№%20кода%201701%20Фролов%20Инж.геология%202010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Кафедра: «Основания, фундаменты и подземные сооружения»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине : «ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ»

для спец. ПГС, ТСК, АДА, ТГВ, ГСХ, ВВ

Составил автор: К.т.н., доцент Фролов Е.К.,

Утверждено на заседании

кафедры ОФ та ПС

Протокол №8 от

19.02.2010г.

Зав. кафедрой, проф. Петраков А.А.

Макеевка, 2010г.

1

- основания и фундаменты – прикладная отрасль инженерных знаний, на основании которой разрабатывается проектная документация на строительство новых зданий и сооружений, реконструкцию и ремонт существующих, закреплению грунтовых массивов и т.д.

2.Структура современной «Инженерной геологии».

Геология (от «гео» и «логия») – наука о вещественном составе, строении и истории развития Земли и особенно ее внешней оболочки (литосферы – земной коры). Обширность задач и многообразие объектов, требующих для своего изучения применения различных методов исследования, привели к разделению «Геологии» на большое число взаимно связанных отраслей, имеющих характер самостоятельных научных дисциплин. Так вещественный состав земной коры изучают минералогия, кристаллогия, петрография изверженных пород и литология; химический состав законы распределения, сочетания и миграции химических элементов изучает геохимия; последовательность напластования горных пород, их пространственные взаимоотношения и относительный возраст – стратиграфия; строение земной коры и ее движения – тектоника (геотектоника); вулканические явления – вулканология; историческую последовательность геологических процессов изучает историческая геология. Региональная геология исследует строение отдельных участков земной коры и их историю, путем геологических съемок и геофизическими методами. Изучение месторождений полезных ископаемых изучает экономическая геология. Подземные воды исследуются гидрогеологией. В дифференциации «Геологии» особое место занимает «Инженерная геология», которая тесно связана с физикой, химией, астрономией, географией (геоморфология), биологией (палеонтологией) и др. В настоящее время структура «Инженерной геологии», объединяя несколько направлений выглядит таким образом.

1.Кристаллография и петрография. Кристаллография - процесс перехода вещества в кристаллическое состояние, отличающееся упорядоченным, симметричном расположением атомов. При этом рассматривается зарождение кристалла и его рост. Петрография – наука о горных породах, их минералогическом и химическом составе, структуре и текстуре, классификации, условиях залегания, закономерностях распространения, происхождения и изменения в земной коре.

2.Инженерную геологию массивов, исследующую структурные особенности грунтовых массивов, их прочностные и деформационные особенности;

3.Инженерную геодинамику, исследующую геологические процессы и инженерно-геологические явления;

4.Региональную инженерную геологию, изучающую особенности инженерно-геологических условий отдельных регионов;

3

5. Специальную инженерную геологию, рассматривающую вопросы теории и практики решения специальных строительных задач.

3.Задачи и закономерности «Инженерной геологии»

Учитывая многообразие природных условий образования и форм проявления геологических процессов, наука о Земле, накопила за время своего существования огромное количество фактического материала. Изучение и анализ этого материала позволил разобрать общие закономерности, позволившие сформировать фундаментальную науку «Геология». Вместе с тем эта наука носит в значительной мере описательный характер. Для того, чтобы при изучении фактического материала (породообразующие минералы, горные породы, инженерногеологические процессы) свести до минимума описательную часть дисциплины «Инженерная геология» рассматривает закономерности, которые определяют те или иные свойства горных пород и, в конечном счете грунтов, как разновидность горных пород, условие образованея, условия залегания отдельных пластов, влияние инженерно-геологических процессов на строительные свойства горных пород и грунтов.

Такая постановка задачи перед курсом «Инженерная геология», вопервых, позволяет избежать формального изучения минералов и горных пород, т.е. их изучения в отрыве от понимания, что они являются исходным материалом для образования грунтов с теми или иными строительными свойствами, а во-вторых, позволяет сократить объем изучаемого материала, что позволяет обеспечить сознательное усвоение студентами материала и развить творческий метод оценки природной обстановки при проектировании и строительстве зданий и сооружений.

Всякое инженерное сооружение должно быть возведено с наименьшими затратами в наиболее короткий срок. Кроме того, очень важно, чтобы в течение всего периода эксплуатации возведенный объект обладал требуемой эксплуатационной надежностью, для чего осадка его фундаментов, зависящая от величины деформации грунтов основания и определяющая его устойчивость, не превышала определенных, предельно допустимых значений. Обеспечение этого требования в большой степени зависит от правильного учета местных природных условий в районе возведения сооружения. С точки зрения «Инженерной геологии» благоприятная природная обстановка связывается с такими требованиями:

-отсутствие возможного влияния на сооружение тех или иных геологических процессов и явлений, способных нарушить его устойчивость (эрозия – размыв грунта различными водотоками; оползни, карсты, физическая или химическая суффозия – выщелачивание солей или вынос пылеватых частиц водонапорными потоками и т.д.);

-наличие в основании сооружения надежных грунтов, что определяется их физико-механическими свойствами, зависящими от условий их образования и минералогического состава;

4

- отсутствие подземных (особенно - напорных) вод, степенью агрессивности их по отношению к строительным конструкциям, расположенной в подземной части сооружения.

Сказанное позволяет сделать вывод, что в число вопросов, являющихся предметом изучения перед «Инженерной геологией», как научной и прикладной дисциплиной, стоят много разнообразных и важных по своему значению задач строительной практики.

Решение этих задач связано с изучением условий и характера проявлений геологических процессов и явлений; об особенностях тех или иных горных породах, их свойствах, условиях образования и залегания; их участия в формировании грунтовых массивов.

При всей сложности и всем многообразии природных процессов и явлений «Инженерная геология» формулирует такие закономерности, определяющие их внутреннюю связь в процессе формирования грунтов основания зданий и сооружений.

I закономерность:

Надежность инженерно-геологических условий строительной площадки определяется характером грунтов и пород, слагающих основание возводимого сооружения, их строительными свойствами, условиями залегания пластов, режимом подземных вод, характером и условиями возможного проявления разнообразных геодинамических процессов и явлений.

II закономерность:

Строительные свойства грунтов определяются их составом, состоянием, структурными и текстурными особенностями.

III закономерность:

Состав и состояние горных пород и грунтов, их структурные особенности, а также условия их залегания определяются характером исходных горных пород под воздействием различных инженерногеологических процессов и явлений.

IV Закономерность:

Характер и интенсивность проявления геологических процессов и явлений определяются особенностями строения Земного шара, как космического тела:

-наличие твердой внешней оболочки Земного шара, именуемой «земная кора», которая сложена горными породами и которая имеет относительно небольшую мощность;

-проявление в недрах Земного шара сложных процессов, которые обуславливают термический и особый физико-химический режим недр Земли. Эти процессы, учитывая малую мощность земной коры, участвуют в формировании рельефа земной поверхности и изменении свойств горных пород, слагающих земную кору;

5

-воздействием на горные породы земной коры и на рельеф земной поверхности внешних процессов и явлений, связанных с деятельностью атмосферы и поверхностных вод (т.е. атмосферные агенты).

4.Основные сведения, которые необходимы инженеру-строителю.

Прежде всего – это сведения о процессах формирования грунтовых массивов, их надежности, исходя из строительных свойств грунтов песчаных, пылевато-глинистых, особенных (илистых, просадочных, набухающих). Далее – сведения о геологических и инженерно-геологических процессах, влияющих на устойчивость зданий и сооружений (вулканизм, землетрясения; геологическая работа рек, морей, озер, ветра; плывуны и грязевые потоки, суффозия, карсты, оползни). Обо всем этом мы с вами будем далее говорить подробно, а сейчас я хочу конспективно рассказать, что дает инженеру строителю «Инженерная геология». Не скрою, я это делаю специально, чтобы настроить вас на серьезное восприятие предлагаемой вам дисциплины.

Итак, о грунтах.

Все здания и сооружения на поверхности Земли возводятся на горной породе (или на грунте), которую строители называют основанием. При этом основание испытывает достаточно большую нагрузку. Например, масса 3-5 – этажных зданий составляет 4-15 тысяч тонн, а высотных до 200-300 тысяч тонн. Строителей интересует выдержит ли грунт такой вес. И вот оказывается, что во многих случаях грунты настолько непрочны, что строительство становится опасным. Возникают вопросы:

-Почему одни грунты надежны для строительства, а другие – нет?

-Как отличить надежные грунты от ненадежных?

-Можно ли все же строить на ненадежных грунтах?

О видах грунтов, их происхождении мы поговорим позже, а сейчас я скажу, что грунты, на которых строится подавляющее количество зданий и сооружений делятся на:

-песчаные

-пылевато-глинистые (супесь, суглинок, глина)

Инженерная геология, стремясь ответить строителям на вопрос о прочности грунтов, старается первым делом восстановить геологическую историю формирования толщи. По происхождению (или генезису) горные породы можно разделить на 3 группы:

1 группа – магматическое, получаемые при извержении. Если магма застывает на поверхности земли, то породы называют эффузивными, если в глубине – интрузивными. Это граниты, базальты, диориты. В дальнейшем, подвергаясь химическому и механическому, они переносятся водой или ветром и накапливаются на материках, образуя различные породы, которые называют осадочными – это II группа,

III группа – это породы, которые накапливаясь многокилометровыми толщами, метаморфическую группу.

Вот эти грунты горных пород и являются источником появления песчаных и пылевато-глинистых грунтов.

6

Поговорим о песчаных грунтах.

Во-первых, откуда появилось на Земле так много песка. Вспомним Сахару, Кара-Кум и Кызыл-кум, Гоби и т.д. У нас в Украине – это прибрежья рек, озер, морей, а также региона Славянский, Славяногорский. Геологи установили, что возникновение песчаных территорий – это длинная и сложная история. Прародителями песка являются массивные породы: гранит, гнейс, песчаник. Эти массивные породы под воздействием перепада температур и воды распадаются на обломки, которые все больше и больше дробятся.

Часть этих продуктов растворяется в воде и ею же уносится. Остальная часть (кварц – окисел кремния). Отсюда также, но в значительно меньшем количестве, полевые шпаты и слюды.

В дальнейшем этот материал переносится водой и ветром, образуя песчаные отложения.

Песчаные отложения могут быть коварными. К таким пескам относятся:

-сыпучие пески, которые перемещаются под воздействием ветра;

-зыбучие, к счастью редко встречающиеся, которые способны

-плывуны, насыщенные водой пески, которые способны перемещаться;

-рыхлые пески, способные давать большую осадку;

-пылеватые пески, которые могут выноситься потоками воды.

Так можно ил строить на песчаных грунтах? Есть такое выражение: «Дом на песке». Отсюда возникло выражение «построено на песке» как синоним чего-то необоснованного, непрочного и авантюрного. Однако практика мирового строительства показывает, что много зданий и сооружений, построенных на песчаном основании (я подчеркиваю – не «на песке», а на «песчаном основании») находятся в удовлетворительном состоянии многие годы.

Инженерная геология объяснила этот парадокс – все зависит от структуры песка и взаимного расположения зерен песка. Чтобы определить надежность песчаного основания нужно установить так называемый гранулометрический состав песка, его плотность и т.д. Как это делать вам расскажут в курсе «Инженерные изыскания». А как возводить здания и сооружения «на песке» вам расскажут в курсах «Механика грунтов», «Основания фундаментов».

В особом положении находятся плывуны. Но с ними найден способ борьбы. Об этом вам расскажут в курсе «Строительство в сложных условиях».

7

Поговорим о пылевато-глинистых грунтах. Почему такое название – «пылевато-глинистые», а не просто «глинистые». Дело в том, что при распаде различных горных пород образуются как твердые (песчаники), так и менее твердые (глинистые) частицы. Размер последних намного меньше (от 0,001 мм и меньше). Переносимые водой и ветром продукты распада горных пород где-то, в конце концов оседают. При этом процентное соотношение песчаных и глинистых частиц может быть разным. Если больше песчаных – это супесчаные грунты, если больше глинистых – это глины. В промежутке между ними – суглинки. Как определить, какие именно это грунты вы узнаете из курсов «Инженерные изыскания» и «Механика грунтов».

Особенностью пылевато-глинистых грунтов является то, что глинистые частицы имеют очень маленькие размеры. Например, в 1см3 глины содержится свыше 25 миллиардов кристалликов, что в более чем 14 раз больше, чем в 1м3 песка!

Такое дробление глинистого вещества обуславливает большую удельную поверхность, т.е. площадь поверхности всех частичек, содержащихся в 1см3 вещества. Учеными установлено, что чем больше удельная поверхность, тем более активным является вещество. Это и хорошо и плохо.

Хорошо, что связь между частичками прочнее, чем у песчаного грунта, что обеспечивает большую жесткость кристаллической решетки за счет возникновения молекулярных связей.

Плохо, что пылевато - глинистые грунты являются гигроскопичными, т.е. могут поглощать влагу, а при высушивании – терять ее. Это приводит к появлению ряда неприятных явлений для строителей (усадка, набухание). Кроме того, как это не покажется парадоксальным, но глины обладают большей пористостью, чем пески. Это явление приводит к новым неприятностям для строителей (просадка грунтов).

Таким образом при выборе основания здания или сооружения следует ориентироваться не наименованием грунта, а надежностью грунтовой толщи. Как было указано выше, это и есть одна из основных задач «Инженерной геологии».

8

Лекция №2

Земля как космическое тело, происхождение и состав. Геохронология.

1. Солнечная система и Земля. Происхождение Земли.

2.Характеристика оболочек Земли.

3.Тепловой и температурный режимы оболочек Земли.

4.Геохронология.

1.Солнечная система и Земля.

Земля является одной из девяти планет, составляющих (вместе с многочисленными небесными телами) планетарную систему, в центре которой находится Солнце, поэтому эта система получила название «Солнечная система».

Солнечная система – сложный и многообразный мир, изучение которого всегда было в центре внимания человечества. В первую очередь стоял вопрос о происхождении Земли. Более 100 лет пользовалась признанием гипотеза Канта-Лапласа, согласно которой Солнечная система образовалась из огромной раскаленной газоподобной туманности, вращающаяся вокруг собственной оси. В дальнейшем за счет центробежных, центростремительных планет, а в центре – Солнце.

В конце IXX – начале XX века начали выдвигаться новые гипотезы происхождения Земли. Так в 40-х годах XX века Ю.О.Шмидт выдвинул свою гипотезу, согласно которой Солнце на своем пути захватило одно из пылевых скоплений, рассеянных во Вселенной. Гравитационные силы заставили частицы этого скопления вращаться вокруг Солнца. Со временем в этом скоплении возникли уплотненные сгустки материи, давшие начало планетам. Со временем в этом скоплении возникли уплотненные сгустки материи, давшие начало планетам. Сгусток материи, получивший название «Земля», был, согласно этой гипотезы, холодным. Размеры этого сгустка продолжали расти (они растут и сейчас). При достижении определенных размеров, когда излучение в космическое пространство тепла, выделяемого за счет распада радиоактивных веществ, значительно уменьшилось, начался разогрев центральной части Земли, превращая ее в пластическое состояние. При этом более плотные вещества сосредоточились ближе к центру планеты, а более легкие – у ее периферии. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. Гипотеза объясняет современные движения в земной коре тем, что и сейчас продолжается миграция более твердых частей (к центру планеты), а более легких – к периферии. В настоящее время появилось много фактов, которые гипотеза Шмидта не может объяснить, но основная ее идея, что в основе лежит разогрев веществ от распада радиоактивных веществ, остается неоспоримой.

9

Вдальнейшем появились другие гипотезы, в большей или меньшей степени объясняющие новые факты космологии, но вопрос о происхождении Солнечной системы и Земли остается открытым.

Для науки «Геология», в частности «Инженерная геология» более важно выяснить вопрос о строении Земли, хотя этот вопрос напрямую связан с более общим – происхождение планеты «Земля».

Ученые, занимающиеся изучением происхождения Солнечной системы и Земли, всегда обращали внимание на то, что планета «Земля» находится как бы не на своем месте, т.к. она больше по размерам чем Марс и Венера. Объяснение этому было найдено в результате расшифровки в конце XX века клинописных табличек шумеров, народностей, живших в районе двуречья 4-2 тысячи лет до н.э. (по другим данным – около 4 тыс. лет до н.э.). Но главной неожиданностью было следующее, оказалось, что шумеры уже знали, что Земля вращается вокруг Солнца, что миллиарды лет назад уже была сформирована Солнечная система, в которой между Марсом и Юпитером находилась планета «Тиамат», равная по размерам планете «Земля», а между Венерой

иМарсом не было планет. Четыре миллиарда лет назад в эту систему вторглось небесное тело «Нибиру», по размерам равное планете «Земля». Произошло столкновение планеты «Тиамат» и небесного тела «Нибиру». В результате этого столкновения в пространстве между Марсом и Юпитером образовался т.н. «пояс астероидов», т.е. осколков, представляющих собой десятки тысяч малых планет (астероидов). Миллиарды планет и мелких метеорных тел. Основная масса была отброшена в сторону Солнца и заняла место нынешней планеты «Земля» вместе с достаточно большим по сравнению с Землей спутником «Луна». Другая, меньшая масса, отлетела за пределы планеты «Плутон» (обнаруженном лишь в 1930г.). некоторое время этим данным не придавали достаточного внимания, пока в начале XXI века американские межпланетные станции не зафиксировали наличие некоторого космического тела за пределами орбиты Плутона. Каким образом эти сведения повлияют на наше представление о строении Земли, покажет ближайшее будущее.

Земля вращается вокруг Солнца и своей оси. Это обстоятельство приводит к тому, что шарообразная Земля у полюсов имеет меньший радиус, чем у экватора-экваториальный радиус Земли равен 6378,245 км, а полярный – 6356, 863 км. Такую форму называют сфероидом, но учитывая достаточно значительную неровность поверхности (поднятие суши (горы)

–до 10 км, а океанические впадины – свыше 10 км) форму Земли назвали геоидом. Средний радиус Земли равен 6371 км.

Врезультате геологических разведок удалось определить строение и состав Земли на глубину до 8 км. Глубже строение и состав Земли в настоящее время носит гипотетический характер, но в основе этой

гипотезы лежат фактические данные сейсмологических,

10