книги из ГПНТБ / Климов О.Д. Основы инженерных изысканий учеб. пособие

о геологическом строении местности и, в частности, о стратиграфии, тектонике, литологии и физико-геологических явлениях изуча­ емой местности *.

Знание стратиграфии позволяет геологу выяснить генезис и исто­ рию образования слоев и характер залегания, целесообразно на­ значить места закладки геологических выработок и в итоге дать правильную оценку пород как основания сооружения.

Изучение тектоники горных пород позволяет получить важные сведения о разрывных нарушениях (сбросах, сдвигах), весьма опас­ ных для большинства сооружений.

Минеральный состав породы, ее структура и другие литологи­ ческие особенности в большой степени определяют строительные свойства породы, поэтому являются очень важной характеристикой, в какой-то мере предопределяющей качество основания и степень устойчивости сооружения.

Необходимость знания геодезистом основных сведений из инже­ нерной геологии диктуется тем, что геодезист, как и специалисты других профилей, принимает участие в отыскании наилучшего места для сооружения, в строительстве сооружения и в наблюде­ ниях за ним в процессе его эксплуатации. Без знания основ инже­ нерной геологии геодезист испытывает затруднения при выборе мест и глубины закладки исходных геодезических знаков и знаков на сооружении при организации наблюдений за деформациями со­ оружений.

Не зная задач и техники выполнения геологоразведочных работ, геодезист не имеет возможности сознательно отнестись к тре­ бованиям точности и методам привязочных работ. Знание основ инженерной геологии дает возможность геодезисту технически гра­ мотно вести съемочные — топографические работы, отражать на планах (картах) элементы ситуации и рельефа, позволяющие геологу сделать косвенные суждения о виде пород и характере их напласто­ вания. Внедрение в практику геологических работ аэрофотосъемки в сочетании со спектральной и другими видами съемки также углуб­

Т е к т о н и к а — перемещение горных пород под действием внутренних (эндогенных) сил, возникающих в недрах земли.

Ли т о л о г и я — отрасль геологии, изучающая осадочные горные породы

вотношении вещественного состава, структуры, физических и химических свойств, условий образования и изменения.

Г е н е з и с — происхождение горных пород (магматические, осадочные, метаморфические), подземных вод, рельефа и др., возникающих в определенных условиях и из определенного вещества при воздействии на него геологических процессов.

20

§ 9. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФНКАЦН Я ГОРНЫХ ПОРОД

в строении коры земли. В отличие от такого термина строители чаще пользуются словом грунт, понимая под ним верхний слой горной породы, используемый как основание или материал для строительства сооружений.

Инженерно-геологическую классификацию горных пород можно строить по разным признакам и с разной степенью детальности. Именно поэтому к настоящему моменту существует несколько таких классификаций. Инженерно-геологические классификации приво­ дятся также в СНиІІ.

Наиболее удобна и достаточно проста классификация, предло­ женная проф. Н. Н. Масловым. Эта классификация, основанная на прочностных свойствах пород, разделяет их на четыре класса: скальные, глинистые, сыпучие, особые. Кроме этого, классификация разделяет породы на две категории: водостойкие и водонестойкие. Введение этого дополнительного разделения на категории вполне оправдано, так как некоторые породы существенно меняют свои строительные свойства в присутствии воды. Для скальных пород I и II категории классификация дает еще деление пород по генети­ ческому признаку, а для пород сыпучих — по признаку крупности зерен.

Инженерно-геологическая классификация пород приведена в табл. 1.

§ 10. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД КАК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ

При инженерно-геологической оценке пород необходимо учи­ тывать:

а) общие геологические и петрографические свойства пород (состав, структура, текстура, генезис, условия залегания, выветрелость, трещиноватость);

б) физические свойства пород (удельный вес, влажность, пори­ стость, теплопроводность, показатель консистенции глинистых грун­ тов);

в) отношение к воде (водопроницаемость, водопоглощение, размягчаемость, выщелачиваемость);

г) химические свойства (растворимость); д) механические свойства, определяющие сопротивляемость пород

воздействию внешних сил.

С к а л ь н ы е п о р о д ы характеризуются наличием жестких связей между отдельными минеральными зернами, что в итоге при­ дает породе высокие прочностные качества — большую несущую способность, т. е. способность грунта сопротивляться действию внеш­ ней нагрузки.

21

23

у г л о м п а д е н и я . Для полного определения положения пласта нужно назвать азимуты линии простирания, направление падения и величину угла падения (рис. 4). Напластования, имеющие угол падения более 45°, называются к р у т о п а д а ю щ и м и , если угол менее 45° — п о л о г о п а д а ю щ и м и .

При выборе места для строительства тяжелых сооружений всегда стремятся расположить их на пластах, не имеющих тектонических нарушений (сбросы, сдвиги), поскольку такие места при повторных дислокациях могут вновь претерпеть смещения и вызвать аварии

N

глин от влажности грунта

или разрушения сооружения. Однако для сооружений значитель­ ного протяжения это не всегда удается сделать (Красноярская ГЭС), поэтому такие места в ходе геодезических наблюдений за соору­ жением должны быть под особым контролем.

Обломки скальных пород широко применяются для возведения плотин, насыпей, стен зданий, для покрытия дорог, они используются как облицовочный материал.

Скальные породы обеспечивают высокую прочность основания, поэтому они пригодны для строительства всех видов сооружений; трещиноватость и выветрелость пород вызывают необходимость проведения противофильтрационных мероприятий на водоудержи­ вающих сооружениях. Осадки и сдвиги сооружений на скальном основании происходят главным образом за счет некоторого уплотне­ ния или деформации трещин, общего прогиба плиты основания, лежащей на более слабых породах, и обычно не превышают десятков миллиметров (максимальная осадка плотины Братской ГЭС, в осно­ вании которой залегают диабазы, составила 70 мм); в местах текто­ нических нарушений деформации оснований сооружений обычно несколько больше.

.24

Г л и н и с т ы е п о р о д ы I категории (см. табл. 1) характе­ ризуются достаточной прочностью и вполне удовлетворительной несущей способностью; они не влагоемки, в воде не растворяются, но часто сильно трещиноваты; в сильной степени подвержены вы­ ветриванию. Этой категории глинистых пород присуща сланцева­ тость, что уменьшает их сопротивляемость сдвигу. Несмотря на не­ которые недостатки, глинистые породы I категории могут служить надежным основанием для крупных инженерных сооружений. Временное сопротивление этой категории пород составляет 200— 300 кг/см2.

Глинистые породы II категории, равно как и подлежащие изу­ чению сыпучие, относятся к разряду мягких грунтов. Несущая способность мягких грунтов намного ниже, чем скальных, и это отражается на устойчивости сооружений, требует применения спе­ циальных конструкций сооружений и их фундаментов, определенных правил ведения строительных работ.

Глинистые породы по происхождению, составу и свойствам очень разнообразны. По происхождению их делят на морские, озерные, речные и ледниковые.

Всостав глинистых пород входят глинистые минералы, кварц, полевые шпаты, слюды, гидроокислы железа и алюминия и др. Мельчайшие частички глинистых пород довольно часто имеют вид тончайших пластин или чешуек. Некоторое содержание в глинах песка дает промежуточные виды глинистых пород: суглинки, супеси.

Большое разнообразие состава и состояния глинистых пород порождает различие их свойств. Но одним из специфических свойств глинистых пород II категории является их способность размягчаться

вприсутствии воды и приобретать свойство пластичности, т. е. способность менять форму под действием внешних сил без нарушения сплошности и изменения объема и сохранять полученную форму после прекращения действия этих сил.

Всухом состоянии глина представляет собой твердое тело и является прочным основанием для сооружений. Временное сопро­ тивление сжатию у глин составляет 2—10 кг/см2 и более. При повы­ шении влажности глина переходит в пластичное состояние и тем слабее сопротивляется нагрузке, чем мягче ее консистенция. На рис. 5 можно видеть характер этой зависимости. Несмотря на то что глина размягчается в воде, она слабо водопроницаема (коэффи­ циент фильтрации менее 1 см в год), поэтому часто в естественном залегании является водоупором.

Как и другие мягкие породы, глина и ее разновидности подвер­

жены пучению *.

Осадки сооружений, построенных на глинистых грунтах, могут быть значительными, неравномерными и долго не затухающими. Причина затяжного характера осадок на глинистых породах — их высокая пористость (более 50—60%); микроскопические поры.

* О пучении мягких грунтов см. § 16.

25

будучи заполнены водой, медленно ее отдают. Медленное отжатие воды из пор ведет к затяжному характеру осадок сооружения, построенного на глинистых грунтах.

Для иллюстрации «коварных» свойств глин приведем следующий пример.

В 1819 г. было начато строительство Исаакиевского собора (г. Ленинград); в основании собора залегали водонасыщенные глины. Учитывая громадный вес сооружения (около 300 тыс. т) и слабые грунты, в основание здания было забито около 12 000 свай. Не­ смотря на принятые меры, сооружение до сих пор дает осадку, которая к настоящему времени достигает 40—50 см. Так как осадка неравномерная, в стенах образуются трещины, некоторые двери плохо закрываются.

Из этого примера следует, что, несмотря на значительность срока (более 100 лет), осадки собора до сих пор не прекратились, есте­ ственно, не отпала необходимость наблюдений за сооружением, и они ведутся.

С ы п у ч и е п о р о д ы . Говоря о глинистых породах, невольно приходится их сравнивать с другим мягким грунтом — песком. И это не случайно, так как резкой границы между этими классами пород нет — она условная.

На свойства грунтов в основном влияет наличие в них глинистой фракции, т. е. содержание частиц менее 0,005 мм. На этом основана упрощенная гранулометрическая классификация мягких грунтов

(табл. 2).

Сыпучие породы являются обломками горных пород и минералов. Поскольку размеры обломков могут быть различными, принято следующее деление пород по их размерам или по гранулометри­ ческому составу:

Сыпучими породами покрыто 75% суши.

Сыпучие породы характеризуются отсутствием прочных связей между зернами; пористость их составляет 30—40% от объема; они сильно водопроницаемы — величина коэффициента фильтрации вы­ ражается метрами в сутки. Мелкозернистые пески, будучи насы­ щенными водой, могут переходить во взвешенное состояние и при этом они теряют устойчивость и оплывают в откосах выемок, в котло­ ванах, в горных выработках (тоннелях).

Пески в чистом виде встречаются довольно редко; обычно они ■смешаны с пылью и глиной. Песчаные породы подвержены пучению, но в меньшей степени, чем глины.

26

Уплотняемость песков под статической нагрузкой незначительна; динамические нагрузки (сотрясения, вибрации) могут привести к существенному уплотнению породы и осадкам. Динамическим на­ грузкам (наряду со статическими) подвергаются такие сооружения, как мостовые опоры, здания ГРЭС, сооружения, расположенные

и т. п. В целом же сыпучие породы — достаточно прочное основание для неособенно тяжелых сооружений. В силу своих высоких филь­ трационных свойств сыпучие породы практически не пригодны для строительства водоудерживающих сооружений. В этом случае они могут быть использованы лишь в комбинации с другими водоупор­ ными грунтами.

Сыпучие породы всех фракций широко используются в строи­ тельстве как строительный материал (балласт, бутовый камень) и как заполнители при приготовлении бетона.

Подвергшись воздействию внешней нагрузки, песчаные грунты быстро на нее реагируют; осадка происходит быстро, но и быстро затухает. В этом смысле сыпучие породы отличны от глинистых, осадка на которых может идти веками.

О с о б ы е п о р о д ы . Породы IV класса обладают низкой несущей способностью и потому при строительстве инженерных сооружений на этих грунтах их стараются полностью или частично удалять (размывом, расчисткой), или осуществляют комплекс спе­ циальных строительных мероприятий, обеспечивающих прочность, устойчивость и эксплуатационную пригодность инженерных соору­ жений (уплотнение и укрепление грунтов).

Инженерные сооружения, построенные на породах IV класса, испытывают значительные деформации (осадки) и нуждаются в ча­ стом восстановительном ремонте.

27

Закладка геодезических знаков в рассматриваемых породах также нежелательна, так как даже применение центров особой конструкции и соблюдение определенных правил закладки далеко не всегда обеспечивают желаемую устойчивость центров.

жидкой воды; в твердом состоянии (лед). Вода входит в состав неко­ торых минералов.

По происхождению подземные воды разделяют на вадозные, образуемые за счет накопления в грунте атмосферных осадков; ювенильные, образующиеся за счет конденсации паров воды, выде­ ляемой магмой; реликтовые (ископаемые) воды, т. е. воды, остав­ шиеся в толще пород со времени древних исторических эпох. В прак­ тической деятельности человека играют роль только вадозные воды, поэтому только они и будут предметом нашего дальнейшего изучения.

Количество, условия образования и режим подземных вод в зна­ чительной степени зависят от количества и характера выпадающих атмосферных осадков, но при этом большую роль играют вид и свой­ ства горных пород. Одни породы — в о д о п р о н и ц а е м ы е — способны по трещинам и порам пропускать воду, другие практи­

снеготаяния. Верховодкой называют ближайшие к поверхности воды, имеющие ограниченное по площади распространение и не по­ стоянные во времени, это воды зоны аэрации. Верховодка чаще всего появляется весной в связи с переходом от холодного периода к те­ плому или осенью, после обильных дождей. Болотные воды встре­ чаются в торфяниках и илах. К карстовым относятся воды, находя­ щиеся в трещинах и пустотах таких пород, как известняк, мергель, гипс, доломит и др., которые образовались благодаря химической

28

Г р у и т о в ы м и называют воды первого от поверхности по­ стоянного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Питание грунтовые воды получают путем инфильтрации атмосферных осадков, а также вод рек, озер и водоемов. Они имеют свободную поверхность — зеркало, которое существует длительное время и за­ нимает либо горизонтальное, либо слегка наклонное поло­ жение, в большинстве случаев совпадающее с направлением наклона рельефа.

При наклонном положении зеркала грунтовых вод послед­

начинают поступать в грунт, и грунтовый поток меняет направление

движения (рис. 6).

Скорость движения грунтового потока зависит от уклона его поверхности и от водопроницаемости грунтов. Последняя опреде­

Коэффициент фильтрации грунта можно определить ио эмпири­ ческим формулам, лабораторным способом и на основе полевых

испытаний.

Для предварительной (приближенной) оценки водопроницаемости преимущественно сыпучих пород существует ряд формул, в которых фильтрационные свойства грунта ставятся в зависимость от их

29

гранулометрического состава. Приведем одну из таких наиболее про­ стых формул

Подсчет К по эмпирическим формулам, даже если эти формулы учитывают такие факторы, как пористость породы, степень ее одно­ родности и температуру воды, обычно не обеспечивает нужной для последующих расчетов точности. Несколько лучшие результаты получают на основе лабораторных исследований.

Лабораторный способ определения К основан на пропускании (фильтрации) воды через грунт, помещенный в стеклянный сосуд с известным сечением; при этом фиксируют гидравлический гра­ диент (напор), расход профильтрованной воды и продолжительность опыта.

Лабораторные определения коэффициента фильтрации более достоверны, чем по формулам, но и они не могут воссоздать есте­ ственные условия залегания грунта. В частности, в лабораторных исследованиях испытанию подвергается грунт, структурно нарушен­ ный, не естественной плотности, на контакте грунта со стенками сосуда может быть существенно иная скорость фильтрации воды. Все это и другие факторы искажают результаты исследований.

Наиболее надежно К определяют на основе специальных полевых испытаний.

Уровень грунтовых вод подвержен колебаниям: сезонным и единовременным, связанным с изменением условий питания (за­ суха, дожди). Водообильность грунтовых вод небольшая; при интен­ сивном откачивании воды из скважины или колодца она быстро иссякает. Грунтовые воды широко используют для водоснабжения, особенно в сельской местности.

К безнапорным относят также межпластовые воды, распола­ гающиеся ниже уровня грунтовых вод, в нижележащих водоносных горизонтах. Питание межпластовых вод происходит только с тех участков, где они выходят на поверхность.

Н а п о р н ы е — а р т е з и а н с к и е воды образуются лишь при определенных условиях. Чаще такие условия создаются в склад­ чатых областях при мульдообразном или моноклинальном залегании пластов и обязательно при наличии двух водоупорных. На рис. 7 показаны возможные условия образования напорных вод.

Область питания П водоносного пласта находится выше области Р разгрузки. Линия, соединяющая эти области, называется п ь е з о ­ м е т р и ч е с к и м г о р и з о н т о м . Если в какой-нибудь пони­ женной точке водоносный пласт вскрыть скважиной, то в силу гидро­

30