1 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

1 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ (а. engineering geology; н. Ingenieurgeologie; ф. geologie technique, geotechnique; и. geotecnica) — наука о строении, свойствах и динамике геологической среды, её рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью; один из разделов геологических наук. Основные задачи инженерной геологии: исследование современной морфологии и закономерностей формирования инженерно-геологических условий, прогнозирование их изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности; инженерно-геологическое обоснование защитных мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение территории, недр и охрану окружающей среды. Для решения задач инженерной геологии используют натурные наблюдения, полевые и лабораторные эксперименты, моделирование, аналитические расчёты, режимные стационарные наблюдения и другие общегеологические и специальные методы.

Инженерная геология включает грунтоведение, инженерную геодинамику и региональную инженерную геологию. Грунтоведение исследует состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека. Инженерная геодинамика изучает механизм, геологические причины и закономерности развития в геологической среде природных и инженерных геологических процессов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью. Региональная инженерная геология исследует строение и свойства геологической среды различных структурных зон земной коры, закономерности формирования их инженерно-геологических условий и пространственно-временного изменения в связи с инженерной деятельностью.

Инженерная геология изучает объекты, расположенные как в пределах суши, так и в пределах акваторий, находящиеся на различной глубине от поверхности. Большая часть объектов находится в приповерхностной зоне геологической среды, для которой характерна высокая динамичность во времени.

2 Солнечная система – сложный и многообразный мир, далеко еще не изученный. В нее входят: Солнце, девять больших планет и множество малых космических тел: в настоящее время известно более 60 спутников, около 100 000 астероидов или малых планет, примерно 1011 комет и огромное количество метеоритов. Солнечная система сформировалась в результате сжатия и вращения газопылевого облака, в центре возникла новая звезда – Солнце, а по радиусу от него сформировались планеты. В Солнце сосредоточено 99,866 % всей массы Солнечной системы, на все девять планет и их спутники приходится лишь около 0,134 % вещества Солнечной системы.

Земля является частью Солнечной системы и, наряду с Меркурием, Венерой и Марсом, относится к внутренним планетам или планетам земной группы. Она удалена от Солнца в среднем на 149,5 млн. км и обращается вокруг него за период 365,25 средних солнечных суток. Считается, что первоначально Земля была холодной. Разогрев ее недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счет выделения теплоты в результате распада имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобрели пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточились ближе к центру планеты, более легкие – у ее поверхности. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. Расслоение продолжается до настоящего времени, что является основной причиной движения в земной коре, т.е. причиной тектонических процессов.

Земля имеет форму геоида, т.е. фигуры, ограниченной поверхностью океана, мысленно продолженной через материки таким образом, что она всюду остается перпендикулярной к направлению силы тяжести. От этой поверхности отсчитывается «высота над уровнем моря».

Установлено, что масса Земли равна 5,976∙1024кг, объем – 1,083∙1012 км3.Земной эллипсоид вращения имеет максимальный радиус, равный 6378,25 км (радиус экватора), и минимальный радиус, равный 6356,86 км (полярный радиус), площадь поверхности – 510,2 ∙106 км2. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора – 40075,704 км. Полярное сжатие обусловлено вращением Земли вокруг полярной оси, и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Поверхность земного шара на 70,8 %

(361,1 млн. км2) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохранилищами, реками и т.д.). Суша составляет 29,2 % (148,9 млн. км2).

3 Карст - это процесс растворения, или выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные западинные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в глубине.  К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит, мел. В соответствии с этим различают соляной, гипсовый и карбонатный карст. Наиболее изучен карбонатный карст, что связано со значительным площадным распространением известняков, доломитов, мела.

Необходимыми условиями развития карста являются: 1) наличие растворимых пород; 2) трещиноватость пород, обеспечивающая проникновение воды; 3) растворяющая способность воды. Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районах развитию карста благоприятствуют открытая поверхность растворимых пород и частые ливни .

Выделяются поверхностные и подземные формы карста.

К поверхностным формам карста относятся: 

3) карстовые воронки(рис. 3), имеющие наибольшее распространение, как в горных районах, так и на равнинах. Среди них по условиям развития выделяются: а) воронки поверхностного выщелачивания, связанные с растворяющей деятельностью метеорных вод; б) воронки провальные, образующиеся путем обрушения сводов подземных карстовых полостей

4) крупные карстовые котловины, на дне которых могут развиваться карстовые воронки

К подземным карстовым формам относятся различные каналы ипещеры. Самыми крупными подземными формами являются карстовые пещеры – системы горизонтальных или наклонных каналов, часто сложно ветвящихся и образующих огромные залы или гроты.

4  Грунтами называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. К ним относят растительный грунт, песок, супесь, гравий, глину, суглинок, торф, плывуны, различные полускальные и скальные грунты.

Объектом исследования инженерной геологии являются грунты – земли и горные породы хоть какого состава и генезиса, изучаемые как основания фундаментов разных инженерных сооружений, как среда и материал для их возведения, также инженерно-геологические процессы и явления.

Инженерно- геологическая классификация грунтов: грунты разделяются на последующие группы: а) скальные грунты - изверженные, метаморфические и осадочные с твердой связью меж зернами, залегающие в виде сплошного массива. Крепкость скальных грунтов высочайшая. Не считая прочности на сжатие к одним из главных параметров скальных грунтов относятся сопротивление их сдвигу и водопроницаемость. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости. Монолитные скальные породы фактически водонепроницаемы.  б) полускальные грунты - также владеют твердыми структурными связями. К ним относятся трещиноватые и выветрелые скальные грунты, в основном осадочные и некие метаморфические горные породы. К фактически нерастворимым полускальным грунтам относятся опоки, трепелы, диатомиты, алевролиты, аргиллиты, глинистые и некие сланцы. Растворимыми грунтами являются гипсы, ангидриты, трещиноватые известняки и доломиты, каменная соль, известковые туфы.. Водопроницаемость обоснована первичной пористостью и вторичной трещиноватостью, кавернозностью, величина которой определяется основным образом размером трещин и карстовых пустот.  в) грунты с мягенькими структурными связями. К таковым грунтам относятся осадочные глинистые, пылеватые и смешанные породы (глины, суглинки, лёсс, супеси), илы. Характеристики этих грунтов определяются их гранулометрическим и минеральным составом, структурой и текстурой. Пористость их традиционно высочайшая до 50-60 %, но водопроницаемость или незначительна, или фактически отсутствует. Соответствующей индивидуальностью мягеньких грунтов является изменение параметров грунта в зависимости от влажности (набухание, пластичность, липкость, просадочность и др.). г) грунты, не имеющие структурных связей. Эта группа представлена рыхловатыми, несвязанными грунтами (гравий, галечник, дресва, щебень, разные пески). Крепкость их обоснована силами трения, пористостью, размерами, формой, составом обломков и миниатюризируется при увлажнении. При статических отягощениях слабо либо фактически несжимаемы. Рыхловатые несвязные грунты не владеют пластичностью, но некие разновидности, насыщенные водой могут перебегать в плывунное состояние. Традиционно водопроницаемы, не влагоемки либо слабовлагоемки, владеют капиллярными качествами.

д) искусственные грунты. Искусственные грунты – это грунты, сформировавшиеся в итоге деятельности человека. Они разделяются на культурные – сформировавшиеся на месте старых и современных поселений человека и техногенные образования. Крайние появились и формируются под действием инженерной деятельности человека (терриконы, грунты в теле дамб, насыпей, шлаковые отходы и др.).  По составу они традиционно связные либо слабосвязные. В заключение следует отметить, что грунты всех классов с течением времени могут изменяться под действием природных геологических причин и деятельности человека. При всем этом характеристики грунтов, обычно, ухудшаются.

5 Физические свойства грунтов являются их характеристиками, которые описывают физическое состояние того или иного грунта, а также его способность к изменению своего состояния под воздействием различных физико-химических факторов.

 

К наиболее главным физическим свойствам грунтов можно отнести следующие:

• гранулометрический состав;

• удельный вес;

• объемный вес;

• влажность;

• границы текучести и раскатывания;

• усадка;

• липкость;

• структурная связность;

• водопроницаемость.

Гранулометрический состав грунта характеризуется наличием в породе фракций разного размера. От данного свойства зависят и другие показатели грунта: пористость, влагоемкость, водопроницаемость и т.д.

Физические свойства грунтов также во многом зависят от показателя их объемного веса. Благодаря данному свойству можно определить структурно-текстурные особенности исследуемого грунта. Также данный показатель проектировщики используют с целью вычисления природного давления горных пород на подпорную стенку, в частности для оползневых склонов и устойчивости откосов. В лабораторных условиях величина объемного веса используется для расчета коэффициента пористости и просто пористости грунта.

При изменении влажности существенно меняются физические свойства грунтов глинистых, а именно: пластичность и консистенция. Глинистые грунты имеют особенность переходить из одного состояния в другое (из твердого в полутвердое, далее в пластичное и текучее), поэтому очень важно детально исследовать эти грунты на влажность и по возможности спрогнозировать изменение их состояния в ходе эксплуатации и при различных геологических условиях.

Водопроницаемость, влагоемкость и водоотдача также являются важными физическими свойствами грунтов, поскольку показывают особенности конкретных грунтов при взаимодействии их с подземными водами. На территории России уровень грунтовых вод по большей степени является завышенным, что приносит свои последствия. Зная физические свойства грунтов можно заранее разработать на участке под строительство дренажную систему либо другие защитные меры.

7 Главнейшими физическими свойствами этих пород является плотность и пористость, кроме того у полускальных пород имеет значение влажность. Для характеристики физического состояния скальных и полускальных пород решающее значение имеют: степень их выветрелости, трещиноватости и закарстованности.

Водные свойства главнейшие: водоустойчивость, влагоемкость и водопроницаемость.

Водоустойчивость характеризуется в первую очередь их размягчаемостью. Любые горные породы, в том числе и кварцит, базальт и др. при насыщении водой размягчаются и теряют свою прочность.

Водопроницаемость. Скальные породы проницаемы только по трещинам. В полускальных – движение воды происходит как по трещинам, карстовым полостям и другим сверхкапиллярным пустотам, так и отчасти при соответствующих напорах – по микротрещинам и порам.

Механические свойства скальных и полускальных пород характеризуются также прочностью и деформируемостью.

Прочность скальных и полускальных пород принято выражать и оценивать временным сопротивлением сжатия, растяжению, сдвигу (скалыванию) и реже изгибу.

Полускальные породы (песчаники и алевролиты с глинистым цементом, глинистые сланцы, аргиллиты, глинистые известняки, доломиты и мергели и др.) отличаются от скальных пород пониженными прочностью и сопротивляемостью деформациям.

Деформации полускальных пород в обычных условиях до сравнительно небольшого значения нагрузки бывают упругими, затем когда нагрузка превышает предел пропорциональности, деформация растет быстрее нагрузки, получает развитие упруго-вязкие или остаточные пластические деформации.

Имеются дополнительные характеристики физико-механических свойств скальных и полускальных пород. Такие как: крепость горных пород, твердость, истираемость, износ, абразивность, буримость, морозоустойчивость и др.

8 Грунты представляют собой совокупность твердых частиц, пространство (поры) между которыми полностью или частично заполнено водой. Одной из основных характеристик грунта, которая во многом определяет их свойства, является гранулометрический (зерновой) состав [207]. Нижние границы гранулометрических составов фунтов показаны на рис. 7.1. Название отдельных фракций грунтов зависит также и от состояния поверхности частиц. Мелкозернистыми называют частицы диаметром d2 мм. Если крупнообломочные частицы имеют окатанную поверхность, их называют гравийногалечниковыми и валунными, а если они имеют неокатанную (угловатую) поверхность соответственно дресвяными, щебенистыми или рваным камнем.

Часто основание плотины бывает представлено разнозернистыми грунтами, представляющими смесь мелко и крупнозернистых фракций. Среди разнозернистых грунтов моренные грунты или материал конуса выноса имеют глинистые фракции. При отсутствии глинистых фракций образуются сыпучие крупнообломочные грунты: песчаногравийные, гравийногалечниковые, пес чаногравийногалечниковые. Горная масса также крупнообломочный грунт продукт деятельности человека, обычно не встречается как основание, но часто используется в грунтовых конструкциях (в грунтовых плотинах и насыпях другого назначения).

Разнозернистостъ грунта устанавливается коэффициентом разнозернисто стн (неоднородности)

Разнозернистость может устанавливаться и по другим характерным диаметрам, в этом случае коэффициент будет иметь соответствующие индексы.

Принято считать, что если ц 3, то неоднородный. Все сыпучие грунты при отсыпке (в дренажные сооружения или в тело плотины) расслаиваются, но расслоением пренебрегают, если

При отсыпке сыпучего грунта в воду (или камня под воду), однородным можно считать грунт с п

Мелкозернистые грунты, которые в гранулометрическом составе имеют глинистые частицы (d

Имеются предложения оценивать число пластичности только на основании №т как более точно определяемой величины.

Каждая из этих классификаций имеет достоинства и недостатки и может использоваться как самостоятельно, так и дополняя друг друга. Классификация по гранулометрическому составу позволяет быстро оценить тип грунта при отсутствии данных о числе пластичности. Оценка границы текучести по формуле (7.3) позволяет определить наличие органических примесей в грунте еще до проведения соответствующих экспериментов.

Для численной оценки консистенции мелкозернистых грунтов введен показатель консистенции глинистых грунтов

Инженерно-геологические изыскания засоленных грунтов

Инженерно-геологические изыскания засоленных грунтов - цикл статей. ...  Засоленными называются грунты, содержащие солевые включения в ... http://stroyfirm.ru/articles/grunt.html

Глинистые грунты, находящиеся в начальной стадии формирования, часто называют илами. Они обычно содержат органические вещества. В соответствии с числом пластичности илы, так же как и глинистые грунты, делятся на супесчаные, суглинистые и глинистые. Отличительной особенностью илов является малая плотность сложения, влажность илов превышает влажность на пределе текучести, т.е. 4>1. Илы обладают структурной прочностью, и если эти связи разрушить, они переходят в текучее состояние.

Другой разновидностью глинистых грунтов являются лессовые грунты грунты чаще всего эолового происхождения с преобладающим количеством пылеватых фракций. Лессовые грунты обычно имеют коэффициент водонасы щения значительно ниже 1, а пористость выше 50%. Лессовые грунты оснований обладают фильтрационной анизотропией (в вертикальном направлении коэффициент фильтрации существенно выше, чем в горизонтальном) и характеризуются просадкой при замочке, особенно при нагрузках больших, чем от собственного веса.

Форма частиц влияет на многие свойства мелкозернистых грунтов: на взаимодействие минералов с водой и на плотность грунта (следовательно, и на пористость и прочность). Одним из критериев оценки формы частиц является отношение их характерных размеров. Количественно форму устанавливают только для крупнозернистых грунтов.

Минералогический состав грунта в совокупности с гранулометрическим определяют свойства грунтов. Основные соединения, образующие минералы, это кремнезем Si02, глинозем А120з, окись железа Fe203, а также окислы MgO, СаО, Na20, К20. По минералогическому составу в грунтах различают фракции, представленные первичными или вторичными минералами. Первичными минералами являются обломки скальных пород, обычно это крупнозернистые фракции.

9 Почвы по зерновому составу являются суглинками или супесями и образуются под воздействием всех видов выветривания. По определению В. В. Докучаева, почвы следует рассматривать как наружные (или дневные) горизонты горных пород, измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмами. Мощность почвенного слоя, как правило, составляет 40. 50 см. Почвы вследствие размокаемости, низкой прочности обычно не используются в качестве оснований сооружений. Исключение составляют погребенные почвы, залегающие в толщах лёссовых пород. Поскольку погребенные почвы значительное время находятся под давлением лёссового грунта, они по своим свойствам близки к вмещающим их породам и могут быть использованы в качестве оснований сооружений.

Искусственные грунты создаются в результате строительной и производственной деятельности человека или путем целенаправленного улучшения свойств определенных видов грунтов. Методами улучшения свойств грунтов занимается техническая мелиорация. Она широко применяется в строительстве в целях искусственного изменения инженерно-геологических свойств грунтов. По способу преобразования грунтов ГОСТ 25100 - 82 подразделяет все методы на уплотнение песчаных грунтов трамбованием, укаткой, осушением, кольматацией и., т. д. и уплотнение пылеватых и глинистых, биогенных грунтов и почв с использованием электроосмоса, поверхностно-активных веществ, оттаивания, трамбования и т. д. Искусственными являются также насыпные и намывные грунты. ,

Насыпные труты могут специально создаваться в строительных целях (грунтовые подушки, насыпи, дамбы и др.) образуются в результате производственной или культурно-бытовой деятельности человека. Значительное распространение - имеют культурные слои, накопление которых происходит в результате отвалов при благоустройстве территории, производстве земляных работ и т. д.

Возможность использования насыпных грунтов в качестве оснований сооружений должна рассматриваться в каждом случае конкретно в зависимости от мощности слоя, плотности, состава И т. д. Что касается бытовых свалок, то возведение зданий на них чаще всего не представляется возможным.

Гидравлический способ укладки устройства намывных грунтов обеспечивает высокую плотность, близкую к природной. Такие грунты, как правило, являются надежным основанием зданий и сооружений.

10 МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД (а. massif, block, rock mass, solid mass, solid strata; н. Gesteinskorper, Gesteinsmasse; ф. massif, masse rocheuse; и. macizo, macizo virgen, macizo de rocas) — участок земной коры, характеризующийся общими условиями образования и определёнными инженерно-геологическими свойствами слагающих его горных пород.

Массивы отличаются особенностями залегания и степенью нарушенности (трещиноватостью и блочностью) слагающих горных пород, минералогическим составом, текстурой и пористостью горных пород, наличием жидких (вода, нефть,рассолы) и газообразных (метан и др.) включений, их связью с твёрдыми составляющими, а также показателями геомеханического (действующие силы, напряжения и деформации гравитационного, тектонического и техногенного происхождения) и физического (эрозионные процессы и др.) состояния. Выделение массива горных пород производится путём инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, масштабы которых устанавливаются в зависимости от поставленных целей при решении научных проблем и прикладных задач разработки месторождений полезных ископаемых и строительства. Массивы горных пород в горном деле — участок развития физико-механических явлений и процессов в результате воздействия естественных или искусственных факторов при ведении горных работ, а также при возведении различных сооружений. При этом к естественным воздействиям относятся гравитационные и тектонические напряжения, а к искусственным — напряжения и силы, вызванные подработкой массива, отпором крепи выработок, давлением фундаментов и др. Характеристики состояний и свойств пород массива определяют условия ведения горных работ, возведения сооружений; они являются основанием при проектировании горных работ.  Особенностью массива горных пород как среды действия прикладываемых сил, напряжений, развития деформаций, сдвижений и разрушений является его неоднородность: деформации сосредотачиваются преимущественно в ослабленных элементах структуры массива (в трещинах и др.), в меньшей мере деформируются блоки монолитной породы, ограниченные трещинами. Разрушение пород происходит, как правило, с образованием в направлениях максимальных значений касательных напряжений сдвиговых поверхностей скольжения, формирующихся в виде зон образования и согласного поворота примыкающих друг к другу призмообразных элементарных породных блоков. Сопротивление этому сдвигу обусловлено сопротивлением разрушению горных пород при оформлении блоков, а также сопротивлением разрыхлению при их повороте. В случаях близкой взаимной ориентировки максимальных касательных напряжений и протяжённых поверхностей ослабления массива развитие деформаций и разрушения происходит преимущественно в плоскости этого ослабления.

11 Термин «выветривание», широко вошедший в литературу, не отражает существа и сложности природных процессов, определяемых этим понятием. Неудачный термин привел к тому, что у исследователей нет единства в понимании его по существу. Во всяком случае, выветривание никогда не следует смешивать с деятельностью собственно ветра и других экзогенных факторов.

Выветривание представляет собой совокупность процессов физического разрушения и химического разложения минералов и горных пород на месте их залегания, вызванных колебанием температуры, химическим воздействием воды, газов – кислорода и углекислоты (находящихся в атмосфере и растворенных в воде), биохимическим воздействием организмов в процессе их жизнедеятельности и продуктов их разложения после отмирания. В верхней части земной коры, где горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, они претерпевают значительные и разнообразные изменения в своем составе и состоянии. Преобладающее большинство горных пород образовалось в специфических термодинамических условиях в глубине Земли, в зонах активности магмы и процессов метаморфизма, или же на дне моря. Попадая на земную поверхность, они оказываются в новой физико-химической обстановке, становятся неустойчивыми и под воздействием различных факторов начинают разрушаться. Это изменение горных пород протекает различно. В одних случаях оно сводится к распадению горной породы на обломки различной величины или даже на отдельные составляющие ее минералы. В других же случаях под влиянием ряда химических агентов происходит коренное изменение минералов и горных пород с появлением совершенно новых, отличных от первоначальных минералов. В зависимости от факторов, воздействующих на горные породы, и результатов этого воздействия процессы выветривания с некоторой условностью подразделяются на два типа:

1) физическое выветривание,

2) химическое выветривание.

Оба типа выветривания теснейшим образом связаны друг с другом, действуют совместно и одновременно, и только интенсивность проявления каждого из них неодинакова. Она зависит от климата, рельефа, тектоники, продолжительности процесса, состава горных пород и других факторов. Иногда выделяют третий тип –органическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводится или к физическому, или к химическому процессам. Следовательно, органическое выветривание можно отнести к выделенным типам.

12 Эндогенные процессы проявляются в движениях блоков литосферы, изменениях характера залегания слоев горных пород, а также в процессах землетрясений, магматизма и метаморфизма. Энергетическим источником эндогенных процессов почти исключительно является внутреннее тепло Земли. В своей совокупности эндогенные процессы ведут к формированию главнейших структур земной коры и литосферы. Наука, изучающая строение земной коры и литосферы, геологические структуры и особенности их развития и распространения называется тектоникой.

Тектонические движения проявляются в механических перемещениях блоков литосферы. По направлению движения их разделяют на вертикальные и горизонтальные; по скорости на медленные и быстрые; по времени протекания на неотектонические (происходили в кайнозое, или даже в мезозое – кайнозое) и собственно тектонические(тектонические движения более древних этапов развития Земли). В свою очередь, среди неотектонических движений выделяют современные, которые происходили в историческое время.