Лекция 3. Изучение инженерно-геологических условий (региональные, локальные, отдельных объектов и сооружений)

Лекция 3. Изучение инженерно-геологических условий (региональные,
локальные, отдельных объектов и сооружений)
1. Особенности инженерно-геологических свойств грунтов
2. Закономерности пространственной изменчивости свойств грунтов.
3. Особенности изучения инженерно-геологических условий. Принципы размещения и
установления объемов инженерно-геологических работ.
4. Инженерно-геологическое районирование и типизация территорий.
1. Особенности инженерно-геологических свойств грунтов
Данные о инженерно-геологических и физико-механических свойствах пород
используются при детальном инженерно-геологическом картировании, инженерногеологических изысканиях для различных видов наземного и подземного строительства и
др.
Физико-механическими свойствами горных пород следует называть такие,
которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности
изменения прочности и деформируемости. Соответственно различают свойства
физические, водные, механические. Физико-механические свойства рыхлых песчаноглинистых отложений существенно отличаются от свойств скальных и полу скальных
пород.
1.1 Физико-механические свойства песчано-глинистых пород
Главнейшими физическими свойствами песчаных и глинистых пород являются
гранулометрический состав, прочность, пористость и влажность. Эти свойства
взаимозависимы и в целом выражают их физическое состояние как в условиях
естественного залегания, так и в земляных сооружениях (плотинах, дамбах, насыпях и
др.). По основным физическим свойствам можно косвенно судить о прочности,
деформируемости и устойчивости песчаных и глинистых пород, а также об их изменении
под влиянием геологических процессов или искусственных факторов.
К числу дополнительных характеристик глинистых пород относится их
консистенция, а песчанях – относительная плотность.
Гранулометрический состав – содержание в породе частиц различной
крупности (фракции), выраженное в процентах к массе абсолютно едкого образца.
Различают гранулометрический состав связанных пород (глинистых и лессовых) и
несвязанных пород (песчаных и крупнообломочных). Размеры фракции подразделяются в
соответствии с классификацией В. В. Охотина.
В соответствии с этой классификацией по гранулометрическим элементам
выделяются:
А) валуны – более 200мм
Б) галька и щебень – 40-200 мм
В) гравий – 2-40 мм
Г) песок – 0,05-2 мм
Д) пыль – 0,001-0,05 мм
Е) глина – менее 0,001 мм.
1. Плотность минеральной части породы – отношение массы твердых частиц к
их объему. Плотность породы не зависит от ее пористости и влажности, а определяется
плотностью слагающих пород минералов и присутствием органических веществ.
γм=g1/v1
(1)
g1 – вес твердой части (скелета) породы, г
v1 – объем твердой части (скелета) породы, куб. см.
Плотность минеральной части горных пород выражает среднюю плотность
слагающих их минералов. Плотность главнейших породообразующих минералов
песчаных и глинистых пород изменяется в сравнительно небольших пределах, вследствие
чего и плотность минеральной части большинства этих пород изменяется мало, например
от 2,65 г/см3 (супеси, пески) до 2,75 г/см3 у тяжелых разностей глин. Вообще величина
плотности породы (по мнению Польшиной) составляет для песков – 2,66, для супесей –
2,70, для глин – 2,74 г/см3.
2. От плотности минеральной части следует отличать плотность породы (γ), или
объемная масса, под которой понимают массу единицы ее объема при естественной
влажности и сложении. Она определяется плотностью минеральной части, пористостью и
влажностью породы и описывается уравнением:
γм=g1/v1+ g2/v2
(2)
g1 – вес твердой части (скелета) породы, г
g2 – вес воды, полностью или частично заполняющей поры породы
v1 – объем твердой части (скелета) породы, см3.
v2 – объем пор в породе, см3
Обычно, чем выше плотность минеральной части, тем выше плотность породы,
чем больше пористость, т.е. чем более рыхлую упаковку имеют частицы, тем меньше ее
плотность. Чем более уплотнена пород тем меньше ее плотность, отличается от плотности
минеральной части.
Величина плотности влажной пород (объемной массы) непостоянна и
изменяется в зависимости от количества содержащейся в ней воды.
3. От плотности породы следует также отличать плотность ее скелета (γск), под
которой понимается масса единицы объема ее минеральной части (твердой) естественного
сложения, т.е. масса единицы объема сухой породы естественного сложения.
γск=g1/v1+v1, г/см
(3)
Плотность скелета породы можно определить по данным плотности породы (γ)
и весовой влажности (W) в долях единицы:
γск=γ/1+W
(4)
Если весовую влажность выражать в процентах, то формула для определения
плотности скелета породы примет вид:
γск=γ/1+0,01W
(5)
4. Плотность является важным физическим свойством песчаных и глинистых
пород, выражающим их физическое состояние, т.е. плотность упаковки частиц.
Пористость характеризует объем пор в единице объема породы и вычисляется по
формуле:
n=1-m=1- γск/ γм= (γм -γск)/γм
(6)
m – объем минеральной части в одном куб.см. породы, см3.
Пористость выражается в долях единицы или процентах от полного объема
породы. Такое выражение пористости не всегда удобно. Например, при расчете изменения
объема породы под действием нагрузки надо учитывать изменение пористости. Но
пористость относится к полному объему породы, кото рый сам изменяется при
уплотнении, т.е. является величиной переменной.
5) Более удобной характеристикой пористости пород является коэффициент
пористости (Е), равный отношению объема пор к объему твердой части породы,
остающемуся постоянным при уплотнении:
Е=n/m=n/(1-n)=(γм -γск)/ γск
(7)
Пористость песчаных и глинистых пород изменяется в щироких пределах в
зависимости от формы и размера слагающих их частиц, т.е. от их дисперсности, степени
отсортированности и однородности, плотности сложения, степени и характера
цементации. У порода более тонкозернистых (тонкодисперсных), обладающих большей
удельной поверхностью, пористость, как правило выше, чем у пород грубодисперсных с
меньшей удельной поверхностью. В соответствии с этим пористость глинистых пород
обычно выше, чем пористость песков, гравелистых и других обломочных пород, хотя
поры и пустоты у последних крупнее.
Пористость неоднородных по гранулометрическому составу пород обычно
меньше, чем однородных, хорошо отсортированных, так как в неоднородных породах
более мелкие частицы располагаются среди более крупных и общая плотность их
упаковки их повышается.
Общая закономерность осадочных пород состоит в уменьшении их пористости
с глубиной и увеличением возраста. Однако в песках и глинистых породах четвертичного
возраста такая закономерность не всегда достаточно четко выражена. Иногда в них
проявляется только общая тенденция к уменьшению пористости с глубиной.
Изменение пористости песков и глин при их инженерно-геологической оценке
имеет большое значение, так как она характеризует естественную уплотненность и
склонность к деформации. Причины деформаций и нарушения устойчивости песчаноглинистых пород (особенно песков) состоит главным образом в недостаточной плотности
сложения.
Коэффициент пористости песчаных и глинистых пород – это одна из основных
характеристик, используемых при расчетах осадок сооружений.
6) Влажность. Важнейшей характеристикой физического состояния песчаных и
особенно глинистых пород является их влажность. Она характеризует количество воды,
заполняющей их поры. В зависимости от степени влажности песчаные и глинистые
породы могут находится в различном физическом состоянии, в соответствии с которым
(особенно у глинистых пород) изменяется их прочность, деформируемость и
устойчивость.
Влажностью называется отношении массы воды (g2) к массе абсолютно сухой
породы (массы скелета грунта) в данном объеме, выраженное в долях единицы или
процентах. Это весовая влажность:
W=g2/g1=(γ- γcк)/ γcк
(8)
Если определяется по образцам естественной влажности, то ее называют
естественной.
Влажность пород может быть охарактеризована также через объемную
влажность, под которой понимается объем воды, содержащейся в единице объема сухой
породы.
Wоб=vw/v1+v2=Wγск/γв
(9)
vw – объем воды
v1 – объем твердой части (скелета) грунта
v2 – объем пор
γв – плотность воды равна 1, тогда – Wоб=Wγск
Если поры породы полностью заполнены водой, то объем воды в породе равен
объему ее пор. Влажность глинистой породы при этом будет соответствовать ее полной
влагоемкости, а у песчаных их полной влагоемкости.
Влажность песчаных и глинистых пород в естественных условиях может
изменятся в широких пределах. Например влажность песков в зоне аэрации нередко
достигает 4-5%, в зоне капилярного увлажнения и насыщения 27-30%, а влажность м/з и
т/з песков в этой зоне может достигать 35-40%.
Естественная влажность глинистых осадков изменяется в более широких
пределах. Так например в современных глинистых осадках она достигает 80-90% и более,
в глинистых осадках малой и средней степени литификации (глины) изменяется от 12-15
до 50-60%, а в породах высокой и предельно высокой степени литификации (аргиллиты)
снижается до 3-5%.
Естественная влажность песков при прочих равных геологических условиях
изменяется в зависимости от грансостава, наличия примесей глинистых частиц и
органического вещества и от плотности сложения.
Естественная влажность глинистых пород изменяется в зависимости от степени
их дисперсности, т.е. степени глинистости, минерального состава тонкодисперсной части,
емкости поглощения и состава обменных катионов, примесей органики и степени
лтификации.
Главнейшими водными свойствами, определяющими отношение песчаных и
глинистых пород к воде, является водоустойчивость, влагоемкость, капиллярность и
водопроницаемость. При инженерно-геологической оценке пород эти свойства имеют
весьма важное значение. Однако роль каждого из них при этом неодинакова, что зависит
от состава пород. Неодинаково их значение и при решении различных практических
задач.
1) Водоустойчивость. Определение водоустойчивости наиболее важно при
оценке глинистых пород, которые под воздействием воды теряют связность и изменяют
консистенцию или размокают и распадаются. Скорость и характер размокания
характеризуют водоустойчивость.
Некоторые разности глинистых пород при увлажнении сильно набухают,
причем объем их увеличивается на 25-30%.
Изменение свойств глинистых пород происходит не только при увлажнении.
Высыхание влажных глинистых пород иногда сопровождается их растрескиванием,
изменением монолитности, уменьшением объема (усадкой).
Вода, воздействуя на породы, может также растворять, выщелачивать
водорастворимые части и тем самым изменять их свойства.
Из изложенного следует при изучении и оценке свойств глинистых пород
необходимо учитывать знание об их водоустойчивости. Это особенно важно при
определении их несущих способностей, устойчивости в подземных выработках, на
склонах и откосах.
Водоустойчивость глинистых пород может быть охарактеризована скоростью и
характером размокания в воде, процентным содержанием легкорастворимых соединений
и их свойством; значением, силой и влажностью набухания; влажностью усадки.
2) Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимается ее способность в
вмещать и удерживать определенное количество воды. В соответствии с этим различают
породы: влагоемкие (глины, суглинки), среденевлагоемкие (скпеси, пески м/з,с/з,
пылеватые) и невлагоемкие (пески с/з, к/з, гравий и т.д.). Применительно к породам
невлагоемким следует говорить об их водоемкости.
У влагоемких пород различают полную, капиллярную и молекулярную
Влагоемкость.
Полной влагоемкости полное насыщение породы водой, т.е. заполнение всех ее
пор. Сравнивая естественную влажность породы с влажностью, соответствующей полной
влагоемкости судят о степени ее водонасыщения.
Капиллярной влагоемкости соответствует не полное насыщение породы водой,
а такое, когда водой заполнены только капиллярные поры.
Под молекулярной влагоемкостью понимается способность пород удерживать
определенное количество физически связанной воды. Максимальное количество
физически связанной воды, которое может удержать порода на поверхности своих частиц
называется максимальной молекулярной влагоемкостью.
Из песчаных пород насыщенных водой не вся вода может вытекать свободно, а
только та часть, которая подчиняется силе тяжести. Способность песчаных и других
обломочных пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания,
характеризует их водоотдачу. Такой способностью обладают невлагоемкие породы.
Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоемкостью (Wп) и
максимальной молекулярной:
Wотд=Wп -W м
(11)
Для количественной оценки водоотдачи служит также коэффициент
водоотдачи, равный отношению объема стекающей воды к объему породы, выраженной в
долях единицы. Характеристика водоотдачи пород имеет важное значение при решении
многих практических вопросов, например при проектировании дренажей, притоков воды
в котлован и т.д.
Капиллярность. При значительном повышении влажности песчаных и особенно
глинистых пород понижаются их строительные качества. Увлажнение воды может быть
обусловлено инфильтрацией воды с поверхности земли или поступлением ее снизу из
какого-либо водоносного горизонта под влиянием напора капиллярных сил. Капиллярные
силы образуют капиллярную зону над уровнем грунтовых вод, в пределах которой
наблюдается повышенное увлажнение или насыщение пород. М/з, т/з пески, глинистые
породы в зоне капиллярного увлажнения обычно полностью насыщены. Эту зону можно
назвать зоной капиллярного насыщения. Если эта зона достигает поверхности земли, то
происходит заболачивание. При интенсивном испарении капиллярных вод происходит
засоление почв, образование солончаков.
Известно, что максимальная высота капиллярного поднятия в т/з и м/з песках
может достигать 1,5-2,0 м, в глинистых породах 3-4 м. В грубозернистых породах она
мала и практического значения не имеет.
Водопроницаемость. К числу основных водных свойств пород относится
водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду под действием напора.
Данные, характеризующие водопроницаемость рыхлых обломочных и глинистых пород,
имеет широкое применение в практике для определения притоков в строительные
котлованы, подземные выработки, способов осушения и т.д.
Водопроницаемость песков, галечников и др. рыхлых отложений зависит от их
пористости и скважности. Глинистые породы при небольших напорах очень
слабопроницаемы, т.к. размер пор в них мал. Движение воды и других жидкостей через
пористые среды (породы) называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость
песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой
водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерногеологической практике пользуются главным образом скоростным выражением
коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=KфI(k). Если I=1, то v=Kф м/сут, см/сут.
Скорость движения воды через пористые среды (горные породы) прямо
пропорциональна гидравлическому градиенту, т.е. отношению действующего напора к
длине пути фильтрации. Это важнейший закон водопроницаемости песчаных и глинистых
пород – закон ламинарной фильтрации.
Скорость движения воды определяется также уравнением:
v=Q/F
(13)
Q – количество фильтрующейся через породу воды, м3;
F – площадь поперечного сечения, м2, через которое фильтруется вода.
Так как движение воды происходит только по порам, то действительная
скорость фильтрации (исходя меньшей площади действительного сечения породы)
больше. Действительный коэффициент фильтрации:
Kфд=Kф/n
(14)
n – пористость.
Действительный коэффициент фильтрации иногда называется коэффициентом
скорости фильтрации. В песчаных породах Кфд всегда больше коэффициента фильтрации,
определенного непосредственно в лабораторных условиях.
В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше
общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере
занято физически связной водой.
Механические свойства горных пород определяют их поведение под
воздействием внешних усилий – нагрузки. В песчаных и других обломочных и глинистых
породах при этом происходит изменение внутреннего сложения и объема (уплотнение),
т.е уменьшение пористости и увеличение концентрации минеральных частиц в единице
объема. Чем значительнее эти изменения пород под воздействием определенной нагрузки,
тем большей деформируемостью они обладают. Когда под влиянием внешних усилий в
породах возникают касательные силы, превышающие сопротивление сдвига, порода
начинают разрушаться, наступает потеря прочности.
Следовательно, механические свойства песчаных и глинистых пород как и
любых других, характеризуются их деформируемостью и прочностью. Их выражают
деформационными и прочностными показателями: деформируемость – показателями
сжимаемости (деформируемости), а прочность – сопротивлением сдвигу. Они позволяют
прогнозировать осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при
конструировании фундаментов предельно использовать несущие способность грунтов.
Показателями, выражающие сопротивление пород сдвигу, дают возможность
проектировать заложение откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с
минимальным объемом земляных работ, определять устойчивость склонов и оползней,
определять рациональное сечение и устойчивость различных сооружений в т.ч. бетонных
плотин. Поэтому изучению деформационных и прочностных свойств песчаных и
глинистых пород необходимо уделять особенно большое внимание.
Сжимаемостью породы называют ее способность к уменьшению объема под
воздействием нагрузки.
При сжатии породы вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового
расширения при одноосном сжатии относительной деформацией (е) называют отношение
величины абсолютного уменьшения нагруженного образца (Δh) к его начальной высоте
(h0)
е=Δh/h0
(15)
Зависимость между напряжением (δ) и величиной относительной деформации
(е) при нагрузках меньше предела пропорциональности определяется выражением:
δ=Ее
(16)
Е – модуль упругости.
При сжатии образца вертикальной нагрузкой происходит увеличение диаметра
(d0) его поперечного сечения на абсолютную величину (Δd). Отношение еn=Δd/d0 (17)
есть относительная деформация в поперечном направлении.
Отношение еn/е=М (18) для данного материала является величиной
постоянной и называется коэффициентом поперечной деформации – коэффициентом
Пуассона.
Сопротивление сдвигу.
Прочностные свойства пород определяются рядом показателей, относящихся к
категории прямых расчетных показателей. Прочность пород характеризуется
способностью сопротивляться сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом
называется процесс деформации и разрушения породы вследствие смещения одной ее
части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается касательным
напряжением к ней. Сопротивление сдвигу зависит от величины вертикальной нагрузки,
приложенной к образцу. Прочность пород оценивается в основном по теории Мора,
согласно которой разрушение тела происходит при определенном предельном
соотношении нормальных и касательных напряжений.
Изучение обломочных несвязных пород показывает, что уравнение,
характеризующее их сопротивление сдвигу часто имеет вид: т=с+fδн (19), где
т – сопротивление сдвигу, МПа
с – параметр, характеризующий начальное сопротивление сдвигу
δн – нормальное давление
f – коэффициент внутреннего трения.
Эта зависимость установлена Кулоном в 1773 г. и для несвязных пород
формулируется так: «Сопротивление рыхлых несвязных пород сдвигу есть сопротивление
трению, прямо пропорциональному давлению». Это один из основных законов механики
для песчаных и других несвязных пород.
Физико-механические свойства скальных и полускальных пород
подразделяются также на физические, водные и механические.
Главнейшими физическими свойствами этих пород является плотность и
пористость, кроме того у полускальных пород имеет значение влажность. Для
характеристики физического состояния скальных и полускальных пород решающее
значение имеют: степень их выветрелости, трещиноватости и закарстованности.
Водные
свойства
главнейшие:
водоустойчивость,
влагоемкость
и
водопроницаемость.
Водоустойчивость характеризуется в первую очередь их размягчаемостью.
Любые горные породы, в том числе и кварцит, базальт и др. при насыщении водой
размягчаются и теряют свою прочность.
Водопроницаемость. Скальные породы проницаемы только по трещинам. В
полускальных – движение воды происходит как по трещинам, карстовым полостям и
другим сверхкапиллярным пустотам, так и отчасти при соответствующих напорах – по
микротрещинам и порам.
Механические свойства скальных и полускальных пород характеризуются
также прочностью и деформируемостью.
Прочность скальных и полускальных пород принято выражать и оценивать
временным сопротивлением сжатия, растяжению, сдвигу (скалыванию) и реже изгибу.
Полускальные породы (песчаники и алевролиты с глинистым цементом,
глинистые сланцы, аргиллиты, глинистые известняки, доломиты и мергели и др.)
отличаются от скальных пород пониженными прочностью и сопротивляемостью
деформациям.
Деформации полускальных пород в обычных условиях до сравнительно
небольшого значения нагрузки бывают упругими, затем когда нагрузка превышает предел
пропорциональности, деформация растет быстрее нагрузки, получает развитие упруговязкие или остаточные пластические деформации.
Имеются дополнительные характеристики физико-механических свойств
скальных и полускальных пород. Такие как: крепость горных пород, твердость,
истираемость, износ, абразивность, буримость, морозоустойчивость и др.
Закономерности пространственной изменчивости свойств грунтов.
Закономерности распространения геологических тел, геологическое строения
тех или иных территорий связаны с геологической историей их развития, с условиями
образования и существования пород в земной коре. Соответственно с этим связаны и
основные закономерности пространственной неоднородности свойств горных пород. Они
в первую очередь проявляются в стратиграфии стратификации отложений и комплексов
пород, формах и условиях их залегания и тектонической нарушенности. Это позволяет
выделить в геологическом пространстве не только разности и комплексы горных пород не
одного рода, но разного рода геологические структуры – массивные, слоистые,
складчатые, разрывные и др.
Стратиграфия как известно отражает последовательность образования
отложений и комплексов горных пород разного возраста, слагающих территорию и их
возрастные соотношения, а стратификация – последовательность напластования разных
петрографических типов горных пород в вертикальном разрезе, от поверхности земли на
глубину. Все эти данные обычно показывают на геологических колонках, картах, разрезах
и других материалах. Эти материалы позволяют наглядно представить какие отложения и
кмплексы горных пород разного возраста распространены по площади и на глубину. Из
этих данных видна степень неоднородности и слоистости геологического строения
рассматриваемой площади.
Многие горизонты, слои, толщи и комплексы горных пород, характерные в
инженерно-геологическом отношении из-за своих особых свойств и физического
состояния, занимемой определенное место в геологическом разрезе (например, глины
малой прочности, легко размокающие и разбухающие; плывуны, горизонты пород
повышенной закарстованности, водоносные и др.). Поэтому стратиграфия как бы
контролирует (определяет) закономерности распространения и размещения таких
геологических тел и соответственно закономерности неоднородностей горных пород.
Стратификация показывает границы раздела между петрографическими типами
пород в геологическом разрезе, положение поверхностей, зон дробления, а также
распространение водоносных горизонтов, локальных и региональных водоупоров
относительно строительных объектов (котлованов, горных выработок и др.) и степень их
защищенности от притоков подземных вод и их воздействия.
Неоднородность свойств горных пород может иметь закономерный и
незакономерный (или точнее условно незакономерный) характер в пространстве и во
времени. Например, на Русской равнине с севера на юг наблюдаются смены ледниковых
моренных отложений водоледниковыми. Такое пространственное расположение разного
рода отложений обуславливает разный характер геологического разреза в пределах
внутриледниковой (интергляциальной) и приледниковой (перигляциальной) областей, что
вполне закономерно связано с историей геологического развития.
Критериями неоднородности свойств пород являются:
1. Сложность геологического разреза, обуславливаемая распрстранением
различных стратиграфических, генетических и петрографических типов пород, формой и
условиями их залегания, невыдержанностью мощности и простирания тектонической
нарушенностью.
2. Неоднородность физического состояния пород. Пространственная
изменчивость горных пород связана главным образом с изменчивостью их состава,
состояния и свойств.
Выяснение и оценка закономерностей распределения степени неоднородности
и изменчивости инженерно-геологических условий территорий, свойств горных пород
являются ведущими задачами системы инженерных изысканий.
Неоднородность и изменчивость свойств горных пород оказывают влияние на:
а) направление инженерно-геологических изысканий, т.е. исследований
выполняемых при изучении геологического строения территории, организации
геологического пространства. В состав этих исследований входят: расчленение
неоднородности пространства на однородные части – регионы, области, районы, участки
и выделение комплексов, толщ, слоев, горизонтов, зон горных пород по
стратиграфическим, геологическим, петрографическим признакам и строительным
качествам;
б) сложность геологического строения, инженерно-геологических условий
территорий, условия рационального использования геологической среды и ее охраны;
в) степень детальности инженерных изысканий, и тем большую, чем
значительнее неоднородность и изменчивость горных пород;
г) выбор мест расположения сооружений и необходимость выполнять
инженерные изыскания на нескольких или многих конкурирующих участках;
д) размещение (компановку) сооружений на выбранном участке и
необходимость выполнять геологические работы для нескольких вариантов компановки;
е) глубины врезки сооружений в горные породы и заложения их фундаментов,
глубину заложения и направление подземных выработок и сооружений, устойчивость
сооружений, их конструкцию и организацию строительных и горных работ, выбор
расчетных схем и расчетных показателей свойств горных пород;
ж) возникновение и развитие геологических процессов и явлений, нарушение
устойчивости территорий и сооружений;
з) выбор и осуществление инженерных мероприятий и в том числе
конструктивных, для обеспечения устойчивости и сохранности территорий и сооружений;
и) состав, объем и методику инженерных изысканий.
3. Особенности изучения инженерно-геологических условий. Принципы
размещения и установления объемов инженерно-геологических работ.
При проведении инженерно-геологических исследований в рамках разных
этапов хозяйственной деятельности {планирование, проектирование, строительство и
эксплуатация сооружений) объемы инженерно-геологических работ и их размещение
различны.
По
мере
перехода
от
одного
этапа
к
другому
изменяются
условия
инженерной задачи и, следовательно, требования к инженерно-геологической информации,
обеспечивающей ее решение. На более поздних этапах требуется информация о свойствах
геологической среды, замкнутая границами меньшего ее объема (район исследований,
строительная площадка, границы предполагаемой сферы взаимодействия), менее полная по
списку свойств геологической среды, но зато более точная и обеспеченная более высокой
достоверностью. Различие характера инженерно-геологической информации определяет
разные методы ее получения, разные объемы инженерно-геологических работ и их
пространственное размещение.
При составлении суммы развития и размещения отраслей о хозяйства и
промышленности в результате инженерно-геологических проработок должны быть
освещены геологические условия некоторого района с полнотой, достаточной для решения
инженерной задачи: обоснование развития и размещения производительных сил, выбор
мест размещения будущих городов, промышленных комплексов, трасс линейных
сооружений, мелиоративных систем и других сооружений. В процессе инженерногеологических изысканий, предполагающих использование накопленной и получение
оперативной информации, необходимо: 1) установить геологическое, геоморфологическое,
тектоническое,
гидрогеологическое
строение
(структуру),
определяемое
пространственными отношениями соответствующих элементов; 2) выявить проявления
экзогенных геологических процессов, их размещение в пределах района, интенсивность
развития; 3) определить некоторые свойства геологической среды и выявить общие закономерности их пространственной изменчивости, достаточные для сравнительной оценки
компонентов инженерно-геологических условий и выбора мест размещения будущих
сооружений (площадок предполагаемого строительства). При этом возможно широкое использование методов экстраполяции и метода инженерно-геологической аналогии. Для
решения перечисленных вопросов инженерно-геологические изыскания в районе
размещают с таким расчетом, чтобы выявить и изучить элементы, отношения которых
составляют геологическую, геоморфологическую, тектоническую и другие структуры
района, и проследить границы элементов; установить общие черты пространственной
изменчивости тех свойств геологической среды, которые могут оказать влияние на схему
развития и размещения производительных сил. При размещении работ необходимо
руководствоваться правилами, которые можно назвать геологическими. Они
предполагают нерегулярное размещение работ и заключаются в следующем.
1. Каждый геоморфологический элемент должен быть охарактеризован не менее
чем одной выработкой. Точки наблюдений и выработки следует расположить по короткой
оси, секущей геоморфологические элементы (поперек долины реки, склона).
2. Для уточнения соотношения геологических тел, слагающих разные
геоморфологические элементы, выработки следует размещать в местах сопряжения
элементов.
3.Створы пунктов получения информации (точек наблюдений, выработок, точек
геофизических измерений) следует ориентировать вкрест залегания пород.
4.При изучении геологических объектов, имеющих в плане вытянутую форму
(речных долин, линейных кор выветривания и др.), створы выработок следует
ориентировать по короткой оси геологических тел.
5.Точки наблюдения и выработки размещают в местах проявления ЭГП
(областях с неустойчивой структурой).
6.Пункты получения информации (выработки, места геофизических измерений)
следует располагать: поперек зон тектонических нарушений и зон трещиноватости; по
главным направлениям изменчивости
параметров
учитывающим процессы
петролитогенеза.
7.Для предварительной оценки геологического строения территории,
принадлежащей к одному геоморфологическому элементу и лишенной естественных
обнажений, выработки следует располагать по двум взаимно перпендикулярным
створам, ориентированным по главным направлениям изменчивости.
При проведении инженерно-геологических исследований на стадии проекта
должна быть получена инженерно-геологическая информация, достаточная для решения
следующих условий инженерной задачи: компоновка зданий и сооружений, предварительные расчеты оснований, выбор типов фундаментов, разработка проекта защитных
мероприятий. При одностадийном проектировании к перечисленным условиям
инженерной задачи прибавляются окончательные расчеты оснований, разработка проекта
производства строительных работ.
Компоновка зданий и сооружений в границах площадки намечаемого
строительства сооружений предусматривает предварительные расчеты оснований,
требуемые для оптимизации размещения сооружений с учетом архитектурнопланировочного решения (технологической схемы промышленного комплекса) и свойств
геологической среды, до нижней границы сферы ее взаимодействия. В пределах
строительной площадки разнообразие природных, в том числе геологических, условий
существенно меньше, чем на большей по площади территории района, для которого
разрабатывают схему развития и размещения производительных сил. Геологические,
геоморфологические и гидрогеологические условия в целом известны и достаточно
однообразны. Например, строительная площадка может располагаться на одном
геоморфологическом элементе. Вместе с тем по условиям решения инженерной задачи
требуется инженерно-геологическая информация замкнутая границами площади в
латеральной плоскости и глубинной сферы взаимодействия наиболее тяжелого
сооружения и достаточная для проведения предварительного расчета основания в любой
точке площадки (требование оптимальной компоновки). Следовательно, инженерногеологические работы должны охватить всю строительную площадку до глубины сферы
взаимодействия наиболее тяжелого сооружения и выявить структуру и свойства
геологической среды, нужные для предварительных расчетов оснований сооружений.
Инженерно-геологические работы (предварительная разведка) размещаются в пределах
границ выделенных геологических тел регулярно, в соответствии с геолого-математическими
принципами. Из п е р в о г о п р и н ц и п а – р а в н о п р е д с т а в и т е л ь н о с т и вытекает
регулярность в размещении пунктов получения информации (горно-буровых, геофизических, специальных работ). Он имеет следующую формулировку. Любые равные по
объему части выделенного геологического тела должны быть охарактеризованы
одинаковым числом измерений. В т о р о й п р и н ц и п , регламентирующий регулярное
размещение инженерно-геологических работ, заключается в том, что системы пунктов
получения информации (системы выработок, точек наблюдений, системы опробования)
устанавливают отдельно для каждого выделенного по принятым критериям
геологического тела, учитывая анизотропность мер рассеяния геологических параметров
по главным направлениям изменчивости и по глубине, а также принятый уровень
доверительной вероятности. Т р е т и й п р и н ц и п заключается в том, что системы
пунктов получения информации ориентируют по главным направлениям изменчивости
(по направлениям экстремальных значений градиентов) геологических параметров.
Размещение инженерно-геологических работ в соответствии с геолого-математическими
принципами не только не отрицает, но, напротив, предполагает необходимость размещения инженерно-геологических работ в наиболее интересных по геологическим
соображениям местах будущей строительной площадки.
В ходе инженерно-геологических изысканий, проводимых на стадии рабочей
документации (РД), все работы ведут внутри границ предполагаемой сферы
взаимодействия геологической среды с сооружением. Объем, конфигурация и
структура сферы взаимодействия определяются характеристиками проектируемого
сооружения
и
свойствами
геологической
среды.
Размещение инженерногеологических работ (горно-буровых, специальных, опробований и др.) в
рассматриваемом случае подчинено конструктивным соображениям. В результате
выполнения работ должна быть получена информация, необходимая и достаточная для
окончательных расчетов основания, достаточная для составления расчетной схемы.
Вследствие этого пункты получения информации (горно-буровые работы, полевые
испытания грунтов, инженерно-геологическое опробование и др.) размещают по расчетным
сечениям, осям и контурам сооружения, на местах расположения будущих фундаментов.
Такое размещение работ позволяет получить информацию, необходимую для составления
расчетной схемы.
В ходе строительства сооружения инженерно-геологические исслёдования
выполняемые в рамках службы авторского надзора, сосредотачивают в пределах
развивающейся сферы взаимодействия: в строительных выемках и на прилегающей к
строительству территории, на которой могут возникнуть инженерно-геологические
процессы. Работы размещают, руководствуясь конструктивными соображениями и
учитывая свойства геологической среды, взаимодействующей с орудиями труда, со
строительными выемками, частями сооружений и т. д. Режимные инженерногеологические наблюдения, проводимые в процессе эксплуатации сооружения,
размещают, учитывая структуру сферы взаимодействия: сеть режимных наблюдений
должна соответствовать строению сферы, а состав наблюдений — отражать членение
сферы на зоны и, следовательно, инженерно-геологические процессы, учитываемые при
разработке мероприятий, обеспечивающих оптимальное управление ПТГ.
4. Инженерно-геологическое районирование и типизация территорий
4.1 Инженерно-геологическая типизация территорий
Под инженерно-геологической типизацией территории
понимается
выделение по ней отдельных частей, которые соответствуют определенным заранее
установленным типам регионов, характеризующимся наиболее общими и существенными
признаками инженерно-геологических условий. Такой подход при инженерногеологическом изучении территорий иногда называется типологическим. Проблема
инженерно-геологической
типизации
территорий
имеет
большое
практическое значение, так как от нее во многом зависит рациональное решение ряда
вопросов, и в частности рациональное построение детальных инженерно-геологических
изысканий применительно к решению самых разнообразных задач.
А) Например, работы по инженерно-геологической типизации суши и шельфа
океана в планетарном обзорном масштабе выполнены С. Б. Ершовой (1979). При
инженерно-геологической типизации земного шара С. Б. Ершовой выделены крупные
геолого-структурные элементы (щиты, плиты, орогены разного возраста и др.) в пределах
материков, переходных структур и океанов и охарактеризована наземная среда путем
выделения соответствующих зон и подзон (подзона ледников, пород без сезонного
оттаивания, подзона сильноувлажненных пород с сезонным промерзанием, подзона
умеренно увлажненных пород без сезонного ппомерзания и др.).
Инженерно-геологическая типизация поверхности земного шара построена на
использовании двурядной перекрестной системы типологического районирования с
построением двух независимых систем таксономических единиц: одной — по геологоструктурным (азональным), другой — по зонально-геологическим признакам.
При наложении контуров двух рядов таксономических единиц и пересечении их
границ выделяются единицы типологического инженерно-геологического районирования,
которые С. Б. Ершова назвала инженерно-геологическими типами. Это части крупных
геолого-структурных единиц или отдельные единицы, в пределах которых поверхностные
отложения характеризуются определенной общностью состояния пород, обусловленной
особенностями развития этой территории в четвертичное и особенно в голоценовое время в
конкретных климатических условиях, определяемых соотношением тепла и влаги.
Всего выделено около 80 инженерно-геологических типов территорий. Эти
типы территорий характеризуются идентичными последствиями антропогенового
воздействия. Для выделенных типов территорий должны предусматриваться единая
методика инженерно-геологического изучения, единые инструкции по инженерногеологическим изысканиям, строительные нормы и другие документы.
Б) Региональная типизация территорий по геологическому строению разреза.
При инженерно-геологическом изучении территории по физико-механическим свойствам
выделяются 5 групп пород:
1. твердые породы – скальные;
2. относительно твердые породы – полускальные;
3. рыхлые несвязные породы (пески, гравий);
4. мягкие связные (глины, суглинки, лессовидные);
5. породы особого состава, состояние и свойств (пески-плывуны, илы, торфы,
каменная соль).
В геологическом разрезе принято выделять комплексы: а) четвертичных
отложений, представленные преимущественно породами III, IV и V групп по
рассматриваемой инженерно-геологической классификации; б) покровный —
недислоцированные или слабодислоцированные осадочные и вулканогенные породы и
прорывающие их магматические тела — это породы чехла древних и молодых платформ,
обнажающиеся на поверхности или прикрытые четвертичными отложениями; породы этого
комплекса по инженерно-геологической классификации относятся главным образом к
относительно твердым — полускальным; в) складчатый — дислоцированные осадочные,
вулканогенные и метаморфические породы и прорывающие их магматические — это
породы складчатого фундамента платформ, обнажающиеся на поверхности или
покрытые различными сочетаниями пород четвертичного и покровного комплексов. По
инженерно-геологической классификации породы кристаллического фундамента являются
преимущественно твердыми — скальными.
В геологическом разрезе того или иного района до глубины возможного
влияния сооружений или инженерных работ могут выделяться тот или иной комплекс
горных пород или определенные их сочетания. В соответствии с этим районы подразделяются па одно-, двух- и трехъярусные. Так, например, в пределах северо-запада Русской
платформы можно выделить районы: приповерхностного залегания кристаллических
пород докембрия — типы III или V (Балтийский щит и др.); неглубокого залегания
песчано-глинистых и карбонатных пород палеозоя — типы II, IV, VI и VII (южный склон
Балтийского щита, Ордовикское плато, Главное девонское поле и др.); распространения
ледниковых и водно-ледниковых отложений Северо-Запада — тип I и др.
Таблица 3.1. Классификация районов по строению геологического
разреза, принятая в Советском Союзе при региональных геологических
исследованиях
Комплек
Районы
сы гонных пород
Одноя
Двух
Трех
русные
ъярусные
ъярусные
I
I
I
I
V
V
V
I
II
V
I
II
Четверт
+
+
+
+
ичный
+
+
+
+
Покровн
+
+
+
+
ый
Складча
тый
П р и м е ч а н и е . Знак плюс — присутствие, знак минус — отсутствие комплекса в пределах
глубины изучения района. Римские цифры — типы районов.
Как показывает практика, инженерные изыскания при проектировании и
строительстве гражданских и промышленных сооружений, а также различных линейных и
мелиоративных, аэродромов и многих других наиболее часто ведутся в районах,
относящихся к I, IV, V и VII типам. При проектировании гидроузлов, туннелей и других
подземных сооружений, дорог в горных районах, мостовых переходов, шахт и карьеров
для разработки месторождений полезных, ископаемых инженерные изыскания ведутся
главным образом в районах приповерхностного залегания коренных пород, т. е. в районах
типов II, III, IV и др. Следовательно, строительство различных типов сооружений связано,
как правило, с определенными комплексами горных пород, принадлежащими к
определенным группам по рассматриваемой инженерно-геологической классификации.
4. Инженерно-геологическое районирование территорий.
Инженерно-геологическое районирование проводится по определенным
принципам, без которых было бы невозможно сравнить и оценить все разнообразие
инженерно-геологических условий различных территорий.
Наиболее полно принципы инженерно-геологического районирования были
разработаны И. В. Поповым (1961), который предложил выделять в качестве
самостоятельных таксономических единиц инженерно-геологические регионы,
области, районы и подрайоны разного порядка.
Инженерно-геологические
регионы
выделяются
по
структурнотектоническому признаку. Инженерно-геологический регион первого порядка является
наиболее крупной таксономической единицей. Примером инженерно-геологического
региона первого порядка является Русская платформа, на которой выделяются
регионы второго порядка такие, как Балтийский щит, Московская синеклиза,
Воронежская антеклиза, Причерноморская впадина, Предкарпатский прогиб и др.
И. В. Попов предложил выделять инженерно-геологические области в
пределах одного региона по геоморфологическим признакам. При таком подходе не
надо забывать, что геоморфологические особенности территории являются результатом
истории ее геологического развития главным образом в новейшее время. Поэтому
можно сказать, что инженерно-геологические регионы — это территории, выделяемые по
геоструктурным признакам в результате анализа истории геологического развития
данной территории за все доступное для нас время, а инженерно-геологические области
— это части регионов, имевшие различное развитие в новейшее время, что нашло
отражение, в частности, а их геоморфологических особенностях.
Инженерно-геологические области могут выделяться непосредственно при
подразделении инженерно-геологических регионов первого порядка (когда они
достаточно однородны в геоструктурном отношении) и в этом случае охватывать
огромные территории. Примером в этом отношении является Западно-Сибирская
плита. Если развитие территории в новейшее время было неоднородным, то при более
детальном ее рассмотрении могут выделяться инженерно-геологические области
разного порядка: не только первого, но второго и даже третьего порядка.
В
инженерно-геологических
областях
выделяются
инженерногеологические районы, на территории которых отмечается однообразие
геологического строения, выражающееся в одинаковой последовательности залегания
горных пород, их мощности и петрографическом составе. Такие сравнительно
небольшие территории могут образоваться при условии, что они испытывали на всей
своей площади строго одинаковые по знаку и интенсивности тектонические движения
и находились в строго одинаковых палеоклиматических условиях на протяжении их
истории развития, выходящей за пределы новейшего этапа геологического развития
Земли.
В пределах одного инженерно-геологического района могут быть выделены
и н ж е н е р н о - г е о л о г и ч е с к и е подрайоны, если в этом возникает необходимость, по
различному состоянию пород, проявлению современных и древних геологических
процессов и т. д. Например, в пределах одного инженерно-геологического района
часть пород может оказаться в многолетнемерзлом, а часть в талом состоянии и
этом случае возникает необходимость в выделении двух подрайонов.
Если в пределах одного инженерно-геологического
района окажется
оползневой склон на значительном протяжении береговой линии, то в этом случае
может возникнуть необходимость выделения двух инженерно-геологических подрайонов.
При крупномасштабном инженерно-геологическом изучении территории внутри
подрайонов выделяются ин жен ерно -геологи чес к и е уч а с т к и , в пределах которых, в
свою очередь, могут быть выделены и инженерно-геологические элементы.
Изложенные принципы выделения различных таксономических единиц при
инженерно-геологическом районировании базируются на региональных инженерногеологических факторах. При такой системе зональные инженерно-геологические факторы
учитываются на разных уровнях.
Зональные инженерно-геологические факторы в значительной степени зависят от
тех условий, в которых находилась территория в четвертичное время и особенно в голоцене.
Сопоставляя изложенное, можно прийти к выводу, что в доголоценовый период
формировались главным образом региональные, а в голоцене — зональные инженерногеологические факторы; при инженерно-геологическом районировании изучение зональных
инженерно-геологических факторов имеет не меньшее значение, чем региональных.
Выделенные при инженерно-геологическом районировании таксономические
единицы можно в определенной степени связать с характером горных пород, слагающих
территорию. Это подчеркивает, что горные породы являются не только главным фактором
при изучении геологических процессов, но и инженерно-геологических условий.
Часто возраст породы при ее инженерно-геологической оценке имеет меньшее
значение, чем принадлежность к той или иной формации. Поэтому при оценке горных
пород в региональной инженерной геологии к ним подходят с позиции у ч е н и я о
формациях. Это, конечно, не значит, что в региональной инженерной геологии следует
игнорировать стратиграфическое подразделение пород. Просто геологическая формация как
геологическая категория имеет большее значение при инженерно-геологической оценке
территорий, чем стратиграфические элементы.
Ставя на первое место формационный принцип оценки пород, мы исходим из
того, что под формацией понимается, согласно определению Н. С. Шацкого (1955),
«естественно выделяемые комплексы, сообщества или ассоциации горных пород,
отдельные части которых (породы, слои отложения) тесно, парагенетически связаны друг с
другом как в возрастном (переслаивание, последовательность), так к в пространственном
отношении (фациальные смены и др.)». Н. С. Шацкий указывал, что формации связаны с
определенными тектоническими «структурами и изменяются с изменением тектонического
режима и структурного развития земной коры». В то же время на формирование формации
не могут не оказывать влияние палеоклиматические условия, поскольку речь идет об
одновозрастных отложениях, занимающих определенную территорию. Поэтому Н. М.
Страхов (1956) назвал осадочные формации ландшафтно-тектоническими сообществами
пород. Позднее, в 1960 г. Н. М. Страхов писал: «Сохранение на достаточно большом
участке земной коры в течение длительного времени одного и того же тектонического
режима, при одинаковых (а точнее, достаточно близких) климатических и
гидрогеологических условиях (или при закономерно повторяющейся смене их), приводит к
формированию единого в структурно-вещественном отношении сообщества горных пород,
которое мы называем формацией горных пород». Итак, два главных фактора
обусловливают возникновение формации горных пород: тект о н и ч е с к и й режим и
к л и м а т и ч е с к и е ус л о в и я . Трудно отдать предпочтение одному из этих факторов.
Доминирующая роль одного из них будет в какой-то степени определяться тем, к какому из
классов относится формация: платформенному, геосинклинальному или орогенному.
Для платформенных формаций характерны осадочные породы. Платформенные
формации горных пород охватывают большие территории; их формирование проходило при
сравнительно небольших амплитудах тектонических движений. В этом случае роль
палеоклиматических условий была больше, чем для геосинклинальных формаций.
Палеоклиматические условии сказываются на составе и свойствах платформенных
формации, которые достаточно выдержаны на больших площадях и закономерно
изменяются при переходе от одной фации к другой (в случае морских отложений от
прибрежной к глубоководной).
Геосинклинальные формации возникают при интенсивном прогибании земной
коры, поэтому мощность отложений может быть очень большой, а осадочные породы
чередуются или залегают совместно с подводными вулканогенными образованиями. Это
приводит к тому, что может не быть такой выдержанности в осадконакоплении, как у платформенных формаций.
По сравнению с горными породами платформенных формаций горные породы
геосинклинальных формаций характеризуются
большой метаморфизованностью,
большей литифицированностью и большей дислоцированностью. По своему составу и
свойствам горные породы геосинклинальных формаций являются менее однородными, но
более прочными. Однако при характеристике массивов пород надо иметь в виду,
что разрывных нарушений у них встречается больше, чем в случае платформенных
формаций.
При формировании горных пород геосинклинальных формаций роль климата снижается и
увеличивается роль тектонических движений. Как правило, в строении
геосинклинальных формаций принимают участие морские толщи; широкое развитие
имеют вулканогенные образования. Подразделение формации можно провести и по
преобладающему
петрографическому типу слагающих их горных пород. В этом случае можно говорить о
группах магматических, метаморфических и осадочных формаций. При таком
подразделении мы получим в пределах одной формации большее однообразие пород в
инженерно-геологическом отношении и в то же время не будет утеряна связь сообществ
пород» с тектоникой и климатом. Так, все магматические породы имеют определенные
инженерно-геологические особенности и свойства в зависимости от их генезиса. Поэтому
достаточно подразделить все разнообразие магматических пород на толщи близкого
петрографического состава, чтобы получить формации, состоящие из пород, близких в
инженерно-геологическом отношении. Для подразделения на формации метаморфических
пород необходимо учитывать их степень метаморфизма; ранее указывалось, что
выделяются слабо-, средне- и сильнометаморфизованные породы. При подразделении
осадочных пород необходимо учитывать их состав в соответствии с группами, выделенными
в общей классификации грунтов, и степень их литификации.
Существует определенная зависимость между положением формации в
геологическом разрезе и степенью литификации и метаморфизма слагающих ее пород.
Поэтому при оценке горных пород в региональной инженерной геологии важно установить,
к какому структурному этажу они относятся. Обычно степень литификации и
металюрфизации горных пород увеличивается, если они принадлежат к формации,
приуроченной к более низкому структурному этажу. Г. А. Голодковская (1968) на
примерах Алтае-Саянской складчатой области и Сибирской платформы показала, что в
пределах одного структурного этажа свойства пород каждого петрографического типа
остаются относительно постоянными, но качественно изменяются при перестройке
структурного плана вследствие формирования новых областей сноса и создания нового тектонического режима осадконакопления и постседиментационных процессов.