u_lectures

Модуль № 2 «Инженерная геология»

Раздел 4. Инженерная петрология

Тема 4.1. Основы грунтоведения

План:

4.1.1.Предмет и содержание инженерной геологии

4.1.2.Региональная инженерная геология

4.1.3.Физико-механические свойства горных пород и методы их искусственного улучшения

4.1.4.Горно-геологические массивы

4.1.1. Предмет и содержание инженерной геологии

Возникновение инженерной геологии и ее развитие были связаны со строительством различных объектов. Инженерная геология является одной из древнейших наук. Человек всегда выбирал благоприятные условия для строительства, учитывая рельеф местности, геологическое строение и другие естественные условия.

Началом научных исследований и обобщения накопленного материала инженерно-геологического характера считаются первые десятилетия XIX века. Оно было связано с развитием промышленного капитализма в Европе и России. С началом 20-х годов XIX века к решению инженерно-геологических задач стали привлекаться геологи, и условия строительства уже определялись

спозиций геологической среды [2].

Вначале 20-х годов XX века инженерная геология включала два направления: грунтоведение и механику грунтов. Большое значение для развития грунтоведения имели работы П.А. Земятчинского, М.М. Филатова, В.В. Охотина, В.А. приклонского, Б.М. Гуменского, И.В. Попова и др.

Механика грунтов возникла на стыке физико-механических, строительных и геологических наук. Она рассматривает общие закономерности, которые вытекают из применения к горным породам законов теоретической и строительной механики.

Всоветское время большой вклад в развитие инженерной геологии как науки внесли Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский, Н.Ф. Погребова, Н.Н. Маслова, Е.В. Милановский и др.

Ф.П. Саваренский определил инженерную геологию как отрасль геологии, он указывал, что инженерная геология «должна изучать геологические процессы и физико-технические свойства горных пород, определяющие условия возведения сооружений и направление инженерно-геологических мероприятий по обеспечению устойчивости земляных масс».

101

Инженерно-геологическая оценка территории, выбранной для строительства, определяется, прежде всего, геологическим строением. Инженерная геология занимается изучением условий строительства, выбором для строительства лучших участков, дает рекомендации по обеспечению устойчивости сооружений и нормальных условий их эксплуатации, а также изучением и прогнозом тех явлений, которые могут возникнуть под воздействием этих сооружений.

Таким образом, инженерная геология – это наука о геологических условиях строительства различных сооружений и хозяйственного использования территорий.

Инженерная геология включает следующие разделы:

1.Инженерная петрология, которая изучает состав, строение и физикомеханические свойства горных пород. Основная задача инженерной петрологии – изучение природы свойств горных пород;

2.Инженерная геодинамика, которая изучает процессы как естественные, так и возникшие в результате строительства;

3.Специальная инженерная геология, которая изучает условия строи-

тельства промышленных, гражданских, подземных и других сооружений, методику исследований и способы улучшения свойств пород;

4.Региональная инженерная геология, которая изучает геологические условия отдельных областей и постановки специальных исследований.

Материалы инженерно-геологических исследований обычно служат обоснованием проекта.

Инженерно-геологические исследования должны быть комплексными. Количественная оценка каждого фактора и явления должны позволять наметить мероприятия, обеспечивающие устойчивость проектируемых сооружений.

Теоретические задачи инженерно-геологические исследований:

1.Изучение горных пород как грунтов, которые могут служить естественным основанием и средой для строительства;

2.Изучение геологических процессов и явлений, влияющих на инженерную оценку территории;

3.Изучение территории с целью выявления закономерностей изменения инженерно-геологических условий для рационального планирования размещения крупного строительства;

4.Изучение инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых с целью обоснования проектов строительства горных предприятий;

5.Разработка новых и совершенствование существующих полевых методов инженерно-геологических исследований;

6.Изучение эффективности существующих и разработка новых инженерных мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений.

102

Для решения названных задач в инженерной геологии используются достижения математики, механики, физики, химии, геологии и гидрогеологии. Для оценки инженерно-геологических условий используются различные методы: геологические; аналогии (геологического подобия); моделирования; расчетно-теоретические.

4.1.2. Региональная инженерная геология

Как уже отмечалось, региональная инженерная геология изучает закономерности формирования и распространения по территории инженерногеологических условий, которые формируются не только под влиянием естественных процессов, но и в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека [12].

Задачей региональной инженерной геологии является выделение территорий с близкой геологического историей развития и, следовательно, с сопоставимыми инженерно-геологическими условиями. Основными вопросами, подлежащими изучению, являются геологические структуры, состав пород, тектоника, строение рельефа, климат, гидрогеологические условия, геологические и инженерно-геологические процессы и явления.

Для изучения этих условий проводятся комплексные обзорные и мелкомасштабные съемки 1:100 000 – 1:500 000 масштабов. Глубинность инже- нерно-геологической съемки определяется ее целью и основными задачами. Следует различать глубинность изучения инженерно-геологических условий и глубинность горно-буровых работ. Общая глубинность должна быть достаточной для того, чтобы понять геологическую историю изучаемой территории и выявить связи компонентов приповерхностных инженерногеологических условий с глубоко залегающими породами, подземными водами, многолетнемерзлыми толщами, эндогенными и некоторыми экзогенными геологическими процессами. Для этой цели широко используются материалы предшествующих геологических и гидрогеологических съемок, а также данные геофизических исследований.

Глубинность горно-буровых работ в каждом конкретном районе определяется отдельно в зависимости от изученности территории и взаимосвязей отдельных компонентов инженерно-геологических условий. Общее для всех районов требование – изучение такой толщи горных пород, которая может быть вовлечена в сферу воздействия инженерных сооружений массового строительства. В большинстве случаев глубина картировочных выработок не должна превышать 10–20 м.

Государственное инженерно-геологическое картирование производится обычно в масштабе 1:200 000. Однако в районах с простыми инженерногеологическими условиями этот масштаб может быть уменьшен до 1:500 000, в районах со сложными условиями – увеличен до 1:100 000.

103

Сложность инженерно-геологических условий определяется следующим образом:

-Простые однородные геоморфологические условия – в геологическом строении верхней 10-метровой толщи принимают участие не более трех слоев горных пород, различных по номенклатуре, возрасту, генезису с горизонтальным или пологим залеганием. Уровни грунтовых вод выдержаны по площади. Горные породы находятся в талом состоянии. Современные геологические процессы не развиты;

-средней сложности неоднородные геоморфологические условия – в геологическом строении верхней 10-метровой толщи принимают участие более трех слоев горных пород, часто залегающих наклонно или выклинивающихся. В слоях одного и того же номенклатурного виды возможны включения прослоев и линз других видов. Положение уровня грунтовых вод испы-

тывает значительные колебания по площади. Температура многолетнемерзлых пород ниже – 30С. Современные геологические процессы развиты незначительно на ограниченных участках. Деформации существующих сооружений редки и незначительны;

-сложные условия отличаются теми же признаками, но, кроме того, многолетнемерзлые горные породы имеют температуру до – 30С. Современные геологические процессы, имеющие существенное инженерное значение, развиты широко, а деформации существующих сооружений часты и значительны.

Минимальные размеры объектов, изображаемых на картах масштаба

1:200 000 – 0,36 км2; 1:100 000 – 0,1 км2 и 1:500 000 – 2,25 км2. Объекты, осо-

бенно важные в инженерно-геологическом отношении, картируются независимо от их размеров, и при малых величинах показываются внемасштабным знаком. Точность проведения границ на картах ± 1 мм. Государственная ин- женерно-геологическая карта масштаба 1:200 000 (1:100 000–1:500 000) составляется в полистной разграфке.

По своему назначению эти карты предназначены для использования организациями, планирующими и проектирующими строительство объектов народного хозяйства. Все эти организации руководствуются Строительными нормами и правилами (СНиП) [15].

Для масштабов 1:100 000 – 1:500 000 эти сведения могут быть менее детальными, чем те, которые используются непосредственно при проектировании отдельных сооружений, но преемственность в содержании среднемасштабных и крупномасштабных карт должна быть соблюдена. Эта информация включает сведения о геологическом строении, петрографическом составе, состоянии и физико-механических свойствах горных пород, о гидрогеологических условиях, о неблагоприятных современных геологических процессах и явлениях.

Горные породы являются основными объектами изучения инженерной геологии. В конечном счете, исследования горных пород направлены на изу-

104

чение их прочности, деформируемости и водопроницаемости. Эти свойства пород определяются условиями их залегания, составом, структурой и текстурой. При изучении горных пород соблюдается определенная последовательность:

1. Изучение разреза в деталях в пределах активной зоны под сооруже-

нием;

2.Выделение разностей пород, отличающихся по петрографическим признакам и строительным качествам;

3.Изучение физического состояния и физико-механических свойств

пород;

4.Изучение пород в естественном залегании при естественном сложении и влажности;

5.Учет изменения состояния под влиянием сооружений;

6.Широкое применение специальных лабораторных методов.

Грунт – это условное прикладное наименование любой горной породы, участвующей в строительстве. Все грунты систематизируются по определенным признакам.

В инженерной геологии классификация является методом познания. Классификации горных пород необходимы:

1.для разделения всех горных пород на группы, различающиеся по происхождению, петрографическим признакам и строительным качествам;

2.для построения разрезов карт;

3.для определения состава, объема, методики и направления инженер- но-геологического изучения горных пород;

4.для выбора метода изучения свойств горных пород.

Классификации бывают специальные и общие. Общие предназначены для различных отраслей строительства, разработаны с учетом нескольких или многих признаков горных пород. Специальные применяются для конкретного вида строительства. Породы систематизируются по признакам, первостепенным для каждого вида строительства. Из специальных классификаций наиболее распространены следующие:

1.по устойчивости пород в бортах карьера;

2.по несущим способностям;

3.по трудности разработки;

4.по коэффициенту М.М. Протодьяконова.

Инженерно-геологическая классификация должна основываться на учете генетических и петрографических особенностей пород и их физикомеханических свойств. По этим признакам Ф.П. Саваренский и в последующем В.Д. Ломтадзе предложили все горные породы разделить на 5 групп по физико-механическим свойствам:

1. Твердые породы –скальные (магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы);

105

2.Относительно твердые – полускальные (те же генетические разности пород, но выветрелые, трещиноватые, имеющие пониженные показатели фи- зико-механических свойств);

3.Рыхлые несвязные породы (пески, гравий, галечники);

4.Мягкие связные породы (глины, суглинки, супеси, лессовые породы);

5.Породы особого состава, состояния и свойств (мерзлые породы, пес- ки-плывуны, торфы, почвы и т.д.).

4.1.3. Физико-механические свойства горных пород и методы их искусственного улучшения

Физико-механическими свойствами называются такие, которые опреде-

ляют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости [4].

Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород в условиях естественного залегания в откосах или в отвалах.

Водные свойства проявляются в отношении горных пород к воде, т. е. в способности изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой.

Механические свойства определяют поведение горных пород при воздействии на них внешних усилий – нагрузки.

Физико-механические свойства пород отражают те изменения, которые горные породы претерпели в истории их геологического развития под влиянием процессов выветривания, гравитационного и геохимического уплотнения, тектонических сил и т.д.

Физико-механические свойства определяются, прежде всего, генетическим типом пород и особенностями их состава, поэтому инженерногеологическая оценка выделенных в классе групп пород отличается по ряду показателей.

При исследовании скальных и полускальныхпород изучаются генетические типы и их петрографическая характеристика, вещественный состав, структура и текстура, условия залегания, напряженное состояние, трещиноватость и выветрелость.

Качественное отличие каждого типа тесно связано с условиями образования и существованием в земной коре. Формирование магматических и метаморфических пород происходит в особых термодинамических условиях, создающих большое внутреннее напряжение сжатия при постоянном влиянии внешних тектонических движений. Внутренние напряжения сохраняются в горных породах в течение нескольких геологических эпох.

Осадочные породы претерпевают сложный процесс от образования исходного материала, его переноса, накопления и преобразования в результате диагенеза. Прочность и устойчивость осадочных сцементированных горных пород зависит от состава слагающих их компонентов, а также от состава це-

106

мента, типа цементации структурных и текстурных особенностей, количества и состава примесей и включений, степени выветрелости и трещиноватости.

При изучении физико-механических свойств скальных и полускальных пород необходимо помнить, что в объеме любой породы выделяется объем минеральной части – ее скелет V1 и объем пор, пустот, каверн, трещин V2, частично или полностью заполненных водой или воздухом (рис. 22).

Рис. 22. Схематическое изображение соотношения объема минеральной части (скелета m) и объема пор n в единице объема горных пород:

1 – скальных; 2 – полускальных; 3 – рыхлых несвязных; 4 – мягких связных; 5 – торфа

Общий объем пустот в породе определяет ее скважность, а часть пустот, имеющих капиллярные (диаметр пор < 1 мм, ширина трещин < 0,25 мм) или субкапиллярные размеры (диаметр пор < 0,0002 мм, ширина трещин < 0,0001 мм) выражают их пористость.

Скальные и полускальные породы. Физические свойства скальных и полускальных пород характеризуются удельным весом, объемным весом, пористостью, а для полускальных пород и влажностью.

Удельным весом горной породы называют вес единицы объема ее твердой части – скелета. Численно удельный вес γу равен отношению веса твердой части породы g1 к ее объему V1: у = .

Единицей измерения удельного веса служит грамм-сила на кубический сантиметр Г/см3. Удельный вес горной породы с допустимой для практических целей точностью численно равен плотности ее скелета. Плотность горной породы есть ее масса в единице объема г/см3.

Объемный вес породы (γ) – это вес единицы объема горной породы естественного сложения и влажности, численно равен отношению веса породы

107

Кроме удельного и объемного веса иногда определяют объемный вес скелета породы, под которым понимают вес единицы объема твердой части

(скелета) породы естественного сложения:

с =

Пористость и влажность характеризовались в главе 1.2.1.

Водные свойства скальных и полускальных пород характеризуют их поведение при взаимодействии с водой и оцениваются водоустойчивостью, влагоемкостью и водопроницаемостью. Два последних свойства были охарактеризованы в главе 1.2.1, остановимся подробнее на водоустойчивости.

Водоустойчивость скальных и полускальных пород характеризуется размягчаемостью.

Размягчаемость оценивают коэффициентом размягчаемости Kр, численно равным отношению временного сопротивления сжатию образца породы после насыщения водой Rсж.в к временному сопротивлению сжатию до насыщения водой Rсж.с: =

р ссжж..вс.

Коэффициент размягчаемости выражают в долях единицы и вычисляют с точностью до 0,1. Для скальных пород он обычно меньше 0,9, у полускаль-

ных – 0,5.

Механические свойства, как указывалось выше, характеризуют поведение горных пород под нагрузкой и проявляются в сопротивлении разрушению (прочность) и деформации.

Свойство горных пород сопротивляться разрушению и образованию больших остаточных деформаций под действием нагрузки называется проч-

ностью.

Свойство горных пород изменять под нагрузкой форму сложения и объем без изменения массы называется деформацией.

Прочность скальных и полускальных пород принято выражать и оценивать временным сопротивлением сжатию, растяжению, сдвигу. Отношение нагрузки Pпр к первоначальной площади образца F0 характеризует предел прочности:

пр = пр, кг/см2.

При напряжениях, не превышающих Rпр деформации упругие. Прочность скальных и полускальных пород определяется их вещест-

венным составом и характером структурных связей.

108

Деформации в скальных и полускальных породах протекает поразному. В скальных породах они упругие, обратимые, в полускальных породах наряду с упругими деформациями возникают пластические остаточные.

Упругие деформации характеризуются= модулем упругости: , кг/см2,

εгде E – модуль упругой деформации; σ – нагрузка, вызывающая деформацию; z – относительная продольная деформация.

Поперечные деформации определяются коэффициентом Пуассона - коэффициентом пропорциональности между относительными поперечными деформациями ex и относительными продольными деформациями. Для скальных и полускальных пород коэффициент Пуассона изменяется от 0,1 до 0,4.

Наибольшее значение для оценки деформаций имеет модуль общей деформации:

о = о, кг/см2.

Модуль общей деформации выражает пропорциональность между общими деформациями породы (упругими и остаточными) и вызывающими их напряжениями.

Механические свойства горных пород, проявляющиеся при изменении напряженно-деформируемого состояния во времени, называются реологиче- скими. Эти деформации характерны для полускальных пород. При медленном приложении нагрузок упругость и прочность их снижаются, для них характерно развитие упруго-вязких и пластичных деформаций при постепенно возрастающих или даже постоянных нагрузках, менее разрушающих.

Способность полускальных пород изменять свои механические свойства и деформироваться во времени определяет развитие различных процессов: осадку сооружений, их подвижки, развитие оползневых явлений, деформацию природных склонов и т.д.

При решении различных инженерно-геологических задач, связанных с проектированием и строительством сооружений, разработкой месторождений полезных ископаемых и др. для оценки физико-механических свойств скальных и полускальных пород интерес представляют следующие характеристики

[4]:

1.Минеральный состав, структурные и текстурные особенности;

2.Условия и формы залегания пород, характеристика напряженного состояния;

3.Общее строение – структура массива, отражающая их неоднородность и анизотропность;

4.Физические свойства;

109

5.Водные свойства;

6.Механические свойства.

7.Дополнительные специальные характеристики.

Дополнительные характеристики называют производственными, строительными, горнотехническими. К числу специальных характеристик относят:

Крепость горных пород – сопротивление разрушающим усилиям. Коэффициент крепости – это сопротивление раздавливанию кубика горной породы, равное 100 кг/см2.

= сж .

Твердость характеризуется сопротивлением, оказываемым горной породой при проникновении в нее другого тела. Определяется по шкале Мооса.

Истираемость, износ, абразивность – используются при изысканиях для строительства дорог. Определяется путем испытания образца на вращающемся круге для истирания. Должна быть не более 0,4 г/см2.

Износ – прочность щебня. Потеря в весе после испытания в барабане Деваля не должна превышать 4–10 %.

Разрабатываемость – сопротивление разрушению при различных рабочих процессах (копке, бурении, взрывании и т.д)

Буримость – сопротивляемость горных пород разрушению инструментом в процессе бурения. Показатель буримости – длина шпура (мм, см) пробуренного за 1 мин чистого времени бурения.

Разрыхляемость – увеличение объема пород в результате рыхления. Определяют коэффициент разрыхления.

Морозоустойчивость – способность горных пород сохранять физическое состояние и прочность при воздействии отрицательных температур. Морозоустойчивость определяют в морозильных камерах путем 15 – 25-кратного замораживания и оттаивания горных пород. Прочность может снижаться не более чем на 20–25 %.

Рыхлые несвязные и мягкие связные породы. При изучении этих классов пород особенно важно выделение генетических типов пород и их состава.

По происхождению мягкие связные и рыхлые несвязные породы можно разделить на три группы: континентальные, морские и лагунные. Особенно большим разнообразием характеризуются континентальные отложения. К ним относятся элювиальные, делювиальные, коллювиальные, аллювиальные, пролювиальные, ледниковые, водно-ледниковые, озерные, болотные, эоловые и антропогенные образования.

Каждый из выделенных классов характеризуется определенными условиями накопления и формирования структурных связей, а, следовательно, и

110