральному составу полос (например, у циполина), образующихся при наследовании текстур осадочных пород.

Пятнистая — наличие в породе пятен, отличающихся по цвету, составу, устойчивости к выветриванию.

Массивная — отсутствие ориентировки породообразующих минералов.

Плойчатая — когда под влиянием давления порода собрана в мелкие складки.

Миндалекаменная — представленная более или менее округлыми или овальными агрегатами среди сланцеватой массы породы.

Катакластическая — отличающаяся раздроблением и деформацией минералов.
Структуры метаморфических пород
Понятие «структура» не имеет строгого определения и носит интуитивный характер. Согласно практике геологических исследований «структура» больше характеризует размерные (крупно-, средне- или мелкообломочные) параметры слагающих породу зёрен.

Структуры метаморфических пород возникают в процессе перекристаллизации в твёрдом состоянии, или кристаллобластеза. Такие структуры называют кристаллобластовыми. По форме зёрен различают текстуры [1]:

гранобластовая (агрегат изометрических зёрен);

лепидобластовая (агрегат листоватых или чешуйчатых кристаллов);

нематобластовая (агрегат игольчатых или длиннопризматических кристаллов);

фибробластовая (агрегат волокнистых кристаллов).

По относительным размерам:

гомеобластовая (агрегат зёрен одинакового размера);

гетеробластовая (агрегат зёрен разных размеров);

порфиробластовая;

пойкилобластовая (наличие мелких вростков минералов в основной ткани породы);

ситовидная (обилие мелких вростков одного минерала в крупных кристаллах другого минерала).
    продолжение
--PAGE_BREAK--Наиболее распространённые метаморфические породы Породы регионального метаморфизма
Здесь приведены породы образовавшиеся в результате регионального метаморфизма (от менее к более метаморфизованным).

Глинистые сланцы — представляют начальную стадию метаморфизма глинистых пород. Состоят преимущественно из гидрослюд, хлорита, иногда каолинита, реликтов других глинистых минералов (монтмориллонита, смешаннослойных минералов), кварца, полевых шпатов и других неглинистых минералов. В них хорошо выражена сланцеватость. Они легко раскалываются на плитки. Цвет сланцев: зелёный, серый, бурый до чёрного. Содержат углистое вещество, новообразования карбонатов и сульфидов железа.

Филлиты [греч. филлитес — листоватый] — плотная темная с шелковистым блеском сланцеватая порода, состоящая из кварца, серицита, иногда с примесью хлорита, биотита и альбита. По степени метаморфизма переходная порода от глинистых к слюдяным сланцам.

Хлоритовые сланцы — Хлоритовые сланцы представляют собой сланцеватые или чешуйчатые породы, состоящие преимущественно из хлорита, а также актинолита, талька, слюды, эпидота, кварца и других минералов. Цвет их зелёный, на ощупь жирные, твердость небольшая. Часто содержат магнетит в виде хорошо образованных кристаллов (октаэдров).

Тальковые сланцы — агрегат листочков и чешуек талька сланцеватого строения, зеленоватого или белого цвета, мягок, обладает жирным блеском. Встречается изредка среди хлоритовых сланцев и филлитов в верхнеархейских (гуронских) образованиях, но иногда является результатом метаморфизации и более молодых осадочных и изверженных (оливиновых) горных пород. Как примесь присутствуют магнезит, хромит, актинолит, апатит, глинкит, турмалин. Часто к тальку в большом количестве примешиваются листочки и чешуйки хлорита, обусловливающие переход в тальково-хлористовый сланец.

Кристаллические сланцы — общее название обширной группы метаморфических пород, характеризующиеся средней (частично сильной) степенью метаморфизма. В отличие от гнейсов в кристаллических сланцах количественные взаимоотношения между кварцем, полевыми шпатами и тёмноцветными минералами могут быть разными.

Амфиболиты — метаморфическая горная порода, состоящая из амфибола, плагиоклаза и минералов примесей. Роговая обманка, содержащаяся в амфиболитах, отличается от амфиболов сложным составом и высоким содержанием глинозёма. В противоположность большинству метаморфических пород высоких ступеней регионального метаморфизма амфиболиты не всегда обладают хорошо выраженной сланцеватой текстурой. Структура амфиболитов гранобластовая (при склонности роговой обманки к образованию удлинённых по сланцеватости кристаллов), нематобластовая и даже фибробластовая. Амфиболиты могут образовываться как за счёт основных изверженных пород — габбро, диабазов, базальтов, туфов и др., так и за счёт осадочных пород мергелистого состава. Переходные разности к габбро называются габбро-амфиболитами и характеризуются реликтовыми (остаточными) габбровыми структурами. Амфиболиты, возникающие за счёт ультраосновных горных пород, отличаются обычно отсутствием плагиоклаза и состоят практически целиком из роговой обманки, богатой магнием (антофиллит, жедрит). Различают следующие виды амфиболитов: биотитовые, гранатовые, кварцевые, кианитовые, скаполитовые, цоизитовые, эпидотовые и др. амфиболиты.

Кварциты — зернистая горная порода, состоящая из зерен кварца, сцементированных более мелким кварцевым материалом. Образуется при метаморфизме кварцевых песчаников, порфиров. Встречаются в корах выветривания, образуясь при метасоматозе (гипергенные кварциты) с окислением медноколчеданных месторождений. Они служат поисковым признаком на медноколчеданные руды. Микрокварциты образуются из подводных гидротерм, выносящих в морскую воду кремнезём, при отсутствии других компонентов (железо, магний и др.).

Гнейсы — метаморфическая горная порода, характеризующаяся более или менее отчётливо выраженной параллельно-сланцеватой, часто тонкополосчатой текстурой с преобладающими гранобластовыми и порфиробластовыми структурами и состоящая из кварца, калиевого полевого шпата, плагиоклазов и цветных минералов. Выделяют: биотитовые, мусковитовые, двуслюдяные, амфиболовые, пироксеновые и др. гнейсы.
Метаморфические породы образовавшиеся при динамометаморфизме
Это породы, возникающие под действием динамометаморфизма и тектонических нарушений в зоне дробления. Дроблению и деформации подвергаются не только сама порода, но и минералы.

Катаклазиты — продукт дислокационного метаморфизма, не сопровождающегося явлениями перекристаллизации и минералообразования. Внутреннее строение характеризуется присутствием сильно деформированных, изогнутых, раздробленных зёрен минералов и часто наличием мелкогранулированной полиминеральной связующей массы (цемента).

Милониты — Тонкоперетёртая горная порода с отчётливо выраженной сланцеватой текстурой. Образуются в зонах дробления, особенно по плоскостям надвигов и сбросов. Разорванные блоки горных пород, перемещаясь, дробят, перетирают и одновременно сдавливают породы, вследствие чего она становится компактной и однородной. Для милинитов характерны полосчатые текстуры, расслоёность и флюидальность. От катаклазитов отличается большей степенью раздробленности и развитием параллельной текстуры.
    продолжение
--PAGE_BREAK--Фации метаморфизма
При метаморфических преобразованиях происходят разнообразные химические реакции. Считается, что они осуществляются в твёрдом состоянии. В процессе этих реакций происходит образование новых или перекристаллизация старых минералов так, что для конкретного интервала температур и давлений этот набор минералов остаётся относительно постоянным. Определяющий набор минералов получил название «фация метаморфизма». Разделение метаморфических пород на фации началось ещё в XIX веке и связано с работами Г. Барроу (1893), А. А. Иностранцева (1877), Г. Ф. Бекера (1893) и других исследователей, и широко применялоссь в начале XX века (Ван-Хайз, 1904; В. М. Гольдшмидт, 1911; П. Эскола, 1920; Ц. Е. Тилли, 1925; и др.). Существенную роль в разработке физико-химической природы минеральных фаций сыграл Д. С. Коржинский (1899—1985).

Современные представления об основных минеральных фациях метаморфизма приведены в таблице.

Тип метаморфизма

Фации метаморфизма

Давление (МПа)

Температурный интервал (°C)

Примеры пород

Метаморфизм погружения

Цеолитовая



Метаграувакки, метавулканиты

Пренит-пумпелиитовая

200—500

200—300

Лавсонит-глауковановая (голубых сланцев)

400—800

300—400

Глаукофановые сланцы

Эклогитовая

>800

> (400—700)

Эклогиты

Контактовый метаморфизм

Альбит-эпидотовых роговиков

 —

250—500

Роговики контактовые, скарны

450—670

630—800

Амфиболовых роговиков

> (720—800)

Пироксеновых роговиков

Санидиновая

Региональный метаморфизм

Зелёных сланцев

200—900

300—600

Зелёные сланцы, хлорит-серицитовые сланцы

Эпидот-амфиболитовая

Амфиболитовая

500—650

Амфиболиты, слюдяные сланцы

Гранулитовая

550—800

Амфиболиты, биотитовые парагнейсы

> (700—800)

Гранулиты, гиперстеновые парагнейсы

Кианитовые сланцы

> 900

500—700

Кианитовые сланцы

Эклогитовая

Эклогиты
Температуры образования метаморфических горных пород
Температуры образования метаморфических пород всегда интересовали исследователей, поскольку ни позволяли понимать условия, а отсюда и историю механизма образования этих пород. Ранее до разработки основных методов определения температур образования метаморфических минералов главным методом решения задачи были экспериментальные исследования, основанные на анализе различных диаграмм плавкости. На этих диаграммах устанавливались основные интервалы температур и давлений, в пределах которых выявлялась устойчивость тех или иных минеральных ассоциаций. Далее результаты экспериментов практически механически переносились на природные объекты. Параметры образования конкретных минералов не изучались, что является существенным недостатком подобных исследований.

В последующие годы появились новые методы определения температур образования минералов, к которым относились анализ расплавных включений, изотопные и геохимические геотермометры; эти методы позволили уточнить границы существования тех или иных минеральных ассоциаций в природных условиях и перекинуть мостик между экспериментальными исследованиями и природными явлениями.

В настоящее время все температурные измерения, выполненные с помощью упомянутых выше геотермометров, вызывают сомнение в связи с тем, что в теоретических разработках и методах их использования выявлены существенные методические ошибки.

Дальнейшие исследования привели к созданию новых типов изотопных геотермометров, позволивших определять температуру образования конкретных минералов. Некоторые результаты этих исследований приведены в таблице.

Породы

Регионы

Минералы

Qw

Bio

Il

Mt

Kf

Mus

Alb

Grn

Сланцы

Австрия

700*

 —

 —

 —

 —

 —

 —

330

Сланцы

Гренландия

700*

 —

 —

610

 —

 —

 —

—

Сланцы

Гренландия

700*

 —

 —

594

 —

 —

 —

—

Метапелит

Альпы

670

 —

604

 —

 —

 —

 —

—

Метапелит

Альпы

 —

740

 —

 —

 —

 —

 —

—

Ортогнейс

Альпы

650

 —

620

 —

550

 —

 —

—

Гнейс

Альпы

700*

 —

 —

 —

 —

 —

 —

320

Минералы: Qw — кварц; Bio — биотит; Il — ильменит; Mt — магнетит; Kf — калиевый полевой шпат; Mus — мусковит; Alb — альбит; Grn — гранат. (*) — минерал взят в качестве эталона с указанной температурой.

Последовательность выделения минералов метаморфитов описывается рядом

(КВ, БИ) > (МТ, ИЛ) > ПЛ40> МУ > ГР(?)

(ПЛ40 — плагиоклаз № 40).
Приведённый ряд обладает следующими особенностями:

1. различие Т кристаллизации метаморфических пород, говорящее о возможной их разновозрастности;

2. для силикатов установлен парагенезис с водой, согласуясь со схемой выделения их из растворов;

(≡Si-O-Si≡) + H2O → 2(≡Si-OH)

3. в образовании рудных минералов ни вода, ни СО2, ни СО участия не принимают. Эти минералы находятся в изотопном равновесии с рутилом в результате образования, например, по уравнению

6FeTiO3+ O2→ 2Fe3O4+ 6TiO2.

4. установлено влияние диффузии компоненты HDO в водосодержащих силикатах на формирование изотопного состава водорода.
    продолжение
--PAGE_BREAK--Механизм образования минералов в метаморфических породах
Под механизмом выделения минерала понимается химическая реакция, ведущая к кристаллизации этого минерала. Эти задачи являются одними из основных задач петрологии. Примеры подобных реакций приведены в работе Н. А. Елисеева. Очень многие метаморфические минеральные ассоциации подтверждены в экспериментах. Однако в них поведение конкретного минерала не определено, а кроме того реальность этих уравнений в природных условиях не доказана. В обоих случаях наблюдается произвол в составлении уравнений образования минералов. Особенно же одиозны реакции с участием флюидных компонентов. Чаще всего все постулируемые уравнения являются «сочинением на вольную тему». Эти решения являются правдоподобными, но не доказанными. Это мифические решения. Примером не корректно написанной реакции является вывод В. И. Лучицкого: описывая замещение роговой обманки (далее Amp), он приводит реакцию 5Amp + 7W → 2Ep + Chl + Act + Qw + … (Act — актинолит, W — вода) и пишет, что «Обыкновенно одновременно развивается эпидот Ep (более высокотемпературный) и хлорит Chl (более низкотемпературный)». Но если в окрестности одной точки минералы появляются при разных температурах, значит, они не одновременны. Следовательно, данная реакция должна быть разбита минимум на две реакции.

Примером другой подобной реакции является реакция (Федькин В. В., 1975)

8Stav + 12Qw = 4Grn + Chl + 30Kya.

В этой реакции Grn и Chl образовуются при разных температурах. Эти результаты не учитывают новые данные по геохимии минералов, отражённые в таблице.

Многочисленные аналитические данные позволяют найти ответ на этот вопрос.
Гранаты
Изотопных данных — ограниченное количество.

Геохимические данные. Это наиболее богатый по количеству анализов минерал. У нас нет выборок, в которых гранат или другой минерал одновременно подвергался бы изотопному и силикатному анализам. Во всех случаях рассчитаны химические реакции обмена элементами Ca, Mg, Fe и Mn между соединениями Grn -Ċ. В качестве Ċ взяты: Ca, Mg, Fe, Ca+2, Mg+2, Fe+2, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, пироксены простые (например, MgSiO3) и двойные (например, CaMgSi2O6), биотиты, оливины (простые и двойные), кордиериты, силлиманиты (для пары Fe+3-Al+3), шпинели (в том числе магнетиты), корунд, гематит.

Все изученные гранаты (Grn) находятся в ассоциации преимущественно с биотитом (Bio), кордиеритом (Cor) и плагиоклазом (Pl).

По изотопным данным Bio образованы при Т ≈ 700 °C, плагиоклазы ≈ 500 °C. Температура выделения граната не достаточно ясна. По изотопным данным он выделяется при 300—450 °C; результаты анализа ГЖВ дают те же пределы. По официальной точке зрения — ≈ 700 °C, но она опирается во многом на геохимические термометры, в использовании которых имеются существенные ошибки. Bio и Grn выделяются в равновесии с водой. О Cor информации нет. По экспериментам (Л. Л. Перчука и др., 1983) при Т = 550—1000 °C при совместной кристаллизации ионный обмен между Grn и Cor отсутствует.

Основной версией является равновесие Grn с Cor, часто присутствующим в гнейсах в ассоциации с Grn. Тогда вероятное уравнение образования гранатов имеет вид

… = {Cor + [Grn ]+ H2O]+ ….

Здесь скобки отражают: […] — изотопное; {…} — геохимическое равновесия.

Интересный материал по интерпретации полученных результатов приведен в работе Н. А. Елисеева. Переход пород фации зеленых сланцев в породы фации эпидотовых амфиболитов осуществляется на основе реакции

Chl + Qw → Grn + H2O

(Chl — хлорит). Но, объясняя изотопное равновесие граната с водой, эта реакция не отражает геохимическое равновесие минерала с другими компонентами гнейсов. Описывая происхождение гранатов, Н. А. Елисеев пишет ещё об одной реакций

Chl + Qw → Cor + Ant + H2O

(Ant — антофиллит). Эти реакции протекают при разных Р-Т условиях. Но объединение их в средних областях Р-Т- условий приводит к искомой реакции образования минералов:

Chl + Qw → {Cor + [Grn] + H2O],

которая соответствует полученной выше схеме по изотопно-геохимическим данным.
Магнетиты
Изотопные данные. Изучен изотопный состав кислорода в акцессорных Mt и Il кислых метаморфитов (см. таблицу). Равновесие минералов с Н2О, СО2 и СО не подтверждается, зато выявлено равновесие с рутилом, соответствуя образованию системы Mt(Il)-Ru при разложении ферропсевдобрукита или ильменита (П. Я. Ярош, 1955; П. Р. Бусек, К. Келль,1966; и т. д.) по реакции

FeTiO5 → [Il + Ru];

Однако, в магнетитовых месторождениях Кривого Рога (Украина) этот механизм не выявлен, возможно, из-за ошибок в определении изотопного состава кислорода минерала.

Возможно образование Mt за счёт разложения ильменита по реакции

3FeTiO3+ O-2→[Fe3O4+ 3TiO2].

Тогда Mt находится в изотопном равновесии с рутилом (Ru). В этом случае Mt образуется при Тизот ≈ 450 °C. Такие Тизот(Mt) вполне возможны. Так на рудопроявлении р. Кюэричи жилообразные магнетит-гемоильменитовые руды образованы при Т = 430—570 °C (А. Н. Соляник и др., 1984). В метаморфических породах Il и Mt формируются в равновесии с Ru при Тизот = 400—500°С. Если же рассматривать Il как продукт разложения ульвошпинели, то в ассоциации с Mt их Тизот = 458 °C. Магнетит не может быть образован за счёт разложения Il, поскольку в противном случае температуры образования (Тизот = 1100 −2000 °C) геологически не реальны.

В месторождения железорудной формации Biwabik (Сев. Миннесота) скарнового типа: по Синякову В. И. (1978), Дымкину А. М. и др. (1975) по результатам декрепитации Тобр(Mt) в скарнах колеблется в пределах 420—530 °C. Изучена пара магнетит-кварц. Полученные данные дают температуру образования Mt в 500—550 °C при условии равновесия его с СО2. Наиболее вероятным механизмом его образования является распад сидерита по схеме (Perry E.C., Bonnichsen B, 1966)

3FeCO3+ 0,5O2→ Fe3O4+ 3CO2.

В. Н. Загнитко и др. (1989), И. П. Луговая (1973), ссылаясь на эксперименты, приводят реакции, соответствующие изотопным соотношениям:

3FeCO3→ [Fe3O4+ 2CO2] + CO (безводные среды с удалением газа);

6FeCO3→ [2Fe3O4+ 5CO2] + C (медленное удаление газа, наименее вероятная реакция).

Изучены преимущественно магнетиты Украинского щита. При интерпретации учитывались термодинамические данные по пироксенам, оливинам, гранатам, карбонатам и другим соединениям, отмеченным при описании граната. Использованы определяющие отношения (Fe/Mg), (Fe/Mn), (Fe/Ca). Установлено, что исходное уравнение должно иметь вид

… = … + {Px + [Mt] + CO2] + ….

В литературе прямого упоминания о подобных реакциях нет. В работе Н. А. Елисеева при описании контактовых роговиков упоминается реакция

CaMg(CO3)2+ 2SiO2= CaMg(SiO3)2+ 2CO2.

Если вместо доломита взять анкерит Ca2Mg,Fe(CO3)4, брейнерит (Mg,Fe)CO3 или сидероплезит (Fe,Mg)CO3, то при метаморфизме карбонатов можем получить реакцию, например,

3Ca2MgFe(CO3)4+ 6SiO2= 3CaCO3(?) +{3CaMg(SiO3)2(?) + [Fe3O4} + 8CO2] + CO.

О возможности протекания подобных реакций свидетельствует и состав природных карбонатов (И. П. Луговая, 1973): сидерит — FeCO3 — 98,4 %; MnCO3-3,4 %; MgCO3 — 0,7 %; пистолизит- FeCO3 — 69,6 %; MgCO3 — 27,3 %; MnCO3 — 2,8 %; сидероплезит — FeCO3 — 83,%; MgCO3 — 11,5 %; MnCO3 — 4,4 %. Недостатком реакции является неясность изотопной природы кальцита и пироксена.

Изучение Mt (из Н. М. Бондаревой, 1977, 1978) Одесско-Белоцерковской зоны показало, что для эталонной Т = 500 °C (магнитные свойства [Е. Б. Глевасский и др., 1970], декрепитация) рудный Mt термодинамически геохимически равновесен оливину (Ol) (по соотношению Fe+2, Ca, Mg, Mn) и корунду (Cor) (Fe+3-Al), образуя ассоциацию [Mt-Ol-Cor]. При этом давление оценивается в 1 кбар. По В. И. Михееву (1955) при Т = 1200 °C и Р = 1 атм Mg- хлорит разлагается на шпинель и Ol. Так как Mt — это шпинель, то выявленную ассоциацию Mt- Ol- Cor можно связать с разложением сильно железистого хлорита (лепто-, септохлорит) типа кроншдтетита, содержащего Fe+2 и Fe+3.
3. Фильтрация, методы ее определения.
Ответ: Фильтр
а
ция, движение жидкости (воды, нефти) или газа (воздуха, природного газа) сквозь пористую среду в естественных пластах грунта под поверхностью земли. Ф. также является просачивание воды сквозь грунты и даже бетон (например, через тела земляных и бетонных плотин). Для аналогичных процессов, проводимых в промышленных и лабораторных условиях, часто также применяется термин «Ф.» наряду с термином фильтрование.

Расход фильтрующейся жидкости или газа (фильтрационный расход) обычно определяется зависимостью: Q =kShw/L, а скорость Ф. – т. н. законом Дарси: W =kI, где k – эмпирический коэффициент Ф., S – полная площадь поперечного сечения фильтрационного потока (не только сечения пор, но и твёрдых частиц), hw – напор, теряемый по длине L пути Ф., hw/L =I – напорный градиент или гидравлический уклон, показывающий величину падения напора на единицу длины пути Ф. Скорость Ф. меньше действительной скорости жидкости или газа в порах, т.к. движение происходит только через ту часть площади сечения S, которая занята порами. Закон Дарси справедлив при ламинарном течении в порах фильтрующей среды, что большей частью и имеет место в действительности (песчаные, глинистые и т.п. грунты, бетон). При Ф. в крупнозернистых материалах, например в каменной наброске, где имеет место турбулентное течение, скорость Ф. определяется др. зависимостями, например: W =k'lm, где k' и m – фильтрационные характеристики грунта, причём первая аналогична коэффициенту Ф., а вторая меняется от 1 до 1/2.

Фильтрация горных пород — свойства, характеризующие проницаемость горн. пород, т. e. их способность пропускать через себя (фильтровать) флюиды (жидкости, газы и их смеси) при наличии на пути фильтрации перепада давления. Показатели Ф. c. — коэфф. фильтрации Kф (характеризует проницаемость породы для определённого флюида и поэтому зависит от свойств обоих) и коэфф. проницаемости Kn (зависит только от свойств г. п.): Kф=Kη*γ/η, где γ — плотность, a η — динамич. вязкость флюида.         
Kф численно равен линейной скорости фильтрации определённого флюида при Гидравлическом градиенте, равном единице; измеряется в м/c, на практике — в м/сут. Kn численно равен объёмному расходу флюида c динамич. вязкостью, равной единице, проходящего через единицу площади сечения при единичном перепаде давления на единицу пути фильтрации; измеряется в м2, на практике — в дарси. Kф и Kn определяются на образцах в лаборатории и по данным работы скважин в натурных условиях. Для нек-рых типов пород могут быть рассчитаны по эмпирич. формулам.         
B зависимости от величин Kф и Kn, значения к-рых получены для случая фильтрации пресной воды через г. п. при темп-pe 20°C, последние условно разделяются на шесть классов (табл.).
/>
        Kф и Kn используются при расчётах процессов добычи нефти и газа, движения подземных вод, водопритоков в горн. выработки, метановыделе-ния из угольных пластов и т.д.
Проницаемость — способность горных пород фильтровать сквозь себя флюиды при наличии перепада давления.
    продолжение
--PAGE_BREAK--Абсолютная проницаемость
Проницаемость образца керна, насыщенного одним флюидом (водой или нефтью), инертным по отношению к породе, зависит целиком и полностью от свойств породы, а не от насыщающего флюида. Как правило, абсолютной проницаемостью называют проницаемость керна по гептану.
Газопроницаемость (Проницаемость по воздуху, гелию, азоту и т.д)
проницаемость образца керна при пропускании через него газа, зависит от давления. При высоких давлениях газопроницаемость приближается к значению абсолютной проницаемости, при низких — иногда значительно (на 50% и более) превышает её, что происходит из-за эффекта Клинкенберга — проскальзывания газа при низких давлениях.
Эффективная (фазовая) проницаемость
Проницаемость породы для отдельно взятого флюида (Ko, Kw), при числе присутствующих в породе фаз, большим единицы. Эффективная проницаемость зависит от флюидонасыщения (степени насыщенности флюидов и их физико-химических свойств).
Эффективная газопроницаемость
Как правило под эффективной газопроницаемостью понимают газопроницаемость породы при остаточной флюидонасыщенности (водонасыщенности). Определяется на образцах с остаточной водонасыщенностью также как и обычная газопроницаемость, с одним условием- при определении должны поддерживаться такие перепады давления, при которых не происходит вытеснения остаточного флюида.
Относительная проницаемость
Отношение эффективной проницаемости (Ko, Kw) к эффективной проницаемости по нефти, замеренной в породе, насыщенной только связанной водой (KoSwir).
Kro = Ko / KoSwir
Krw = Kw / KoSwir

Источники данных о проницаемости
гидродинамические исследования, данные эксплуатации,

лабораторные исследования на образцах пористой среды (керна), в условиях максимально приближённых к пластовым,

использование данных о схожем пласте,

математические модели (эмпирические зависимости),

корреляционные зависимости по данным ГИС.
Лабораторные методы определения проницаемости
Проницаемость породы определяется при фильтрации флюидов через керн. Для оценки пользуются линейным законом фильтрации Дарси, по которому скорость фильтрации флюида в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна вязкости:
V = Q / F = K × ΔP / μ × L
K = Q × μ × L / ΔP × F, где

V — скорость линейной фильтрации (см/с),

Q — объёмный расход флюида (см3/с),

μ — вязкость флюида (сП),

ΔP — перепад давления (атм),

F — площадь фильтрации (см2),

L — длина образца (см),

K — проницаемость (Д).

Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем). Разность напоров ∆H = H1 — H2 в сечениях I и II (Рисунок 3) обуславливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ∆H, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

Отношение разности напора ∆H к длине пути l называют гидравлическим уклоном (градиентом) I = ∆H/l

Основной закон фильтрации подземных вод. Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси:

Q=kфF∆H/l= kфFI

 

Где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м3/сут; kф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды, м2; ∆H – разность напоров, м; I – длина пути фильтрации, м.

Выведено это выражение для пород с ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и Н.К. Гиринским доказана правомерность этого закона и для гравелистых пород, где скорости достигают 125 м/сут.

Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку расход потока отнесен ко всей площади поперечного сечения фильтрующей породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно рассматривать как кажущуюся скорость движения воды.

Действительную скорость (Vq) представляет собой отношение расхода воды к той части поперечного сечения, которая занята порами:

/>/>

 

В глинистых породах, где много физически влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (Пакт), показывающую какая часть сечения породы способна пропускать движущуюся воду

Пакт=П – WММВ. γск

Где WММВ максимальная молекулярная влагоёмкость в долях единицы, γск — объемный вес скелета породы

Методы определения коэффициента фильтрации.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Рисунок 1

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2),

Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L – расстояние между точками их соединения

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

Общекислотная – оценивается величиной pH.

Сульфатная – определяется по содержанию иона SO42-

Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg2+

Карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.


4. Сопротивление горных пород и грунтов сдвигу. Условия Мора-Кулона.
Ответ:Геологический разлом, или разрыв — нарушение сплошности горных пород, без смещения (трещина) или со смещением пород по поверхности разрыва. Разломы доказывают относительное движение земных масс. Крупные разломы земной коры являются результатом сдвига тектонических плит на их стыках. В зонах активных разломов часто происходят землетрясения как результат выброса энергии во время быстрого скольжения вдоль линии разлома. Так как чаще всего разломы состоят не из единственной трещины или разрыва, а из структурной зоны однотипных тектонических деформаций, которые ассоциируются с плоскостью разлома, то такие зоны называют зонами разлома.

Геологические разломы делятся на три основные группы в зависимости от направления движения. Разлом, в котором основное направление движения происходит в вертикальной плоскости, называется разломом со смещением по падению; если в горизонтальной плоскости — то сдвигом. Если смещение происходит в обеих плоскостях, то такое смещение называется сбросо-сдвигом. В любом случае, наименование применяется направлению движения разлома, а не к современной ориентации, которая могла быть изменена под действием местных либо региональных складок либо наклонов.

Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Rc измеряется в МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде. Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига φ измеряется в градусах, сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторым – сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

Для практических расчетов по деформациям и несущей способности грунтов применяются показатели удельного сопротивление C, кПа, φ, град. Сдвиговые характеристики определяют полевыми работами (срез целиком грунта, вращательный срез, зондирование) и лабораторными исследованиями в приборе плоского среза (стабилометре)

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящие к разрушению. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их минералов.

Для проведения расчетов по деформациям грунтов используют модуль общей деформации E, измеряется в МПа. Для его определения проводят штамповые и прессиометрические полевые работы, а так лабораторные исследования компрессионные и стабилометрические испытания грунтов.

При определении ориентировочных размеров подошвы слоя по таблицам СНиП 2.02.01-83 находят значение расчетного сопротивления грунтов R0 (кПа)

Для расчета стабилизации осадок зданий и сооружений определяющим показателем будет коэффициент фильтрации kф. Определяется в лабораториях, по таблицам, по опытным откачкам воды для водонасыщенных и наливы для сухих грунтов.

В расчетах по деформациям и по несущей способности грунтов используется плотность грунта p (отношение массы образца к его объему).

Вспомогательные характеристики, отражающие физические свойства дисперсных грунтов

Важными расчетными характеристиками являются коэффициент пористости е, степень влажности Sr и показатель текучести JL. Они характеризуют состояние грунтов. По наименованию грунтов и их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести характеризует подвижность глинистых частиц при механических воздействиях на грунт. JL отражает степень заполнения пор грунтовой водой

В лабораторных условиях для определения гранулометрического состава исследуют зерновой и микроагрегатный состав (по ГОСТ 12536-84), природную влажность W, влажность на границе раскатывания (пластичности) для глинистых грунтов Wp, влажность на границе текучести только для пылеватоглинистых грунтов WL (по ГОСТ 5180-84).

Кроме указанных характеристик на свойства грунтов во многих случаях существенное влияние оказывают минеральный и химический составы, структуры и текстуры, для скальных грунтов – трещиноватость, степень выветрелости, для дисперсных – содержание водорастворимых солей, присутствие органического вещества.

Реологические свойства грунтов. При оценке свойств грунтов следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Всё это приводит к «усталости» грунтов. В грунтах возникают процессы деформации в виде ползучести и даже текучести. – этот процесс называется реологическим. В результате грунт разрушается, издание деформируется.

Сопротивление грунта срезу вызывается сопротивлением междучастичных связей, зависящим от прикладываемого давления. Прочность связей зависит от вида грунта, его влажности и плотности.

Срез происходит по определенной поверхности. Схема разрушения представлена на рис.М.11.2. Деформация сдвига захватывает некоторый объем и связана с перекашиванием прямоугольного элемента.

Под прямым срезом в механике грунтов понимается срез, изображенный на рис.М.11.2, однако часто под сдвигом понимается и прямой срез, а эти понятия отождествляются.

/>

Рис.М.11.2. Схема разрушения грунта:
а — срез; б — сдвиг:1 — плоскость среза

Деформация сдвига в грунтах связана с изменением объема, так как при сдвиге происходит перекомпоновка частиц. Особенно явно это проявляется в песке. При сдвиге в плотном песке происходит его разуплотнение, а в рыхлом  уплотнение. Однако существует такая начальная пористость песка, которая при сдвиге не изменяется. Эта пористость называется критической. Критическая пористость ближе по своему значению к максимальной.
Закон Кулона для несвязного грунта имеет следующий вид (рис.М.11.4, а):

/>

где φ угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат.

Однако в ряде случаев диаграмма может иметь начальный участок c0, называемый зацеплением. Обычно величина этого зацепления очень невелика.

/>/>

Рис.М.11.4. Результирующая схема испытания прямым срезом:
а — песчаный грунт; б — глинистый грунт

Сопротивление срезу связного глинистого грунта вызывается междучастичными связями  пластичными водно-коллоидными и хрупкими цементационными

Закон Кулона для связного грунта записывается следующим образом (см.рис.М.11.4, б):

/>

где φ  угол внутреннего трения; c  удельное сцепление.

Эта зависимость определяет предельное состояние грунта. Если состояние в глинистом грунте неконсолидированное, то имеет место давление в поровой воде (поровое давление) u, и этот закон будет следующим:

/>

где /> полное давление на площадке уже в полностью консолидированном состоянии, а разность (/>-u) представляет эффективное давление, то есть давление, приходящееся на скелет грунта. Строго говоря,  и c следует рассматривать лишь как параметры линейного графика среза связного грунта.

Диаграмма Мора (рис.М.11.10) служит для определения всех компонентов напряжений, действующих по любой, как угодно направленной площадке в точке сплошной среды. Таким образом, диаграмма Мора характеризует напряженное состояние в точке. Это напряженное состояние будет предельным, если круг Мора касается предельной огибающей кругов Мора. Если он не касается этой предельной огибающей, то состояние будет непредельным. Пересекать предельную огибающую он не может. Предельная огибающая может быть прямолинейной или, в более общем случае, криволинейной  это зависит от свойств среды, т.е. грунта. Диаграмма Мора строится в координатах  (касательное напряжение) —  (нормальное напряжение) для любой площадки.

Формальной разницы между диаграммой Мора и диаграммой Кулона нет, поскольку при построении той и другой диаграммы по оси абсцисс откладывается нормальное напряжение , а по оси ординат касательное напряжение . Но существенная разница заключается в том, что диаграмма Кулона относится лишь к одной из площадок, проходящих через рассматриваемую точку в массиве грунта, а диаграмма Мора относится ко всем площадкам, проходящим через эту рассматриваемую точку, то есть диаграмма Мора включает в себя диаграмму Кулона как частный случай.

Условие Мора в частном случае, когда напряжения входят в него линейно, записывается так:

/>

где σ 1>σ 2  главные напряжения.

В общем случае, когда огибающая предельных кругов Мора не прямолинейна, эта зависимость будет иметь функциональный вид и здесь не приводится. В условие Мора входят два главных напряжения σ 1 и σ 2. Оно связано с напряжениями, действующими в точке грунта, и не привязано только к наиболее опасной площадке как условие прочности Кулона. Но с помощью диаграммы Мора эту наиболее опасную площадку можно найти.

Условие прочности Кулона, связанное только с наиболее опасной площадкой, проходящей через данную точку, имеет вид

/>

При этом напряженное состояние в точке в целом не рассматривается.

Поскольку неизвестных две величины, то и минимальное число опытов  два (потом решаются два уравнения с двумя неизвестными). Для несвязного грунта, у которого c = 0, минимально возможен один опыт, с помощью которого устанавливается величина угла внутреннего трения σ. Это и есть минимальное количество опытов, но исключающее возможность статистической обработки результатов.

Условие прочности Мора записывается в напряжениях  z,  x и  xz следующим образом:

/>

/>.

Частные случаи следующие:

1)σ 2 = 0  одноосное сжатие;

2) σ2 =- 1  чистый сдвиг, когда σ 1 +σ2 = 0;

3)σ 1 = 0  одноосное растяжение (σ2
В лабораторных условиях для этой цели используются методы:

  прямого среза;

  трехосного сжатия;

  сжатия-растяжения;

  испытания в приборе с независимым регулированием трех главных напряжений;

  испытания в приборе «шариковой пробы».


5. Критическая нагрузка по условию обеспечения устойчивости основания сооружений.

Ответ: Если взять кубик связного грунта (глины), то при малых давлениях, прикладываемых к нему сверху, происходит затухание осадки со временем и ее стабилизация (фаза затухающей ползучести — 1) (рис.М.12.3). При дальнейшем увеличении нагрузки осадка будет нарастать практически с постоянной скоростью и не стабилизироваться (фаза установившейся ползучести — 2). Дальнейший рост нагрузки приведет к такому состоянию, когда скорость нарастания осадки со временем будет расти и, наконец, произойдет полное разрушение грунта. Это — фаза прогрессирующего течения — 3.

/>/>

Рис.М12.3. Зависимость осадки от времени действия нагрузки. Ползучесть:
1 — затухающая; 2 — установившаяся; 3 — прогрессирующая
    продолжение
--PAGE_BREAK--/>
На кривой «нагрузка-осадка» (рис.М.12.4), полученной для штампа, находящегося на поверхности основания, можно различить три фазы: I  фазу уплотнения, II  фазу образования зон сдвигов, размер которых растет с ростом нагрузки и III  фазу полного выпирания (потеря несущей способности основанием).

Для определения границы I фазы принимается схема, когда основание загружено равномерно распределенной нагрузкой p, расположенной на участке шириной b. По бокам действует пригрузка q, а область предельного равновесия только начинает образовываться в точках A1 и A2. Коэффициент бокового давления  0 в схеме Пузыревского-Герсеванова принимается равным единице ( 0 = 1). Если  0 1, то в обоих случаях область пластической деформации будет зарождаться раньше, чем при  0 = 1 (рис.М.12.5).

/>/>

Рис.М.12.5. Определение критической нагрузки на грунт в условиях плоской деформации при  1> 2:
а — нагрузка; б — система координат

Формулы для главных напряжений наибольшего  1 и наименьшего  2 имеют следующий вид:

/>

где   угол видимости (см.рис.М.12.5).

При выводе формулы для первой критической нагрузки принимаются полные значения напряжений, представляющие собой суммарные напряжения от внешней нагрузки р, пригрузки q и веса грунта в рассматриваемой точке на глубине z, равные  z. Напряжения считаются передающимися по гидростатичекому закону как от веса  z, так и от пригрузки q, т.е. как от тяжелой жидкости. Поэтому считается, что  0= 1.

Экстремальное условие заключается в том, что надо найти такое значение угла видимости , чтобы при нем глубина расположения точки с предельным состоянием z была бы максимальной, то есть производная />приравнивалась бы нулю.

Обобщенная формула Пузыревского-Герсеванова имеет следующий вид

/>

Коэффициенты равны

/>

/>

При выводе коэффициента М

согласно СНиП принимается zmax=b/4, коэффициенты М, Мq и Мc зависят только от угла внутреннего трения грунта . У Герсеванова и Пузыревского было принято, что zmax= 0.

/>

Считатется, что области пластических деформаций зарождаются у краев фундамента; далее с ростом нагрузки они распространяются вглубь и начинают заходить под фундамент (рис.М12.10). Наконец, при нагрузке, достигающей несущей способности основания, обе области пластических деформаций смыкаются на оси фундамента и происходит резкое проседание его вниз.

При расчете величины несущей способности «по Прандтлю» предполагается существование трех зон: зоны с максимально напряженным состоянием I (или зоны пассивного давления), зоны с минимально напряженным состоянием II (или зоны активного давления) и переходной между ними зоны III, позволяющей получить плавное изменение напряжений без скачков в них. При этом предполагается, что нагрузка является равномерной и не имеет горизонтальной составляющей. В действительности мы прикладываем нагрузку с помощью жесткого шероховатого штампа, поэтому непосредственно под ним вместо зоны с минимально напряженным предельным состоянием формируется зона, в которой нет предельного состояния и которая как бы сливается со штампом, составляя с ним одно целое. Эта зона называется «упругим» или «жестким» ядром (рис.М.12.11).

/>

Рис.М.12.11. Очертание различных по характеру напряженного состояния предельных зон по схеме Прандтля

На этой линии ставится условие Кулона />, то есть она считатется линий скольжения.

Поскольку коэффициенты М, Мqи Мcотвечают лишь незначительным по размерам областям пластической деформации, а соответственные им коэффициенты N, Nqи Nc полному раскрытию этих областей, то, естественно, последние больше по своим значениям, чем первые. И те и другие зависят от угла внутреннего трения , а если нагрузка имеет кроме вертикальной еще и горизонтальную составляющую, то и от угла наклона равнодействующей к вертикали. Максимальное значение всех коэффициентов мы получаем, если нет горизонтальной составляющей.

В основе метода круглоцилиндрических поверхностей заложена идея о том, что при разрушении основания под фундаментом возникают две жесткие непредельные области, отделяющиеся друг от друга круглоцилиндрической поверхностью (рис.М.12.14). При предельных условиях одна (верхняя) область 1 скользит вдоль этой поверхности по другой нижней области 2. Благодаря условию, что обе области жесткие, возможно осуществление переноса действующих сил вдоль линий их действия и оперирование равнодействующими. Наиболее опасная круглоцилиндрическая поверхность находится путем пробного поиска и определения минимальной величины отношения момента всех удерживающих сил к моменту сдвигающихся сил.

/>

Рис.М.12.14. Схема для расчета предельной нагрузки в предположении образования круглоцилиндрических поверхностей скольжения

В способе круглоцилиндрических поверхностей полностью не удовлетворяются условия равновесия для проекций на оси (вертикальную и горизонтальную), так как нормальная по отношению к дуге окружности составляющая равнодействующей нагрузки умножается на коэффициент внутреннего трения и этим она переводится в касательную компоненту, в то время как фактически вдоль поверхности мобилизуется не все трение, а только часть его. То же самое делается и с силами сцепления, действующими вдоль потенциальной поверхности скольжения, которые мобилизуются лишь частично. Поэтому этот способ следует рассматривать как инженерный и недостаточно строгий.

Эта формула для способа круглоцилиндрических поверхностей имеет следующий вид:

/>.

От радиуса отношение моментов сил, входящих в эту формулу, формально не зависит, однако когда отыскивается минимальное значение величины Kзап= n, то устанавливаются и радиус, и положение центра дуги, отвечающие условию этого минимума.

/>

Если не учитывается величина отпора грунта со стороны, куда направлен сдвиг, то подсчитывается вертикальная составляющая действующих сил N (рис.М.12.17), затем она умножается на коэффициент трения f и добавляются силы сцепления по контакту C. После этого получившееся максимально возможное значение силы сопротивления делится на величину сдвигающей силы Tсдв и тем самым находится величина коэффициента запаса (надежности), то есть

/>.

Устойчивость на опрокидывание (рис.М.12.18, а) оценивается по отношению моментов сил удерживающих и сил опрокидывающих, взятых относительно крайней точки. При этом считается, что сооружение как бы чуть приподнялось и поэтому реакция основания в виде сосредоточенной силы приложена в крайней точке, а, следовательно, в условие равновесия моментов она не войдет, так как проходит через этот полюс.

Для того, чтобы увеличить устойчивость на опрокидывание, следует ввести слева у сооружения консоль (рис.М.12.18, б). В случае деформируемости основания вращение при опрокидывании происходит не вокруг одной крайней точки, а сооружение «входит» в грунт основания, поэтому и вращение произойдет вокруг центра, располагающегося в пределах подошвы сооружения (рис.М.12.18, в). Опрокидыванию предшествует крен сооружения. Обычно стремятся не допускать отрыва подошвы от грунта, кроме особых случаев (например, действия сейсмических сил), и ограничивать соотношение между максимальным и минимальным вертикальными напряжениями (рис.12.18, г). При установлении величин этих максимальных напряжений следует учитывать также и касательные усилия, возникающие по подошве сооружения.

/>

Рис.М.12.18. Схема для расчета устойчивости на опрокидывение:
а — опрокидывание происходит вокруг точки O; б — консоль, увеличивающая сопротивление опрокидыванию; в — опрокидывание вокруг точки O при вдавливании сооружения в основание; г — эпюра нормальных напряжений по подошве фундамента



Литература 1. Геологический словарь, Т. 2. — М.: «Недра», 1978. — С.473. 2.Миловский А. В. Минералогия и петрография. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1958. — С. 274—284.

3.Аравин В. И., Нумеров С. Н., Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде, М., 1953; 4. Полубаринова-Кочина П. Я., Теория движения грунтовых вод, М., 1952; 5. Щелкачев В. Н., Лапук Б. Б., Подземная гидравлика, М. – Л., 1949; 6.Богомолов Г. В., Гидрогеология с основами инженерной геологии, 2 изд., М., 1966. 7.Cправочное руководство гидрогеолога, Под редакцией B. M. Mаксимова, 3 изд., т. 1-2, Л., 1979; 8. Mироменко B. A., Динамика подземных вод, M., 1983. 9. Ананьев В. П. Потапов А. Д. Инженерная геология 10. Черноусов С.И. Основы инженерной геологии для транспортных строителей 11. СП 11-105-97 _ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА_ ЧАСТЬ II_ ПРАВИЛА ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ В РАЙОНАХ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

12. Н.Н.Маслов Основы инженерной геологии и механики грунтов [Текст]: учебник для вузов / Н. Н. Маслов. — М.: Высшая школа, 1982. — 511 с.: табл.