УМП Инженерная геология
реклама
А.А.АБРАМОВ ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волжский государственный инженерно-педагогический университет» Профессионально-педагогический институт Кафедра строительства и сварочных технологий А.А.АБРАМОВ ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Учебно-методическое пособие Нижний Новгород 2010 ББК 26.3 А - 16 Абрамов А.А. Инженерная геология: Учебно-методическое пособие/ А.А.Абрамов – Н.Новгород: ВГИПУ, 2010. – 69 с. Предназначается в качестве учебного пособия для студентов строительных специальностей вузов. Составлено в соответствии с учебной программой для студентов очной и заочной форм обучения специальности 050501.65 Профессиональное обучение (строительство, монтажные и ремонтно-строительные технологии). В пособии рассмотрены основные вопросы о происхождении и строении Земли, тектонике, гидрогеологии, инженерной геодинамике и инженерногеологических изысканиях для различных видов строительства. © Абрамов А.А., 2010 © ВГИПУ, 2010 СОДЕРЖАНИЕ …………………………………………………….......... 6 1. Основные теоретические положения..…………......... 8 1.1. Краткий очерк развития инженерной геологии в Введение России.........................................…………………......... 8 1.2. Строение Земли..............................………………........ 9 1.3. Состав земной коры...............……………………........ 13 1.4. Формы залегания горных пород………………........... 15 1.5. Принцип изучения горных пород в инженерной геологии.......................................................................... 20 1.6. Вопросы для самоконтроля........................................... 21 2. Геодинамические процессы............…….………......... 22 2.1. Экзогенные процессы....................................……........ 22 2.1.1. Геологическая деятельность ветра....……………....... 22 2.1.2. Геологическая деятельность подземных вод............... 26 2.1.3. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод………………………………………......... 29 2.1.4. Геологическая деятельность снега и льда................... 31 2.2. Эндогенные процессы...........……………………........ 33 2.2.1. Тектонические движения.............................................. 33 2.2.2. Землетрясения............................................................... 35 2.2.3. Магматизм..................................................................... 40 2.2.4. Метаморфизм................................................................ 42 2.3. Гидрогеологические условия....................................... 43 2.3.1. Виды воды в грунтах.................................................... 44 2.3.2. Происхождение подземныхвод.................................... 46 2.3.3. Типы подземных вод..................................................... 48 2.4. Вопросы для самоконтроля…………………….......... 51 3. Инженерно-геологические изыскания........................ 52 3.1. Место инженерно-геологических системе инженерных изысканий изысканий в для строительства................................................................. 3.2. Основные цели, задачи и состав инженерногеологических изысканий.............................................. 3.3. Стадийность Основные 53 инженерно-геологических изысканий....................................................................... 3.4. 52 виды 57 инженерно-геологических изысканий....................................................................... 61 Приложения………………………………………........ 66 Литература…………………………………….............. 68 ВВЕДЕНИЕ Инженерная геология – отрасль геологии, изучающая геологические условия и динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерной деятельностью человека. Конечной целью инженерно-геологических исследований является комплексная оценка геологических факторов как природных, так и вызванных инженерной деятельностью человека. На основании инженерно-геологических исследований определяются наиболее благоприятные места размещения зданий и сооружений, в т.ч. подземных, наиболее надёжные их конструкции, способы производства работ, а также мероприятия по борьбе с геологическими процессами, которые могут возникнуть в результате воздействия сооружения и повлиять на его сохранность или нормальную эксплуатацию. С доисторических времён ведётся поиск жилья и разведка сырья для производства строительных материалов, орудий труда, домашней утвари, украшений, мемориалов…. Благодаря инженерной геологии обеспечивается многогранная производственная деятельность всех отраслей строительного комплекса, без которых немыслимо поступательное развитие человечества на Земле. Строительство любых инженерных сооружений – промышленных и гражданских зданий, железных и автомобильных дорог, метрополитенов и плотин, мостов и аэродромов, подземных коммуникаций и других объёктов _ требует обязательного инженерно-геологического обоснования. Для этого необходимо детальное и всестороннее изучение инженерногеологических условий местности, т.е. рельефа, геологического строения и гидрогеологических условий, состава и свойств грунтов, опасных геологических процессов, влияющих на проектирование, строительство и эксплуатацию объектов. Только с учётом полученной в процессе инженерно-геологических изысканий информации инженер-строитель 6 (проектировщик) может обоснованно выбрать место строительства, тип основания и фундаментов, конструкцию, компоновку сооружений, а также разработать необходимые инженерные мероприятия как для защиты проектируемого объекта, так и для защиты природной среды в районе строительства. Инженерная геология призвана обеспечивать необходимыми данными проектировщиков и строителей при возведении разнообразных сооружений в любой инженерно-геологической обстановке, включая весьма сложные и неблагоприятные условия. После изучения теоретических основ дисциплины «Инженерная геология» студенты как будущие специалисты строительного профиля должны уметь: - правильно читать и анализировать инженерно-геологические карты и разрезы, результаты определения физико-механических свойств грунтов по инженерно-геологическим элементам и другие материалы инженерно- геологических изысканий; - принимать обоснованные проектные и иные решения на основе понимания специфики грунтов, природы опасных геологических процессов, законов движения подземных вод и др.; - профессионально воспринимать и правильно использовать в своей работе инженерно-геологическую информацию в существующих нормативных документах (СНиП, ГОСТ, СП, и др.) и справочных руководствах. 7 1 Основные теоретические положения 1.1 Краткий очерк развития инженерной геологии в России Становление инженерной геологии как науки, тесно связанной со строительной деятельностью, в нашей стране происходило в 20-30-е гг. ХХ столетия. До этого периода были созданы необходимые предпосылки для ее дальнейшего развития. Связаны они с работой выдающихся учёных-геологов А.П. Карпинского (1847 – 1936), А.П. Павлова (1854 – 1929), И.В. Мушкетова (1850 – 1902), В.И. Вернадского (1863 – 1945) и мн. др., принимавших активное участие в геологическом обосновании строительства железных дорог, тоннелей, плотин и других общественных сооружений. В развитии собственно инженерной геологии как науки можно выделить несколько этапов. Первый этап (1920 – 1941 гг.) характеризуется бурным развитием инженерной геологии в связи с началом гидротехнического строительства и осуществлением грандиозного плана индустриализации страны. В этот период в стране возводят такие уникальные сооружения, как гидроэлектростанции на Днепре, Волге, Амуре, судоходные каналы Москва – Волга и Беломорско – Балтийский, Московский метрополитен и многие другие крупнейшие сооружения. Строительство этих и других весьма ответственных объектов потребовало высокого уровня развития инженерной геологии. В стране создаются первые специальные кафедры в вузах, возникают научно-производственные организации, планомерно проводятся инженерно-геологические исследования и изыскания. Основоположником инженерной геологии в нашей стране является академик Ф.П. Саваренский (1881 – 1946), опубликовавший в 1937 г. фундаментальный учебник «Инженерная геология». Он же является создателем (в 1932 г.) одной из первых в мире кафедр инженерной геологии в Московском геологоразведочном институте. 8 Второй этап (1946 – 1978 гг.) связан с широким развитием инженерногеологических исследований в различных областях, включая многочисленные теоретические разработки от микромира грунтов до их массивов. Ведутся обширные инженерно-геологические работы на огромных площадях – в Западной и Восточной Сибири, Средней Азии и других районах. Всё это способствовало формированию такого самостоятельного раздела инженерногеологической науки, как региональная инженерная геология. На современном этапе развития, начиная с 80-х гг. прошлого столетия, перед инженерной геологией были поставлены новые задачи. Дальнейшее развитие инженерной геологии видится на основе всестороннего изучения техногенно-измененной геологической среды в теоретическом, экспериментальном и методическом отношении. Строительство и реконструкция зданий и сооружений в сложных природно-техногенных условиях, быстрый рост подземного строительства, возведение во многих городах высотных зданий и т.д. – всё это значительно расширяет круг вопросов, которыми должна заниматься инженерная геология в современный период. Значительный вклад в становление инженерно-геологической науки на различных этапах ее развития, кроме названных выше учёных внесли Е.М. Сергеев, Н.Я. Денисов, Н.В. Коломенский, Г.С. Золотарев, В.Д. Ломтадзе, Г.К. Бондарик, Ф.В. Котлов, С.Д. Воронкевич, В.П. Ананьев, А.К. Ларионов и др. 1.2 Строение Земли Человек уже в глубокой древности интересовался формой Земли. Впервые древнегреческий математик Пифагор (VI в. до н.э.) высказал мысль о шарообразности нашей планеты, а философ Аристотель (IV в. до н.э.) подтвердил это. Длительное время она и рассматривалась как правильный шар, пока в 1680 г. Исаак Ньютон (1643-1727) не подсчитал, что Земля сплющена вдоль оси вращения на 1/230 долю этой оси. Как ни велик был авторитет знаменитого учёного, следовало проверить его вычисления. На это ушло несколько десятилетий. В 40-х годах 18 в. французские астрономы подтвердили 9 правоту И. Ньютона. Разница между диаметрами Земли оказалась в 42 км, т. е. полярный диаметр действительно короче. В нашей стране с 1946 г. форму Земли принимают как эллипсоид Красовского с такими параметрами: экваториальный радиус – 6378,160 км; полярный радиус – 6356,777 км; площадь поверхности Земли составляет всего около 510,2 млн. км2; суша составляет 29,2% (149,1 млн. км2). Объём – 1,083×1012 км3, масса – 5,976×1024 кг. Окружность земли по полюсам ≈ 40 008 км, а по экватору ≈ 40 075 км. Иногда форму Земли именуют сфероидом. Более точное наименование формы – геоид. Геоидом называется фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды. Эта поверхность, мысленно продолженная под материками, образует замкнутую фигуру Земли. Понятие о геоиде введено в 1873 г. И.Б. Листингом – проф. Гёттингенского университета в его трудах по геодезии. Это понятие является основным в теории и методах изучения формы, размеров и строения Земли. Параметры Земли приведены в Приложении 1. Средний период условного возобновления запасов воды в ледниках, постоянном снежном покрове, во льдах зоны многолетнемёрзлых пород составляет 10000 лет, в Мировом океане – 2650 лет, в подземных толщах пород – 1400 лет, в озёрах – 17 лет, в болотах – 5 лет, в водохранилищах – 52 дня, в реках – 19 дней, в атмосфере – 8 дней, в организмах – 3…8 час. Земля сложена десятью концентрическими оболочками. Тремя внешними: атмосфера (5-слойная газовая оболочка, включающая тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу), гидросфера (водная оболочка), биотехносфера. Внутренние оболочки Земли (семь номинаций) называют геосферами, включающими литосферу (А-земная кора и верхний слой мантии), 3-х слойную мантию (верхняя – В, переходный слой Голицына – С, нижняя – Д) и 3-х слойное ядро (внешнее – Е, переходный слой – F, внутреннее – G). 10 На рисунке 1.1. представлена схема северо-западного квадранта поперечного сечения геоида, на которой показано расположение и высота атмосферных оболочек, толщина гидро- и биотехносферы. Приведены радиусы (R) и толщина геосфер (А…G), а также глубины их залегания. Указаны радиусы (Rе , Rр), окружности (Le, Lp) и физические параметры (Q, γ, T) Земли. Всё это установлено современными геофизическими исследованиями по измерению, в частности, скоростей распространения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и др. данными. Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера, биотехносфера и самая верхняя часть земной коры, которую в пределах суши можно назвать геотехносфера, где непосредственно осуществляется инженерно-хозяйственная и строительная деятельность. В таблице 1 приведены основные геометрические параметры земных оболочек. Таблица 1 Толщина земных оболочек (с поверхности к центру ядра) N п/п I. II. III. Внешние оболочки (три номинации) Толщина, Наименование ≈ км Внутренние оболочки (семь номинаций) N п/п Толщина, Наименование ≈ км Земная кора (А): 35…40 1. в т.ч. - под Гималаями 90 Атмосфера - в океане (о.Пасхи) 5 (5 оболочек): Литосфера (А): - тропосфера: в т.ч. - в океане 5…100 в т.ч. на полюсе 8…10 - под щитами 300…350 на экваторе 16…18 Мантия (3 оболочки): 50…1500 - стратосфера 55…80 в т.ч. - верхняя (В) 40…400 - мезосфера 80…800 2. - переходный слой - термосфера 800…1000 3. Голицына (С) 400…1000 - экзосфера >1000 4. - нижняя (Д) 1850..1950 Ядро (3 оболочки): Гидросфера 3,8…11,5 5. в т.ч. - внешнее (Е) 1250..1350 Биотехносфера <0,1 6. - переходный слой (F) 300…400 7. - внутреннее (G) 1200..1250 11 12 1.3 Состав земной коры Земная кора слагается различными группами горных пород, отличающихся друг от друга условиями образования и составом. Горные породы представляют собой минеральные агрегаты, т.е. состоят из определенного сочетания минералов. Минералы – это природные химические соединения или самородные химические элементы, возникшие в результате определенных физикохимических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Минералы могут состоять из одного химического элемента (золото, алмаз, графит и др.) или из нескольких (кварц, кальцит и др.). Большинство минералов – твердый тела, но могут быть – жидкие (вода, ртуть) и газообразные (метан, оксид серы, диоксид углерода). Минералы, слагающие основную массу горной породы, называют породообразующими. Горные породы, слагающие земную кору, представляют собой агрегат многих минералов. Породы, состоящие из многих минералов, называются полиминеральными. Минеральный состав, строение и формы залегания горной породы отражают условия ее образования. Строение породы определяется структурой и текстурой. Под структурой понимается особенность внутреннего строения горной породы, связанная со степенью ее кристалличности, относительными размерами зерен разных минералов, составляющих горную породу; под текстурой – понимают – сложение породы, т.е. взаимное расположение в пространстве слагающих ее частиц. По происхождению горные породы подразделяются на три группы: 1) Магматические, образующиеся в результате внедрения в земную кору или извержения на поверхность магмы. В зависимости от места раскристаллизации магмы выделяются следующие подгруппы: - интрузивные, образующиеся при застывании магмы в глубинных зонах земной коры; - эффузивные, возникающие при излиянии лавы на земную поверхность или дно океанов. 13 Магматические горные породы слагаются в основном силикатами. По содержанию SiO2 (кремнекислоты) они подразделяются на 5 групп: а) Ультракислые породы содержат более 75% SiO2; б) Кислые породы содержат более 65 % SiO2; в) Средние породы, содержащие 65-55%; г) Основные породы содержат 55-45 %; д) Ультраосновные породы с минимальным содержанием SiO2 менее 45%. 2) Осадочные горные породы, образующиеся путем механического или химического осаждения продуктов разрушения, ранее существовавших горных пород, а также благодаря жизнедеятельности и вымирания организмов. Осадочные горные породы покрывают около 75% поверхности континентов, и преобладающая часть их образовалась из осадков морских водоемов. По генетическим признакам среди осадочных горных пород выделяют три главные группы: а) Обломочные породы. Обломочные породы подразделяются по величине обломков на: - грубообломочные рыхлые и сцементированные - конгломераты; - среднеобломочные – пески и песчаники; - мелкообломочные – алевриты и алевролиты. б) Глинистые породы. Глинистые породы имеют наибольшее распространение (около 50%) среди осадочных горных пород и состоят из мельчайших частиц. Помимо глин существуют суглинки с меньшим содержанием глинистых частиц и особый тип – лессовидные пылеватые суглинки. в) Химические и биохимические. Среди них наиболее широко распространены карбонатные породы – известняки, доломиты. К породам химического происхождения относятся каменная соль, гипс и др. Особой категорией являются породы угольного ряда, характеризующиеся различной степенью разложения органического 14 вещества и разным содержанием углерода: это торф, бурый уголь, каменный уголь. 3) Метаморфические горные породы, возникают в результате преобразования магматических и осадочных пород в глубоких частях Земли под действием высокой температуры, больших давлений, химически активных растворов и газов. По мере нарастания интенсивности метаморфизма (повышение температуры и давления) среди них могут быть выделены глинистые сланцы и кристаллические сланцы. При метаморфизме кварцевых песчаников образуются кварциты, а из известняков и доломитов – мраморы. 1.4 Формы залегания горных пород Различают первичные и вторичные формы залегания горных пород. Первичные – это те, которые возникли вместе с формированием самой породы. Вторичные формы залегания образуются в результате последующих деформаций первичных форм. Первичные формы залегания. Наиболее распространенной первичной формой является слой – это образованное осадочной породой плоское тело, имеющее обычно значительную площадь и малую мощность, ограниченных поверхностями раздела, отделяющими его от соседних слоев (подстилающего и покрывающего). Первичное залегание слоев является горизонтальным. Мощность слоя бывает от долей сантиметров до нескольких метров, а в горизонтальном расположении слой может быть прослежен на сотни метров и на километры. Нижнее ограничение слоя называется его подошвой, а верхнее кровлей. Слои осадочных пород не всегда встречаются правильного вида, ограниченными параллельными плоскостями. Часто это выражается в том, что один из слоев становится тоньше и даже исчезает, тогда, как другие утолщаются. Если в слое происходит значительное уменьшение мощности, то место его утончения называют пережимом, если слой утончается до полного исчезновения – то этот случай залегания называют выклиниванием (рис.2). Встречаются слои в виде пропластков, которым свойственна небольшая 15 мощность, но большая распространенность, и в виде прослоев, имеющих ограниченное распространение и небольшую мощность. Рис.2. Первичные формы залегания осадочных пород: 1 – линза; 2 – выклинивание; 3 – слой; 4 – пережим; 5 - прослой Первичные формы залегания магматических пород зависят от способа их образования: глубинные формы – батолиты, штоки, дайки, лакколиты, лополиты; излившиеся (эффузивные) формы – покровы, потоки, экструзии (рис.3). Рис.3. Первичные формы залегания магматических пород: 1 – батолиты; 2 – лакколиты; 3 – дайки; 4 – штоки; 5- жилы; 6 – купола; 7 – потоки; 8 – покровы. Литология: 9 – песок; 10 – глина; 11 – известняк; 12 – мергель; 13 – гранит. Батолиты – самые крупные интрузивные тела, сложенные гранитами. Куполовидная кровля батолита имеет неровный рельеф, в плане имеют удлиненно овальную форму, протягивается на тысячи км при ширине в 16 несколько сот километров. Формирование их определяется путем внедрения магмы. Штоки – интрузивные тела, близкие к цилиндрической форме, площадью не более 100 км2. В плане имеют изометричные округлые или овальные очертания. Штоки сложены различными по составу породами – от гранитов до ультраосновных пород. Дайки – трещинные интрузивы, небольшой толщины, имеющие большую протяженность, залегающие преимущественно вертикально. Мощность от нескольких сантиметров до километров, длина – от метров до сотен километров. Лакколиты – куполообразные интрузивные тела с плоской подошвой и выпуклой кровлей и подводящим каналом. Диаметр лакколита до десятков километров сложен магмами кислого состава. Лополиты – чашеобразные пластовые интрузивные тела, имеющие площадь тысячи километров и залегающие среди осадочных пород. Сложены породами ультраосновного и основного состава. Формирование лополитов объясняется внедрением магмы в межпластовые полости осадочных пород. Формы вулканических пород, застывшие на поверхности земли, представлены покровами, потоками и экструзиями. Покровы – образуют громадные площади при относительно малых мощностях. Потоки – это тела, имеющие в плане резко удлиненную форму с основными следами течения. Поверхность потока застывает быстрее, а внутренние его части могут оставаться горячими еще долгое время и покрывают площади в тысячи километров. Экструзии обладают формой куполов с различной крутизной склонов. Обычно размеры куполов невелики, они возвышаются над землей на высоту порядка 100 м. Формы нарушенного залегания горных пород. Земная кора обладает различной подвижностью. На поверхности Земли постоянно возникают горные системы и океанические впадины. Осадочные породы первоначально залегают горизонтально. Тектонические движения (сейсмические явления, землетрясения, вулканизм) выводят пласты из горизонтального положения, нарушают первичную форму залегания. Эти нарушения получили название 17 дислокации (или вторичные формы залегания). Дислокации в зависимости от вида тектонических движений разделяют на складчатые (неразрывные) и разрывные. Складчатые дислокации формируются без разрыва сплошности слоев: 1. Моноклиналь - наиболее простая форма связных тектонических нарушений в слоистых горных породах, связанная с наклонным залеганием слоев, которые однообразно падают в одном направлении. 2. Флексура – моноклинальное и горизонтальное залегание слоев нарушается коленообразным изгибом (рис.4). Рис.4. Складчатые дислокации: 1 – моноклиналь; 2 - флексура 3. Складки – тектонические нарушения представляют собой волнообразные изгибы слоев горных пород, среди которых выделяют выпуклые – антиклиналь и вогнутые – синклиналь (рис.5). Рис.5. Складчатые дислокации: 1- антиклиналь; 2- синклиналь Разрывные дислокации со смещениями сплошности залегания (рис.6): 1. Сбросы – разрывные нарушения, когда подвижная часть земной коры опустилась вниз по отношению к неподвижной. 2. Взброс – разрывное нарушение, когда подвижная часть земной коры поднялась в результате тектонического движения по отношению к неподвижной. 3. Грабен – это участок земной коры опустился по отношению к двум неподвижным участкам в результате тектонического движения. 4. Горст – обратное движение подобно грабену. 18 5. Сдвиг – представляет собой разрывное нарушение, которое происходит по причине горизонтального смещения горных пород. Рис.6. Разрывные типы дислокации С инженерно-геологической точки зрения наиболее благоприятными местами строительства являются горизонтальное залегание горных пород, большая их мощность, однородность состава. Фундаменты зданий и сооружений располагаются в однородной грунтовой среде, создается равномерная сжимаемость слоев под весом сооружения, создается наибольшая устойчивость их. Наличие дислокации резко изменяет и усложняет инженерногеологические условия строительства – нарушается однородность грунтов основания фундамента сооружений, образуются разрывы, снижается прочность пород, по трещинам разрывов происходят смещения, нарушается режим подземных вод. Это вызывает неравномерную сжимаемость грунтов и деформацию самого сооружения вследствие неравномерной осадки различных его частей (рис.7). а) б) Рис. 7. Неблагобриятные (а) и благоприятные (б) условия строительства 19 1.5 Принципы изучения горных пород в инженерной геологии В инженерной геологии горные породы изучают на различных уровнях: молекулярном, микроструктурном и макроструктурном. 1. На молекулярном уровне горные породы изучают для понимания природы структурных связей между компонентами, слагающими горные породы, и оценки их прочности, деформируемости и устойчивости. 2. На микроструктурном уровне горные породы изучают для определения их минерального состава и строения, условий образования и физикомеханических свойств. 3. На макроструктурном уровне горные породы изучают, чтобы определить размеры, условия залегания грунтов, служащих основанием, средой и строительным материалом для различных сооружений. При инженерно-геологическом изучении горных пород существует определенная направленность, которая требует: 1. Изучения всего разреза горных пород в деталях в пределах зоны влияния сооружений или инженерных работ. 2. Выделения в разрезе всех разностей пород, существенно отличающихся по своим признакам и строительным качествам, независимо от их мощности и распространенности. 3. Изучения физического состояния и физико-механических свойств горных пород. 4. Изучения пород в естественном залегании, при естественных сложении и влажности и т.д. 5. Выяснения и учета изменений состава, состояния и свойств пород под влиянием сооружений и прогноза этих изменений. 6. Соблюдения в изучении горных пород определенной последовательности. На предварительной предполагаемого стадии расположения исследований сооружений при должны изучении быть района выделены генетические типы горных пород, выяснены их распространение, условия 20 залегания и оценено влияние каждой разности пород на устойчивость участков местности и проектируемых на них сооружений. На этой стадии даются предварительная характеристика и оценка физико-механических свойств каждого типа пород и устанавливаются особенности, которые могут влиять на выбор района расположения сооружений. На стадии детальных исследований, инженерно-геологическое изучение горных пород состоит в окончательном установлении последовательности напластовывания отложений, условий залегания каждой разности пород, детальном изучении их особенностей и физико-механических свойств. В итоге такого изучения устанавливают расчетные показатели физико-механических свойств пород, условия строительства на них проектируемых сооружений и в случае необходимости намечают мероприятия, обеспечивающие их устойчивость. Под воздействием окружающей среды в горных породах происходят непрерывные количественные изменения, которые, в конечном счете, приводят к существенным коренным качественным изменениям их свойств. 1.6 Вопросы для самоконтроля 1. Что является предметом изучения инженерной геологии? 2. Этапы развития инженерной геологии как науки? 3. Особенности формы Земли? 4. Разновидности и размеры оболочек Земли? 5. Как подразделяются по своему происхождению горные породы? 6. Первичные формы залегания осадочных пород? 7. Разновидности первичных форм залегания магматических пород? 8. Какие существуют виды складчатых дислокаций? 9. Какие существуют разрывные типы дислокации? 10. Какую направленность необходимо соблюдать при изучении горных пород? 11. В чём состоит исследование горных пород на предварительной и детальной стадии исследования? 21 2 Геодинамические процессы Геологические процессы (геодинамические) – это процессы, меняющие внешний облик земной поверхности и внутреннее строение Земли. По своему происхождению геологические процессы подразделяются на процессы внутренней геодинамики, или эндогенные процессы, и процессы внешней динамики, или экзогенные процессы. Эндогенные процессы приводят к образованию гор и впадин, плоскогорий и низменностей, разломов и нарушений в земной коре и формируют лик Земли – рельеф. Экзогенные процессы проявляются в непрерывном разрушении и изменении поверхности Земли вследствие воздействия атмосферных и подземных вод, рек и ледников, морей и океанов и т.д. Экзогенные процессы направлены на нивелирование Земли. Геологические процессы проявляются в движении и перераспределении материи, слагающей Землю, к переходу ее из одного состояния в другое, из одних форм в другие. В непрерывном взаимодействии эндогенных и экзогенных процессов происходит формирование земной коры и рельефа. 2.1 Экзогенные процессы Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли при участии энергии Солнца, при взаимодействии атмосферы, гидросферы и биосферы с земной корой. Внешние геологические процессы приводят к разрушению ранее существовавших горных пород и минералов и образованию новых. Экзогенные процессы проявляются в непрерывном разрушении и изменении земной поверхности вследствие воздействия атмосферных осадков, подземных вод, рек и ледников, выветривания, деятельности ветра и человека. воздействия атмосферных осадков. 2.1.1 Геологическая деятельность ветра Деятельность ветра является одним из важнейших геологических и рельефообразующих факторов на поверхности суши. Все процессы, обусловленные деятельностью ветра, создаваемые ими отложения рельефа и 22 формы называют эоловыми (Эол - бог ветров в греческой мифологии). Эоловые процессы протекают на всей территории суши, но наиболее активно проявляются в пустынях, полупустынях, на побережьях морей и океанов. Этому способствует оптимальное сочетание условий, способствующих развитию эоловых процессов: отсутствие или разреженность растительного покрова, определяющее наличие непосредственного контакта горных пород, слагающих территорию, и воздушных потоков атмосферы; частые ветры; наличие больших объёмов рыхлого материала, способного перемещаться ветром. Необходимо отметить, что существенное значение при «поставке» обломочного материала, в дальнейшем перемещаемого ветром, в пустынях (для которых, как известно, характерны значительные суточные колебания температуры) имеет температурное выветривание. Существенную роль эоловые процессы играют также в сухих степях, саваннах, приледниковых областях, долинах крупных рек и других открытых ландшафтах. Переносимый ветром тонкий материал может перемещаться на сотни и даже тысячи километров (достаточно отметить, что на значительных участках океанического дна вклад эолового материал достигает 50-70% и более). Деятельность ветра проявляется в виде следующих процессов: дефляции (выдувания), корразии (обтачивания), переноса и аккумуляции (отложения). Все эти процессы взаимосвязаны и составляют единый сложный процесс. Дефляция (от лат. «deflatio» - сдувание) - процесс выдувания и развевания ветром частиц рыхлых горных пород. Дефляции подвергаются мелкие частицы пелитовой, алевритовой и песчаной размерности. Различают площадную и локальную дефляцию. Площадная дефляция приводит к равномерному выдуванию рыхлых частиц с обширных площадей; понижение поверхности за счёт такой дефляции может достигать 3 см в год. Развитие локальной дефляции определяется особенностями движения воздушных потоков и характером рельефа. С действием восходящих вихревых потоков связано образование котловин выдувания. В качестве особого вида локальной дефляции выделяют бороздовую дефляцию. В трещинах, узких щелях или 23 бороздах сила ветра больше, и рыхлый материал выдувается оттуда в первую очередь. В частности с этим видом дефляции связано углубление колеи дорог: в Китае, на сложенных лёссом территориях, на месте дорог образуются узкие каньоны глубиной в первые десятки метров. Корразия (от лат. «corrado» — скоблю, соскребаю) – процесс механического переносимым истирания ветром. горных пород Заключается в обломочным обтачивании, материалом, шлифовании, и высверливании горных пород. Частицы, переносимые ветром, ударяясь о поверхность встречающихся на пути коренных горных пород, действуют в качестве природного «абразивного инструмента», вырабатывая на их поверхности штрихи, борозды, ниши и другие характерные формы. В процессе такого обтачивания происходит также образование нового обломочного материала, вовлекаемого в процесс дефляции (грубой аналогией подобного процесса может служить действие абразивного инструмента на предмет - в результате обработки предмет изменяет форму, а удаляемая часть превращается в стачиваемый мелкий материал). Таким образом, процессы корразии и дефляции взаимосвязаны и протекают одновременно. Перенос материала ветром зависит от размера частиц и скорости ветра. Фактически движение ветра и переносимых им частиц представляет собой движение ветропесчаного потока. Насыщенность потока песком убывает по мере удаления от поверхности; на высоту более 1 м песчаные зёрна поднимаются только при очень сильных ветрах. В процессе переноса песчаный материал не только сортируется, но и истирается и шлифуется. Это происходи вследствие взаимного соударения частиц в процессе транспортировки. Пылеватый материал способен подниматься на высоту от 3 до 5 км, а иногда насыщать всю тропосферу и даже выходить за её пределы и переноситься во взвешенном состоянии на тысячи километров. Пыль в тропосфере может находиться годами и медленно оседать. Известно, что пепел, выброшенный из вулкана Кракатау во время извержения в 1883 г., продержался в воздухе около трёх лет и несколько раз обогнул земной шар. 24 Объём переносимой ветром пыли и песка огромен. Согласно подсчётам А.П. Лисицына, ежегодно общее количество переносимого эолового материала с суши в океаны превышает 1,6 млрд.т. Аккумулятивная деятельность ветра заключается в накоплении эоловых отложений, среди которых выделяются два генетических типа - эоловые пески и эоловые лёссы. Эоловые отложения возникают преимущественно в результате ветрового захвата и переноса более древних накоплений (морских, речных, озёрных и др.) или, частичном участии продуктов механического разрушения других пород. Эоловый лёсс (нем. «Loss» от «lose» - рыхлый, нетвёрдый) - отложения, сложенные пылеватыми частицами, неслоистые, обладающие высокой пористостью. Характерными особенностями лёссов являются следующие: Мелкозернистый пылеватый состав. Частицы размером более 0,25 мм отсутствуют или составляют не более 5%. Высокая пористость – объём пор может достигать 50-55%. Эта особенность определяет способность лёссов обваливаться большими глыбами и просаживаться при увлажнении или под нагрузкой (например, весом построек). Благодаря рыхлости пород они легко разрушаются при дефляции или под действием водных потоков (знаменитая «жёлтая» река – Хуанхэ – имеет специфичный цвет вод за счёт переноса большого объёма лёссового материала). Залегание в форме плащеобразных покровов. Отсутствие слоистости и однородность состава. Наличие в них горизонтов погребенных почв. Изучение особенностей захороненных в толщах лёссов пыльцы и ископаемых моллюсков указывает на их образование в условиях холодного ледникового климата. Эоловые пески также обладают рядом специфических особенностей, среди которых необходимо отметить следующие. Хорошая сортированность зёрен с преобладанием частиц размером 0,1-0,25 мм. 25 Матовая поверхность зёрен, наличие так называемых «пустынного загара» - железистой или марганцевой плёнки на их поверхности. Наличие в отложениях ветрогранников - обломков горных пород двух-, трёх-, четырёхгранной формы, возникающие вследствие шлифующего действия песка, переносимого ветром. Косая слоистость с углами падения около 300. Отсутствие фауны и цемента. Следует добавить, что, осаждаясь из воздуха, в том числе вместе с каплями дождя и со снегом, пылеватые частицы примешиваются к морским и континентальным осадкам разного генезиса, не образуя в таких случаях самостоятельных эоловых накоплений. 2.1.2 Геологическая деятельность подземных вод Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твердом состояниях, называются подземными водами. Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды – просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод. При этом возникают горизонты подземных вод. В разных районах просачивание происходит с различной скоростью и на различную глубину в зависимости от состава горных пород, слагающих данную местность. Другой путь образования подземных вод – за счет конденсации водяных паров в горных породах. Геологическая деятельность подземных вод носит как разрушительный, так и созидательный характер. Созидательная деятельность проявляется в химическом взаимодействии подземных вод с горными породами и образованием новых отложений. Разрушительная деятельность. Суффозия выражается в растворении и выносе растворенных и мелких минеральных частиц подземными водами. Различают механическую и 26 химическую суффозию. Под механической суффозией понимают разрыхление песчаных пород и вынос из них мелких частиц движущейся водой. При химической суффозии происходит растворение и выщелачивание из породы водорастворимых солей и вынос их потоком движущейся воды. Наиболее интенсивна суффозия в легкорастворимых и размываемых горных породах (в суглинках, каменной соли, карбонатных породах и т.д.). Суффозия сопровождается образованием суффозионных воронок, впадин, возникающих на поверхности Земли за счет проседания пластов горных пород над образовавшимися пустотами. Интенсивность разрушительной работы подземной воды зависит от ее состава, от растворенных в воде газов и солей. Суффозионные явления в карбонатных породах обычно называют карстовыми. В результате карстового процесса образуются карстовые пещеры и пустоты в слоях известняка, доломита и др.горных пород карбонатного состава. В настоящее время успешно развивается спелеология – наука о пещерах, изучающая подземные галереи, созданные природой. Основными условиями развития карста являются: трещиноватость растворимых горных пород, обеспечивающих их водопроницаемость, а также наличие агрессивных вод и движение их по трещинам. Воды, насыщенные углекислотой, растворяют карбонаты намного быстрее, чем чистые воды. Присутствие в подземных водах NaCl увеличивает растворимость гипса в 3,5 раза. Поверхностные формы карста: 1. Кары представляют собой бороздообразные углубления глубиной до 12м, тянущиеся в направлении уклона поверхности. Образуются они при растворении и размыве пород вдоль трещин. 2. Поноры – это вертикальные или наклонные отверстия, поглощающие поверхностные воды. Развитие поноров приводит к образованию карстовых воронок. Глубина воронок может достигать 20 м, диаметр 50 м и даже более. 3. Карстовые колодцы и шахты представляют собой крупные отверстия, уходящие вглубь на десятки и сотни метров. 27 Меры по борьбе с карстом: 1. Отвод поверхностных вод от массивов пород; 2. Искусственное обрушение кровли карстовых пустот или заполнение их глинистыми породами; 3. Цементация, битумизация пород в основании плотин и других инженерных сооружений; 4. Осушение участков разрабатываемых месторождений полезных ископаемых путем устройства дренажа подземных вод. Способность рыхлых пород при насыщении их водой приходить в текучее состояние называют плывунностью, а сами такие породы в насыщенном водой состоянии – плывунами. В естественном состоянии плывуны неподвижны. Они начинают двигаться под воздействием динамических нагрузок или вибрации. Из строительной практики хорошо известно, что под действием ряда причин значительные массы горных пород, слагающих склон, могут терять устойчивость и смещаться вниз на более низкий уровень. Возникают такие опасные геологические процессы, как оползни. Оползни – это скользящее смещение масс горных пород вниз по склону по действием гравитационных сил и при активном участии поверхностных и подземных вод. Меры борьбы с оползнями могут быть пассивными и активными. К пассивным мерам относятся: запрещение подрезок склонов, устройства на склонах выемок и строительства сооружений. Активными мерами являются отвод поверхностных и подземных вод от оползневого склона, устройство берегоукрепительных сооружений, а также устройство сооружений, удерживающих земляные массы. Таким образом, подземные воды в различных физико-химических условиях производят как растворение и вынос минеральных соединений и горных пород, так и образование новых. Разведку подземных вод и выяснение залегания осуществляют гидрогеологи. Они производят специальные наблюдения за режимом подземных вод и составляют гидрогеологические 28 карты, отражающие гидрогеологические особенности соответствующей территории. 2.1.3 Геологическая деятельность поверхностных текучих вод Понятие поверхностные текучие воды объединяет все воды, протекающие по поверхности суши, и включает в себя дождевые и талые воды, ручьи и реки, видоизменяющие земную поверхность. Все поверхностные текучие воды могут быть подразделены на две главные группы: временные текучие (дождевые и талые потоки) и постоянно действующие потоки – реки. Вода, выпадающая на поверхность Земли в виде атмосферных осадков, распределяется по-разному. Часть ее испаряется и вновь попадает в атмосферу, часть стекает в ручьи и реки. Часть выпавшей воды просачивается в глубь Земли, в горные породы и образует подземные воды. Вода из ручьев и рек попадает в моря и океаны и вновь испаряется. Подземные воды, просачиваясь в пониженных местах, выходят на поверхность Земли в виде родников и дают начало новым ручьям и рекам, несущим свои воды в озера, моря и океаны, в которых происходит испарение больших масс воды. Так совершается круговорот воды в природе. Геологическая деятельность временных текучих вод. Процесс разрушения горных пород водными потоками получил название эрозии. Различают три вида эрозии: плоскостная (поверхностный смыв), боковая (разрушение боковых склонов) и донная (глубинная). Плоскостной смыв получил название делювиального процесса. В результате проявления делювиального процесса под действием временных поверхностных потоков происходит накопление рыхлого материала. Делювиальные отложения имеют мощность 3 – 5 м, а иногда и более 20 м. В горных областях во время бурного снеготаяния или выпадение сильных ливней могут возникнуть грязекаменные потоки, или сели. Они содержат большое количество обломочного материала. Геологическая деятельность постоянно действующих потоков – рек. Геологическая работа рек выражается 29 в эрозии, транспортировке и аккумуляции продуктов разрушения горных пород и минералов. Они существенным образом преобразуют рельеф земной поверхности. Реки имеют большое экономическое значение, являясь главными источниками для питьевого и промышленного водоснабжения, мелиорации земель и получения электроэнергии. Питание рек осуществляется поверхностными и подземными водами. Для каждой реки в течение года характерно чередование периодов низкого и высокого уровня воды. Состояние высокого уровня в зависимости от сезона называется паводком или половодьем, а низкого – меженью. Чем быстрее река, тем разрушительнее сила реки. Эрозия реки наиболее интенсивно проявляется в местах, где размываемые породы сложены рыхлыми отложениями: песками, суглинками и глинами. Выделяют два вида эрозии реки: боковую и донную. Боковая эрозия – размывание берегов реки. Донная эрозия проявляется в углублении русла реки. Уровень реки, на который выходит овраг, носит название базиса эрозии. Соотношение донной и боковой эрозии изменяется на различных стадиях развития долины реки. На начальных стадиях преобладает донная эрозия, которая стремится выработать профиль равновесия применительно к базису эрозии (рис.8). Базис эрозии определяет развитие всей речной системы. Рис.8. Выработка продольного профиля равновесия реки на различных стадиях эрозии: а – истоки реки; б – базис эрозии 30 Геологическая деятельность рек совместно с работой временных поверхностных потоков разрушает и преобразует большие участки земли из горных, в холмисто-равнинные. 2.1.4 Геологическая деятельность снега и льда Снег и лед играют большую роль в жизни нашей планеты. Территории, постоянно сохраняющие снежный покров, получили название снежных областей. Линия, отделяющая снежные области от территории с временным снеговым покровом, называется снеговой линией. Она может менять свое положение при изменении климата. Снег служит хорошим термическим изолятором, предохраняя землю от промерзания, является важным источником питания ручьев и рек. В результате снеготаяния в весенний период мощные потоки талых вод размывают почвы и рыхлые горные породы. На склонах гор образуются глубокие рытвины и канавы, овраги. В горных областях снег накапливается на склонах и образует значительные массы, которые нередко превращаются в снежные лавины и обвалы. В областях холодного и умеренно холодного резко континентального климата поверхностные слои почвы и грунта подвергаются промерзанию зимой и оттаиванию в летние месяцы. Возникают сезонно-мерзлые грунты. Выявлены определенные закономерности промерзания и оттаивания, установлены температурные условия этих процессов, охарактеризованы поведение грунтов и почвы в периоды оттаивания и промерзания, влияние на эти процессы состава грунтов и их влажности. Верхний слой, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию, характеризуется значительной динамичностью и называется деятельным слоем. Под этим слоем на значительных территориях располагаются многолетнемерзлые горные породы. В России они занимают территорию около 60% площади. Зону распространения многолетнемерзлых пород называют мерзлой зоной литосферы, или криолитозоной. 31 Особенности состава и физических свойств мерзлых грунтов. Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических, горнодобывающих и горно-обаготительных комбинатов, промышленных и жилых сооружений, транспортных магистралей, а также нефтегазопроводов в условиях многолетнемерзлых грунтов возможно только с учетом сложных гидрогеологических условий. Кроме тщательного и всестороннего изучения закономерностей развития криогенных процессов необходимо проводить прогнозную оценку изменения мерзлотных условий и учитывать развитие термокарстовых условий. Строительство на мерзлых грунтах сопряжено со специальными мероприятиями, необходимых выполнять для предотвращения аварий. При всем различии условий природного образования и последующего изменения мерзлым грунтам свойственна общая особенность – способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых воздействиях: при нагревании, увлажнении или вибрационном воздействии. Это приводит к резкому уменьшению прочности и несущей способности оснований, развитию недопустимых для сооружения деформаций. Причины, указанных процессов заключается, в том, что структурные связи в мерзлых грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению связями при воздействии определенных факторов. Поэтому такие грунты называют структурно неустойчивыми грунтами. Грунты всех видов относятся к мерзлым, если они имеют отрицательную температуру и содержать в своем составе лед. Мерзлые грунты из-за наличия в них льдоцементных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми. Однако при повышении или понижении температуры за счет оттаивания части льда или замерзания части воды их свойства могут измениться. При оттаивании льда структурные льдоцементные связи разрушаются и возникают значительные деформации. При температуре ниже 0°С грунты резко меняют свои свойства в связи с переходом части воды в лед. 32 Мерзлые грунты отличаются характерной морозной текстурой, обусловленной содержанием и расположением в них льда. Содержание льда в мерзлых грунтах и их состояние по прочности и деформируемости существенным образом зависит от изменения внешних воздействий, прежде всего от отрицательной температуры. Опыт показывает, что при промерзании грунтов, особенно глинистых, в лед переходит не вся вода, а лишь часть ее. Дальнейшее понижение температуры сопровождается дальнейшим превращением воды в лед, но с меньшей интенсивностью. Изменение температурного состояния мерзлых грунтов приводит к значительным изменении их физических и механических свойств. Важнейшей особенностью мерзлых грунтов является их просадочность при оттаивании – резкое уменьшение объема грунта при таянии льда, что может приводить к чрезмерным деформациям зданий и сооружений. 2.2 Эндогенные процессы 2.2.1 Тектонические движения Морские осадки и осадочные горные породы первоначально залегают в виде горизонтальных или почти горизонтальных слоев. Движения, связанные с перемещениями материка Земли под влиянием внутренних сил, в том числе силе тяжести, и вызывающие изменение форм залегания горных пород, называются тектоническими. Земная кора испытывает деятельность внутренних сил Земли и постоянно находится в движении, претерпевая определенные качественные изменения. Изучением закономерностей движений и строения земной коры, происхождением и историей ее развития занимается наука геотектоника, или тектоника. Тектонические движения происходят под влиянием эндогенных сил, вызывающих перемещение вещества литосферы и изменяющих условия залегания горных пород. Возникающие при таких движениях изменения первоначальных форм залегания горных пород называются тектоническими 33 нарушениями. Различают два основных вида тектонических движений: колебательные и складчатые. 1) Колебательные движения выражаются в медленных вертикальных поднятиях и опусканиях отдельных участков земной коры. Они охватывают обширные территории, проявляются в течение значительных отрезков времени и устанавливаются в результате длительных наблюдений. Медленные колебания земной коры без складкообразования и разрывов называются эпейрогеническими. Необходимо различать кажущиеся движения, связанные с колебаниями уровня моря, и реальные, обусловленные собственно перемещениями земной коры. На побережьях океанов и морей устанавливают специальные приборы мореографы и рейки для измерения уровня моря. При опускании материка море наступает на сушу, происходит явление называемое трансгрессией, явление отступания моря при поднятии суши – регрессией. По данным ученых предельная скорость современных колебательных движений составляет 3 см в год. Колебательные движения необходимо учитывать при гидротехнических значительное возведении береговых мероприятий. влияние на сооружений Колебательные интенсивность и проведении движения эрозионной оказывают деятельности поверхностных потоков. 2) Складчатые и разрывные движения вызывают изменение первоначального залегания пород: пласты пород изгибаются в складки, разрываются и перемещаются по трещинам разрыва. Сильное проявление дислокационных процессов приводит к образованию гор и горных систем. Орогенические колебания, сопровождаются складкообразованием и разрывами пород. Наличие дислокаций резко изменяет инженерно-геолоические условия строительной площадки. Дислокации нарушают однородность грунтовых условий в основании сооружений. Нарушение горизонтального залегания 34 пластов ухудшает условия строительства, так как при наличии неоднородного грунтового основания вероятность появления неравномерности осадок сооружений значительно возрастает. Дислокационные движения оказывают влияние на свойства горных пород и грунтов и приводят к видоизменению состава и состояния горных пород. При складчатых нарушениях первоначально горизонтальные слои горных пород приобретают наклонное положение или волнообразно изгибаются в складки различной формы и размеров. При увеличении тектонических напряжений может быть превышен предел прочности горных пород и тогда они должны будут разрушиться или разорваться вдоль некоторой плоскости – образуется разрывное нарушение, разрыв или разлом, а вдоль этой плоскости происходит смещение одного массива относительно другого. 2.2.2 Землетрясения Землетрясением называется резкое сотрясение земной поверхности, проявляющееся в виде толчков различной силы и быстрых упругих колебаний, вызванных рядом геологических факторов, действующих в земной коре. Изучением землетрясений занимается наука сейсмология. Явления, связанные с землетрясениями, называются сейсмическими. Землетрясения происходят в определенных областях, связанных с глубинными разломами в земной коре, с зонами горообразования, которые называются сейсмическими областями. Районы земного шара, где землетрясения были очень редки и не причинили ущерба людям, получили название асейсмических. Землетрясения исключительно опасны не только прямым воздействием, но и негативными последствиями в виде оползней, обвалов, снежных лавин, селей, цунами и других неблагоприятных процессов. Величайшая сейсмическая катастрофа произошла в высокогорной части Тибета 15 августа 1950 г. Учёные подсчитали, что энергия этого землетрясения была эквивалентна энергии взрыва 100 тыс. атомных бомб. Немногие очевидцы, оставшиеся в живых, свидетельствовали об огромных изменениях в 35 рельефе, об оглушительном грохоте, сопровождавшем подземные толчки, о небе, померкшем от поднявшейся пыли. Землетрясения стирают с лица Земли целые поселения, разрушают мосты и дороги, вызывают пожары и наводнения при прорыве плотин и приводят к другим губительным последствиям. В среднем в мире ежегодно происходит 1 катастрофическое, 10 сильно разрушительных и 100 разрушительных землетрясений. Область зарождения подземного удара, вызывающего землетрясение, называется очагом землетрясения. Очаги землетрясений находятся на глубине в десятки и сотни километров. Центр очага называют гипоцентром. Проекция гипоцентра на земную поверхность, где землетрясение проявляется с большей разрушительной силой, называется эпицентром (рис.9). Сила удара в эпицентре землетрясения максимальная, так как расстояние от поверхности земли до очага здесь наименьшая. Рис. 9. Гипоцентр (Г), эпицентр (Эп) и сейсмические волны: 1 – продольные, 2 – поперечные, 3 - поверхностные Если очаги землетрясений залегают под океанами и морями, то они вызывают моретрясения.. В результате подводного землетрясения возникает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью. Это возмущение обусловлено быстрым поднятием или опусканием морского дна, которое приводит к возникновению на поверхности океана длинных гравитационных волн. При этом образуются особые волны – цунами, высотой до 20м и более. Скорость распространения цунами – 400 – 800 км / ч. Распространяясь во все стороны от эпицентральной области, волны проходят очень большие расстояния. 36 Землетрясения зарождаются на разных глубинах в земной коре и по глубине гипоцентра подразделяются на следующие типы: - поверхностные (зарождающиеся на глубине менее 10 км); - нормальные (10-60 км); - промежуточные (60-300 км); - глубокофокусные (300-800 км). В зависимости от причин выделяются три типа землетрясений: тектонические, вулканические и обвальные. 1) Тектонические землетрясения являются наиболее распространенными и разрушительными. Причина их проявления – резкое смещение на глубине в веществе Земли, связанное с внезапным сдвигом или скольжением. Тектонические землетрясения происходят в областях горообразования и глубинных разломов в земной коре. Землетрясение тектонического типа представляет собой процесс растрескивания, идущий не мгновенно, а с некоторой скоростью. Скорость распространения разрывов составляет несколько км/с. Основному подземному сейсмическому удару предшествуют землетрясения – форшоки, свидетельствующие о критическом нарастании напряжений в горных породах. После главного сейсмического удара обычно наблюдаются сейсмические толчки, но более слабые, чем главный удар. Их называют афтершоками, которые свидетельствуют о процессе разрядки напряжений при образовании новых разрывов в толще пород. 2) Вулканические землетрясения приурочены к вулканическим областям, обычно они предшествуют вулканическим извержениям или сопровождают их. 3) Обвальные землетрясения происходят в результате подземных обвалов горных пород. Силу землетрясений измеряют с помощью специальных приборов – сейсмографов. Землетрясения фиксируются на движущейся ленте, где получается сейсмограмма. С ее помощью определяют расстояние до эпицентра землетрясения, глубину гипоцентров, энергию в очаге и другие параметры (рис.10). 37 Рис. 10. Время пробега сейсмических волн от эпицентра землетрясения, используемое для определения расстояния от эпицентра до точки регистрации землетрясения Для количественной оценки силы землетрясения в его очаге широко используется шкала магнитуд (М) по Рихтеру. Магнитуда землетрясения (М) определяется по амплитуде сейсмических волн, записанных на сейсмограмме. Самые сильные из зарегистрированных землетрясений имели магнитуду 8,9 – 9. Так, землетрясение в Сан-Рикю (Япония) в 1933 г. с М 8,9 высвободило энергию, эквивалентную 125 млн. т тротила. Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, была эквивалентна 20 тыс. т троила (А.Д. Говард, И.Ремсон, 1982). Разрушительное действие на искусственные сооружения оказывают землетрясения силой более 5 балов. В сейсмически активных районах ведется строительство сейсмостойких зданий и сооружений. Таблица 2 Сейсмическая шкала (схематизировано) 1 Название землетрясения Незаметное 2 Очень слабое 3 Слабое 4 Умеренное Балл Краткая характеристика Отмечается только сейсмическими приборами Ощущается отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя Ощущается лишь небольшой частью населения Распознается по легкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стекол, скрипу дверей и стен 38 Балл Название землетрясения Краткая характеристика Общее сотрясение зданий, колебание мебели. 5 Довольно сильное Трещины в оконных стеклах и штукатурке. Пробуждение спящих Ощущается всеми. Картины падают со стен. 6 Сильное Откалываются куски штукатурки, легкое повреждение зданий Трещины в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные постройки 7 Очень сильное остаются невредимыми. Ветхие здания разрушаются. Трещины на крутых склонах и на сырой почве. 8 Разрушительное Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются Сильное повреждение и разрушение каменных 9 Опустошительное домов. Падение дымовых труб. Крупные трещины в земле. Оползни и обвалы. Разрушение каменных построек. Искривление 10 Уничтожающее ж.-д. рельсов. Водопроводные и канализационные трубы разрываются. Широкие трещины в земле. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома совершенно 11 Катастрофа разрушаются. Разрушаются мосты, плотины, насыпи. Ни одно сооружение не выдерживает. Большие изменения в рельефе. Заметны поверхностные 12 Сильная катастрофа волны. Образуются водопады. Изменяются русла рек. Несмотря на все усилия различных исследователей, предсказать десятилетие, год, месяц, день, час и место, где произойдет землетрясение, пока невозможно. Сейсмический удар происходит внезапно и застигает врасплох. Прогнозирование землетрясений использует много факторов, в которые включаются предвестники: различные модели подготовки сейсмологические, землетрясения геофизические, и разные гидродинамические, геохимические. Предвестники землетрясений весьма разнообразны. Например, предвестники электросопротивления, когда за пару месяцев перед землетрясением наблюдается понижение электросопротивления глубоких слоев 39 земной коры, что связано с изменением парового давления подземных вод. Гидродинамические предвестники основываются на изменениях уровня воды в скважинах. Обычно за несколько лет до сильного землетрясения наблюдается падение уровня вод, а перед землетрясением – резкий подъем. Геохимические предвестники указывают на аномальное увеличение содержания радона перед землетрясениеми. Наряду с прогнозом землетрясений в сейсмически опасных районах широко практикуется строительство сейсмостойких конструкций с учетом специальных требований. Это специальные фундаменты, и способы крепления стен зданий, и металлические «обручи», которыми, как бочку, опоясывают здание, предотвращая тем самым развал панелей стен дома, а также ограничение этажности и другие специальные антисейсмические приемы, направленные на усиление конструкции в уязвимых местах. Колебание сооружения зависит от многих факторов: формы и глубины заложения фундамента, жесткости конструкции, типа грунтов, резонансных частот и т.д. Разработаны проекты антисейсмических зданий применительно к определенной интенсивности землетрясений. Конструкции, созданные с учетом требований антисейсмического строительства, выдерживают сильные толчки. 2.2.3 Магматизм Под магматизмом понимается совокупность эндогенных процессов, связанных с поднятием магмы из глубоких недр Земли, проникновением ее в земную кору или на поверхность и застыванием. Магма представляет собой расплавленную огненно-жидкую массу сложного состава, образующуюся в глубоких недрах Земли. Различают магматизм интрузивный и эффузивный (вулканизм). Интрузивный магматизм приводит к внедрению магмы в земную кору и затвердеванию ее на различных глубинах. Внутреннее строение интрузивов устанавливается по форме их контактов и по ориентированным првичным текстурам, возникающим в магматическом теле еще тогда, когда оно находилось в жидком состоянии, и связанным с ориентировкой минералов, струй магмы 40 различного состава и вязкости и т.д. При остывании магматических интрузивных тел возникают трещины, которые располагаются вполне закономерно по отношению к первичным текстурам течения. Изучая эти трещины, удается восстановить первичную структуру интрузива, даже если не видно его контактных зон. Эффузивный магматизм, или вулканизм, - это совокупность процессов, связанных с перемещением магмы в земной коре и выходом ее на поверхность с образованием вулканов. Вулканы – это геологические образования, возникающие над каналами и трещинами в земной коре, по которым извергаются на поверхность Земли лавы, горячие газы и пары воды, пепел и обломки горных пород. Лава представляет собой жидкую или очень вязкую массу, отличающуюся от магмы меньшим содержанием газов. Извержение вулканов может быть спокойным или буйным, с взрывами. При взрывном характере извержения вулканов магма не изливается, а взрывается, и на земную поверхность выпадают раздробленные кристаллы и застывшие мелкие части быстро охлажденного расплава. Подобные извержения называют эксплозивными. Помимо жидких продуктов – лав при извержении вулканов, особенно эксплозивных, выбрасывается огромное количество твердого обломочного материала – тефры. Сюда же включаются выбросы жидкой лавы, которая в процессе полета быстро остывает и падает на склоны вулкана уже твердой. В зависимости от формы подводящих каналов вулканы бывают центрального и трещинного типов. Вулкан центрального типа имеет вид конусообразной горы, через которую проходит канал или жерло; на вершине горы жерло оканчивается чашеобразным углублением – кратером. Сложные вулканические постройки состоят из конусов, образованных потоками лавы и толщами тефры и называемых стратовулканами. (Рис.11). 41 Рис. 11. Схема строения стратовулкана: 1-3 – разные вулканические толщи, образующие конус вулкана; 4 – молодой вулканический конус, выросший после взрывного извержения; 5 – широкое жерло, образованное во время взрыва; 6 – край кальдеры; 7 – молодые лавовые потоки; 8 – близповерхностный магматический очаг; 9 – молодой вулканический канал, заканчивающийся кратером В вулканах трещинного типа лава изливается через глубокие длинные трещины в земной коре; застывая, лава образует покровы. 2.2.4 Метаморфизм Под метаморфизмом понимаются разнообразные эндогенные процессы, с которыми связаны те или иные изменения в структуре, минералогическом и химическом составе горных пород в условиях, отличающихся от условий их первоначального образования. Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и состав растворов, выделяющихся из магматических очагов. Эти факторы, называют факторами метаморфизма. В зависимости от действующих факторов и масштабов процесса выделяют следующие виды метаморфизма: - метаморфизм может проявиться на огромных площадях, поэтому называется региональным. Региональный метаморфизм – проявляется в совместном воздействии на горные породы высоких давлений и температур, а также химически активных растворов и газов. Региональный метаморфизм 42 происходит на огромных территориях в глубинных зонах земной коры. Горные породы существенно изменяются в минеральном и химическом составе. - динамометаморфизм – возникает под действием большого давления при движениях земной коры и выражается в перекристаллизации либо в сильном дроблении, горных пород без изменения их минерального состава. Динамометаморфизм связан с крупными разломами, при образовании которых возникает напряжение сжатие, ориентированное в одном направлении. Породы под влиянием высокого давления приобретают пластическое тело и при движении образуют новые виды пород. - контактовый метаморфизм – происходит под влиянием высокой температуры, паров и растворов в породах, соприкасающихся с внедрившейся в них интрузивной массой, т.е. происходит интенсивная перекристаллизация горных пород. 2.3 Гидрогеологические условия Вода в природе находится в постоянном движении, испаряясь с поверхности морей, океанов и суши, она в парообразном состоянии поступает в атмосферу. Пары конденсируются в виде атмосферных осадков (снег, дождь), вновь возвращаясь на поверхность Земли, т.е. в различные водохранилища и на сушу. В природе происходит круговорот воды - малый и большой (рис. 12). Рис. 12. Круговорот воды в природы: А – малый, Б – большой; а – наземным путем, б - подземным 43 При малом круговороте испарившаяся вода возвращается в моря и океаны. При большом круговороте после выпадения на сушу вода возвращается в море путем поверхностного стока и путем подземного стока в виде подземных вод. Подземные воды, их происхождение, динамика, качественные и количественные изменения во времени и геологическая деятельность являются предметом изучения науки гидрогеологии. 2.3.1 Виды воды в грунтах Классификация видов воды в рыхлых горных породах: 1. Вода в форме пара содержится в воздухе, занимающем свободные от жидкой воды поры и трещины в горных породах. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере и обладает большой подвижностью. 2. Связанная вода. Прочносвязанная вода (гигроскопическая) образуется путем адсорбции (лат. «адсорбцио» - поглощение) молекул парообразной воды на поверхности минеральных частиц горных пород. Рыхлосвязанная вода (пленочная) располагается на поверхности частиц породы поверх прочносвязанной. Она образует более толстую пленку из нескольких слоев молекул и удерживается молекулярными силами. Чем толще пленка, тем меньше молекулярные связи в ее краевой части. 3. Капиллярная вода заполняет частично или полностью капиллярные трубки, узкие поры и трещины горных пород и удерживается в них силами поверхностного натяжения. Капиллярно-подвешенная вода, не связанная с уровнем подземных вод. Она обычно образуется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Подвешенная вода способна к восходящему передвижению в жидкой форме при испарении. 4. Гравитационная вода (свободная) способна свободно перемещаться по порам, трещинам и другим пустотам в горных породах под влиянием силы тяжести или гидродинамического напора. Она может быть подразделена на 44 воду, заполняющую полностью все поры, трещины и другие пустоты в водопроницаемых горных породах и образующую горизонты подземных вод, и воду, просачивающуюся сверху вниз в зоне, расположенной выше подземных вод. 5. Вода в твердом состоянии в виде кристаллов может образоваться при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород, но особенно развита в областях распространения мерзлых горных пород. Рис. 13.. Различные формы связи молекул воды с частицами породы: 1 - частицы породы; 2 - молекулы воды в виде пара; а - прочносвязанная вода при неполном насыщении; б - то же при полном насыщении; в и г рыхлосвязанная (пленочная) вода движется от частицы к частице, которая окружена более тонкой пленкой воды (пунктиром обозначена выровненная толщина пленок); д - гравитационная вода, образующая каплю, стекающую вниз под влиянием тяжести 6. Кристаллизационная (химически связанная) вода входит в состав ряда минералов и принимает участие в их кристаллической решетке. (Например, гипс содержит 20,9 % воды по массе). Удаление этой воды возможно при нагревании до 100° C и выше. 45 В формировании подземных вод, а также скорости их движения большое значение имеют степень и характер водопроницаемости пород. По степени водопроницаемости все горные породы подразделяются на три группы: 1) водопроницаемые (Kф более 1 м/сут) - пески, гравий, песчаники и другие скальные породы, известняки, доломиты; 2) слабопроницаемые (КФ от 1 до 0,001 м/сут) - легкие суглинки, неразложившийся торф и др.; 3) водоупорные (Кф менее 0,001 м/сут) - глины, тяжелые суглинки, разложившийся торф, массивные кристаллические и сцементированные осадочные породы. В рыхлых породах (песок, гравий) водопроницаемость определяется размерностью зерен и характером их сложения. Чем крупнее частицы, слагающие породу, тем больше ее водопроницаемость. При уменьшении размеров зерен уменьшаются размеры пор, а следовательно и их водопроницаемость. Водопроницаемость трещиноватых горных пород зависит от размера и характера трещины, а в растворимых породах и от степени их закарстованности (наличии пещер и других карстовых каналов). Подземные воды классифицируются также по условиям движения. Если подземные воды движутся по порам в рыхлых горных породах, они называются поровыми, по трещинам - трещинными, по карстовым пустотам - карстовыми. Подземные воды подразделяются по другим признакам: по температуре (холодные до + 200 С, теплые от 20 до 400 С, горячие - свыше 400 С); по гидравлическому признаку - напорные и безнапорные. 2.3.2 Происхождение подземных вод По происхождению выделяют несколько типов подземных вод: инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные и ювенильные. 1) Инфильтрационные подземные воды формируются в результате просачивания (фильтрации) в водопроницаемые горные породы атмосферных осадков: повышение уровня воды в колодцах при выпадении большого 46 количества атмосферных осадков или таяния мощного снежного покрова и понижение уровня в засушливые годы. Можно считать, что инфильтрация основной источник пополнения подземных вод. В отдельных случаях наблюдается поступление воды в водоносные горизонты из рек, озер и морей. В то же время подземные воды участвуют в питании поверхностных водоемов. В этом проявляются единство и взаимодействие всех типов природных вод. 2) Конденсационные подземные воды. В определенных климатических зонах, например в пустынях, где атмосферных осадков выпадает мало, а испаряемость очень велика, в формировании подземных вод определенную роль играет конденсация водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха. Если упругость водяного пара в свободном воздухе больше, чем в воздухе, заполняющем поры почв и горных пород, то он будет перемещаться из воздуха в почву. Попадая в область более низких температур, в почве и горных породах водяной пар начинает конденсироваться и переходить в жидкое состояние. 3) Седиментогенные подземные воды (лат. «седиментум» - осадок) морского происхождения, образовавшиеся одновременно с накоплением морских осадков. В ходе последующего геологического развития такие воды могут претерпевать значительные изменения в процессе диагенеза (преобразования осадка в горную породу), тектонических движений и действия других факторов. В ряде случаев происходит смешение вод различного генезиса. Особенно большие изменения претерпевают воды морского генезиса при значительном тектоническом погружении и захоронении их мощными слоями более молодых отложений. Они попадают в условия повышенных давлений и температуры. Многие исследователи так и считают, что глубинные высокоминерализованные (соленые и рассолы) подземные воды представляют собой воды морского генезиса, сильно измененные при повышенных температурах и давлении и весьма затрудненном водообмене. Нередко такие воды называют погребенными. 47 4) Ювенильные подземные воды (лат. «ювенилис» - юный). Многие источники подземных вод в областях современной или недавней вулканической деятельности обладают повышенной температурой и содержат в растворенном состоянии необычные для поверхностных условий соединения и газовые компоненты. Эти воды могли образоваться из паров, выделяющихся из магмы при ее остывании. Поднимаясь по глубоким тектоническим трещинам и разломам, водяные пары попадают в области с более низкими температурами. Они конденсируются и переходят в капельножидкое состояние, создавая особый генетический тип подземных вод. Возможность образования некоторого количества воды магматогенным путем признается большинством исследователей. Вместе с тем отмечается, что выделившиеся из магмы на глубине пары воды и другие газообразные компоненты, проникая вверх в земную кору, смешиваются с обычными подземными водами инфильтрационного происхождения и поступают на поверхность в смешанном виде. С другой стороны, советские исследователи установили, что термальные источники полностью связаны с подземными инфильтрационными водами верхней зоны земной коры, испытавшими в процессе глубинной циркуляции нагревание и обогащение растворенными минеральными веществами и газами. 2.3.3 Типы подземных вод По условиям залегания подземные воды верхней зоны земной коры подразделяются на три типа: верховодка, грунтовые воды и межпластовые воды (рис.14). 1) Верховодка формируется на сравнительно небольшой глубине от поверхности Земли в результате инфильтрации атмосферных осадков. Это временное скопление воды на водонепроницаемых породах. Мощность водонасыщенных слоев верховодки колеблется обычно от 0,5 до 3 м. Это зависит от размера водоупорных областей и количества атмосферных осадков. Наибольшую мощность и водообильность наблюдают весной, в период интенсивного снеготаяния, и осенью, когда происходит обильное выпадение осадков. Для верховодки характерно: временный сезонный характер, небольшая 48 площадь распространения, малая мощность и безнапорность.Верховодка представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений, она может вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены меры гидроизоляции и дренажные работы. Рис. 14. Типы подземных вод: 1- атмосферные осадки; 2- верховодка; 3 – грунтовые воды; 4 – межпластовые воды 2) Грунтовые воды имеют широкое распространение. Область питания их совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. В грунтовых водах различают верхнюю поверхность (уровень или зеркало) грунтовых вод и водоупорное ложе (рис.15). Рис. 15. Грунтовые воды 49 Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, или слоем. Мощность водоносного горизонта определяется расстоянием от зеркала (уровня) грунтовых вод до водоупорного ложа. Она изменяется: - по мере движения воды к областям разгрузки; - в зависимости от неровностей рельефа водоупорного ложа; - вследствие неодинаковой интенсивности питания атмосферными осадками в различные годы. Уровень грунтовых вод повторяет рельеф поверхности и имеет четко выраженный наклон в сторону пониженных мест. Это объясняется тем, что подземные воды находятся в непрерывном движении. Подчиняясь силе тяжести, они движутся в виде потока в направлении оврагов, рек, озер и других понижений рельефа, где происходит их разгрузка в виде источников. Скорость движения подземных вод зависит от проницаемости горных пород и уклона их уровня. Уровень, количество и качество грунтовых вод с течением времени меняются в зависимости от климатических условий и особенно количества атмосферных осадков. В природе происходят изменения положения уровня и характера поверхности грунтовых вод, их температуры и химического состава. Совокупность этих изменений носит название режима грунтовых вод. Количественное и качественное изменение грунтовых вод существенно сказывается на условиях строительства и эксплуатации сооружений и должно учитываться при проектировании. Игнорирование возможности подъема уровня воды может привести к подтоплению подвальных помещений, разрушению строительных конструкций, понижению прочности грунтов оснований. Причины колебания уровня грунтовых вод: - метеорологические факторы. Важнейшими из них являются: количество атмосферных осадков, интенсивность испарения воды и величина атмосферного давления. Эти факторы вызывают сезонные и годовые колебания уровня; 50 - гидрологические условия проявляются в виде влияния на грунтовые воды рек и водохранилищ. Паводки на реках вызывают временный подъем уровней грунтовых вод. Устройство водохранилищ приводит к постоянному поднятию уровней рек и грунтовых вод; - колебания земной коры приводят к снижению или повышению уровней грунтовых вод; - деятельность человека существенно сказывается на положении уровней грунтовых вод. Водохранилища, судоходные каналы и многие сооружения интенсивно повышают уровень грунтовых вод, приводят к формированию горизонтов верховодок. При проектировании такого типа сооружений необходимо предусматривать возможное влияние подземных вод на ранее построенные сооружения. 3) Межпластовые воды. Межпластовые безнапорные воды находятся между двумя водоупорными слоями. Они не заполняют полость водоносного горизонта и выходят в виде источников в береговых склонах оврагов и рек. Межпластовые воды являются проточными и по условиям передвижения аналогичны нисходящим грунтовым водам. К напорным грунтовым водам, или артезианским, относятся подземные воды водоносных горизонтов, перекрытых водонепроницаемыми пластами горных пород и располагающихся на больших пространствах и глубинах. Наиболее благоприятные условия для формирования напорных вод создаются в пределах различных тектонических прогибов земной коры. 2.4 Вопросы для самоконтроля 1. В каких условиях возникает эоловая деятельность? 2. Где наиболее проявляется деятельность ветра? 3. Что такое корразия и в чем она провляется? 4. Чем вызваны карстовые процессы? 5. Какие существуют карстовые формы? 6. Какие отложения образуются при плоскостном смыве? 7. Какие виды эрозии образуются при деятельности поверхностных вод? 51 8. Какие особенности состава и физических свойств у мерзлых грунтов? 9. Какие основные виды тектонических движений? 10. Что представляет собой землетрясение? 11. Что такое очаг землетрясений? 12. Как образуются цунами? 13. Какие существуют типы магматизма? 14. Какие факторы влияют на метаморфизм? 15. Какие известны типы метаморфизма? 16. С чем связана водопроницаемость горных пород? 17. Как формируются подземные воды? 18. Какие существуют типы подземных вод? 19. Чем отличается верховодка от грунтовых вод? 3 Инженерно-геологические изыскания 3.1 Место инженерно-геологичеких изысканий в системе инженерных изысканий для строительства Инженерно-геологические изыскания - составная часть инженерных изысканий для строительства, порядок проведения которых регламентируется СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскaния для строительства. Основные положения». Инженерно-геологические изыскания выполняются при проектировании различных зданий, сооружений и их комплексов. В необходимых случаях они могут быть продолжены в период строительства, эксплуатации, реконструкции и ликвидации объектов. В состав инженерных изысканий, помимо инженерногеологических, входят другие виды изысканий: инженерно-геодезические (получение топографо-геодезических материалов, данных о рельефе местности и др.), инженерно-гидрометеорологические (климатические условия гидрологический режим рек и др.), инженерно-экологические (оценка и прогноз современного экологического состояния), а также изыскания местных и грунтовых строительных материалов и источников водоснабжения на базе 52 подземных вод (с потребностью в хозяйственно-питьевой воде до 1000 м3/сут.). Кроме того, к инженерным изысканиям для строительства относят следующие специальные работы: - геотехнический контроль; - обследование грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений; - локальный мониторинг компонентов окружающей среды; - геодезические, геологические и другие сопутствующие работы в процессе строительства, эксплуатации и ликвидации объектов; - обоснование мероприятий по инженерной защите территорий и другие виды работ. 3.2 Основные цели, задачи и состав инженерно-геолоrических изысканий Инженерно-геологические изыскания это - комплекс полевых, лабораторных и камеральных работ, которые выполняются для обеспечения строительного проектирования исходными данными об инженерно- геологических условиях района (площадки, участка, трассы) проектируемого строительства. Под инженерно-геологическими условиями понимается совокупность компонентов геологической среды, которые могут оказать влияние на проектируемые здания и сооружения (рельеф и геоморфологические условия, геологическое строение, подземные воды, состав, состояние и свойства грунтов, геологические и инженерно-геологические процессы). Инженерно-геологические изыскания для строительства выполняются в соответствии с действующими строительными нормами и правилами (СНиП), сводами правил (СП), государственными стандартами (ГОСТ), а также ведомственными строительными нормами (ВСН) и инструкциями. При строительстве важнейшим является прогноз взаимодействия проектируемого здания и сооружения с геологической средой. Инженерногеологические условия строительства на территории нашей страны очень разнообразны. Столь же многообразны назначение и конструктивные решения 53 проектируемых объектов, поэтому производство инженерно-геологических изысканий для различных видов строительства имеет ряд своих, специфических особенностей. Однако, несмотря на специфику отдельных видов строительства, основными задачами инженерно-геологических изысканий для всех видов строительства являются: - составление программы изысканий; - изучение инженерно-геологических условий, влияющих на выбор строительной площадки (трассы), размещения на них конкретных сооружений, расчета их конструкции, режима эксплуатации и др.; - выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ) и получение нормативных и расчетных характеристик грунтов, необходимых для выбора несущего основания, типа и глубины заложения фундаментов, способов производства строительных работ и др.; - получение необходимой для оптимального проектирования объекта исходной гидрогеологической информации (типы и глубина залегания подземных вод, химический состав и агрессивность подземных вод, направление и скорость движения, фильтрационные параметры водоносных пластов, режим и др.); - оценка и прогноз развития опасных геологических процессов, влияющих на устойчивость проектируемых зданий и сооружений; разработка мер инженерной защиты; - оценка обеспеченности района строительства необходимыми местными строительными материалами и источниками водоснабжения; при недостаточности обеспеченности - поиски их и разведка; - сведение к минимуму негативного влияния производства инженерногеологических изысканий на окружающую природную среду (экологические системы, природные ландшафты и природные комплексы); - представление отчетов об инженерно-геологических изысканиях для обоснования предпроектной, проектной 54 и другой документации, с аргументированными выводами и рекомендациями, необходимыми текстовыми и графическими приложениями. Инженерно-геологические изыскания должны проводиться с использованием современных методов и средств в минимально короткие сроки при минимальных затратах труда и материальных средств. В процессе производства изысканий должен выдерживаться принцип «обязательности координированной и равноправной деятельности и совместных решений инженера-геолога, проектировщика и строителя» (Г. С. Золотарев, 1990). В необходимых случаях в состав инженерно-геологических изысканий могут быть включены и другие виды работ, например, обследование грунтов оснований фундаментов существующих зданий и сооружений, сейсмологические исследования и др. Объем и содержание инженерно-геологических изысканий в каждом конкретном случае зависит от: 1) категории сложности инженерно- геологических условий площадки (участка); 2) степени их изученности; 3) стадий (этапов) проектирования и 4) вида (назначения) зданий и сооружений (трасс) и уровня их ответственности. Согласно ГОСТ 27751-88, устанавливается три уровня ответственности зданий и сооружений; I - повышенный (главные корпуса АЭС, уникальные здания и сооружения и др.); II - нормальный (объекты массового строительства) и III - пониженный (временные здания, склады, и др.). Свод правил по проектированию и строительству СП 11-105-97, ч. 1 устанавливает три категории сложности инженерно-геологических условий (описание упрощено): I (простая) - поверхность площадки (участка) горизонтальна, не более двух различных по литологии слоев; подземные воды отсутствуют или имеется один горизонт с однородным химическим составом; опасные геологические процессы и специфические грунты отсутствуют; II (средней сложности) - поверхность площадки наклонная; слабо расчлененная; не более четырех слоев, различных по литологии; два и более 55 выдержанных горизонтов подземных вод; опасные геологические процессы и специфические грунты имеют ограниченное распространение и не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений; III (сложная) - поверхность сильно расчлененная; более четырех различных слоев с резко меняющейся мощностью; горизонты подземных вод не выдержаны по простиранию и мощности, с неоднородным химическим составом; опасные геологические процессы и специфические грунты имеют широкое распространение и оказывают решающее влияние на выбор проектных решений; активное техногенное воздействие. Наиболее значительные объемы буровых, опытных и других видов работ выполняют при инженерно-геологических изысканиях для строительства зданий и сооружений повышенного уровня ответственности в сложных инженерно-геологических условиях (III категория сложности). Заказчиком составляется техническое задание на выполнение инженерногеологических изысканий и передается в изыскательскую организацию. В техническом задании указываются местоположение площадки предполагаемого строительства, вид проектируемого сооружения, стадийность (этап) проектирования, конструктивные особенности проектируемых зданий и сооружений, намечаемый тип фундаментов (свайный, плита, ленточный), этажность, наличие мокрых технологических процессов, подвальных помещений, допускаемые величины деформаций, предполагаемая нагрузка на грунты основания и другие сведения. В техническом задании не допускается устанавливать состав, объем и методику производства инженерно-геологических работ, расположение буровых скважин и шурфов, их глубину и т. п. Все это определяется изыскательской организацией и отражается в программе, которая затем должна быть согласована с заказчиком. Программа инженерно-геологических изысканий устанавливает состав, объемы, методы и последовательность инженерно-геологических исследований. Ее содержание определяется видом строительства, уровнем 56 ответственности сооружений, сложностью инженерно-геологических условий и стадией проектирования. Следует подчеркнуть, что в случае выявления в процессе инженерно-геологических изысканий непредвиденных сложных природных и техногенных условий исполнитель должен поставить заказчика в известность о необходимости внесения изменений в программу изысканий и в договор (контракт) в части увеличения продолжительности и стоимости изысканий (СНиП 11-02-96 п. 4.15). При небольшом объеме намечаемых инженерно-геологических работ (несложные объекты II и III уровня ответственности, простые инженерногеологические условия, высокая степень геологической изученности) допускается взамен программы составление технического предписания на производство изысканий. В настоящее время право на выполнение инженерно-геологических изысканий имеют юридические и физические лица (независимо от Форм собственности), обладающие соответствующими лицензиями на их производство. Лицензия выдается Федеральным лицензионным центром при Минстрое России на ограниченный срок (не более 5 лет). Материалы инженерно-геологических изысканий, передаваемые заказчику в виде технического отчета, подлежат обязательной государственной экспертизе. Физические или юридические лица, выполняющие инженерногеологические изыскания, обязаны при выполнении инженерных изысканий применять средства измерений, прошедшие метрологическую проверку (калибровку) или аттестацию. 3.3 Стадийность инженерно-геологических изысканий Различают следующие основные стадии работ: предпроеткную (она включает предынвестиционную документацию и обоснование инвестиций в строительство) и проектную (в состав которых входят проект и рабочая документация для строительства предприятий, зданий и сооружений). Предпроектная документация разрабатывается с целью обоснования целесообразности строительства объекта, выбора строительных площадок и 57 направления магистральных транспортных и инженерных коммуникаций, основ генеральных схем инженерной защиты от опасных геологических процессов и др. Инженерно-геологические изыскания на предпроектной стадии выполняют для крупных и сложных объектов. Они должны обеспечить изучение основных особенностей инженерно-геологических условий значительных по площади и по протяженности территорий. Основной объем инженерно-геологических работ выполняют для обоснования инвестиций в строительство. В состав работ входит: проведение инженерно-геологической съемки на территории проектируемых строительных объектов и трасс линейных сооружений. При необходимости проводятся буровые и горнопроходческие работы, полевые методы исследования грунтов, лабораторные исследования, стационарные наблюдения и другие виды работ. На всех предпроектных видах работ значительное внимание уделяют прогнозу оценки воздействия объектов строительства на окружающую природную среду. Инженерно-геологические изыскания для разработки проекта должны обеспечивать комплексное изучение инженерно-геологических условий уже выбранной площадки (участка, трассы) и прогноз их изменений при строительстве и эксплуатации объекта. По сравнению с предпроектной стадией перечень основных видов инженерно-геологических исследований практически не меняется, однако детальность их проведения увеличивается. Инженерно-геологические изыскания для разработки рабочей документации проводятся на окончательно выбранной стройплощадке для отдельных зданий и сооружений с целью детализации и уточнения инженерногеологических условий. Проходят скважины и шурфы (чаще всего по контурам и осям проектируемых зданий и сооружений), определяют расчетные показатели физико-механических свойств грунтов, выполняют полевые исследования грунтов, опытно-фильтрационные работы и геофизические 58 исследования. Продолжают начатые на предшествующих стадиях изысканий стационарные наблюдения за развитием опасных геологических процессов, режимом подземных вод и т. д. По результатам изысканий, как и на всех предшествующих стадиях, составляют технический отчет. Для технически несложных объектов, а также при строительстве по типовым проектам инженерно-геологические изыскания выполняют для одной стадии: «рабочего проекта», при которой рабочая документация разрабатывается одновременно с проектом. Инженерно-геологические изыскания при необходимости должны быть продолжены в период строительства, эксплуатации, реконструкции и ликвидации объектов. Инженерно-геологические изыскания в период строительства выполняют лишь в особых случаях: 1) при строительстве ответственных зданий и сооружений, особенно в сложных инженерно-геологнческих условиях; 2) в условиях стесненной городской застройки; 3) при длительных перерывах во времени между окончанием изысканий и началом строительства объектов и т.д. Инженерно-геологические изыскания в период строительства включают: 1) уточнение геологических и гидрогеологических условий в период вскрытия котлованов, тоннелей, прорезей и других выемок, выявление расхождений натурных условий с проектными данными, внесение при необходимости соответствующих корректив и проведение дополнительных изыскательских работ; 2) контроль за ведением строительного водопонижения, инженерной подготовкой оснований зданий и сооружений, производством работ по закреплению грунтов и т. д. Специальные инженерно-геологические исследования в период строительства проводят за определением скорости выветривания грунтов в откосах котлованов (выемок) и их устойчивости, за развитием склоновых и других гравитационных процессов в откосах котлованов и др. 59 По результатам инженерно-геологических изысканий в период строительства представляют технический отчет (заключение), который может служить основанием для внесения соответствующих корректив в процессе производства строительно-монтажных работ. Согласно п. 6.28 СНиП 11-02-96, технический отчет должен содержать: 1) результаты обследований котлованов, тоннелей, траншей и других строительных выемок; 2) данные геотехнического контроля за качеством подготовки оснований; 3) сведения о режиме подземных вод; 4) контрольные определения характеристик свойств грунтов после их технической мелиорации (уплотнение, силикатизация и т.п.) 5) результаты стационарных наблюдений за изменением геотехнических условий; 6) общую оценку соответствия или несоответствия фактических инженерно-геологических условий принятым в проекте, а также другие материалы. В случае необходимости заказчику предоставляются необходимые данные для принятия оперативных решений по уточнению и изменению проектных мероприятий. В период эксплуатации объектов в необходимых случаях в соответствии с заданием заказчика проводят обследования грунтов оснований фундаментов существующих зданий и сооружений, а также при их расширении, строительстве новых близко примыкающих зданий и в других случаях. При необходимости в период эксплуатации объектов осуществляют стационарные наблюдения (локальный мониторинг) за развитием опасных геологических процессов, деформациями зданий и сооружений и другими неблагоприятными факторами. Содержание технического отчета по результатам инженерно- геологических изысканий в период эксплуатации зданий и сооружений 60 регламентируется п. 6.29 СНиП 11-02-96. Согласно этому документу, в техническом отчете должны быть приведены рекомендации по устранению возникших отрицательных воздействий на устойчивость и условия эксплуатации зданий и сооружений. В частности, должны быть обоснованы мероприятия по усилению их фундаментов, закреплению грунтов оснований, устранению дефектов планировки и др. По результатам инженерно-геологических изысканий составляется технический отчет (заключение), в котором приводятся рекомендации для принятия проектных решений, обосновывается необходимость усиления оснований, анализируются причины деформаций и мероприятия по их стабилизации и др. Небольшой объем инженерно-геологических изысканий выполняется в период ликвидации зданий и сооружений. Цель этих работ - обоснование проектных решений по санации (оздоровлению) и рекультивации нарушенной территории, оценка опасности и риска от ликвидации объекта и др. 3.4 Основные виды инженерно-геологических изысканий Общие технические требования к выполнению работ и исследований, входящих в состав изысканий грунтовых строительных материалов: 1) прошлых Сбор и обобщение имеющихся фондовых материалов изысканий лет выполняется на первом этапе изысканий грунтовых строительных материалов для их оптимальной организации. Сбору, обобщению и использованию подлежат: а) Сведения о карьерах по добыче различных видов строительных материалов, о производительности, качестве, возможности и условиях их получения; б) Технические отчеты о выполненных изысканиях и геологоразведочных работах прошлых лет; в) Материалы инженерно-геологических изысканий, гидрогеологических и геофизических исследований; г) Данные обследований земляных сооружений и об опыте их 61 строительства и эксплуатации. По результатам анализа указанных материалов в техническом отчете должна быть дана оценка их качества, достоверности, степени изученности и возможности использования этих материалов для решения соответствующих проектных задач. 2) Дешифрирование аэрофотоматериалов; Выполняется при изысканиях строительных материалов для возведения крупных земляных сооружений, с целью обоснования разработки предпроектной документации. 3) Проходка горных выработок; Рассматривает в качестве основного вида работ и осуществляет при выполнении изысканий для каждой стадии проектирования с целью решения следующих основных задач: а) Установление условий залегания толщи грунтовых строительных материалов; б) Отбор всех видов проб грунтовых строительных материалов; в) Установление условий залегания подземных вод, зон и характера проявления инженерно-геологических процессов. 4) Опытные полевые работы; Следует выполнять в сочетании с лабораторными исследованиями для установления состояния, состава и физико-механических свойств строительных материалов. В состав опытных полевых работ входит: а) Определение гранулометрического состава и плотности грунтов, отвалов, содержащих крупные включения; б) Определение процентного содержания валунов, глыб и включений размером свыше 200 мм при разработке способом гидромеханизации. в) Определение структурной прочности грунтов; г) Определение уплотняемости насыпных грунтовых строительных материалов. 62 5) Гидрогеологические исследования; Необходимо выполнять для установления условий залегания подземных вод, в том числе глубины залегания подземных вод, колебаний уровня в течение года, фильтрационных свойств, гидравлической взаимосвязи с водами других водоносных горизонтов. Гидрогеологические параметры и характеристики грунтов устанавливаются по лабораторным данным (коэффициент фильтрации грунтов, коэффициент водоотдачи и др.). 6) Отбор проб грунтовых строительных материалов; Следует относить к основному виду работ и производить при изысканиях для каждой стадии проектирования. Данная система опробования должна учитывать изменчивость грунтовой толщи с целью достоверного определения качества грунтовых строительных материалов. 7) Лабораторные исследования проб грунтовых строительных материалов; Необходимо выполнять с целью определения их состава, состояния и физико-механических свойств. Состав лабораторных определений следует назначать с учетом вида грунтовых строительных материалов, стадии проектирования, типы земляных сооружений. 8) Составление технического отчета. Общая часть отчета содержит данные о природных условиях всего района исследований и позволяет получить о нем большее представление. Служит основой для специальной части отчета. Материалы, изложенные в общей части, помогают проектировщикам и экспертам оценить правильность выводов, сделанных в специальной части отчета. К отчету прилагаются различный графический материал в виде карт, колонок буровых скважин, инженерно-геологических разрезов, а также текстовые приложения (заявлении – разрешение на производство инженерно63 геологических работ, техническое задание заказчика, таблицы свойств грунтов, ведомости химических анализов воды и др.). Построение геологического разреза Геологический разрез строится для более четкого представления об условиях залегания грунтов в выбранном районе строительства. Линия пересечения земной поверхности с плоскостью геологического разреза называется линией разреза. Для построения геологического разреза выбирается базисная линия, от которой и строится разрез. За базисную линию принимают линию, проведенную через устья скважин. Порядок построения разреза: 1. На плане через горные выработки проводят линию разреза, концы которой обозначают цифрами I – I. 2. Вдоль выбранной линии разреза строят топографический профиль. 3. На профиль наносят устья скважин, отмечают номера выработок и абсолютные отметки их устьев. Тонкими вертикальными линиями отмечают направление осей скважин. 4. На основе линии горных выработок наносят данные о пройденных породах (интервал залегания, наименование породы, ее возрастной индекс). Все построения выполняют от базисной линии. 5. Приступают к объединению аналогичных пород, встреченных соседними выработками, в пласты, массивы. Такое объединение возможно лишь для пород, одинаковых по составу, возрасту и происхождению (генезису), а иногда одинаковых только по возрасту и генезису. 6. Нижняя граница геологического разреза определяется наиболее глубокой скважиной. Нельзя разрез снизу ограничивать линией, соединяющей забои горных выработок. 7. На разрез наносят данные о подземных водах. При безнапорном характере подземных вод депрессионная поверхность подземного потока показывается на разрезе I – I сплошной линией, соединяющей отметки воды в скважинах. При напорном характере величина напора обозначается стрелкой, 64 направленной вверх, от отметки появления воды до отметки ее установления. Стрелку проводят слева от скважины. 8. Справа от скважины условными знаками показывают места отбора монолитов и проб горных пород, а также проб воды. 9. При окончательном оформлении чертежа линии скважин от устья до забоя четко выделяют. Забой скважины необходимо подчеркнуть короткой горизонтальной линией. 10. По каждой скважине проставляют отметки забоя, кровли и подошвы пластов. Пласты пород на разрезе имитируют в соответствии с принятыми условными обозначениями, контуры пластов выделяют жирными линиями. В пределах контуров пластов и массивов проставляют генетические и возвратные индексы. 11. Разрез сопровождают условными обозначениями. Условные обозначения пород располагают в строгой возрастной последовательности, от более молодых к более древним породам, сверху вниз или слева направо. Общее оформление геологического разреза приведено на рисунке 16. Рис. 16. Инженерно-геологический разрез по линии I - I 65 Приложение 1 Основные земные параметры № п/п Наименование земного параметра Ед. изм. Радиус экваториальный км Радиус полярный км Радиус средний км Масса кг Объём км3 Плотность средняя кг/м3 Скорость вращения (φ – 7 км/с географическая широта) Скорость обращения 8 км/с вокруг Солнца (средняя) 9 Расстояние до Солнца млн. км Ускорение силы тяжести на 10 Гал поверхности Ускорение центробежное на 11 Гал экваторе 1 2 3 4 5 6 Значение параметра 6378,160 6356,777 6371,032 5,976*1024 1,053*1012 5518 Примечание Основной Укороченный Промежуточный 0,4651*cos φ 29,765 149,6 1 см/с2 g ≈ 10 м/с2 = 1000 Гал 3,3915 Для преодоления притяжения Земли 12 Скорость первая космическая км/с 7,9 13 Скорость вторая космическая (параболическая) км/с 11,2 Площадь поверхности млн. км2 510,2 100% в т.ч.: площадь суши млн. км2 149,1 29,2% площадь поверхности Мирового океана млн. км2 361,1 70,8% 15 Площадь водных объектов на поверхности суши млн. км2 21,5 14,4% суши 16 Объём воды в мировом океане млн. км3 1388 96,4% 14 66 № п/п 17 18 19 20 21 22 Наименование земного параметра Ледники и снегá (постоянные) Вода подземная Вода в атмосфере и организмах Вода пресная Глубина океана средняя Глубина океанической Марианской впадины Ед. изм. Значение параметра Примечание млн. км3 25,78 1,86% млн. км3 23,40 1,68% млн. км3 0,014 0,001% млн. км3 м м 36,7 3700 2,65% 11521 максимальная 23 Глубина Сев. ледовитого океана в р-не полюса м 4261 2 авг. 2007 на дне океана установлен флаг России 24 Высота материков средняя м 860 средняя м >8000 м 8842 25 26 Высочайшие горные системы Высота горы Эверест Самая высокая Примечание. Средний период условного возобновления запасов воды в ледниках, постоянном снежном покрове, в льдах зоны многолетнемёрзлых пород составляет 10000 лет, в Мировом океане – 2650 лет, в подземных толщах пород – 1400 лет, в озёрах – 17 лет, в болотах – 5 лет, в водохранилищах – 52 дня, в реках – 19 дней, в атмосфере – 8 дней, в организмах – 3…8 час. 67 ЛИТЕРАТУРА Основная литература: 1. Ананьев В.П., Предельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология. - М.: Высш.шк., 1980. 2. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. - М.: Высш. шк., 3. Бондарев В.П. Геология. Курс лекций.: Учебное пособие. - М.: 2005. Форум: ИНФРА — М., 2004. - 224 с. - (Серия «Профессиональное образование). 4. Золотарев Г.С. Методика инженерно-геологических исследований. - М.: изд-во МГУ, 1990. 5. Коробкин В.И., Предельский Л.В. Инженерная геология и охрана природной среды. - Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1993. 6. Короновский Н.В. Геология: учебник для эколог. специальностей вузов / - 3-е изд., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. - 448 с. 7. Маилян Л.Р. Справочник современного изыскателя. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 590 с.: ил. - (Строительство и дизайн). 8. Платов Н.А. Основы инженерной геологии. : Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 173 с. - (Серия «Среднее профессиональное образование») 9. Передельский Л.В., Приходченко О.Е. Инженерная геология: Учеб. для студентов строительных специальностей вузов. - Изд. 2-е, доп. и перераб. Ростов н/Д : Феникс, 2009. - 465 с. : ил. - (Высшее образование). 10. ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация. – М.: Издательство стандартов, 1995. 11. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1999* 12. СНиП 11-02-96 Инжненерные изыскания для строительства. Основные положения. - М., 1997. 13. СНиП 11-7-81*. Строительство в сейсмических районах. - М., 2002. 68 14. СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. - М., 2004. 15. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика. – М.: Стройиздат, 1983. Дополнительная литература: 1. Белый Л.Д. Инженерная геология. - М.: Высш. шк., 1985. 2. Зиангиров Р.С. Быкова В.С., Полтев М.П. Инженерная геология в строительстве / под ред. Р.С. Зиангирова. - М.: Стройиздат, 1986. 3. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. - М.: Высш. шк., 1982. 69
