Инженерная геология является отраслью геологии, изучающей динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерной деятельностью человека /И.В.Попов/
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

ВВЕДЕНИЕ

Возрастание значимости инженерно-геологических исследований как части геологоразведочных работ и расширение их задач отражены в последних инструктивных документах (Положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям МПР РФ, ВИЭМС, 1999, Рекомендации по содержанию, оформлению и порядку представления на государственную экспертизу материалов подсчета запасов металлических и неметаллических полезных ископаемых. МПР РФ, ГКЗ, 1998), в Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых (1997). Согласно Инструкций требуется полная изученность месторождения, в том числе изученность инженерно-геологических условий, с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, необходимых для составления проекта разработки месторождения с учетом требований природоохранного законодательства и безопасности ведения горных работ.

Таким образом, инженерно-геологическое изучение месторождений является составной частью геологоразведочных работ и должно проводиться одновременно с ними в соответствии с принятой стадийностью. Исследования должны обеспечивать получение полной и достоверной информации для решения основных задач соответствующей стадии геологоразведочных работ.

Студентам геологоразведочного факультета, специальностей 080100, 080600, 080500 читается краткий курс инженерной геологии, целью которого является ознакомление студентов с основными понятиями и структурой науки, содержанием главных направлений в современной инженерной геологии. Курс состоит из четырех лекций, дополненных практическими занятиями.

В настоящем учебном пособии, в основу которого положен курс лекций, читаемых автором студентам геологоразведочного факультета, в краткой форме изложены основные положения инженерной геологии, приведена современная понятийная база, охарактеризованы цели, задачи, содержание главных направлений науки- грунтоведения и экзогеодинамики. В отдельную лекцию выделена тема инженерно-геологических исследований при разведке и разработке месторождений.

 

 

Лекция 1

Инженерная геология (предмет, содержание, структура науки, история возникновения, связь с другими науками, компоненты инженерно-геологических условий, методы получения информации).

Масштабы и интенсивность строительной и хозяйственной деятельности человека стремительно возрастают. Широко известны примеры создания в нашей стране таких уникальных сооружений как массивные бетонные плотины Саяно-Шушенской, Красноярской и Братской ГЭС высотой более 100м, в бывшем СССР арочная плотина Ингури ГЭС (270 м), каменнонабросная плотина Нурекской ГЭС (300 м), каналы Каракумский канал длиной более 1000 км, Иртыш-Караганда (около 450 км), грандиозные транспортные системы и объекты.

Не менее интенсивна деятельность человека и в связи с добычей полезных ископаемых: в России действуют десятки железнорудных и угольных карьеров глубиной более 150м , проектируются карьеры глубиной более 600м. Объемы земляных работ при строительстве и добыче полезных ископаемых соизмеримы с геологическими процессами, протекающими на Земле. Например, только выемка грунта при гидротехническом строительстве и добыче полезных ископаемых ежегодно составляет многие миллионы кубических метров, что вполне сопоставимо с результатами деятельности такого природного процесса, как речная эрозия. В состав многих гидротехнических сооружения входят плотины и дамбы из местных материалов: каменно-земляные, намывные из песка и гравийно-песчаной смеси, насыпные из различных грунтов. Объем материала Нурекской плотины составляет 56 млн.м3. Суммарные объем грунта, образующего дамбы (их общая длина более 12,5км), входящие в напорный фронт плотины Горьковской ГЭС на р. Волге составляет 15 млн.м3.

 В.И.Вернадский в работе «Несколько слов о ноосфере», (ноосфера - сфера разума) в 1944 году, указывал, что с появлением человека, несомненно, возникла новая огромная геологическая сила на поверхности нашей планеты. Деятельность человека противоречива: в одних случаях она созидательна, а в других разрушительна, так как приводит к нарушению природного равновесия и вызывает развитие геологических процессов, изменяющих геологическую среду.

Геологическая среда - это окружающие нас геологические условия. /В.Д.Ломтадзе/. Геологическая среда возникает и изменяется во взаимодействии с атмосферой, гидросферой и внутренними сферами Земли. Изучают геологическую среду науки геологического цикла, в том числе и инженерная геология, для которой она является объектом исследований.

Инженерная геология

(Грунтоведение,

Экзогеодинамика,

Инженерно-геологические условия (ИГУ) - такие свойства геологической среды и такие происходящие в ней процессы, которые оказывают влияние на принятие тех или иных решений, определяющих размещение сооружений, выбор их типов и конструкций, способов строительства, методов ведения горных работ, методов эксплуатации, способов оптимального управления геологической средой /1/. Иначе: ИГУ - комплекс сведений о свойствах некоторого объема литосферы, учитываемых при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружения.

При инженерно-геологической оценке условий строительства, освоения территории приходится учитывать следующие свойства литосферы - компоненты инженерно-геологической условий:

- геоморфологическое строение и обусловленный им рельеф определяют выбор удобных мест для размещения сооружения, способов отработки месторождений, позволяют выявлять области развития ЭГП, составлять приближенную оценку сложности геологического строения;

-геологическое строение определяет условия залегания и генезис пород Залегание определяет устойчивость откосов, сдвижение пород, интенсивность развития инженерно-геологических процессов;

-тектоника и трещиноватость - элементы тектоники, новейшие тектонические движения, трещиноватость, определяют подвижность массивов пород, притоки вод, вывалы блоков в откосах и подземных выработках;

-минеральный и гранулометрический состав пород, их структура и физико-механические свойства оцениваются не сами по себе, а в связи с геологическим строением и со схемой приложения нагрузок, т.е. с типом, режимом и пространственной структурой взаимодействия сооружения с горными породами. Большое влияние оказывает анизотропия свойств горных пород;

-гидрогеологическое строение: кроме обычных гидрогеологических вопросов надо учитывать влияние подземных вод на характер изменения свойств горных пород, возникновение ЭГП (карст, суффозия, оползни, плывуны);

-экзогенно-геологические процессы (ЭГП) существенно влияют на тип и конструкцию сооружения, способы проведения строительства, условия эксплуатации сооружения. Нередко наличие активных проявлений проявлений какого-либо процесса является достаточным основанием для того, чтобы отказаться от размещения сооружения на территории, где он развит.

-геокриологические условия - необходимое и обязательное изучение при работе в криолитозоне.

Без знания ИГУ и их оценки невозможно грамотно составить любой проект строительства сооружения или разработки месторождения. В последнем случае нередко ИГУ определяют принципы разработки месторождения и его категорию.

Необходимость детальной оценки ИГУ месторождений полезных ископаемых резко возросла в последние десятилетия в связи со следующим:

1) хорошие, удобно залегающие месторождения выработаны (примеры: железнорудные месторождения Урала г.Высокая,г.Благодать);

2) потребности превышают разведку, поэтому забалансовые руды переводятся в балансовые, в том числе и те, которые не разрабатывались из-за сложных ИГУ;

3) разведываются месторождения, расположенные в сложных условиях криолитозон Сибири и Северо-Востока;

4) резко возросли требования к охране окружающей среды в связи с резким увеличением объемов и площадей нарушаемых земель и повышением числа горных выработок.

Понятие «сферы взаимодействия».

Инженерно-геологическая оценка условий строительства зависит не только от перечисленных выше свойств литосферы, но и от того, какое сооружение будет строиться. Одни и те же инженерно- геологические условия могут быть пригодными и непригодными (карьер и шахта, плотина и высокая дорожная насыпь).

Область литосферы, в пределах которой происходит взаимодействие между ее элементами и продуктами или орудиями человеческой деятельности, называется сферой взаимодействия («СВ»). Объем, конфигурация и структура и границы сферы взаимодействия зависит от назначения, типа и конструкции сооружения, условий его эксплуатации, характера проектируемой деятельности, и от свойств литосферы.

Выделяют следующие основные типы сфер взаимодействия:

1) с наземными сооружениями;

2) с подземными сооружениями и подземными горными выработками;

3) с открытыми котлованами, карьерами;

4) со скважинами;

5) с искусственными водоемами и водотоками.

Под структурой сферы взаимодействия сооружения с горными породами понимается ее строение, определяемое взаимодействием ее составных частей. Например, при подземной разработке, выделяются следующие зоны сферы взаимодействия: разгрузки, напряженного состояния, сдвижения пород над горной выработкой, изменения режима подземных вод.

Лекция 2

Экзогеодинамика ( инженерная геодинамика)

Экзогеодинамика - раздел инженерной геологии, изучающий экзогенные геологические процессы (ЭГП). Экзогеодинамика исследует формы движения геологической материи в пределах ее приповерхностной части в физическом времени в связи с осуществляемой и планируемой деятельностью человека./ 1 /.

 Экзогеодинамика выросла из динамической геологии, изучающей геологические процессы, эндогенные и экзогенные.

Эндогенные процессы связаны с внутренними силами Земли, их действие выражается в тектонических движения, в сейсмических и вулканических явлениях.

ЭГП - движение приповерхностной области литосферы в физическом времени, процесс изменения структуры и свойств горных пород, слагающих литосферу, проявляющийся в результате взаимодействия литосферы с другими сферами (гидросфера, атмосфера) или между элементами литосферы.

ЭГП, обусловленные взаимодействием литосферы с объектами или продуктами человеческой деятельности, называются инженерно-геологическими процессами (ИГП). Отличаются от других ЭГП - причиной возникновения, большей интенсивностью, большей скоростью протекания, большим разнообразием.

Процессы проявляются на поверхности раздела сред в виде явлений (физико-геологических явлений).

Динамическая геология изучает геологические процессы, протекающие независимо от деятельности человека и не оценивает влияние этих процессов на эту деятельность. Она изучает их для решения проблем обще-геологического характера. Экзогеодинамика изучает геологические процессы в связи с деятельностью человека, изучает возможность влияния развития процессов на объекты техногенной деятельности, для того чтобы не допустить возникновения нежелательных для человека геологических процессов, по возможности изменить их ход в желательном направлении. Динамическая геология и экзогеодинамика дополняют и обогащают друг друга.

Экзогеодинамика состоит из трех частей. В первой части рассматривается учение о движении геологической среды в физическом времени, обусловленное ее взаимодействием с внешними средами (общая Экзогеодинамика). Второй частью является учение о пространственных закономерностях проявления ЭГП (региональная Экзогеодинамика). Третья часть – учение об изменении свойств грунтов в физическом времени (динамическое грунтоведение).

Характер, набор и интенсивность взаимодействий геологической среды, в ходе которых реализуются ЭГП зависят не только от ее структуры и свойств, но и от свойств внешних сред, от характера деятельности человека. Характер инженерно-хозяйственной деятельности человека определяет набор, интенсивность и скорость инженерно-геологических процессов. Одним из самых распространенных и крупномасштабных видов инженерно-хозяйственной деятельности человека является добыча полезных ископаемых. Последствия инженерно - хозяйственного воздействия на геологическую среду при добыче полезных ископаемых представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние горно-технических факторов на геологическую среду

 

Вид деятельности Воздействие ИГП
Открытые горные выработки (Н до 500 м ) 1. Изменение ландшафта. 2. Изменение напряженного состояния массивов г.п. 3. Создание отвалов пустой породы. 4. Изменение режима ПВ 1. Деформации в бортах карьеров. 2. Деформации откосов отвалов. 3. Фильтрационное уплотнение грунтов. 4. Активизация карстовых и суффозионных процессов.  
Подземная шахтная разработка Н до 4000 м 1.Изменение напряженного состояния массива г.п. 2. Изменение режима и состава ПВ. 3. Изменение Т поля 1. Оседание земной поверхности (мульды проседания) 2. Деформации сводов в горных выработках. 3. Прорывы плывунов. 4. Активизация физико-химических процессов окисления, выщелачивания

 

Условия и причины возникновения ЭГП, цели и методы их изучения.

При характеристике любого ЭГП необходимо выявить условия его развития и причины возникновения. По Г.К.Бондарику /1/, под условиями ЭГП следует понимать фиксированный для конкретного процесса набор структур и свойств геологической среды, необходимый, но недостаточный для его возникновения и развития. Как правило, для развития ЭГП нужно не какое-нибудь одно условие, а комплекс условий.

Причины ЭГП разделяются на внешние и внутренние. Внешние причины ЭГП – это всегда другие процессы, развивающиеся во внешней среде – например: движение воздушных масс, выпадение атмосферных осадков, движение вод поверхностных водотоков, процессы жизнедеятельности организмов и преобразование органических остатков и т.п. Внутренние причины ЭГП - это другие процессы, развивающиеся внутри геологической среды, например движение подземных вод, миграция влаги, снижение напряжений вблизи поверхности, обусловливающее разуплотнение геологической среды и др.

Главные цели изучения ЭГП:

1. Учет наличия и оценка активности процессов и распространенности созданных ими форм для общей оценки инженерно-геологической обстановки;

2. Прогноз развития процессов, возможности возникновения новых проявлений процессов, скорости и конечные результаты.

3. Обоснование и выбор мероприятий по предупреждению процессов или по борьбе с их негативным влиянием

Методы изучения ЭГП (общие).

1. Разовое обследование. Инженерно-геологическая съемка с применением аэро- и космо- снимков.

2. Стационарные (режимные) наблюдения.

3.  Моделирование.

4. Полевое экспериментирование.

Классификация ЭГП.

При оценке инженерно-геологических условий территории будущего строительства инженер -геолог должен в обязательном порядке дать характеристику, протекающих в этом районе ЭГП и по возможности прогноз их развития в связи с будущим строительством, а также спрогнозировать возникновение инженерно-геологических процессов при данном виде освоения территории.

Для решения этой задачи необходимо иметь классификацию ЭГП. К настоящему времени предложено большое число общих и частных классификаций, касающихся всех процессов или одного из них ( так для оползневого процесса предложено около 100 классификаций). Общих классификаций предложено не очень много, наиболее известные следующие: классификация Ф.П. Саваренского , дополненная Н.В.Коломенским, классификации И.В.Попова и Г.К. Бондарика. 

Рассмотрим классификацию Ф.П.Саваренского, дополненную Н.В.Коломенским в 1956 г. В ней выделены геологические процессы по основным причинам их возникновения.

Таблица 3

Классификация экзогенных геологических процессов

Основные причины возникновения и развития процессов Процессы
1. Деятельность агентов выветривания Выветривание
2. Деятельность поверхностных вод (рек, морей, озер, водохранилищ) Речная эрозия Морская абразия Переработка берегов водохранилищ.  
3. Деятельность поверхностных и подземных вод. Заболачивание Просадки Карст
4. Деятельность подземных вод Суффозия. Плывуны.  
5.Деятельность подземных и поверхностных вод на склонах. Осыпи. Обвалы. Оползни.  
6. Промерзание и оттаивание грунта Пучение Термокарст Наледи
7. Действие внутренних сил Земли Сейсмические явления
8. Инженерная деятельность человека Осадка. Поверхностные и подземные деформации.

 

Выветривание.

Выветривание горных пород -геологический процесс взаимодействия горных пород, слагающих приповерхностную часть земной коры, с атмосферой, биосферой, искусственными компонентами природной среды в результате которого изменяются строение , состав, структурно-текстурные особенности и свойства горных пород, состав подземных вод и газов зоны гипергенеза. Протекает всегда на протяжение всей геологической истории на всей поверхности Земли.

В ходе взаимодействия происходит механическое разрушение, химическое разложение пород субстрата, псевдоморфное замещение, метасоматоз, и др. процессы, приводящие к возникновению новой минеральной ассоциации, устойчивой в данной термодинамической обстановке земной поверхности.

 Состав комплекса процессов выветривания зависит от региональных, зональных и техногенных факторов. Зональные факторы, прежде всего климатические, определяют механизм выветривания и его особенности. Породы субстрата в значительной степени предопределяют состав и строение продукта выветривания

Факторы физического выветривания - колебания Т0, промерзание- оттаивание, гидратация- дегидратация. Химическое выветривание происходит в результате гидролиза, выщелачивания, основным фактором является вода. Большое влияние на процесс выветривания в верхних слоях оказывает биохимический фактор.

Вследствие выветривания формируется элювиальные грунты (продукт процесса), слагающие кору выветривания - особые геологические тела, комплекс горных пород, образовавшихся в континентальных субаэральных условиях в результате физического и химического изменения исходных (материнских) пород верхней части литосферы. Коры выветривания различаются по возрасту образования: современные, древние, по конфигурации: линейные, площадные. Главные особенности коры выветривания:

· невыдержанное ни в латеральной плоскости, ни по мощности зональное строение без четко выраженных геологических границ с постепенным замещением одних горных пород другими с иным составом, структурой, текстурой;

· постепенное отмирание генетических признаков материнской породы и накопление черт, присущих осадочным горным породам.

· присутствие в пределах сравнительного небольшого по мощности интервала разреза горных пород полного спектра образований - от трещинных скальных до глин.

По степени дезинтеграции и изменения физико-механических свойств скальных грунтов в коре выветривания выделяют три зоны: А, Б, В.

Зона А - разрушенные, сильно выветрелые и разуплотненные породы. При легком ударе распадаются на мелкие обломки, щебень. Коэффициент выветрелости (отношение плотности образца выветрелой породы к плотности той же породы в невыветрелом состоянии) К < 0,8. Породы поддаются разработке простыми механическими способами, плохо укрепляются инъекциями.

Зона Б - среднесохраненные, отчасти выветрелые и разуплотненные массивы породы с отдельными расширенными трещинами, полностью или частично заполненными мелкоземом. К = 0,8-0,9. Поддаются укреплению инъекцией

Зона В - относительно сохранные, слабовыветрелые массивы г.п. К =0,9-1.0.

Практические инженерно-геологические задачи, решаемые при изучении кор выветривания:

· определение мощности выветрелых пород, подлежащих снятию при проектировании горных сооружений;

· выбор наиболее благоприятных участков для размещения сооружений;

· оценка устойчивости выветрелых пород на склонах, откосах;

· прогноз развития техногенного выветривания в бортах карьера;

· определение категорий разрабатываемости пород, условий и способов их вскрытия.

Пример техногенного выветривания - эксплуатация Березовского карьера строительного камня для Саратовской ГЭС в котором производилась разработка доломитов. При разведке было установлено, что породы высокой прочности, слабо трещиноватые. Откосы карьера были заданы вертикальными. При разработке выяснилось - толща неоднородна по прочности, присутствуют прослои мучнистых доломитов. При вскрытии карьера применялись взрывные работы, в результате этого произошло ослабление массива. Через пять лет после начала эксплуатации наблюдалось значительное нарушение устойчивости откосов, формирование осыпей у подножия склонов, что повлекло перепрофилирование бортов карьера и значительное удорожание разработки камня.

Процессы, связанные с деятельностью поверхностных вод.

 Выделяют две группы процессов, связанных с деятельностью поверхностных вод. Первая группа обусловлена поступательным движением воды ( течением) и носит название эрозии (от лат. erodere - «разъедать») . Вторая группа обусловлена волновым движением воды - абразия.

Эрозионные процессы.

Неорганизованные сток струек воды по склону приводит к плоскостной эрозии или эрозии почв. Следствие процесса резкое ухудшение плодородия почв в связи с разрушением гумусового горизонта почв.

При формировании организованных потоков, хотя и временных возникает линейная эрозия, которая приводит к образованию новых форм рельефа -рытвин, оврагов, ложбин стока. Овраг- форма рельефа, образовавшаяся на склоне или водоразделе, представляющая собой относительно глубокий, вытянуты в длину, извилистый или ветвящийся размыв (врез), который образует своеобразную долину временных потоков. Длина оврагов изменяется в широких пределах (от первых десятков метров до многих десятков километров), так же как и их глубина (от первых метров до 20-30 м). В отдельных районах Центрально - Чернозёмной области бросовые земли, занятые действующими оврагами, составляют более 20-25% от общей площади земель этих районов.

При наличии постоянного водотока идет речная эрозия, в результате действия которой вместе с транспортировкой рыхлого материала и его аккумуляцией формируются речные долины. Речная эрозия представлена в двух формах. Донная эрозия проявляется в размыве русла реки, во врезании речного потока на глубину, боковая эрозия - в подмыве и разрушении берегов и в разработке долины в ширину. Донная эрозия в конечном итоге приводит к выработке нормального профиля равновесия реки - к образованию плавной кривой поверхности дна русла, круто наклонной в верховьях и почти горизонтальной к устью при приближении к базису эрозии.

Абразионные процессы.

Процесс изменения очертания берегов морей и озер в результате их разрушения главным образом волноприбоя называется абразией. Формирование берегов водохранилищ, искусственно созданных в результате техногенной деятельности называется переработкой берегов водохранилищ и представляет собой инженерно-геологический процесс.

Абразия изменяет профиль берега в его надводной и подводной частях: происходит разрушение пород, слагающих берег, и накопление продуктов разрушения. Основные элементами берега являются: береговой уступ, абразионная и аккумулятивная террасы, пляж и отмель. Схема строения берега по В.П.Зенковичу приведена на рис.3.

 

 

 

Рис. 3 Схема строения берега (по В.П.Зенковичу, Е.М. Сергееву)

 

Основные условия, определяющие формирование берегов водоемов.

Геологические (минеральный и вещественный состав горных пород, определяющий их размываемость, степень трещиноватости, условия залегания, и пр.).

Геоморфологические (рельеф берегового склона и побережья, форма береговой линии).

Гидрологические (размеры водной поверхности, уровенный режим водоема, течения и др.)

Техногенные условия, обусловленные деятельностью человека ( строительство сооружений в береговой зоне, подработка склонов, судоходство и пр.)

Проблема переработки берегов искусственных водохранилищ является одной из важнейших в инженерной геологии, что определяется колоссальной протяженностью их береговой линии (более 200 тысяч км), большим народнохозяйственным значением и тем, что в отличие от морей и озер заполнение водохранилищ происходит быстро, а в масштабе геологического времени - мгновенно.

Для оценки величины и интенсивности переработки берегов водохранилищ применяют расчетные методы, из которых важнейшими являются:

метод аналогий (ЗолотаревГ.С.);

метод учета энергии волны и размываемости пород (Качугин Е.Г., Кондратьев Н.Е.)

метод статистического учета зависимости хода переработки от совокупности природных и искусственных факторов ( Розовский Л.Б.).

Заболачивание территории.

Один из самых широко распространенных процессов, происходящих на поверхности. Причинами процесса является деятельность поверхностных и подземных вод, процессы жизнедеятельности организмов и преобразование органических остатков, в результате чего образуются болота.

Болото - избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа мощностью не менее 50см. Если мощность торфа меньше - то это заболоченные земли - участки поверхности, на которых в течение всего года наблюдается избыток влаги, насыщающий почву и выступающий наружу и которые покрыты влаголюбивой растительностью. Если мощность торфа достигает больше 0,7м, то это уже торфяник - торфяное месторождение.

Возраст торфяных массивов, залегающих с поверхности, определяется как голоценовый и составляет 10-12 тыс.лет.

Заболоченные земли и болота занимают около 10 % территории России главным образом в зонах избыточного увлажнения, там, где количество выпадающих осадков превышает их испарение. Распространение болот неравномерное. В центральной части Западной Сибири заболоченность достигает 40% территории, в зоне тундры она еще выше и на некоторых территориях достигает 90-100%. Освоение Западной Сибири в связи с разведкой и разработкой месторождений природного газа и нефти заставляет детально изучать процесс заболачивания и характеризовать его с инженерно-геологических позиций.

Условия возникновения процесса:

* годовое количество осадков больше испарения с поверхности и стока ;

* равнинность территории и слабая расчлененность рельефа;

* неглубокое залегание уровня грунтовых вод.

Классификация болот по условиям питания. Согласно К.А.Веберу все болота делятся на: 1) верховые, олиготрофные, с растительностью малотребовательной к питательным веществам (сосна, багульник, сфагновые (белые) мхи); 2) низинные, эвтрофные с растительностью очень требовательной к питательным веществам (береза, ива, различные типы осок, гипновые (зеленые) мхи); 3) переходные, мезотрофные, с растительностью, занимающей промежуточное положение.

Торфы и заторфованные породы, как генетический тип болотных отложений, имеют высокую естественную влажность, малую плотность, большую влагоемкость и значительную и неравномерную деформируемость - сжимаемость. Перечисленные особенности определяют их как отложения слабые, малопригодные для строительства на них. При строительстве на заболоченных территориях необходимо изучить строение болот и определить следующие главные особенности:

* мощность болотных отложений, особенно линз, слоев прослоев торфа;

* состав, условия залегания консистенция торфа и болотных отложений;

* рельеф минерального дна болота.

При строительстве на заболоченных территориях применяются следующие методы: предварительное осушение (мелиорация земель) территории, планировка отсыпкой или намывом песчано-гравийно-галечниковых пород, специальные конструктивно-строительные решения, увеличивающие жесткость конструкций, выторфовывание.

Подтопление территории.

Подтопление - инженерно-геологический, полигенный, многофакторный процесс, в котором комплекс факторов его вызывающий изменяется в зависимости от естественных инженерно-геологических условий и от техногенной деятельности человека, процесс, являющийся аналогом заболачиванию.

Признаки процесса: происходит поднятие уровня грунтовых вод, изменяется гидрогеологический режим зоны аэрации, увеличивается естественная влажность горных пород, в связи с чем изменяются их прочностные и деформационные свойства.

К техногенным причинам, вызывающим процесс подтопления относятся:

* устройство водохранилищ, каналов, прудов;

* нерегулируемые утечки воды из инженерных сетей;

* искусственные поливы;

* уничтожение естественных дрен (оврагов, балок);

* покрытие водо-паро-непроницаемыми покрытиями значительной части городской поверхности.

В настоящее время подтопление территорий происходит практически по всех городах России.

Просадки лессовых пород.

Просадки - вертикальные смещения поверхности, возникающие в результате процесса уплотнения грунтов при их замачивании. Наблюдаются в лессовых и лессовидных породах. Лессовые толщи широко распространены на территории нашей страны, главным образом в зоне степей и лесостепей, их мощность изменяется от 5-10 до 70-80м. Возраст отложений определяется как голоценовый и верхнеплейстоценовый.

В природных условиях просадки в лессовых породах часто хорошо выражены в рельефе в виде блюдцеообразных понижений, западин, ложбин (Украина, Красноярский край), диаметр которых достигает 50м, глубина составляет 2-3м. В обжитых и освоенных местах просадки лессовых пород приводят к значительным деформациям сооружений (деформации промышленных корпусов на заводе Атоммаш в Волгодонске, деформации памятников Астраханского кремля, Одесского театра оперы и балета).

Причинами развития процесса являются выпадение атмосферных осадков и искусственное увлажнение пород. Под воздействием воды в лессовых породах разрушаются структурные связи, происходит оплывание макропор и резкое доуплотнение породы, (под действием собственного веса, либо под воздействием нагрузки от сооружения).

Условия процесса: наличие просадочных пород и источников увлажнения.

Общая величина просадки и ее неравномерность зависят от суммарной мощности просадочных пород в сфере взаимодействия сооружения и геологической среды, условий и длительности их замачивания. Общая величина просадки возрастает с увеличением мощности лессовых пород, а ее неравномерность увеличивается при локальном и длительном замачивании.

Опыт проектирования и строительства показывает, что нарушение устойчивости сооружений происходит в результате случайного и неизбежного замачивания лессовых пород. Неизбежное замачивание происходит при орошении земель, строительстве каналов и водохранилищ. Случайное замачивание происходит в результате отсутствии или нарушении поверхностного стока, гидроизоляции, от утечек воды из коммуникаций, при местном подтоплении в связи с подъемом уровня грунтовых вод, неорганизованном сбросе производственных вод и многих других причин.

Случайное замачивание вначале обычно происходит на локальном участке, а затем распространяется как по площади, так и на глубину. В начальный момент оно вызывает резкую неравномерную просадку, которая впоследствии увеличивается медленнее с ростом общей средней просадки. Такой характер процесса составляет большую опасность для устойчивости и сохранности сооружений.

Карстовый процесс .

Карст (по Ф.П.Саваренскому) - это явления, связанные с деятельностью подземных вод, выражающиеся в выщелачивании горных пород (известняков, доломитов,гипсов) и образовании пустот, сопровождающихся часто провалами и оседаниями кровли и образованием воронок и других впадин на земной поверхности. Карст широко развит в нашей стране. На Русской платформе нет ни одного бассейна крупной реки, в пределах которой не был бы развит карст.

Карст проявляется в образовании как разнообразных форма рельефа на поверхности земли (поверхностных - карры, воронки, слепые балки, овраги , котловины), так и различных пустот, каналов, пещер и других форм в толще горных пород на той или иной глубине по поверхности (глубинных).

Причины процесса: действия поверхностных и подземных вод на растворимые горные породы.

 Условия образования карста:

* наличие растворимых горных пород;

* водопроницаемость массива горных пород;

* присутствие движущийся в породе воды;

* растворяющая способность воды.

Сочетание этих условий вызывает нарушение химического равновесия в системе растворимые горные породы - вода, что неизбежно ведет к возникновению и развитию процесса и образование карста.

Различают несколько типов карста. Классификация карста по литологическому составу приведена в таблице.

Таблица 4

Типовая классификация карста по литологическому составу

Группа Тип Подтип
1. В труднорастворимых породах 1.Карбонатный Известняковый Доломитовый Меловой
  2.Сульфатный (гипсовый)  
  3. Сульфатно-карбонатный  
2. В легкорастворимых породах 4. Соляной  

 

 

Методы оценки закарстованности территории и скорости развития карста.

1. Определение закарстованности территории путем подсчета количества воронок, карстовых озер и других характерных проявлений карста, приходящихся на единицу площади.

2. Определение объема пустот (при естественной сработке, шахтном водоотливе - объем пустот равен объему вытекающей воды).

3. Определение трещиноватости и закарстованности пород по замерам трещин и пустот в обнажениях, стенках карьеров, кернах скважин.

4.  Учет потерь промывочных вод при бурении.

5.  Учет выхода керна при бурении.

6.  Путем проведения специальных гидрогеологических работ и наблюдений за режимом подземных вод .

При разведке месторождений оценивается степень уже имеющейся закарстованности пород. При инженерно-геологическом изучении месторождения освещаются следующие вопросы:

* степень закарстованности массива пород;

* структура закарстованного массива (закономерности расположения отдельных карстовых полостей или закарстованных зон в пространстве);

* наличие заполнителя в карстовых полостях, его состав и физико-механические свойства;

Суффозия.

Суффозией называется процесс вымывания мелких частиц из горных пород фильтрующейся водой, часто сопровождающийся оседанием вышележащих пород, образованием воронок, провалов и пр.

Суффозия является причиной различных видов деформации поверхности земли над подземными коммуникациями и тоннелями, она приводит к нарушению нормальной работы дренажей, фильтров водозахватывающих скважин.

Причины процесса: движение подземных вод, вызывающее разуплотнение песчано-глинистых пород в результате выноса их частиц.

Условия процесса: определенная неоднородность породы, значительные градиенты фильтрационного потока, наличие области выноса.

Различают механическую и химическую суффозию. Механическая суффозия происходит за счет выноса частиц породы фильтрующейся водой, а химическая - за счет выноса в виде раствора растворимой части породы.

Встречается смешанный химико-механический тип суффозии. Так, в разнозернистом песчанике может растворяться цементирующее вещество и механически могут выноситься мелкие частицы породы.

Плывуны.

Плывунность - способность водонасыщенных дисперсных пород переходить в текучее состояние. Разжиженная порода, образовавшаяся при этом называется плывуном. Плывуны при вскрытии их котлованами или горными выработками плывут в одних случаях медленно, в других быстро в виде прорыва, резко нарушая устойчивость склонов и подземных выработок, вызывая на поверхности образование мульд проседания.

 Истинные плывуны - особый тип пород, плывунные свойства которых обусловлены наличием в породах органно-минеральных, коллоидных микроорганизмов ( силикатные бактерии).

Псевдоплывуны - дисперсные горные породы, плывунность которых обеспечивается гидродинамическим давлением. Обычно это тонкодисперсные пески, находящиеся во взвешенном состоянии, хорошо отдающие воду, теряющие подвижность, легко переходящие в устойчивое состояние.

Гравитационные процессы.

Обвал - отделение от склона более или менее крупной массы горных пород, их опрокидывание и обрушение вниз частично путем свободного падения, частично путем ударения о склон и отскакивания, перекатывания по склону.

Осыпание (образование осыпей) - отделение от склона более или менее мелких (дресва, щебень) обломков горных пород, их падение или скатывание по склону; осыпь - накопление продуктов осыпания у подошвы склона.

Лавина - скольжение и обрушение снежных масс.

Оползни.

Оползень - смещение части горных пород, слагающих склон, нередко также его основание и территорию за его бровкой, в виде скользящего движения без потери контакта между смещающейся и неподвижной частью склона (а также форма рельефа и результат оползания).

Имеют повсеместное, широкое распространение по берегам рек, побережью озер, морей, откосам искусственного происхождения в карьерах, выемках, терриконах. Размеры оползневых явлений изменяются от нескольких кубических метров до сотни тысяч кубических метров. Оползневые процессы представляют угрозу для всех видов инженерных сооружений. В отдельных случаях оползневые смещения носили катастрофический характер, что приводило к человеческим жертвам (катастрофа на реке Вайонт (Италия), в г. Аберфен (Англия).

Морфологические особенности оползневых участков очень характерны. Оползни резко выделяются в рельефе, им присущи специфические особенности, трещиноватость пород, нарушение растительного покрова, пьяный лес, различные формы водопроявлений в виде родников, мочажин, заболачивания, деформации инженерных сооружений, находящихся в сфере действия оползня.

В результате возникновения оползня формируются характерные геоморфологические формы - оползневые цирки. Оползневые цирки- формы рельефа, формирующиеся на склонах, представляющих собой как бы выемку в склоне, имеющую вид амфитеатра.

Главные элементы строения оползня приводятся на рис. 4.

 

 

Рис. 4. Элементы оползня /по Е.М.Сергееву/ 1- оползневое тело; 2 – поверхность скольжения; 3- бровка срыва; 4 – оползневые террасы; 5 – вал выпирания с трещинами; 6- подошва оползня; 7 – положение склона до оползня; 8 – коренной массив пород.

Поверхностью скольжения называют поверхность, по которой происходит отрыв и движение сползающего массива пород. Она имеет часто сложную форму, которая определяется геологическим строением склона. Место выхода поверхности скольжения на дневную поверхность в основании склона или откоса называют подошвой оползня, а в верхней части склона - вершиной.

Главные причины образования оползней – деятельность поверхностных и подземных вод на склонах. Оползни возникают тогда, когда склон неустойчив. Степень устойчивости склона или откоса оценивается величиною отношения действующих в толще склона сил сопротивления перемещению масс (SN ) к активным сдвигающим силам ( ST ), или:

;                                ( 5 )

В зависимости от величины этого соотношения все склоны или откосы могут быть подразделены на три группы:

1. Склоны или откосы в состоянии предельного равновесия, в этом случае :SN=ST и h=1;

2. То же в условиях обеспеченной устойчивости: SN>ST и h>1;

3. То же в неустойчивом состоянии:SN<ST и h<1;

 Развитие оползневых явлений наступает при h£1. Оползни возникают вследствие несоответствия крутизны склона характеру и состоянию слагающих склон пород и его основания.

Наибольшее значение для развития оползней имеют следующие условия:

* морфология склона (высота, крутизна, форма);

* особенности геологического строения склона;

* гидрогеологические условия и свойства пород, слагающих склон.

Существует множество классификаций оползней. По структуре оползневого склона и положению поверхности скольжения Ф.П. Саваренский предложил разделить все оползни на:

Асеквентные - оползни в однородных неслоистых породах с криволинейной поверхностью скольжения.

Консеквентные - оползни, у которых скольжение происходит по наклонной поверхности, предопределенно строением склона (поверхности наслоения, трещине и т.п.)

Инсеквентные - оползни, у которых поверхность смещения пересекает слои разного состава.

По возрасту и фазам развития различают (И.В.Попов)

1. Современные, образовавшиеся при современном базисе эрозии и уровне абразии.

2. Древние, образовавшиеся при ином базисе эрозии и уровне абразии.

Стадии развития всех оползней:

* подготовительная;

* собственно оползневое смещение масс горных пород;

* последующая стадия в жизни склона и смещенных оползневых масс- разрушение оползневого тела, стабилизация оползня.

Основные виды противооползневых мероприятий можно сгруппировать следующим образом:

* Борьба с подмывом склона - мероприятия не изменяющие режим водоема (сооружение стенок набережных, волноотбойных стен, создание пляжей, покрытие склонов отмостками и.т.п) и мероприятия, воздействующие на режим водоема в благоприятных целях ( сооружение поперечных бун, берм, террасирование, отвод водотоков, спрямление русла и т.п.);

* Изменение очертания и переустройство склонов и откосов (уполаживание, срезка верхней части, создание берм, террасирование, общая планировка и т.п.).

* Механическое удержание оползающих масс ( подпорные столбы, сваи, контрфорсы и т.п.).

* Регулирование поверхностного стока (нагорные канавы, лотки и пр.).

* Мероприятия по дренированию подземных вод (дренажи, снижение уровня грунтовых вод, каптаж выходов подземных вод на склоне и др.).

* Укрепление склонов и откосов растительностью.

* Покрытие склонов и откосов одеждой, предохраняющей от выветривания, уменьшающей инфильтрацию .

* Изменение свойств (мелиорация) грунтов.

Криогенные процессы.

Особенности проявления экзогенных геологических процессов в криолитозоне связаны с периодичностью процессов промерзания и оттаивания, охлаждения и нагревания, спецификой свойств промерзающих, мерзлых и протаивающих грунтов. Сезонным протаиванием-промерзанием грунтов обусловлены следующие процессы: криогенное (морозное) пучение, сезонные миграционные и инъекционные бугры пучения, солифлюкция. Также широко распространенными криогенными процессами являются термокарст и наледи.

Криогенное пучение грунтов - это комплекс процессов, обусловленных промерзанием грунта и включающий криогенную и напорную миграцию воды, ее замерзание, образование льда приводящее к увеличению объема грунта и поднятие его поверхности. Развивается в слое сезонного промерзания-оттаивания при его промерзании, приводит к выпучиванию (подъему) фундаментов малонагруженных сооружений, столбов, опор трубопроводов.

Главной причиной возникновения пучения является промерзание грунта - процесс превращения воды в лед. Условиями развития процесса являются дисперсность грунтов (преимущественно пылеватые грунты) их минеральный состав, влажность и плотность.

При многолетнем промерзании грунтов и охлаждении вечномерзлых грунтов возникают процессы образования миграционных и инъекционных бугров пучения, различных по форме и размерам (размеры некоторых булгуняхов достигают 200м в основании и 60м в высоту). Бугры пучения формируются в основном на участках развития тонкодисперсных грунтов и торфов.

Солифлюкция - это процесс вязкого и вязкопластичного (медленного) смещения оттаявшего увлажненного тонкодисперсного грунта на склонах. Основной причиной солифлюкции является действие гравитационных сил, а основными условиями - состояние грунта (текучая консистенция) и наличие склона.

Термокарст - это совокупность процессов, состоящих из таяния внутриземного льда, вытаивания ледяных включений и залежей, возникновения в толще мерзлых грунтов полостей, просадок протаивающего льда и образования отрицательных форма микро и мезорельефа (западин, воронок, ложбин).

Причиной возникновения термокарста является такое изменение теплообмена на поверхности при котором глубина сезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания подземного льда или сильнольдистого многолетнемерзлого грунта. Механизм процесса заключается в уплотнении оттаявших сильнольдистых грунтов или грунтов, содержащих мономинеральные залежи льда, под действием бытового давления оттаявшего слоя.

Наледи - это слоистые ледяные массивы на поверхности земли, льда, искусственных поверхностях, возникшие при замерзании периодически изливающихся природных или техногенных вод. Формы наледей многообразны, но в основном это ледяные покровы, размеры их изменяются от мелких до гигантских. Часто образуются на дорогах, создавая угрозу движению.

Лекция 3

 

Региональная инженерная геология – раздел инженерной геологии, изучающий закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий в зависимости от истории развития земной коры и современных физико-географических условий.

Под инженерно-геологическими условиями обычно понимаются – геологическое строение и горные породы, рельеф, гидрогеологические условия, экзогенные геологические (в том числе инженерно-геологические) процессы. От инженерно-геологических условий во многом зависит инженерная и хозяйственная деятельность человека, а она, в свою очередь, может привести к изменению инженерно-геологических условий.

Основной задачей при изучении региональных и/г условий считается выделение существующего и возможного взаимодействия природных явлений с инженерными сооружениями. Региональные и/г исследования проводят для сравнительно крупных территорий с целью установления всех важнейших геологических факторов определяющих и/г условия. Изучение региональныъх закономерностей необходимо для правильного планирования и размещения разных видов строительства. И/г свойства пород изменяются в зависимости от условий их формирования, т.е. под влиянием различных процессов – диагенеза, эпигенеза, сингенеза, гипнргенеза и метаморфизма. К важнейщим геологическим факторам определяющим региональные и/г условия относятся – геологическое строение территории (с выделением формаций, субформаций, , генетических комплексов пород и стратиграфо-генетических комплексов пород), структура, условия залегания и состав пород, гидрогеологические и геоморфологические условия, современные экзогенные геологические процессы. Региональные и/г исследования сопровождаются проведением и/г съемки, составлением и/г карт и карт районирования с и/г характеристикой выделяемых элементов районирования. И/г съемка является одним из важнейших видов и/г исследований, она проводится с целью изучения и/г условий территории в пределах которой намечается размещение сооружений или осуществление других и/г мероприятий. Масштаб и/г съемки определяется категорией сложности и степенью геологической изученности района а также задачами исследований и стадиями проектирования. В зависимости от масштаба и/г съемки подразделяются на мелкомасштабные от 1:500000 и мельче, среднемасштабные от 1:200000 до 1:25000 и крупномасштабные от 1:10000 и крупнее. Среднемасштабная площадная и/г съемка проводится для обоснования технико-экономического доклада – схемы, а в отдельных случаях при простых и/г условиях и несложном характере проектируемых сооружений для обоснования проектного задания. Крупномасштабная и/г съемка проводится для обоснования проектного задания, а в отдельных случаях при сложных г/г условиях и своеобразии проектируемого сооружения для обоснования технического проекта. В масштабе съемки должна составляться и и/г карта.

И/г картой называется графическое изображение важнейших и/г факторов в пределах изучаемой территории, подлежащих учету при проектировании, строительстве эксплуатации сооружений и осуществлении других инженерных мероприятий. Как правило составляют три типа и/г карт – карты и/г условий, карты и/г районирования и и/г карты специального назначения. Карту и/г условий составляют для всех видов наземного строительства ее используют для общей оценки природных условий в которых проектируется строительство. Карту и/г районирования составляют как для общих так и для специальных целей на основе общности и/г условий отдельных частей территории с выделением на ней таксономических подразделений – регионов, областей, районов число которых возрастает по мере увеличения масштаба, при детализации можно выделять подрайоны, участки и т.д. Специальные и/г карты составляют применительно к требованиям конкретного объекта строительства или несколько однородных его видов. На них дается оценка и/г условий территории и прогноз и/г явлений. И/г карты по назначению и детальности содержания подразделяются на 4 категории – общие обзорные мелкого масштаба, обзорные среднего масштаба, среднемасштабные и детальные крупномасштабные.

Общие обзорные мелкого масштаба – для отражения закономерностей формирования и распространения и/г условий на больших территориях. Используются при планировании и размещении строительства при проектировании детальных и/г работ.

Обзорные карты среднего масштаба 1:200000 – 1:100000 для проектирования строительства различных сооружений – населенных пунктов, пром. предприятий, ж/д и а/д трасс и линий и т.д.

Среднемасштабные от 1:50000 до 1:25000 для обоснования проектного задания при составлении планов застройки городов, дорожных узлов, отдельных гидротехнических сооружений и т.д.

Детальные крупномасштабные для обоснования проектного задания и технического проекта при застройке городских территорий, при размещении конкретных объектов промышленного строительства, гидротехнических узлов, транспортных коммуникаций и т.д.

И/г карты специального назначения составляют в соответствии с особенностями и/г условий строительства и сооружений. Они могут быть разнообразны по своему содержанию, на них наносят основные и/г компоненты – породы и их свойства, подземные воды, геологические процессы, рельеф и т.п. учитывая требования конкретного вида строительства. Эти карты можно составлять в любом масштабе.

Инженерно-геологические условия оказываются одинаковыми у тех территорий, которые имеют одну и ту же, или близкую, историю геологического развития и находятся в одних и тех же природно-климатических зонах. Отсюда следует, что понять современные инженерно-геологические условия можно только при изучении истории геологического развития интересующей нас территории, особенно в новейшее время.

В том случае, если на интересующую нас территорию имеются карты (геологические, геоморфологические, гидрогеологические и т.д.) необходимого масштаба, а история геологического развития хорошо изучена, то стоящая перед региональной инженерной геологией задача значительно упрощается. Иначе говоря, в этом случае инженерно-геологические особенности, свойства горных пород и действующие на ней экзогенные геологические процессы должны быть рассмотрены в зависимости от геологического строения, рельефа, гидрогеологических особенностей, ландшафтных особенностей, климатических условий. Причем это рассмотрение должно быть проведено в историческом плане, с учетом тектоники, процессов аккумуляции и денудации.

Более сложные проблемы возникают перед региональной инженерной геологией когда инженерно-геологическому изучению подлежит территория, для которой отсутствуют карты необходимого масштаба. В этом случае инженерам-геологам приходится проводить дополнительное геологическое изучение территории (пример Западная Сибирь).

Глубина изучения территории определяется глубиной проникновения в горные породы человека и глубиной его воздействия на них.

При инженерно-геологическом изучении территории, помимо перечисленных факторов, которые обычно называются региональными, изучают также зональные инженерно-геологические факторы, то есть закономерности изменения инженерно-геологических условий связанные с климатом и, в первую очередь, с тепло- и влагообменом горных пород (коры выветривания), этим обуславливаются также и гидрогеологические условия (глубина УГВ, химический состав подземных вод).

При инженерно-геологическом изучении территорий существует два подхода: инженерно-геологическая типизация территорий и инженерно-геологическое районирование территорий.

Под инженерно-геологической типизацией территорий понимается выделение на ней отдельных частей, которые соответствуют определенным, заранее установленным типам регионов, характеризующимся наиболее общими и существенными признаками инженерно-геологических условий. Такой подход при инженерно-геологическом изучении территорий иногда называется типологическим.

 

При инженерно-геологических работах решают задачу о разделении геологической среды на части, на геологические тела – геологические системы разных категорий. Эти части геологической среды – литосистемы образуют иерархическую систему, в соответствии с принятой классификацией. Крупные геологические тела (формации, субформации, генетические комплексы пород) представляют собой ассоциации горных пород различного минерального состава и следовательно полипородные геологические тела. На некотором этапе последовательного разделения на части геологических тел – ассоциаций горных пород получают литосистемы у которых твердая фаза представлена одной горной породой – монопородные геологические тела. При дальнейшем более детальном расчленении проводимом в процессе крупномасштабной инженерно-геологической съемки и инженерно-геологической разведки монопородные тела разделяют на части используя для этого различные критерии. Критерии однородности изменяются по мере перехода от геологических тел высоких категорий к телам низких категорий.

Схема разделения геологической среды на геологические тела – литосистемы при проведении инженерно-геологических исследований – классификация геологических тел.

Грунтоведение

Тема 1.

Из истории термина «грунт»

Понятие, обозначенное термином «грунт» появилось в России в 1711 году. Петру I докладывали о трудности проведения судов по каналу, построенному в Вышнем Волочке, для соединения Волги с Балтийским морем: « Трудность сего хода несказанная. Вода во многих местах была не выше, как на один и на полтора фута (1фут =1/7 сажени = 12 дюймов ~ 30см); грунт наполнен был во многих местах каменьями, торчащими из под воды; во многих местах надлежало прорывать песок, вынимать каменья, для поднятия воды делать плотину…». (Данилевский, 1948г.).

При этом под грунтом понималось основание, дно. Спустя ~ 150 лет В. Карлович в 1869 г. дает понятию грунт такое определение:

 «В строительном искусстве под грунтом понимают обыкновенно ту частичку земной коры, на которой приходится основывать строения и которая имеет влияние на способ устройства основания.» Эту частичку также называли «землей» Витрувий Iв. до н. э., Андреа Палладио 1570г., либо «почвой». Говорили «Земля хорошая», «земля плохая», характеризуя основание какого-либо сооружения.

Землей плохой объясняли редкие неудачи при строительстве сооружений. Храм Христа Спасителя строился в середине 19 века на Воробьевых горах на откровенных оползнях (место трамплина). И только когда фундамент пополз, было зафиксировано плохое основание. Место строительства было перенесено на Кропоткинскую.

До тех пор, пока под сооружениями действительно находилась частичка земной коры это было терпимо.

Начало 20-го века нашего столетия характеризуется резкой интенсификацией строительства. Прежде всего, дорожного. Дороги – это система кровообращения экономики любой страны.

Строятся первые крупные гидроэлектростанции на Волхове, Свири, Волге, Днепре.

Ирригационное и мелиоративное строительство. 

Водные маршруты обеспечиваются строительством каналов - Беломоро-Балтийский, Москва-Волга, Волго-Донского.

Промышленное строительство: заводы и фабрики.

Метрополитен.

Резко возрастают: с одной стороны, разнообразие используемых в качестве основания грунтов, а с другой стороны, - необходимость сведений о свойствах этих грунтов. Растут разнообразие и масштабы использования грунтов.

За четыре последние десятилетия в СНГ было создано около 1000 водохранилищ емкостью более 1 млн. куб. м каждое. В том числе 150 водохранилищ емкостью более 100 млн. куб. м.

При разработке карьеров на Курской магнитной аномалии было снято более 170 млн. куб. м грунта. 

Растет потребность в научном обобщении знаний по инженерной геологии, в том числе сведений о грунтах.

По-видимому, после отдельных разделов, посвященных основаниям сооружений (Андреа Палладио, 1570), первой специальной работой, посвященной Инженерной геологии и грунтам является книга D . Brauns « Die Technische Geologie . 1878 г.”

В 1887. появляется перевод И. Мушкетова книги Вагнера «Приложение геологии к инженерному делу».

Началом появления «Грунтоведения», как научного направления, считают создание в Ленинграде в 1923г. «Дорожно-исследовательского бюро», которое под руководством П. А. Земятченского, Н. Н. Иванова и Н. И. Прохорова занялось изучением почв и осадочных пород для дорожного строительства. Надо отметить верность и принципиальную новизну подхода, избранного авторами, в качестве ведущего: «генетического подхода» в исследованиях.

Т.к. бюро было исследовательским, то и направление изучения грунтов было таковым. Возникло «Дорожное грунтоведение». Разработанные в его рамках положения использовались далее для других сооружений. Постепенно «Дорожное грунтоведение» переходит в просто «Грунтоведение». В 1930 г. на геологическом факультете ЛГУ П.А.Земятченским создается первая кафедра «Грунтоведения», а в 1938 году аналогичную кафедру создает в МГУ М.М.Филатов.

 С этого времени «Грунтоведение» быстро развивается.

Методологической основой его становятся естественно-исторический или генетический подход и системное представление о грунте как о фазовой (многокомпонентной) системе, состоящей из трех фаз и четырех компонентов. 

Дмитриев В.В. понимает под грунтом: “Любую часть литосферы (горные породы, техногенные образования и почвы), изучающиеся как возможный объект инженерной деятельности человека, рассматриваемый как сложная, многоуровенная, трехфазная, многокомпонентная, динамическая система.

Определение по Гост 25100-11: грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную, многообразную геологическую систему, являющуюся объектом инженерно-хозяйственной деятельности.

Грунтоведениесистема знаний о составе, строении и изменениях (движении) грунтов.

Отражением разнообразных качеств грунтов являются их свойства. Свойства характеризуются показателями или физическими величинами. Выбор необходимого комплекса показателей определяется классом, конструктивными особенностями сооружения, сложностью инженерно-геологических условий, стадией проектирования. Для разработки Протвинского ускорительно-накопительного комплекса на стадии РД потребовалось 334 показателя, а для проектирования деревянного коттеджа –15. Свойства грунтов и их показатели разделяются на имманентные, внутренне присущие, обусловленные составом, структурой и состоянием грунтов и эмерджентные, проявляющиеся при внешних взаимодействиях грунтов с техногенными или природными объектами. К первым относятся физические, физико-химические, химические, биотические свойства, ко вторым – физико-механические.

Тема № 2.

Табл. № 1

Интрузивные

эффузивные глубинные полуглубинные поверностные

Кислые породы (65-70% кремнезема SiO 2 )

Граниты, гранодиориты кварцевые, сиениты, диориты Кварцевые порфиры, кварцевые порфириты кератофиры, фельзиты Липариты, дациты, риолиты

Средние породы (56-65% кремнезема)

Сиениты, монцониты, диориты, тоналиты Ортоклазовые порфиры, ортофиры, порфириты, Трахиты, вулканические туфы, туфогенные породы, андезит

Основные породы (40-56% кремнезема)

Габбро, нориты, анортозиты Диабазы, диабазовые, порфириты, долериты Базальты, малафиры, долериты

Ультраосновные породы ( менее 40 % кремнезема)

Перидотиты, дуниты, пироксениты, горнблен диты Очень редки Отсутствуют

 

А) катакластический; Б) термальный; В) динамотермальный.

А. Катакластический (дислокационный) происходит при высоком одностороннем давлении, но низком гидростатическом давлении и температуре. Обычно он ограничен участками тектонических нарушений. Происходит хрупкое разрушение минеральных зерен, дробление отдельных структурных оболочек.

Однако, конечно, для разных минералов: кварц, слюда, глинистые минералы, он происходит различно. Представители: брекчии, катаклазиты, милониты.

Б. Термальный происходит за счет повышения температуры на контакте вмещающих пород и магмы. Образуются контактово-метаморфизованные породы. Мощность их зависит от состава магмы и вмещающих пород. Представители: мраморы, роговики. 

 В. Динамотермальный – происходит под воздействием: температуры, одностороннего давления пород и гидростатического давления.

Взаимодействие температуры, давления одностороннего и давления гидростатического очень сложно и, тем более сложно, их влияние на грунты различного состава.

Давление гидростатическое меняет температуру плавления минералов. Давление гидростатическое может сопротивляться давлению одностороннему, и способствовать пластическим деформациям минералов. Формируется сланцеватость, анизотропия свойств.

Представители: гнейсы, кварциты, кристаллические зеленые, хлоритовые сланцы, карбонатные грунты (мраморы).

Свойства грунтов метаморфического генезиса определяются особенностями их генезиса, исходными составами грунтов с инженерно-геологической точки зрения во многом схожи с магматическими.

Это, как правило, большая прочность в ненарушенном состоянии, маленькие пористость и водопроницаемость.

Техногенез.

Под техногенными (культурными - археологическими) отложениями понимают верхние слои разреза населенных пунктов, в создании которых участвовали естественные и антропогенные факторы и условия. Они сложены минерально-породной массой и продуктами деятельности человека (строительный материал, бытовые отходы, предметы домашнего обихода). Формирование культурного слоя связано с мощением дворов, мостовых, площадей, строительством погребов, каналов, рвов, настилов, колодцев и пр.

Формирование техногенных отложений связано, с одной стороны, с геоморфологическими и геологическими условиями, а с другой стороны, с историей города, поселка, характером хозяйственно-культурной деятельности человека в данных географических и исторических условиях.   

Ф. П. Саваренский разделил техногенные отложение на древние и современные (1938г.).

Современные отложения - рыхлый, не слежавшийся материал, содержащий неразложившиеся органические остатки. Он, как правило, непригоден для строительства без дополнительной обработки. Древние отложения успели уплотниться, приобрести связность.

Интенсивное накопление техногенных отложений происходит при производстве земляных работ: строительстве метрополитенов, котлованов и др.

Мощность техногенных отложений колеблется от нескольких сантиметров до десятков метров. Она зависит от времени образования населенного пункта, рельефа местности и других факторов. Овраги, пруды, речные долины, рвы являются местами накопления техногенных отложений в связи с использованием их в качестве накопителей мусора и засыпкой при планировке территорий, подготавливаемых для строительства.

Грунты техногенных отложений не прошли “естественную сортировку” и поэтому весьма неоднородны и обусловлены чаще всего в общей массе: 1) геологическими условиями местности, а состав включений – 2)хозяйственно-культурной деятельностью человека на данной территории. В связи с этим интерес к ним разных специалистов неоднозначен.

Техногенный грунт одновременно является хранителем исторических, археологических ценностей и, соответственно, объектом охраны, а с другой - искусственным образованием, разрушающим исторические памятники, источником агрессивных растворов и др., ухудшающих функционирование памятников архитектуры, увеличивающих, по мере накопления, негативное влияние на естественно-историческую среду (Южная стена ТСЛ, Михеевская церковь).   

Анализ гранулометрического состава техногенных отложений гг.Белозерска и Новгорода выявил наличие бимодальных и тримодальных распределений частиц по размерам. Одна вершина распределения соответствует глинистой фракции, другая - алевритовой, третья - гравийной. Бимодальные распределения показывают преобладание песчаной и гравийной фракций. Велика неоднородность размеров частиц.

Анализ свойств техногенных грунтов показал существенное влияние на них содержания органического вещества. Коэффициенты корреляции показателей физико-механических свойств с содержанием органического вещества составили 0,7- 0,8.

Со сравнительно быстрыми изменениями во времени свойств и содержания в грунтах органического вещества часто связано сравнительно быстрое изменение во времени физико-механических свойств грунтов.

Техногенные отложения часто обладают повышенными фильтрационными параметрами, которые способствуют формированию фундаментных вод и “верховодки”, самоподтоплению, а, соответственно, изменению состояния грунтов сферы взаимодействия, уменьшению их несущей способности, увлажнению фундаментов, опирающихся на них наземных сооружений: стен, колон и др., нарушению температурно-влажностного режима интерьера, активизации морозного пучения, заболачивания территорий, прилегающих к памятнику.  

Анализ гидрогеохимичесих свойств техногенных отложений показал, что наличие значительного количества органического углерода в техногенных накоплениях увеличивает их растворяющую способность по отношению к строительным конструкциям и создает благоприятную среду для микробиологической коррозии.

 

Наличие сочетания резко отличающихся по составу и свойствам материалов создает благоприятные условия для развития микроорганизмов.

Изучение техногенного слоя часто требует не только инженерно-геологических, но и историко-археологических методов.

На многих исторических территориях в центральной части России стратификация техногенных отложений производится в соответствии со строительными периодами:

1) деревянного зодчества – Ростов Великий;

2) белокаменного зодчества – Лавра, Ростов и др.;

3) кирпичного зодчества – Ново-Иерусолимский м-рь.

Важным моментом при выборе методов исследования техногенных отложений является принцип - “не навреди”, провозглашенный в хартии Мегариде - основном руководящем источнике для лиц, занимающихся реставрацией или реновацией историко-архитектурных комплексов.

Для изучения техногенных отложений используются полевые и лабораторные методы, включающие изучение:

- объекта в связи с сохранением памятника архитектуры;

- техногенного слоя как памятника истории и культуры;

- микрорельефа и палеогеографической обстановки;

- мощности, особенностей структуры, состояния и состава;

- гидрогеологических условий с учетом показанных выше

особенностей;

- свойств грунтов под фундаментами и вне его;

- параметров процессов и их взаимосвязь.

Целесообразным элементом инженерно-геологических исследований является организация мониторинга инженерно-геологических и физико-геологических процессов до начала основных работ.

 

Тема 3. Состав грунта. Компоненты и фазы грунта

Магматические породы

гранит, диорит, сиенит, габбро, дунит, диабаз, порфирит, андезит, базальт Полев. шпат (60%), кварц (12%), пироксены (12%), слюды (5,2%), оливин (2,6%), амфиболы. Турмалин, апатит, титанит, циркон, магнетит, ильменит, гематит, хромит, шпинель. Кардкарит, гранаты, эпидот, плавиковый шпат, топаз

Метаморфические породы

гнейсы, кварциты, сланцы, роговики и др. Кварц, полев. шпаты, пироксены, амфиболы, оливин, гранаты, воллостонит, дистен, андалузит, силлиманит, кордиерит, хлориты, эпидот, кальцит Турмалин, сфен, тримидит, серицит, лейцит, ставролит магнетит, ильменит, гематит, пирит.

Осадочные породы

Песчаники, алевролиты, глины, лессы, пески, известняки, доломиты, мергели и т.д. Кварц, полевые шпаты, первичные слюды, кальций, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, опал, халцедон, гипс, ангидрит, галит, сильвин. Амфиболы, пироксены, сидерит, магнезит, пирит, глауконит, фосфорит, окислы и гидроокислы железа, алюминия Циркон, рутил, гранат, борит, цеолиты, халькопирит, сфалерит, флюорит.

 

Строение.

По физическому состоянию выделяют два типа состояния твердой компоненты – кристаллическое и аморфное (стеклообразное).

Кристаллы характеризуются наличием в структуре дальнего и ближнего порядка в расположении составляющих их атомов: по разным кристаллографическим осям на определенных местах располагаются строго определенные атомы. В аморфных твердых компонентах дальний порядок отсутствует, для них характерен лишь ближний порядок в расположении атомов, при котором вокруг каждого атома сохраняется определенное расположение лишь его ближайших соседних атомов, а с увеличением расстояния порядок нарушается. Кристаллическое состояние наиболее равновесное с точки зрения термодинамики, т.е. аморфное может со временем переходить в кристаллическое.

Почти все минералы имеют кристаллическое строение, т.е. строго определенное внутреннее строение и внешнюю форму. Лишь некоторые имеют аморфное.

Аморфные имеют три основные особенности:

а) свойства (механические, тепловые, электрические) не зависят от направления в веществе - изотропия.

б) при повышении температуры вещества плавно переходит в жидкое состояние, т.е. отсутствуют определенная точка плавления.

в) имеет ближний порядок, но отсутствует дальний порядок.

Ближний порядок характерен и для жидкостей. Поэтому аморфное тело рассматривают иногда, как переохлажденную жидкость.

Связи структурные.

По химическому составу подразделение в инженерно-геологических целях не совсем целесообразно, поэтому проводят подразделение твердой компоненты по преобладающему типу связей внутри этой компоненты, т.к. эти связи в значительной степени определяют прочность и деформируемость грунтов.

 

Свойства силикатов.

Плотность от 3,57-3,00г/см3 для оливина, амфиболов, пироксенов, содержащих тяжелые атомы Fе и имеющих плотную упаковку до 2.65-2.50г/см3 для кварца и полевого шпата, имеющих легкие атомы и каркасную структуру.

Большинство силикатов обладают анизотропией свойств, в связи с различием сил связи между атомами в различном направлении. В частности анизотропию и тепловое расширение. Так для кварца при нагревании его от 20 до 60°С внутри кристаллической решетки возникают напряжения, как следствие анизотропии, которые достигают 545 кг/см3.

Твердость растет с увеличением силы связей и плотности упаковки.

Роглвая обманка – 5,5, ортоклаз 6-6,5, оливин 6,5-7, кварц - 7.

Сжимаемость - у оливина плотная, упаковка меньше, чем у рыхлоструктурных (каркасных) кварца и полевого шпата.

Выветриваемость - наиболее активным агентом химического выветривания является водородный ион. Пользуясь дырками в решетке и недостатком положительных зарядов в ней, он проникает в решетки, имеющие крупные ионы Nа+, К+, Са2+ и разрывает связи, извлекая эти ионы. Кроме этого, он образует устойчивую группу ОН, разрывая связь Si4+ - О - А13+. Появляется свободный кремнезем.

Опыты по химическому выветриванию силикатов показали, что минералы, не содержащие крупных катионов, например кварц, больше устойчивы к выветриванию, чем минералы с крупными катионами. К+, Nа+, Са2+. Наиболее легко среди последних выветриваются полевой шпат затем амфиболы и пироксены (при отсутствии Fе2+), затем слоистые силикаты - хлориты, слюды.

Простые соли.

Сюда относятся:

Галоиды: галит (NаС1), сильвин (КСl) карналлит МgС12 КС1 6Н2О

Сульфаты: гипс СаSО42О, ангидрит СаSО4

Карбонаты: кальцит СаСО3, доломит СаМg(СО3)2 сидерит FеСОз

Характеризуются преобладанием связей ионного типа, слабой устойчивостъю_в воде, поэтому присутствие простых солей в грунтах сильно изменяет их механические свойства (особенно при выщелачивании солей), водонепроницаемость, солевой состав порового раствора и т.д. Кроме этого, с развитием простых солей связано карстообразование. Наиболее простое строение имеет галит.

Растворимость простых солей зависит:

а) с одной стороны от энергии связи ее кристаллической решетки. Ионный кристалл будет растворен, если притяжение ионов молекулами воды будет больше энергии связи. Величина кулоновского взаимодействия зависит от радиуса и заряда ионов.

б) от условия растворения: температура, давление, химический состава воды,  содержание в ней углекислоты Н2СОз.

Твердость простых солей в целом низкая по шкале Мооса от 2 до 4, минимальна у сильвина – 2, максимальная у доломита - 4 - 3,5 .

Глинистые минералы - это высокодисперсные и относительно стабильные минеральные соединения группы водных силикатов слоистого или сложно-ленточного строения, преимущественно образовавшиеся в процессе химического выветривания горных пород.

Основу структуры глинистых минералов составляют два типа структурных элементов - тетраэдрические и октаэдрические кремнекислородные сетки, неограниченно развитые в плоскости перпендикулярной оси С. Центр в тетраэдре занимает, как правило, Si4+, углы О2 -, иногда Si4+ замещает А13+ или Fе3+. Центры октаэдров занимают изоморфно замещаемые А13+, Fе3+, Сг3+, Мg2+, Zi2+, Li2+ и др. В свободных вершинах октаэдров находится ОН.

Связь между слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и величины его заряда. У ряда минералов она имеет ионный характер и обеспечивает прочное положение разноименно заряженных слоев, у других - слабая, обусловленная молекулярными или водородными силами.

Общий анализ распространения различных глинистых минералов, выполненный в МГУ под руководством Е.М. Сергеева (более 2000 образцов), показал большую неравномерность. Так, во фракции меньше 0,001 мм в отложениях различного возраста содержится от 42.3 до 65.4% гидрослюд, от 8 до 47,9% каолинита, от 0 до 14,5% монтмориллонита, остальные до 2%.

 

Группа гидрослюд.

В основе исследований лежат представления о структуре обычных слюд: мусковита и биотита. Строение - две тетраэдрические сетки, между которыми лежит октаэдрическая сетка. В тетраэдрической сетке каждый четвертый атом Si4+ изоморфно заменен на А13+ , а недостаток компенсирован крупными катионами К+, которые прочно связывают отрицательно заряженные слои, придавая им жесткость. Полярные молекулы воды не могут проникать между ними и вызывать расширение слоев. Активными в этом случае являются только разорванные связи краевых частей кристаллов и внешние грани.

Однако, эти внешние грани, несущие нескомпенсированный заряд, активно взаимодействуют с дисперсной средой. Этим объясняется все-таки значительная активность гидрослюд в обменных и адсорбционных реакциях, их гидрофильность.

Группа монтмориллонита - представлена монтмориллонитом и нонтронитом. Существует несколько моделей их строений. Согласно наиболее распространенной монтмориллонит состоит из двух тетраэдрических сеток, между которыми располагается октаэдрическая сетка. Вершины тетраэдров обращены внутрь слоя.

Таким образом, на поверхностях слоев находятся одноименные атомы О, вследствие чего связь между слоями слабая. Молекулы воды легко проникают между ними, ослабляя и без того слабые молекулярные связи (с 9,6 А° до 140 А°). Теоретическая формула монтмориллонита:

(ОН)4Si8Аl4020 х nН20 однако из-за изоморфных замещений действительный состав всегда отличается от теоретического.

Из-за отсутствия прочных связей поверхности слоев монтмориллонита оказываются доступными для дисперсной фазы и принимают участие в процессах сорбции, обмена и т.д. Таким образом, активными являются не только грани кристаллов, но и внутренние поверхности, что обуславливает огромную величину, суммарной поверхностной активности монтмориллонита.

Группа каолинита. Наиболее распространенными минералами этой группы являются каолинит и галлуазит. Состав примерно следующий Аl2О3 2Si0220. Кристаллическая структура каолинита состоит из одной кремнекислородной тетраэдрической сетки и одной алюмо-кислородно-гидроксильной, сочлененных таким образом, что вершины тетраэдров соединены с вершинами октаэдров. Для каолина не характерны изоморфные замещения катионов. Между слоями имеется жесткая связь за счет водородных сил, возникающих между поверхностными ОН (гидроксилами) и О другого слоя. В связи с этим внутренние поверхности не участвуют в обменных реакциях. А так как и изоморфные замещения не характерны, то и поверхности слоев тоже не активны. Более активными являются лишь краевые участки кристаллов.

Смешаннослойные минералы (СС). Так как строение и размеры структурных слоев глинистых минералов близки, образуются смешаннослойные минералы, представляющие комбинацию слоев типа 1:1, 2:1, 2:1:1. Возможны трехкомпонентные сочетания.

Образование таких слоев идет как в ходе выветривания, так и в результате преобразования глинистых минералов. Существует 2 типа переслаивания слоев: упорядоченное и неупорядоченное.

По своим свойствам СС минералы занимают промежуточное положение между теми минералами, из которых они образуются.

Связь твердой и жидкой фаз.

В грунтоведении принято рассматривать и классифицировать содержащуюся в грунте воду по характеру связи ее с твердым компонентом.

На этой основе выделяют:

1. Воду, входящую в состав твердой фазы.

2. Поверхностно связанную воду.

3. Свободную

 

Классификация видов воды в грунтах (Р.И. Злочевская (1988), МГУ 2005)

Категория (тип) воды Вид и разновидности воды
Связанная (удерживается в породе за счет химических и физических сил связи с энергией 0,1—800 кДж/моль). По подсчетам Ф.А. Макаренко, связанная вода составляет 42% от всей воды, содержащейся в земной коре. 1. Кристаллической решетки минералов (конституционная (наличие ОН-групп в кристаллической решетке) и кристаллизационно связанная (или кристаллогидратную, входящую в состав кристаллических веществ)). Может высвобождаться при сильном нагреве. Энергия связи – 80-800 кДж/моль 2. Адсорбционная вода (за «счет притяжения» молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов). Вода образует адсорбционные пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев и в грунтах содержится в порах или в микротрещинах размером менее 0,001мкм. Ее плотность около 1,02 г/см3. В зависимости от толщины пленки (чем тоньше, тем больше) меняется ее вязкость в 1,1-1,6 раз и понижается температура замерзания. По сравнению со свободной уменьшается растворяющая способность и уменьшается диэлектрическая проницаемость от 81 до 3-40 (чем тоньше пленка, тем меньше). Энергия связи может доходить до 40-120 кДж/моль
Переходного типа (от связанной к свободной). Удерживается на поверхности минералов за счет более слабых связей и свойства изменяются незначительно. 1. Осмотически поглощенная вода (образуется за счет избирательной диффузии молекул воды в направлении к минеральной поверхности, обусловленной наличием у последней «ионной атмосферы», т.н. двойного электрического слоя (адсорбционный и диффузный), состоящего из катионов порового раствора, компенсирующих отрицательный заряд минеральных частиц. Осмотическое продвижение молекул воды из объема свободного порового раствора в пределы этого электрического слоя (проникают относительно малые молекулы воды, не пропуская крупные катионы). (<0.1ккал/моль, <0.4кдж/моль) 2. Капиллярная вода – удерживается в капиллярах (диаметр 10-3-103 мкм) силами водных менисков (силами поверхностного натяжения). Непременное условие – наличие межфазной поверхности «вода-воздух», широко распространена в грунтах зоны аэрации. Различают капиллярную кайму (поднимается вверх от зеркала грунтовых вод и капиллярно-подвешенную, не имеющую контакт с поверхностью грунтовых вод и распространяется во все стороны от источника увлажнения.
Свободная 1. Замкнутая в крупных порах (иммбилизованная) – в крупных порах, не участвует в процессе фильтрации и движении подземных вод. 2. Текучая (вода грунтового потока, двигается под действием сил тяжести и напора)

 

1.Воду, входящую в состав тв. фазы разделяют на:

А) кристаллические решетки минералов 840-84 кДж/моль

Конституционную - неразличимую в виде «готовых» молекул Н2О, которые образуются в ней лишь в момент разложения в-ва, например при сильном нагревании: Са(ОН)2= СаО +Н2О.

Б) кристаллизационную (или кристаллогидратную) – входящую в состав кристаллических веществ( напр. К2SO4 X Al(SO4)3 x 24H2O и различимую в этих кристаллах рентгенографически.

В принципе эти виды воды как бы входят в твердый компонент.

2. Поверхностно - связанная вода.

Твердые элементы системы грунт, имеющие поровое пространство в естественных условиях всегда окружены тем или иным количеством относительно свободного имеющего собственную структуру жидкого компонента – воды, взаимодействующей, связанной с твердой фазой.

По подсчетам Ф.А. Макаренко, связанная вода составляет 42% от всей воды, содержащейся в земной коре. Очевидно, что чем больше поверхность твердого компонента, тем больше граница взаимодействия фаз и тем больше воды может быть с ней связано. Этим объясняется особенно большое содержание воды в глинистых и органогенных грунтах.

Наличие различных видов связанной воды существенно изменяет свойства всей системы – грунт и поэтому представляет для нас большой интерес. У этой воды меняются такие важные свойства как ее γs = 1.2-1.4 г/см3, теплоемкость, температура замерзания.

Если взять глинистую породу, содержащую связанную воду, и начать ее сдавливать, то ее влажность будет меняться следующим образом:

На графике видно, что до давления 10-50мПа влажность быстро уменьшается, а дальше прочно удерживается. Эта влажность очень близка к гигроскопической. На этом основании было предложено разделение поверхностно-связанной воды на:

А) прочносвязанную и Б) рыхлосвязанную (правильнее было бы а) адсорбированную (гигроскопическую), б) капиллярную, в) осмотическую.

2. а) прочносвязанная вода, к которой относятся гигроскопическая и адсорбционная вода.

Накопленный в настоящее время фактический материал, относящийся к проблемам адсорбции паров воды на глинистых минералах, в ряде случаев является противоречивым.

Однако, общие представления о природе прочносвязанной воды сводятся к следующему: при адсорбции

1) имеет место послойное («ступенчатое») формирование гидратно–ионного комплекса на поверхности глинистых минералов (доказано для монтмориллонитов), т.е. имеют место «ступени» энергии поглощения воды монтмориллонитами. 

2) для большинства катионзамещенных монтмориллонитов характерен 2-х слойный комплекс с межслоевым расстоянием 15.6 А0

3) возникновение молекулярных слоев воды в различных катионзамещенных монтмориллонитах зависит от равновесного относительного давления водяных паров.

Интересен механизм взаимодействия с водой обменных катионов или гидратации обменных катионов: при внедрении одного слоя воды в межпакетное пространство, одновалентные и двухвалентные катионы выходят из гексагональных лунок структуры и взаимодействуют с межслоевой водной сеткой. Поэтому в однослойных и 2-х слойных гидратах вермикулита катионы находятся посредине межслоевой области, стремясь сбалансировать заряды верхнего и нижнего пакетов вермикулита.

Адсорбционная вода имеет отличные от обычной свойства. Повышенные плотность и вязкость. Причем имеет место предел вязкости (как у упругого тела).

По данным Б.В.Дерягина, модуль сдвига прочносвязанной воды в пленке, толщиной 0,09мкм составляет 0,2МПа.

Прочносвязанная вода обладает пониженными диэлектрическими свойствами. T0C замерзания связанной воды -30-500С. Объясняется это наличием структуры воды, которая для переориентации требует значительных затрат энергии

Вода переходного типа. Рыхлосвязанная вода (по МГУ – слабосвязанная вода). Сюда относится вода, образующаяся при

1) капиллярной конденсации и 2) осмотических процессах.

1. Капиллярная вода подразделяется на а) капиллярно-разобщенную, б) подвешенную, в) собственно капиллярную.

а) капиллярно-разобщенная называется также водой углов пор или стыковой водой или капиллярно-подвижным состоянием грунтовой воды (Долгов, 1946).

Образуется в местах соприкосновения частиц и суженных участков пор. В песках содержание этого вида воды 3-5%. Данных о количественном содержании этого вида воды нет. Можно только полагать, что она находится в тесной взаимосвязи с адсорбционной и осмотической водой.

При увеличении содержания воды поры нацело заполняются водой. Образуется собственно капиллярная подвешенная вода   

б) собственно капиллярная вода – поднимается сверху от уровня грунтовых вод, по мере испарения, как это происходит в капиллярной трубке, если ее опустить в воду. Т.е. ее источник – грунтовые воды.

Передвижение собственно капиллярной воды зависит от диаметра капилляров. В микрокапиллярах (0.1-10мкм) капиллярное поднятие воды происходит медленно и на большую высоту; в макрокапиллярах (0.01-1мм) быстро и на небольшую высоту.

в) подвешенная вода чаще всего встречается в песках. Отличается от собственно капиллярной тем, что она не имеет непосредственной связи с уровнем грунтовых вод. Капилляр с водой, но в воду не опущен. Образуется в сухих песках и в слоистых. Мощность её сантиметры, реже – дециметры. При испарении способна к восходящему передвижению. Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удерживаться грунтом, называется наименьшей влагоемкостью или водоудерживающей способностью грунта.

Влажнлсть грунта, у которого все поры заполнены водой, называется капиллярной влагоемкостью. Прочно связанная вода уменьшает диаметр пор, препятствует движению капиллярной воды. В ультрапорах движение воды отсутствует. Капиллярная вода, как и гравитационная вода передает гидростатическое давление, но замерзает при t < 00С, причем, чем уже поры, тем ниже температура. По данным Т.А.Литвиновой (1961), капиллярная вода, находящаяся в порах глинистых и суглинистых грунтов, замерзает при t< -120C.

 2. Осмотическая вода образуется в результате различия концентрации ионов, находящихся в поровом растворе и вблизи грунтовых частиц. Выравнивание концентрированных ионов приводит к тому, что образуется еще один вид воды, молекулы которого связаны с катионами диффузного слоя ионов, таким образом, она удерживается вблизи частиц.

Температура замерзания ≈ -1.50С

Общее содержание прочносвязанной + капиллярной + части осмотической воды у большинства глинистых грунтов обуславливает их влажность, которая находится в пределе между их максимальной гигроскопичностью и Wp. Эта влажность близка к влажности, которую А.Ф.Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью грунта (Wммв). Не очень точное название, потому что у глинистых грунтов образование осмотической воды продолжается и при влажности значительно большей Wммв.

3. Свободная вода.

Разделяется на воду иммобилизованную и гравитационную.

Иммобилизованая вода находится в замкнутых порах грунта и не способна к движению под действием гравитационной силы.

Гравитационная вода двигается под действием гравитационной силы и обладает всеми свойствами обычной воды. Если она имеется в грунте выше уровня грунтовых вод, то передвигается в вертикальном направлении (вниз), в грунтовом потоке в горизонтальном.

Общее полное содержание воды в грунте называется полной влагоемкостью. При отсутствии макропор, трещин, полная влагоемкость равна капиллярной влагоемкости. Т.е. свободная вода отсутствует, и обратно, если не равна, то свободная вода есть. Содержание воды (полную влагоемкость) можно рассчитать, если мы знаем Vпор и γск. В этом случае полная влагоемкость будет= Wп.в.=n/γск =(Vпор/V)/(mт/V)= VпорхV/(mтхV). Это, если нет защемленного воздуха. Для песков широко используется для определения пористости водонасыщения.

Химический состав грунтовой воды зависит от содержания растворенных солей, газов, веществ в коллоидном состоянии. Количество веществ, содержащихся в воде, выражается через общую минерализацию, которая для обычной воды изменяется от миллиграммов до сотен граммов на литр. Минерализация питьевой воды не должна превышать 1г/л, морской воды составляет 35г/л. Как правило, с увеличением глубины минерализация воды увеличивается.

Известно, что минерализацию воды принято выражать через наиболее часто встречающиеся в ней и в наибольшем количестве катионы Са2+, Mg2+, Na+,K+ и анионы SO42-, HCO3-, Cl-. Катионы являются обменными, т.к. минеральные частички заряжены в основном отрицательно. Заменяется катион Si4+или Аl3+ и менее активные ионы.

В коллоидном состоянии находятся:

а) кремнекислоты (известны ортокремниевая кислота Н4SiO4 (SiO2x2H2O), метакремниевая кислота Н2SiO3 (SiO2xH2O), двукремниевая кислота Н2Si2O5(2SiO2xH2O).  

б) полуторные окислы.

Среднее значение рН для грунтовых вод около 7. С увеличением общей минерализации рН увеличивается (в естественных условиях до 9-10) рН характеристика концентрации (активности) ионов Н+, выраженная в ионах на литр, равна отрицательному десятичному логарифму концентрации рН = -lg (H+). Этот процесс происходит, если добавлять в раствор кислоту. Соответственно концентрация ОН- будет уменьшаться на такую же величину (10-8, 10-9 и т.д.). Их произведение всегда 10-14. Для удобства концентрацию Н+ принято выражать с помощью отрицательного логарифма и обозначать рН.

 

 

Газы природного происхождения могут быть сингенетическими (т.е. образованными одновременно с формированием породы) и эпигенетическими (т.е. поступившими в грунт в результате газообмена с соседними толщами и с атмосферой). Газы грунтов зоны аэрации чаще являются эпигенетическими, т.к. содержат примеси, поступающие из атмосферы.

По химическому составу все газы в грунтах делятся на три основные группы по преобладающему компоненту: 1) углеводородные; 2) азотные; 3)углекислотные. «Чистые» газы в грунтах практически не встречаются, чаще это газовые смеси.

Состояние газов в грунте.

Сопоставление количества газов, сосредоточенных в месторождениях нефти, газа, угля и рассеянных породах, показывает, что основная масса газов присутствует в осадочных породах в рассеянном состоянии (растворена в воде и нефти, сорбирована породами). Газы в породах могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состоянии; они могут присутствовать в воде, заполняющей поры, в виде мелких пузырьков или в растворенном состоянии.

Свободные газы содержаться в сообщающихся порах грунта, т.е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени водонасыщения.

Т.е. при W=6-10% количество газов ≈ 1-1.5% от V образца. При W=25-30% - V газов увеличивается до 5-6%, а дальше происходит уменьшение содержания газа до их полного вытеснения при полном водонасыщении, чаще они переходят в категорию защемленных.

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от минерального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов. Природные влажные грунты не содержат адсорбированных газов, они присутствуют только в сухих грунтах (при влажности ниже гигроскопической).

Защемленные газы  образуются на отдельных участках породы при одновременном увлажнении грунта свержу и снизу они оказываются защемленными в капиллярах. В глинистых грунтах защемленные газы могут занимать 20-25% от объема пор.

Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом растворе. При этом могут возникать химически агрессивные растворы, например углекислотные и сернокислые и др.

Влияние газов на свойства грунтов.

Газы оказывают влияние на различные свойства грунтов. Прежде всего – плотность, теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и др.), проницаемость, а также физико-механические.

Защемленные газы находятся под давлением, на контакте с жидкой фазой обусловливающей поровое давление. Это влияет на сжимаемость. Сжимаясь в объеме пузырьки защемленных газов, уменьшают свой объем и могут перейти в свободное состояние, это может сопровождаться резким прорывом газов из пор и сбросом порового давления. Подобные явления могут вызывать разрушения земляных насыпей, дамб, откосов дорог и т.п.

С повышением давления газов связаны и газодинамические явления, имеющие большое значение в горнодобывающей промышленности.

Сжимаемость защемленных газов в грунтах может обусловливать и длительную осадку сооружений.

Показатели.

Газоносность – общее количество паров в единице массы или объема.

Воздухоемкость – коэффициент воздухосодержания: отношение объема газа к общему объему пор.

К биотической составляющей грунтов относятся различные живые организмы, для которых грунт служит временной или постоянной средой обитания (от одноклеточных до млекопитающих). Область существования живых организмов в пределах литосферы называют литобиосферй, которая является частью биосферы Земли. Верхняя граница ее дневная поверхность земли, а нижняя определяется глубиной проникновения жизни в горные породы.

 

Подразделяется на: I. Макроорганизмы и II. Микроорганизмы.

I . Макроорганизмы.

Глубина их воздействия первый десяток, чуть > метров. Это корни растений в почве и грунтах подпочвенного слоя. Это от 12 млн. до 2 млрд. особей на 1 га площади земной поверхности беспозвоночных животных. Это позвоночные кроты, землеройки, мыши – физически разрушающих, уплотняющих грунт, увеличивающих его пористость (причем макропористость), а, следовательно, сжимаемость, водопроницаемость и, самое главное, выветриваемость, водопрочность (увеличивается в 10 раз). И, наконец, это источник органического вещества, о котором мы с Вами уже говорили.

Описаны случаи когда кротовины или норы сурков расположенные на склонах служили начальным этапом в развитии на их месте процессов овражной эрозии.

II . Микроорганизмы.

Влияние их на состав, состояние, свойства системы грунт значительно больше, чем макроорганизмов. Обнаружены они в различных генетических типах грунтов: моренных, флювиогляциальных, лессовых, морских, озерных, а также песчаных и скальных грунтах. Особенно много их в пойменных, старичных, болотных и техногенных (культурный слой) и осадках сточных вод.

Микроорганизмы – это группа живых разнообразных организмов размером от долей до нескольких микрон. Сюда входят: бактерии, грибы, водоросли, дрожжи, актиномицеты (лучистые грибки, группа микроорганизмов, сохраняющая черты бактерий и грибов), вирусы, простейшие животные, состоящие из мелких физиологических устойчивых амеб, жгутиконосцев и инфузорий и называемые «протозойной фауной». Условия, в которых могут жить микроорганизмы, разнообразны: с кислородом и без; при низких и высоких температурах; на малых глубинах и до 1100 в породах и до 2000 м в п. водах, в грунтах и подземных водах, изменяется лишь их количество и состав. Различают их: по условиям потребления воздуха на анаэробные (развивающиеся при отсутствии воздуха) и аэробные (потребляющие кислород из воздуха).

По способу получения углерода и других питательных веществ они делятся на 1) гетеротрофные, и 2) автотрофные. Гетеротрофные используют для своего питания готовые органические соединения, могут развиваться при наличии и в отсутствии кислорода. Автотрофные – способны сначала синтезировать необходимые им для питания органические вещества из неорганических соединений С, N, S. Они развиваются благодаря световой энергии, энергии окисления ряда неорганических соединений (H, S, NH4 (аммиака), Fe и др.).

                                                                                                  Предполагается, что передвижение бактерий происходит в основном благодаря фильтрации подземных вод. Началось оно где-то в докембрии и продолжается по сей день.

                                                                                                       Деятельность микроорганизмов (анаэробных) в глубинах приводит к образованию метана, который либо накапливается в подземных коллекторах, либо поднимается в аэробную

Влияние на свойства грунтов

Взаимодействуя с различными компонентами грунта, микроорганизмы влияют на физические, физико-химические и физико-механические свойства.

Влияют на электроповерхностные свойства частиц изменяя их на противоположенные значения.

Микроорганизмы определяют биоагрессивность грунтов и биокоррозию. Микробы воздействуют на металлические и неметаллические конструкции и участвуют в электрохимических реакциях на поверхности материала. Биокоррозионному разрушению подвержены металлы, камень, бетон, пластмассы, древесина, асфальты и др.

Микроорганизмы , выделяя биогазы способны влиять на поровое давление, в закрытой системе грунта могут его увеличивать и придавать ему плывунные свойства.

Тема 4

Окисление.

Поступающий с инфильтрационной водой растворенный в ней кислород активно вступает в окислительные реакции. Здесь взаимодействуют газовый и твердый компоненты. Этот процесс идет активно в поверхностной зоне (выветривание), затухая с глубиной.

Прежде всего, окисляются сульфиды (химические соединения металлов и неметаллов с серой – пирит FeS2, молибденит МоS2, халькопирит FeCuS2) c образованием сульфатов, карбонатов, гидроокислов и др. Процесс окисления развивается многостадийно. Например, при окислении пирита FeS2 образуется сульфат закиси железа FeSO4, который переходит в сульфат окиси железа Fe2(SO4)3, и далее в гидрат окиси железа – лимонит Fe2O3*nH2O. При этом образуется серная кислота H2SO4, которая взаимодействует с карбонатами (СaCO3) и образует гипс (СaSO4*2H2O) 

Большое влияние на процесс окисления оказывает органическое вещество, оказывающее сильное восстановительное воздействие, переводя металлы из окисной формы Fe3+ в закисную Fe2+.

С увеличением глубины (как уже было сказано) процессы окисления затухают, а приобретают значение обратные процессы восстановления. Имеет место как бы непостоянная граница постепенно, но по мере выветривания смещающаяся в глубину.

3. Растворение.

Минеральный фазовый компонент часто растворяется в жидком. Активно этот процесс происходит в коре выветривания, т.е. в зоне активного водообмена.

Ионы воды растаскивают ионы кристаллической решетки минералов и переводят их в раствор.

Подробно растворимость рассмотрим ниже.

Очевидно, что она зависит: а) от свойств минералов. Наибольшей растворимостью обладают простые соли (галлойды, сульфаты, карбонаты), у которых основной является ионная связь между атомами.

б) от свойств растворителя, проявляющихся через диэлектрические свойства: чем выше диэлектрическая способность, тем большей энергией гидратации и, следовательно, растворяющей способностью она обладает.

Растворяющая способность воды существенно зависит от растворенных в ней газов. Особенно углекислого газа СО2. Он легко растворяется в воде (его растворимость в 10 -ки раз больше, чем О2 и N). Поэтому содержание СО2 в водах довольно велико, а углекислые воды активно вступают в химические реакции с минералами, способствуя увеличению растворимости простых солей, прежде всего карбонатов.

Гидратация минералов.

В значительной мере была нами разобрана при рассмотрении прочно и рыхлосвязанной воды.

При взаимодействии глинистых частиц, обладающих избыточным отрицательным зарядом, происходит адсорбция молекул воды, обладающих полярностью. Устанавливаются водородные, ион- дипольные и диполь-дипольные связи.

По поверхности глинистых минералов заряд распределен неравномерно: он больше сосредоточен в местах, где находятся:

а) катионы-компенсаторы отрицательного заряда в структуре молекул, на поверхности минералов и в межслоевом пространстве;

в) валентнонасыщенные атомы боковых сколов минералов;

б) отрицательно заряженные ионы кислорода и гидроксильные группы базальных поверхностей минералов.

Т.к. эти энергетические центры неодинаковы, гидратация происходит слоями. Вначале а) и в), потом б).

Адсорбционная способность зависит от:

а) валентности катионов: чем больше, тем больше;

б) ионного радиуса: чем больше, тем меньше;

в) строения слоев минералов.

Поэтому вначале гидратируются минералы, обладающие большей валентностью: Мg2+, Ca2+, Ba2+, Al3+, Fe3+ и значительно слабее K+, Cs+; промежуточное положение занимает Na+. Важное значение имеет в) строение слоев минералов.

У каолинита, гидрослюд, хлорита адсорбция молекул воды идет только на внешних поверхностях частиц.

У монтмориллонита, вермикулита в процессе гидратации участвуют межслоевые поверхности частиц.

На первой стадии гидратации между молекулами воды и катионами межслоевыми и на сколах устанавливается ковалентная связь. Далее второй слой между О--, ОН- и диполями воды водородная.

Эти слои, как мы уже говорили, обладают структурой – структурированные. Предполагается, что у монтмориллонита и вермикулита образование таких структурированных слоев идет и внутри слоев и на поверхности.

Образуется жесткая пленка прочносвязанной воды, состоящая из от единиц до нескольких десятков слоев ориентированных молекул воды. Степень ориентации молекул воды уменьшается по мере удаления от поверхности минерала. Неравномерно быстрее между сильными энергетическими центрами, медленнее – над ними.

При W > Wг начинают возникать капиллярные мениски. Так до Wр. Далее, если поровое пространство не закрыто, происходит осмотическое перераспределение ионов и образование дополнительного слоя осмотически связанной воды, толщиной до нескольких сот даже 1000 Ао. (Оно начинается раньше. Вообще эти процессы накладываются друг на друга). 1Ао=10-6мм

II .Формирование двойного электрического слоя (энергетическая характеристика процесса гидратации)

В сухом состоянии структурные слои глинистых минералов электронейтральны. Недостаток положительных зарядов, возникающий в результате изоморфных замещений катионов, полностью компенсируется адсорбционным слоем ионов, который находится на поверхности структурных слоев.

Имеет место двойной электрический слой. Электрический потенциал, характеризующий разность зарядов между положительным и отрицательным слоями, называется термодинамическим потенциалом (ψ)

При гидратации глинистых частиц связь катионов-компенсаторов отрицательного заряда с поверхностью слоя слабеет. Благодаря воздействию молекул воды, тепловому движению они рассосредотачиваются вблизи поверхности глинистого минерала, образуя ионную атмосферу или диффузный слой ионов. (Почему диффузный: diffusio – распространение, самопроизвольное проникновение друг в друга приведенных в соприкосновение газов, жидкостей и твердых тел). Его концентрация убывает от поверхности частицы по мере ослабления влияния отрицательного заряда, а число отрицательных ионов увеличивается в этом направлении. Граница влияния отрицательного заряда глинистого минерала и является границей диффузного слоя:

D=(εKT/8πe2Na∑CiZi2)1/2, где

ε- абсолютная диэлектрическая проницаемость жидкости

К- постоянная Больцмана (1.38=К=R/Na, где R-универсальная газовая постоянная; R=ρV/T)

Т – абсолютная температура;

е – заряд электрона;

Nа – число Авогадро – число молекул в 1моле в-ва

Сi – концентрация катионов различной природы;

Zi – валентность катионов

Отход части катионов от поверхности делает ее неэлектронейтральной, т.е. заряженной. Оставшиеся катионы часть отрицательного заряда структурной решетки компенсируют, но не всю. Скомпенсированный потенциал называют адсорбционным потенциалом (ε). А некомпенсированная часть (φ – ε)=ζ называется электрический потенциал или дзета-потенциал. Именно ζ и компенсируется постепенно ионами диффузного слоя. Чем  больше ζ , тем толще диффузный слой. При ζ =0, D диффузного слоя =0. ζ или D влияют на поведение системы «грунт» в целом и в значительной мере через D или через ζ проявляется влияние не систему внешних условий: t, P, pH, состав обменных катионов (их количество, концентрация, хим. состав, валентность, ион. радиусов, диэлектрическая постоянная).

С другой стороны величина ζ, а следовательно ψ, ε и D зависят от кристаллохимического строения: нестохиометричности изоморфных замещений и типа кристаллической структуры. Чем больше изоморфных замещений, тем больше общий структурный заряд, тем больше φ, тем больше ζ, и тем больше D. На это прямое влияние естественно накладываются: строение кристаллической решетки (октаэдр или тетраэдр) – соответственно для монтмориллонита недостаток заряда в октаэдре должен еще пробиться через тетраэдры, тогда как замещение в тетраэдре ведет быстрее к выходу на поверхность минерала. Естественно, что диффузный слой имеет неровную границу. В связи с особенностями кристаллической решетки величина D увеличивается на активных центрах, уменьшается между ними, изменяется на склонах и гранях. Поэтому ζ рассматривается в целом, а не для отдельной частицы. Очевидно, что ζ у минералов группы монтмориллонита благодаря наличию межслоевой гидратации будет больше, чем у минералов с «жесткой» решеткой. У более дисперсных ζ больше, чем у менее дисперсных минералов.

Влияние электролита и химического состава катионов на ζ.

С увеличением концентрации электролита D уменьшается (диффузный слой сжимается), т.к. катионы начинают уходить в адсорбционный (поверхностный) слой, насыщать его, и естественно уменьшается ζ (электрокинетический потенциал), а ε (адсорбционный потенциал) увеличивается. При разбавлении концентрации электр-та диффузный слой увеличивается.

Валентность (Z). Существенное влияние на D оказывают: валентность (Z) ионов-компенсаторов, их поляризуемость и способность гидратироваться.

Чем больше валентность, тем сильнее связь иона с поверхностью минерала, его труднее «оторвать» и D меньше.

Чем больше поляризуемость (ε) иона, тем больше возникает дополнительной энергии связи иона с поверхностью частицы и тем D меньше.

Гидратируемость. Чем больше гидратируемость иона (т.е. чем лучше у него образуется связь с диполями воды), тем больше и дальше они его уносят от поверхности минерала и тем D больше.

Поляризуемость катионов и их способность гидратироваться зависят от ионного радиуса:

чем больше ионный радиус, тем больше поляриз-ть, и чем больше ион-ый радиус, тем меньше гидратируемость. Отсюда чем больше ион. радиус, тем меньше ζ , тем меньше D.

Диэлектрическая проницаемость существенно влияет на ζ и D. Чем больше диэлектрическая проницаемость (ε) среды, тем меньше энергия взаимодействия катионов с поверхностью частиц, тем больше D и ζ. Этим объясняется наибольшее развитие электрокинетических явлений в водной среде по средою с другими жидкостями.

рН жидкой компоненты.

Во-первых, как мы уже обсуждали, катионы Н+, образующиеся в результате диссоциации воды на ионы:

Н2О↔Н++ОН-

обладают малыми размерами, легко проникают в решетку, изменяя ее заряд. Катионы ОН- также легко адсорбируются на поверхности частиц из-за своего большого дипольного момента.

Во-вторых, происходит перезарядка атомов боковых сколов. Развитие этого процесса обусловлено амфотерными свойствами молекул бокового скола октаэдрической решетки, который ведет себя как гидрат окиси алюминия Al(OH)3 (основание).

В кислой среде скол октаэдрической решетки ионизируется по щелочному типу:

Al(OH)3↔Al(OH)2+ +OH- ,

а в щелочной по кислотному:

Al(OH)3↔Al(OH)2O-+H+

В результате в кислой среде боковой скол заряжается +,а в щелочной –.Поэтому а) в кислой среде поверхность частиц и сколы обладают разными знаками и общая величина φ и ζ будет понижена, и, кроме этого частицы приобретут сильный дипольный момент.

б) в щелочной среде, наоборот, увеличена.

без дипольного момента.

t -ое среды. Является довольно сложным и для различных перечисленных влияющих факторов – различным, т.к. t влияет на все условия термодинамического состояния.

С одной стороны: растет интенсивность теплового движения катионов и диполей воды – диффузный слой увеличивается, ζ растет.

С другой – уменьшается диэлектрическая проницаемость воды. Так при увеличении t с 20оС до 60оС диэлектрическая проницаемость воды снижается с 80 до 66. Это вызывает соответствующее уменьшение ζ и D.

III . Ионный обмен.

Ионный радиус, валентность, поляризуемость определяется составом катионов дисперсной среды.

В стабильных термодинамических условиях диффузный слой и катионы дисперсной среды находятся в равновесном состоянии. Но как показал К.К.Гедройц (1918-1932), при изменении условий начинается обмен ионами.

При этом часть ионов уходит из диффузного слоя, а часть входит в него. Общее число ионов в грунте, способное участвовать в таком обмене при данных условиях называется емкостью обмена или емкостью поглощения. Она выражается в миллиграммах-эквивалентах на 100г сухого грунта.

Очевидно, что емкость обмена зависит от всех перечисленных факторов. Чем > ζ тем > . Чем >диф.слой, тем >. 

Влияют: хим. тип катионов (ионные радиусы, валентность, степень поляризуемости, концентрация катионов среды, t, pH, P, диэлектрическая проницаемость.

А) По мере увеличения валентности способность катионов поглощаться грунтом возрастает. Аналогично увеличивается и степень поляризуемости. Происходит усиление электростатического воздействия, уменьшается D и ζ, увеличение скорости взаимодействия.

При наличии в растворе катионов с различной валентностью, равновесие всегда смещается в сторону катиона с большей валентностью (его поглощ. больше).

Б) Чем больше ионный радиус, тем, при той же валентности больше способность поглощаться (исключение Н+). При увеличении ионного радиуса. При увеличении ионного радиуса, уменьшается способность гидратироваться.

В) Катионный обмен – обратимый процесс.

 Г) Его интенсивность подчиняется - чем больше концентрация, тем быстрее скорость обмена.

По своей активности на основе А) и Б) катионы можно построить в такой ряд: Fe >Al > H(исключ.) > Ba > Ca >Mg > NH4 >K>Na>Li.

Наиболее часто встречаются Са2+, Mg2+, Na+, К+, Н+.

Исследование состава обменных катионов указывает на его связь с генезисом.

Промытые ледниковыми, речными, атмосферными водами отложения содержат Н+

В породах, образовавшихся при выветривании основных изверженных и других пород, богатых магнием (габбро, доломитизированных мергелистых глинах) содержится Mg2+

Наиболее широко распространен Са2+ в связи с широким распространением солей кальция и высокой его активностью в обменных реакциях. В морских водах присутствие известковой (раковины) создает условия для замены кальцием натрия. Na+ присутствует в условиях растворения солей Na. Широко также распространен в морских отложениях.

При прочих равных условиях, очевидно наиболее емк. обмена будут обладать минералы с наименьшими S поверхности и наибольшей жесткостью. Среди глинистых основных минералов это каолинит 3-15мг/экв на 100г.Минимум изоморфных замещений. Почти нет. Активны только боковые сколы. Поэтому емкость обмена каолинита особенно зависит от рН среды.

У гидрослюды уже наблюдаются изоморфные замещения. И хотя калий не дает раздвигаться слоям, ее внешние базальные поверхности несут значительный отрицательный заряд. Отсюда обмен происходит по сколам и по базальным поверхностям. И емкость обмена достигает 10-40 мг-экв на 100г. Это экстрамицелярный обмен (по терминалогии Г.Вигнера) (поверхностно-мицельный).

У монтмориллонита обмен и экстра и интрамицелярный. Участвуют в обмене и сколы, и внешние, и внутренние поверхности. Поэтому емкость обмена монтмориллонита в нейтральной среде (рН=7) составляет 80-150 мг-экв на 100г.

Влияние обменных катионов на содержание прочно и рыхлосвязанной воды принципиально различно.

Катионы в растворе с высокими валентностями как обладающие высокой гидратируемостью, способствуют образованию прочно-связанной воды. Поэтому величина Wмг изменяется в зависимости от валентности обменных катионов как:

Катион 3+ > катион 2+ > катион+.

При образовании диффузного слоя рыхлосвязанной воды большая величина валентности ведет к прочному прилипанию высоковалентных ионов к поверхности частиц и уменьшению диффузного слоя, уменьшению кол-ва осмотической связанной воды. Здесь зависимость выглядит:

Катион+ > катион 2+ > катион 3+.

Т.к. содержание прочносвязанной воды в грунте составляет первые %, а основное содержание обуславливает слабосвязанная вода, то последнее отношение характерно и для общего кол-ва воды в грунте.



Тема 5.

Тема 6.

Свойства грунта

Пески

Знание пористости позволяет вычислить относительную плотность песка D=(emax-e)/(emax-emin)

Для оценки способности грунта к уплотнению используется показатель уплотняемости F

F=(emax-emin)/emin,

где: emax=(ρsmin)/ρmin;   emin=(ρsmax )/ρmax 

 

Глинистые грунты

Пористость глинистых отложений, легко изменяется при внешней нагрузке, они уплотняются. Это уплотнение может происходить и в естественных условиях. По мере уплотнения прочность глинистых грунтов возрастает. Для оценки степени уплотнения глинистых грунтов определяют показатель степени уплотнения (коэффициент В. А. Приклонского) Kd .

Kd= (eL-e)/(eL-ep)

 

3.Теплофизические свойства.

Теплофизические свойства оказывают большое влияние на различные природные процессы (выветривание, почвообразование, сезонное и многолетнее протаивание и промерзание), соответственно это отражается на условиях работы инженерных сооружений. Для изучения процессов тепло- и влагопереноса, расчета чаши протаивания в мерзлых грунтах, используются теплофизические характеристики грунтов. Основные характеристики: теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность грунтов.

Теплота Δ Q, сообщенная грунту, расходуется согласно первому закону термодинамики на изменение его внутренней тепловой энергии Δ U и на работу А, связанную с расширением грунта Δ Q =Δ U + A. Для твердых и жидких тел работа А пренебрежительно мала. Сообщение грунту теплоты вызывает приращение его температуры: Δ Q = CmΔt, где m- масса грунта; С- коэффициент пропорциональности, называемый теплоемкостью – количество тепла, которое надо сообщить телу для нагревания его на 1оС .

С=Δ Q / mΔt =Дж/кгхоС = ЭРГ/гхоС

а) теплоемкость – способность поглощать тепло, измеряется количеством тепла которое необходимого для изменения температуры единицы массы или объема грунта на 1°С. Поэтому различают Объемная теплоемкость С v - равна количеству тепла необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°С. и Удельная (весовая) теплоемкость С количество тепла, которое надо сообщить телу, чтобы нагреть его на 1оС;

С=Δ Q / mΔt ; Δ Q – теплота, m – масса грунта, Δt –приращение температуры.

С - изменяется для породообразующих минералов в небольших пределах: от 0.7 (для кварца) до 0.9 кДж/кгхград (для монтмориллонита и др. глинистых минералов). При определении теплоемкости грунта учитывается совместная теплоемкость с водой и воздухом. Водонасыщение приводит к замене газа (теплоизолятора) на воду и соответственно к увеличению теплоемкости;

б) коэффициент теплопроводности λ – характеризует способность материала проводить тепло; величина, равная количеству тепла, проводимого грунтом через единицу площади при температурном градиенте, равном 1; Вт/м2Со ; ЭРГ/см2 оС; кал./см2 оС Анализ влияния состава грунтов на теплопроводность λ дал следующий постепенно увеличивающийся ряд: (min) торф- глина- суглинок- лесс- супесь- песок- крупнообломочные породы (max).

 в) коэффициент температуропроводностиа характеризует инерцию изменения температуры, т.е скорость распространения изменения температуры вследствие поглощения или отдачи тепла и измеряется в м2/с (метр квадратный на секунды).а= λ/С v или а= λ/ρ C

 

Электрофизические свойства

Способность грунтов проводить и поглощать электрический ток.

Наиболее важные электрические свойства – электропроводность и диэлектрическая проницаемость.

Электропроводность грунтов – способность проводить электрический ток. Основные характеристики: ρ – удельное электрическое сопротивление; Ом х м

σ=1/ρ –удельная электропроводность;

ε- относительная диэлектрическая проницаемость, она обусловлена свойством молекул, атомов и ионов, слагающих компоненты грунтов, поляризоваться в электрическом поле.

ρ отражает способность грунта не пропускать электрический ток. Изменяется от сотен тысяч у магматических грунтов до единиц – у водонасыщенных глин.

Зависит от влажности, минерализации порового раствора, температуры, структурных особенностей;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость – безразмерная величина, показывает, во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном грунте меньше, чем в вакууме.

ε для грунтов изменяется от 2 до 20

ε воды = 80

ε газа мало

получается, что зависит в основном от содержания воды.

ρ используется для оценки коррозионной активности.

 

Магнитные свойства

Все грунты в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Это обусловлено тем, что основная часть породообразующих минералов относится к группе парамагнетиков. Основные параметры: остаточная намагниченность, магнитная восприимчивость и др.

Характеризуется намагниченностью J, равной результирующему магнитному моменту какого-либо тела, отнесенному к единице объема или массы или грамм атому

J=KmH, где

Km – магнитная восприимчивость

Н – напряженность магнитного поля.

Магнитная восприимчивость – коэффициент пропорциональности между намагниченностью и внешним магнитным полем, создавшим эту намагниченность.

Магнитные свойства грунтов зависят от свойств (их сочетания) элементов, от структурных особенностей. Обычно с возрастанием дисперсности грунтов их магнитная восприимчивость (К m ) уменьшается. К диамагнетикам относятся (медь, серебро, цинк, золото, кварц кальцит, гипс,ангидрит и др.) Среди горных пород – каменные соли, мел, известняк и др. Парамагнетики (при отсутствии внешнего магнитного поля , они не намагничесны) – биотит, сидерит , доломит и др.). Ферромгнетики (собственная намагниченность в пределах незначительных участков (около микрона).

Магнитные свойства имеют существенное значение при анализе условий формирования грунтов. Ю.Б. Осипов показал, что магнитные свойства влияют на процесс осаждения особенно глинистых минералов. На формирование их структуры, трещиноватости, анизотропности свойств.

 

Акустические свойства.

Широко используются для изучения свойств грунтов

Характеризуются скоростью распространения упругих волн:

продольной Vp и поперечной Vs. Чем больше V, тем более упругий грунт, тем значительнее сопротивление его внешним нагрузкам.

В прочных магматических и осадочных грунтах, для которых приемлема модель однородной изотропной идеально упругой среды, значения Vp и Vs равны:

Vp=√E(1-μ)/(ρ(1+μ)(1-2μ))

Vs=√E/(2ρ(1+μ)) = √G/ρ

Где Е и G – модули линейной упругости и сдвига

μ – коэффициент Пуассона

ρ – плотность грунта

Для большинства скальных грунтов Vρ=2Vs

Используются как косвенные характеристики для расчленения массива грунтов.



Растворимость грунтов

Способность минералов растворяться под действием природных вод или иных растворов называется растворимостью. Молекулы растворителя, обладая тепловым движением, электрическими полями (каждая) и общим электрическим полем, определенным составом катионов и анионов, разрушают кристаллическую решетку минералов. Ионы из решетки переходят в воду, образуются новые водные растворы, а минералы изменяют свои свойства.

В. А. Приклонским выделено: прямое и диффузное растворение.

При прямом вода движется непосредственно по поверхности растворяемых минералов.

При диффузном растворитель м.б. неподвижен, но вследствие различия концентрации ионов на поверхности минерала – у прилегающих слоев воды – у отдаленных слабодвигающихся слоев воды – наконец, у слабоминерализованной движущейся воды происходит самопроизвольное движение ионов в том же направлении, приводящим к растворению (изменению состава) твердой части грунта. Изменяется и состав порового раствора.

Скорость растворения грунтов зависит от прямого и диффузного растворения

dm/dt=α(Cн-C) S,

m – масса грунта, перешедшего в раствор; Cн-C – соответственно концентрации вещества в насыщенном и данном растворе; S – площадь поверхности растворения; t – время растворения; α – коэффициент отражающий скорость растворения, который в природных грунтовых водах меняется в пределах 10-9 – 10-4 м/с.

Растворимость грунтов определяется следующими основными факторами:

1) химико-минеральным составом растворяемого вещества;

2) структурно-текстурными особенностями;

3) типом и свойства растворителя;

4) термодинамические параметры;

5)  участие биоты.

Перенос веществ в процессе диффузного выщелачивания называется законом Фика:

dm = -D(dc/dl)Sdt, где

m – количество вещества, участвовавшего в диффузном переносе; dc/dl – градиент концентрации; S – площадь поперечного сечения, через которую идет перенос; t – продолжительность диффузии; D – коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии или коэффициент диффузного выщелачивания, характеризующий количество вещества, проходящее через единицу площади поперечного сечения диффузного потока при градиенте концентрации, равном 1 в единицу времени. Размерность см2/сутки, см2/секунду. Определяется экспериментально для каждого типа породы.

Процесс диффузного выщелачивания характерен для глинистых слабоводопроницаемых грунтов. Иногда этот процесс более активен, чем фильтрация. Величина D имеет в них порядок (5-10)х10-7 см2/сек. Для воздушно-сухих грунтов она естественно (Брикинг 1967,68) = 10-11см2/сек.

В песчаных, крупнообломочных, скальных, трещиноватых грунтах происходит прямое растворение.

Нерастворимых абсолютно грунтов нет! Различна V. На процесс растворения влияют

1) свойства растворяемого вещества;

2) свойства растворителя;

3)термодинамические условия;

4) химико-минеральный состав растворяемого вещества.

А) Химико-минеральный состав.

С практической точки зрения для нас представляют наибольший интерес быстрорастворимые минералы и породы:

Карбонатные (в основном с кальцитом) – мрамор, известняк, доломит, мергель, сам кальцит – кальцитовый заполнитель трещин, мел – CaCO3, их растворимость составляет доли грамма на 1л.

Галоидные (галит – NaCl, сильвин – КCl, сильвинит NaClх KCl, карналлит KClxMgCl2x6H2O) – их растворимость составляет больше 100 г на 1л

Засоленные глинистые породы, в том числе лессы.

Во всех случаях примесь в грунтах хорошо растворимых в воде минералов класса простых солей с ионным типом связи и обладающих сравнительно невысокими энергиями кристаллических решеток повышается их растворимость.

Известно нам, что связь в кристаллах простых солей ионная (сила, которая определяется по закону Кулона F=l1l2/r2). Она зависит от типа иона, т.е. его а) радиуса б) заряда, определяемого валентностью

Чем больше валентность и меньше ионный радиус, тем больше энергия связи, хуже растворимость

Структурно-текстурные особенности грунтов влияют на растворимость двояко. Во-первых, растворимость повышается с уменьшением размера слагающих их минералов: крупнозернистые или крупнокристаллические разности пород медленнее растворяются за счет меньшей площади растворения. Зависит от кристаллизационно-цементационных связей, поскольку цемент на контактах частиц (обломков, зерен и др.) обычно более растворимы, чем сами частицы. Это имеет особенно большое значение в засоленных дисперсных грунтах, в лессах. Именно поэтому в грунтах при растворении наблюдаются причудливые формы развивающихся поровых каналов, каверн и др.

Б) Размер кристаллов минералов.

Чем меньше размер, тем больше растворимость.

Возможны даже ситуации, когда мелкие зерна растворяются ( для них раствор еще не насыщен, а крупные растут (для них раствор пересыщен). В грунтах могут образовываться каверны, разделенные крупными кристаллами (часть материала выносится).

В) Наличие примесей

 Наличие менее растворимых примесей ведет к уменьшению растворимости солей минералов. Глинистые частицы, битуминозное вещество в виде примесей постепенно покрывает поверхность вмещающего их растворимого вещества и тормозит процесс растворения (Д.С.Соколов, 1962г.)

Наличие более растворимых примесей ускоряет растворение.

Влияние на процесс растворения

2) Свойства растворителя

зависит от

А) его диэлектрической проницаемости. Чем больше, тем больше. Растворимость солей в бензоле, керосине значительно ниже. У молекул воды, обладающих дипольным моментом max.

Б)от состава и концентрации растворенных в воде солей.

 Чем меньше ионов, аналогичных растворяемым, тем больше растворимость. Обычно в воде присутствует комплекс ионов. Их совместное влияние сложно и пока мало изучено.

В)наличие кислот , в частности углекислоты H2CO3, которая мало влияет на растворимость галоидов и сульфатов, но существенным образом на растворимость карбонатов, увеличивая ее в 4-5 раз.

Образование Н2СО3 (угольная кислота) происходит из-за повсеместного присутствия в грунтовых (поверхностных) водах углекислого газа СО2. Его растворимость в десятки раз больше, чем растворимость О2, N и NH4 (метана)

Растворение карбонатов происходит в соответствии с реакцией:

СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2 – образуется легко растворимый в воде бикарбонат кальция. 

3)Термодинамические условия ( t , P ) и скорость движения воды

А) Повышение температуры приводит к увеличению колебательных движений ионов в кристаллической решетке и ослаблению ионных связей. Однако такая закономерность наблюдается не у всех солей.

Растворимость NaCl (галит) и СаСО3 (карбонат) в дистиллированной воде без СО2 при увеличении температуры постепенно увеличивается. Растворимость СаSO4(ангидрита) уменьшается. А гипса сначала увеличивается (до 40о), а потом уменьшается.

Б) Влияние Р.

Чем больше давление на минеральный скелет, тем больше растворимость. Особенно значительно влияние Р при его неравномерном распределении на кристалл. решетки минералов, вообще на массив.

В) С увеличением скорости потока увеличивается растворимость, т.к. вместе с раствором уносятся уже растворенные ионы по составу аналогичные с растворяемым веществом.

2. Адсорбционные свойства грунтов (поглотительная способность).

Свойство грунтов поглощать из фильтрующихся через них растворов или газовых смесей растворенные в них вещества называются поглотительной или адсорбционной способностью.

Почвоведом Гедройцем Константином Коэтановичем (1933) было выделено 5 видов адсорбции:

- механическая

- физическая

- физико-химическая

- химическая

- биологическая

а) механическая поглотительная способность грунтов

Свойство грунтов как всякого пористого тела не пропускать через себя частицы определенных размеров (больших, чем размер пор). Каждый грунт имеет предельные размеры пропускаемых и задерживаемых частиц, которые определяются:

1. размерами пор

2. структурой пор, искривленностью сочетания пор разных размеров

б) физическая поглотительная способность

Поглощение из растворов веществ, обусловленное силами молекулярного взаимодействия, называется физическим поглощением. При этом химического взаимодействия между поглотителем и поглощенными веществами не происходит.

Если представить грунт в виде дисперсной системы, то можно говорить о :

Дисперсной среде: вода с растворенными солями

Дисперсной фазе: твердые минеральные и органические частицы.

Поверхностная энергия такой системы определяется свойствами среды, фазы, и является следствием поверхностного натяжения, возникающего на границе соприкосновения части дисперсной фазы с дисперсной средой, сила, которого определяется величиной суммарной поверхности всех частиц фазы.

Любая неуравновешенная система стремится уравновеситься путем уменьшения объема, температуры или изменения различных свойств. В нашей системе происходит либо: б) уменьшение суммарной поверхности; либо а) уменьшение поверхностного натяжения природного раствора (воды).

В связи с этим различают положительную адсорбцию, при которой поглощается растворенное вещество, что, сопровождается понижением поверхностного натяжения или отрицательной, когда поглощается растворитель.

А) первый процесс ведет к перемещению веществ, вызывающих уменьшение поверхностного натяжения, к поверхности соприкосновения фазы и среды, а частиц, вызывающих увеличение – наоборот. В первом случае этот процесс называется положительной адсорбцией, во втором – отрицательной.

Поверхностное натяжение воды при 0оС = 75.5 дин на 1см. ( 1дина = 10-5Н = 10-3гс; 1Н=100гс). Его могут понижать: органические соединения (орг. кислоты, спирты, и др.); повышать: неорг. кислоты, соли, основания.

И чем больше концентрация, тем больше.

Образование адсорбционных слоев, вызывающих ослабление поверхностного натяжения, уменьшает и прочность грунта.

Б) величина суммарной поверхности определяется содержанием коллоидных частиц. Гедройц показал, что при содержании в грунте 1% частиц, размером 0.1мк их поверхность будет равняться площади поверхности всех остальных частиц.

Коллоидные системы очень неустойчивы. При увеличении содержания электролитов в растворе (солей, кислот, щелочей) происходит коагуляция, переход коллоидов в агрегированное состояние. Этот переход связан с уменьшением z - потенциала и сближением отдельных частиц. Концентрация электролитов, при которой начинается коагуляция коллоидов, называется электролитическим порогом. Его величина определяется комплексом условий: составом ионов, типом коллоидов и т.п.

Положительно заряженные коллоиды коагулируют под действием аниона, отрицательно заряженные – под действием катиона. У нас, в основном, отрицательно заряженные.

Наибольшей коагулирующей способностью обладает катион Са2+. В незасоленных грунтах главная роль коагулятора распыленных частиц принадлежит этому катиону. Его присутствие в грунтовой воде обуславливает физическое поглощение органических и минеральных коллоидов путем их коагуляции. Адсорбция коллоидов?

Поэтому для диспергации Добавляют Na+, NH4+, которые вытесняют Са2+

В) Физико-химическая обменная способность грунтов.

При взаимодействии грунта с раствором часть ионов грунта переходит в раствор и часть наоборот. В обмене участвуют и катионы и анионы, но роль первых значительно больше и они изучены лучше. Со стороны минерала участвуют как ионы двойного электрического слоя, так и кристаллической решетки. Характеризуется емкостью обмена грунта: мг-экв на 100г. грунта. Емкость обмена для данного грунта в данных условиях является величиной постоянной, однако зависимой от условий в которых осуществляется обмен. Ионный обмен – это обратимый самопроизвольный процесс, протекающий до установления в системе равновесия и подчиняющийся закону действующих масс. Основными факторами ионного обмена являются химико-минеральный состав грунта (у глинистых и органических соединений выше, у метаморфизованных значительно меньше), его дисперсность (чем больше, тем больше), концентрация ионов в поровом растворе и их тип ионов (скорость обмена и количество замещенных ионов тем больше чем выше концентрация замещенных ионов в поровом растворе), рН раствора (чем выше, тем больше) и др. Ионный обмен сопровождается изменением микроструктуры грунтов, т.к. замена одних ионов на другие вызывает изменения микроструктуры грунтов. В результате этого изменяется высота энергетического бартера отталкивания между частиц, вызывая процессы коагуляции частиц или диспергирования агрегатов.

На обмен влияет:

1. Гранулометрический состав.

Опыты показали, что в основном емкость обмена резко увеличивается, начиная с 0.001мм и меньше (т.к. резко увеличивается поверхность.

2. Размер частиц.

 Длительная растирка каолинита существенно увеличивает его емкость обмена.

3. Минеральный состав.

Значительной емкостью обмена обладают только глинистые минералы и органические соединения. У монтмориллонита она равна 80-150мг/экв на 100г; у каолинита 3-15мг/экв на 100г.; у хлорита 10-40мг/экв на 100г; молодые органические соединения до 100-500мг/экв на 100г, чуть метаморфизованные резко меньше.

4.Состав катионов и анионов в грунте и р-ре. При чем их влияние взаимосвязано.

5. рН среды. Чем больше, тем больше ?, т.к. катион Н+ очень активен и берет на себя замещения, мешая другим катионам.

6. Температура.

Частицы, определяющие емкость обмена грунта, К.К.Гедройц (1927) назвал поглощающим комплексом.

Г) Химическая поглотительная способность грунтов

 (Тесно связанная с физико-химической обменной способностью.)

Это выходящие в результате ионного обмена из грунта и входящие в него катионы и анионы, образующиеся в результате растворения минералов, могут выпадать из раствора, соединяясь и образуя нерастворимые соли. При этом может происходить цементация породы.

В грунтах это катионы Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+. Из анионов это СО32-, РО43-, SO42-.

Например:

На карбонатный грунт действует вода, содержащая Na2CO3 (натриевая соль угольной кислоты – сода). Na+ войдет в грунт и вытеснит оттуда Са и Mg, которые с СО3 дадут СаСО3 и MgCO3 или СаСО3хMgCO3-доломит , которые выпадут в раствор в виде новообразований.?

 

 

Д) Биологическая поглотительная способность грунтов.

Этот вид поглотительной способности характерен главным образом для верхних горизонтов грунтовой толщи. Именно здесь в результате жизнедеятельности макро- и микроорганизмов происходит образования и накопление новых веществ, которые могут примешиваться к твердому компоненту, находящемуся в поровом растворе или газовой смеси. Избирательность и активность этого вида поглощения вызывает изменение внешнего облика грунтов, их физического состояния и свойств. Роль биологического поглощения особенно заметна при выветривании горных пород, а также при начальных этапах формирования осадочных толщ.

Извлечение организмами из почвенного раствора в процессе их жизнедеятельности различных веществ можно рассматривать как особый вид поглотительной способности почвы, как биологическое поглощение (К.К.Гедройц, 1932).

Вильямс В.Р. (1936) указывает на особенно сильную избирательную способность организмов ( растительных, микроорганизмов, не имеющего никакого сравнения с минеральной массой.

В процессе биологического поглощения организмы, растения:

1. поглощают необменные ионы минералов;

2. обменивают ионы с грунтом.

Преобладание того или иного процесса определяется условиями жизни.

Практическое использование поглотительной и физико-химической обменной

способности грунтов.

Адсорбционные свойства грунтов широко используются. Например: физико-химическая обменная способность.

В процессе подготовки грунта к гранулометрическому анализу используются катионы NH4+ (водный раствор аммиака) или пирофосфат натрия (Na4P2O7) или гексометафосфат натрия.

Одновалентные катионы, переходя в поглощенное состояние, вызывают диспергацию глинистых агрегатов.

Аналогичный метод позволяет уменьшить фильтрацию из каналов, водохранилищ.

В грунт вносится р-р NaCl из расчета величины емкости катионного обмена происходит: (грунт +Са2+)+2NaCl = (грунт+2Na+) + CaCl2

 Na+ как и при гранулометрическом анализе переходит в грунт, диспергирует его и резко уменьшает фильтрацию. Черноземы уменьшают фильтрационную способность в 210-285 раз; карбонатные грунты в 17-22 раза. Метод получил название метода солонцевания.

Промывка грунта природными водами, осадками, содержащими Са2+, приводит к обратной замене и восстановлению фильтрации.

На использовании механической и физической поглотительной способности основана кальматация грунтов или заполнение пустот-пор, трещин механическими частицами, вызывающими уменьшение водопроницаемости твердого тела.

Искусственная кальматация требует знания характера взаимодействия кальматируемого грунта и кальматирующей суспензии. Необходимо учитывать их гранулометрический состав, характер сложения – структуру пористости. И по этим параметрам подбирать минеральный состав, концентрацию кальматирующего раствора.

Так крупнозернистые пески кальматируются растворами глин и суглинков высоких концентраций (1.5-3%). Они не задерживают тонкие частицы.

Мелкозернистые пески кальматируются растворами, содержащими частицы менее 0.005мм. Для такой диспергации суспензию специально обрабатывают, разрушая агрегаты, а у песков понижают их адсорбционную способность.

Наилучшими для кальматации являются гидрослюды, потом монтмориллонитовые, потом каолинитовые глины.

Первые наилучшим образом адсорбируются на песчаных частицах. Наибольшая глубина кальматации достигается монтмориллонитовыми глинами, наименьшая – каолинитовыми. Важное значение имеет длительность кольматации.

Недостаточно полный учет всех факторов, влияющих на кольматацию, приводит к тому, что глинистые частицы не проникают вглубь кальматируемой породы, а образуют на поверхности корку, при разрушении которой фильтрация начинается снова.

 

 

Осмос и диффузия.

Осмос это движение растворителя через полупроницаемую перегородку, причиной которого является наличие градиента концентрации. Осмотический поток навстречу диффузии ионов или коллоидных частиц вызван полупроницаемыми свойствами пористой среды. Если диффундирующие частицы благодаря размерам испытывают препятствие для свободного проникновения через пористую перегородку, а молекулы воды легко проникают через ее поры, то выравнивание концентраций по обе стороны перегородки осуществляется в результате осмоса – притока воды в раствор, обуславливающего его разбавление.

В грунтах осмос проявляется на микро- и на макроуровне. На микроуровне формируется осмотическая вода в пределах ДЭС. Избыток положительного заряда ДЭС способствует торможению анионов и как следствие – всего диффузионного потока, в то время как молекулы воды беспрепятственно диффундируют навстречу ему, пытаясь разбавить «более концентрированный раствор» в пределах ДЭС. С этим и связано формирование осмотической воды в грунтах.

На макроуровне причиной осмоса является возникновение диффузионного потенциала по направлению диффузии, причем отрицательный заряд скапливается в начале пути диффузии, поэтому поток воды в массиве направлен навстречу потоку диффузии, т.е. к отрицательному заряду.

Передвижение воды в грунтах возможно не только при наличие градиента гидростатического давления, но и при наличие градиента поля постоянного электрического тока (электроосмос), градиента концентрации растворенных электролитов (капиллярный осмос) или градиента температур (термоосмос).

Движение воды при этом подчиняется закону, аналогичному закону Дарси:

V = K grad Y,       где:

V – скорость перемещения воды;

Y - потенциал электрический, концентрации растворенных веществ или температурный;

К – коэффициент пропорциональности электроосмоса, осмоса или термоосмоса.

Механизм передвижения воды при осмосе одинаков –движение жидкости по поверхности частиц (в отличие от фильтрации, когда происходит движение свободной воды по слою связанной воды).

Оно тесно связано с наличием у твердой компоненты грунта поверхностной энергии. У песков, крупнообломочных грунтов мало, у глин - велико.

Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации в системе за счет беспорядочного блуждания ионов, молекул и тонкодисперсных частиц взвешенных в жидкости. Диффузия ионов очень медленный процесс, происходящий в согласии с первым законом Фика.

Осмос – представляет диффузию вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку, разделяющую два раствора различной концентрации.  

Диффузия растворителя продолжается до установления равновесия в системе в результате выравнивания концентраций по обе стороны перегородки или в результате возникновения осмотического давления. В глинистых грунтах происходит как диффузия растворенных электролитов, так и движение растворителя – молекул воды.

Влияние на диффузионно-осмотические свойства химико-минерального состава, дисперсности, влажности (плотности), характера структурных связей, структуры порового пространства, состава и концентрации электролита, температуры, давления хорошо известны. Но при миграции веществ многокомпонентных растворов возникает много вопросов.

Особенности диффузионно-осмотических процессов в глинистых грунтах при миграции ионов различных солей определяются комплексом факторов.

3.  Осмотические свойства грунтов

Поэтому эти свойства характерны для глинистых грунтов.

Передвижение воды в грунтах возможно не только под действием градиента напора, но и при наличии:

1. градиента поля постоянного электрического тока (электроосмос);

2. градиента концентрации порового раствора (капиллярный осмос);

3. Градиент температуры (термоосмос).

Скорость движения воды под действием этих градиентов описывается следующим уравнением:

V=Kgrady,

где grady - это градиент электротока, t или с

К – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом электроосмоса Кэ, осмоса Ко, термоосмоса Kt/

В отличии от фильтрации (когда движение жидкости происходит по слою связанной воды) при осмотических явлениях движение происходит в виде скольжения по поверхности частиц, и чем активнее и больше поверхность, тем сильнее осмотические явления………….

Наибольшее практическое значение имеют электроосмос и осмос.

1.Электроосмос.

 В 1809г. профессором Московского университета Ф. Рейсом было показано, что если на грунт воздействовать постоянным электрическим током, то в его порах происходит движение воды, как правило от анода(+) к катоду(-) и движение взвешенных частиц в обратном направлении. Первое электрокинетическое явление было названо электроосмос, а второе – электрофарез.

При движении грунтовых заряженных частиц возникает электрический потенциал (оседания или течения, в зависимости от направления движения). Скорость электроосмотического движения определяется , исходя из представлений о двойном электрическом слое, предложенном Гельмгольцем:    

 

         Vэ = zeDЕ/4phDL , где

 

         z - дзета (электрический) потенциал (вольт)

         e - диэлектрическая проницаемость р-ра

         h - вязкость (сантинуазы)

         DЕ - напряжение постоянного электрического поля

         DL - расстояние между электродами.

     Величина z является важной, комплексной характеристикой взаимодействия поверхности твердого тела с поровым раствором. Нами рассматривалась. Зависит от свойств:

1.частиц (сост. обмен. ионов, структура и сост. кристаллической решетки, дефектность, т.е.гран. мин. и хим. составы)

2. раствора (состав обмен. ионов, рН, концентрация)

3. условий (t, Р, размер пор – маленькие поры не дают развернуться z - потенциалу).

Еще более комплексной характеристикой является

          Vэ = Кэ( DЕ/DL), где

            Кэ = (ze)/(4ph) – коэффициент электроосмоса.

Его значение от глин к среднезернистым пескам меняется незначительно: от 1х10-5 до 8х10-5 см2/(Вхсек). Для глинистых пород в основном 2-3х10-5 см2(Вхсек). С изменением размера частиц изменяется незакономерно……(график)

График

                         К э х 10 5 см 2 /сек

       7 I

       6 I

       5 I                                           Для кварцевых песков

       4 I

       3 I

       2 I

          I__ ._ ._ ._ ._ ._ ._ ._ ._._.____ d мм

             0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

 

 

Но, несмотря на малое Кэ, скорость движения воды при электрическом осмосе в глинистых грунтах значит, >, чем от градиента напора.

Поэтому электроосмос применяют для обезвоживания и уплотнения плохо фильтрующих глинистых грунтов. Его эффективность в данном случае будет определяться величиной: К э / К ф (коэф. фильтрации)

 

( Кэ/Кф) х E характеризует I экв, где

 

Е – напряженность электрического поля;

I экв – градиент напора, эквивалентный действию электроосмоса. Для песков = доли единиц, для глин – сотни и тысячи. Что говорит о высокой эффективности. В грунте развивается отрицательное поровое давление до 0.3мПа.

    Однако параллельно при электроосмосе возникает ионный обмен, электролиз, выделение газа – физико-химические процессы, постепенно нейтрализующие его.

 

2.Осмос.

Градиент концентрации приводит к самопроизвольному выравниванию или к диффузии. Скорость движения воды выразится:

Vосм. = Косм х (dc/dl), где

dc (моль/см3)/dl(см) – градиент концентрации, моль/см4;

Ко – коэффициент осмоса.

Осмос в неравномерно засоленных глинах может вызвать деформации набухания или усадки, изменение направления или распределение направлений грунтового потока. Осмотическое давление может достигать нескольких кг/см2.

Например, в каналах, проложенных в засоленных глинистых грунтах, после заполнения их пресной водой, будет происходить осмотическое набухание.

Если концентрация солей в воде больше, чем в поровом растворе грунта, будет происходить отсос воды и .уплотнение грунта, усадка. Б.Ф.Рельтов предложил это явление так и использовать для уплотнения и осушения глинистых грунтов – осмотический дренаж.

Проницаемость грунтов

Способность грунта пропускать жидкость или газ при перепаде давления.

Для характеристики проницаемости используется Кф. При ламинарном режиме в водонасыщенных грунтах движение воды подчиняется закону Дарси:

Q = FxKфxi; Q/F=Kфxi=V,

Q-расход, м3/сут.;

F – площадь фильтрации;

i =ΔH/l – напор, равный перепаду давлений на путь;

F=bxm

Кф – скорость фильтрации при i=1м/сут.

Для отделения влияния на Кф свойств воды, используют коэффициент проницаемости, зависящий только от геометрии порового пространства:

Кп=(qxlxη)/Fxtx(P1-P2),

q- объем жидкости, профильтровавшийся через образец,

l – длина образца,

η – вязкость жидкости при температуре опыта,

F – площадь поперечного сечения образца,

T – время фильтрации,

P1-P2- перепад давления,

Проницаемость выделяют:

-абсолютную – характеризующую пропускную способность пористой среды, невзаимодействующей с жидкостью или газом

-эффективную – проницаемость пористой среды для данного раствора или одновременном присутствии в порах другой фазы – жидкой или газовой

- относительная – отношение эффективной и абсолютной. При оценке Кф, Кп подбирают реальные условия. При оценке абсолютной Кп через грунт пропускают воздух. Водопроводимость Кхm=Кв

Липкость грунтов

Способность грунтов прилипать к поверхности различных предметов называется липкостью.

Особенно характерна для связных: глинистых, лессовых, илов.

Существенно зависит от W грунта и внешней нагрузки Р.

Начинается Wчуть< Wммв (при больших Р(>1мПа)) и до чуть > чем Wl.

Т.е. с какого-то момента у воды появляются свободные связи, обуславливающие прилипание к предметам. Увеличение W приводит к образованию свободной воды и липкость резко снижается. Т.е.главное значение для проявления липкости имеет рыхло(слабо) связанная вода.

Характеристикой липкости грунтов является усилие в г/cм2, требующееся для отрыва прилипшего предмета от грунта при различных W.

Показатели: -W начального прилипания;

- W максимального прилипания;

- Максимальное значение липкости.

На липкость влияют: прежде всего: это условия наличия липкости:

А) наличие глинистых минералов или

Б) органических высокодисперсных частиц

В) воды

Г)гранулометрический состав

Очень наглядны графики, полученные П.Ф.Мельниковым для покровной глины.

График…

Липкость частиц, меньше 1мкм из каолиновой глины по данным В.Я.Калачева больше 10н/см2. При липкости фракций 1-2мкм, 2-5, 5-10мкм от 7.3 до 1.2н/cм2. Липкость песков, супесей гораздо меньше.

Минеральный состав.

Липкость монтмориллонита больше липкости каолиновых глин в 5 раз и гидрослюдистых глин в 2 раза.

Состав обменных катионов.

Na+ сильно увеличивает липкость.

Карбонаты уменьшают.

Са2+ уменьшает

Органическое вещество – увеличивает.

Сильная липкость наблюдается у черноземов

Структура.

Грунты с ненарушенной структурой всегда имеют липкость меньшую, чем с нарушенной.

Влияет и состав жидкого компонента

Но для различных солей имеет место свои максимум и минимум влияния концентрации. Например, для каолиновой глины с поровым раствором, содержащим NaCl, CaCl2, максимальная липкость наблюдается при концентрации 0.1-0.5Н.

Условия опыта.

Внешнее давление (Р)

График…

Чем больше Р, тем больше величина липкости

Имеет значение также время воздействия нагрузки на штамп. Причем для каолиновой глины максимум наблюдается при 3-5 минутах, а для монтмориллонитовой – 30-40мин. При большем времени вода отжимается от поверхности и увеличение липкости резко замедляется.

Величина липкости зависит от того, к какому материалу осуществляется прилипание. Глинистые грунты лучше всего прилипают к дереву, хуже – к железу.

Песчаные и торфяные – наоборот

Липкость важна при оценке работы ковшев дорожных экскаваторов, дорожных и почвообрабатывающих машин.

Сейчас важную роль имеет при оценке расчете эффективности землезахватывающих механизмов, работающих в океанах, морях.

Для маяков и т.п., установл-х на грунт. В военных целях.

 

Пластичность грунтов

Под пластичностью понимается способность грунта деф-ся без разрыва сплошности и сохранять форму после устранения.

Пластичностью обладают только глинистые грунты, лессовые, мел мергели, мел, почвы. У других грунтов ее нет. Характеризуется Wl, Wp и Il. Чем больше Ip, тем большей пластичностью обладает грунт. На нее влияют:

-гранулометрический состав. Пластичность начинается у частиц, размером менее 0.005мм и достигает максимума у частиц меньше 0.001мм.

-минеральный состав. Макс.- монтмориллонит, затем – гидрослюда, мин. – каолинит.

-форма частиц – наилучшим образом проявляются пластические св-ва у минералов пластинчатого строения: биотит менее 2мк имеет пластичность, а кварц – нет.

-состав обменных катионов

катион+>катион2+>катион3+

понятно почему, т.к. тесно связано с содержанием рыхлосвязанной воды

- состав и концентрация водного р-ра

Чем больше «С» солей, тем меньше пластичность.

Для определения пределов пластичности используют различные методы. Наибольшее распространение в СССР получили методы:

А.Казагранде для Wp, А.М.Васильева для WL (ГОСТ 5180-84).

За рубежом для WL тоже А.Казагранде.

LL=1.25WL-4.6

PL=0.91Wp+2.2

PI=1.44Ip-2.4

Используются пределы пластичности для вычисления Ip и далее для классифицирования глинистых грунтов.

Для вычисления IL.

Для расчета коллоидной активности ( по Скемптону, 1953) или показателя пластичности глинистой фракции Кр=Ip/Ф или показатель гидрофильности глинистой фракции К=WL/Ф<0.002.

 

Набухаемость грунтов.

Свойство набухаемость проявляется в способности дисперсных грунтов увеличивать V в процессе взаимодействия с водой или растворами. Свойство обусловлено гидрофильностью тонкодисперсных частиц, их большой удельной поверхностью, в свою очередь определяющ. формирование слабосвязанной воды.

Набухание дисперсных грунтов происходит в результате расклинивающего действия сольватных (гидратных) оболочек связанной воды, образующихся при гидратации минеральных глинистых частиц, органогенных и органоминеральных. Силы структурных связей между этими частицами противодействуют расклинивающему действию водных оболочек. В зависимости от того, какие силы больше, происходит набухание или нет. Набухание идет до восстановления нового равновесия. Разница расклинивающего давления и сил связей, сопротивляющихся ему, будет называться давлением набухания. Оно может быть измерено компенсационной нагрузкой, т.е. нагрузкой, при которой набухание наблюдаться не будет.

Ф.Д.Овчаренко(1961г.) показал, что набухание происходит под действием адсорбционных, осмотических и каппилярных сил, определяющих напряжение, с которым вода связывается в структурированной системе.

Многими исследователями подчеркивалась роль осмотических сил. Если концентрация солей в поровом растворе оказалась больше?, чем в воде, насыщающей грунт, то происходит набухание. Величина его зависит естественно от минерального состава. Особенно ярко проявляется у монтмориллонитовых глин.

Характеристиками набухания являются:

1. Деформация набухания Rн, определяемой по относительному изменению V или h при невозможности бокового расширения грунта после набухания и выражаемая в % или в долях единицы.

Например: СНиП II-15-74. Относительное набухание

     Еsw=(hн-ho)/ho

Если ≥0.04, грунт набухающий;

0.04≤Esw≤0.08 – слабонабухающий;

0.08< Esw≤0.12- средненабухающий;

Esw>0.12 – сильнонабухающий.

2. Влажность набухания(Wн) – влажность образца после набухания.

3. Давление набухания (Рн) – давление в мПа, которое развивает грунт в процессе набухания при невозможности объемной деформации.

Интересно, что в процессе набухания происходит не просто водонасыщение глинистого грунта.

Vнабухшего грунта < Vтвердой фазы грунта + Vводы.

 Это явление носит название контракции объема.

Для бентонитовой глины контракция объема равна 1.6см3 на 100г грунта.

Объясняется контракция объема образованием связанной воды.

γs связанной воды> γs свободной воды. При переходе в связанное состояние γs увеличивается, а Vу<.

  Основными факторами, определяющими набухание являются:

А)состав и строение грунта;

Б) химический состав и «С» воды;

В) величина внешнего давления;

 

А)состав и строение грунта.

1.Гран. состав . Пески, супеси не набухают. Глин до 90% и >.

2.Мин.состав: минералы с подвижной кристаллич. решеткой (гр.монтморил.)>чем (гр.каолинит.).

3.Обменный состав катионов.

           + > ++ > +++

Влияют начальная W(чем < тем >); γ (чем>тем>)

4.Строение грунта. Слоистые грунты обладают анизотропией

 

В)существенно влияет величина внешней нагрузки особенно при небольших величинах набухания. Если величина пригрузки велика, то набухание может вообще не проявиться

 

Усадочность грунтов

Свойство уменьшаться в объеме при удалении воды называется усадкой. Вода может удаляться при проявлении таких физико-химических процессов как осмос, синерезис.

Усадка может происходить и в субаэральных условиях – испарение влаги под действием (благодаря ?) разности температур (разности относительной влажности) и в субаквальных – под действием разности концентрации электролитов и при старении коллоидов.

Способностью давать усадку обладает только влажный грунт. Усадочность характерна для глин. Другим породам – глинистым, мергель, известняк, глинистый известняк менее характерна, но растрескивание известняков, мергелей является существенным фактором выветривания этих достаточно прочных пород. На склонах образуются подвижные осыпи, являющиеся источниками грязевых потоков (селей).

Усадка приводит к уплотнению породы, упрочнению грунта, но появляющиеся в результате внутренних напряжений трещины увеличивают водопроницаемость, уменьшают прочность пород в откосах. Глубина усадочных клиновидных трещин достигает 5-7 метров и более.

В процессе усадки происходит перераспределение растворимых химических компонентов грунта. Участки породы, через которые происходит фильтрация и испарение воды, обогащаются солями, могут упрочняться, приобрести повышенную водостойкость. Однако может быть и обратный процесс – дезинтеграция при кристаллизации таких минералов, как гипс.

Т.о. усадка – сложный физико-химический процесс в корне могущий изменить характер структурных связей, структуру грунта.

Субаэральные условия

Температурная: усадка глинистого водонасыщенного грунта протекает в 3 стадии: а) замедленной, б)нормальной

и в)остаточной усадки (по данным МГУ).

а) на первой вода испаряется в основном из крупных пор – общее уменьшение объема грунта меньше объема испарившейся воды;

б) на второй – уменьшение объема грунта максимально и приблизительно равно объему испарившейся воды;

в) уменьшение объема грунта значительно отстает от изменения объема испарившейся воды. Ее доля в общей усадке приблизительно равна 2-3%.

В зависимости от минерального состава эти три стадии протекают по-разному

Для каолиновой глины характерно небольшое увеличение объема системы на 3-ей стадии, что связано с уменьшением сил, действующих на скелет при удалении водных пленок.

Для гидрослюд на 3-ей стадии характерно небольшое уменьшение объема .

Для монтмориллонита наблюдается сначала некоторое увеличение объема, а затем его уменьшение вплоть до достижения нулевой влажности.

Отмеченное увеличение объема (сухое набухание по Е.М.Сергееву) происходит тогда, когда в грунте остается Wг, которая характеризуется островным распределением на поверхности частиц и не может обеспечить равномерное покрытие их поверхности. Дальнейшее уплотнение обусловлено межчастичным взаимодействием вследствие устранения экранирующего влияния связанной воды (Зиангиров, 1979).

Субаквальные условия

Усадка может происходить вследствии коллоидно-химических процессов, протекающих как в подводных, так и в континентальных условиях.

Одним из видов таких процессов является синерезис: самопроизвольное удаление поровой воды из коллоидно-дисперсной системы в результате уменьшения ее потенциальной энергии. Происходит сжатие системы, изменение связей, перекристаллизация. Синергетическое уплотнение трудно отделить от осмотического, связанного с различием концентраций солей в растворе. Изменение природных условий на дне водоема приводит к изменению солености и осмотическому уплотнению.

Параллельно идет гравитационное уплотнение.

Экспериментально доказано, что при изменении концентрации порового раствора даже в подводном состоянии образуются трещины, глубина которых и ширина зависит от минерального состава осадков, наличия коллоидов, химического состава и концентрации порового раствора.

Показателями усадочности являются:

1) относительная линейная δу и 2) объемная δуо усадки

δу=(h1-h2)/h1-?            δуо = (v1-v2)/v1, где

h1 и v1 – начальные высота и объем образца,

h2 и v2 - после усадки.

Ориентировочно δуо ≈ 3 δу .

 

Влияние свойств твердого компонента.

Величина усадки зависит от минерального состава, который обуславливает дисперсность, кристаллохимические особенности поверхности минеральных частиц, кристаллическую структуру минералов ( подвижная или нет кристаллическая решетка и пр.). Наибольшее δу, δуо имеют монтмориллонитовые, палыгорскитовые, каолиновые и гидрослюдистые – наименьший.

Структурное строение. У глин, состоящих из частиц трубчатого габитуса, характерна большая усадка, что объясняется рыхлой упаковкой таких частиц в образце.

 

Прочность структурных связей

Усадка паст, как правило в несколько раз выше, чем образцов с естественными структурными связями при одинаковых «W» и «n». Например, для лессовидных суглинков в 3.6-5.8. Естественные структурные связи препятствуют уплотнению грунта при усадке, тогда как в пасте частицы могут еще относительно свободно перемещаться относительно друг друга.

Для молодых глинистых отложений влияние структурных связей на усадку при отсутствии прочного цемента может быть и несущественным. У глин с ориентированной микротекстурой величина усадки на 5-10% больше по сравнению с глинами с хаотичным расположением частиц.

Слоистые глины характеризуются анизотропией усадочности. Например, относительная линейная усадка хвалынских глин параллельно слоистости, по данным Я.С.Метерского, равна 1.5-5.2% ( в среднем 4%), а перпендикулярно ей – 2.7-14.0% (в среднем 8%).

Состав раствора.

Существенное влияние на усадочность оказывает состав порового раствора: состав обменных катионов, концентрация солей. Монтмориллонитовые гидрослюдистые глины, насыщенные ионом Na+ или Li+, дают наибольшую усадку, т.к. для них характерна высокая гидрофильность и высокая начальная W. Содержание Са++, К+ и еще > трехвалентных катионов понижают усадку.

Условия.

Существенное влияние оказывает режим сушки. Обычно чем быстрее, тем меньше усадка, т.к. ей мешают внутренние, еще не высохшие слои.

Высыхание ведет к росту внутренних сжимающих напряжений сил (в случае палыгорскитовых глин до 10 МПа).

Интересно, что если сушить грунт до влажности W и объемной массы γ и сжимать грунт до тех же W и γ, то прочность первых будет значительно больше.

Это происходит из-за структурных связей между частицами, возникающих при сушке в результате кристаллизации солей, проявления молекулярных и электростатических связей.

В процессе сушки обычно образуются трещины, появляющиеся из-за развития напряжений, превышающих прочность структурных связей между частицами и агрегатами, возникающих из-за неравномерного распределения W и t. В центре тела возникают сжимающие, а на поверхности – растягивающие. Если усадка происходит под действием медленного изменения t и W, разрывов сплошности не происходит.

В естественных условиях мы наблюдаем усадку в виде шелушения глин, образования полигональной сети.

 

Водопрочность грунтов.

Под водопрочностью понимают способность грунтов сохранять целостность, механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой.

Различают: I. Статическое и II. Динамическое взаимодействие.

I. При статическом происходит размокание и размягчение.

II. При динамическом к размягчению добавляется размыв.

Iа. Размокание – способность грунта в неподвижной воде терять структурные связи, превращаться в рыхлую массу с полной или частичной потерей прочности.

Размокают рыхлые связные и несвязные грунты, твердые осадочные породы с глинистым или растворимым цементом могут и размокать и размягчаться.

Характеристики (показатели).

1.  Время полного размокания – время в течении которого образец полностью распадается на структурные элементы малого размера.

2.  Интенсивность размокания – скорость потери массы погруженного в воду образца в % или по весу.

3.  Характер размокания.

На величины этих показателей влияют:

Гранулометрический состав.

Супеси, легкие суглинки размокают очень быстро. С увеличением содержание глинистых частиц размокание уменьшается.

Минеральный состав. (особенно для глинистых пород)

Каждый тип глин имеет свою «критическую влажность» (Приклонский В.А.). Если W > Wкрит., глины размокают. При W < Wкрит. – практически не размокают.

У монтмориллонитовой глины Wкрит.≈ 50%, у каолиновой ≈ 25%.

Состав обменных катионов, концентрация определяют в значительной мере характер и интенсивность размокания. В зависимости от содержания ++, +, +++ образуются тонкие частички или чешуйки, образцы набухают или рассыпаются.

Структура.

Образцы с нарушенной структурой размокают гораздо быстрее, чем с ненарушенной.

 Состав раствора.

Чем более концентрированный раствор, тем хуже размокание.

Внешние условия, состояние.

Большое значение имеет влажность(W) образца. Чем суше грунты, тем быстрее они размокают. Следует иметь ввиду также внешнее давление Р. Чем Р больше, тем быстрее размокают.

 

Iб. Скальные и полускальные породы при взаимодействии с водой часто не размокают, но размягчаются. Под размягчаемостью понимают свойство скальных пород уменьшать свою прочность при взаимодействии с водой. Причиной размягчения, по аналогии с размоканием грунтов, является ослабление связей между частицами пород вследствие проникновения в промежутки между ними молекул воды. Наличие связей ионного и ковалентного типа не позволяют скальным грунтам размокнуть, но в тех трещинах и порах, куда вода попадает, существующие связи ослабевают.

Размягчаемость характеризуется коэффициентом размягчаемости – Крз, представляющим собой отношение временного сопротивления грунта одноосному сжатию в водонасыщенном и в сухом состоянии. По СНиП II-15-74 скальные грунты подразделяются на размягчаемые (Кsaf < 0.75) и неразмягчаемые (Кsaf ≥ 0.75). Размягчаемость зависит от минерального состава, типа структурных связей, пористости и др. факторов.

Большая часть невыветрелых магматических, метаморфических пород слабо размягчается в воде (Крз=0.95-1.00). Осадочные породы значительно больше. Особенно сильно породы, содержащие глинистые частицы: мергель, мергелистые известняки, глинистые песчаники, глинистые сланцы и др., карбонатные (известняки, мел и др.) и кремнистые породы (опоки, диатомиты), а также грунты с легкорастворимым цементом: Крз для глинистых песчаников = 0.45, у известняков Крз=0.15-0.5. Сильноразмягчаемые породы, естественно и быстро выветриваются, обладают слабой морозоустойчивостью. 

II. Размываемость – способность отдавать частички общей массы IIа. движущейся воде IIб. ударяющей воде.

IIa. Характеристиками являются:

1. размывающая (или критическая) Vp водного потока – это средняя Vпотока, при которой начинается отрыв частиц и волочение их по дну, м/сек.

2.интенсивность размыва: отношение средней толщины размытого слоя грунта при данной скорости потока к длительности размыва, мм/мин.

Размыв твердых скальных пород обусловлен, в основном их выветрелостью, растворением.

Глинистые грунты размываются гораздо активнее. На Vр и интенсивность размыва влияет весь комплекс факторов, который влияет и на размокание. Как правило, между этими характеристиками имеется связь.

Но есть и дополнительные факторы. Нужно отметить, что влияет анизотропия свойств. По напластованию размыв происходит гораздо быстрее, чем перпендикулярно.

Очень существенную роль играет начальная W. Чем она больше (но не больше Wкрит.), тем легче размывается грунт.

Т.к. характеристики размываемости широко используются для оценки скорости движения воды и режима эксплуатации каналов, то взаимосвязь Vр с различными факторами тщательно изучалась. Имеются уравнения связи (Ц. Е. Мирцхулава).

IIб. Сопротивление ударному действию волн характеризуется сопротивлением волновому размыву. Ис пользуется для оценки устойчивости переработки берегов водохранилищ, естественных водоемов.

Зависит практически от того же комплекса факторов.

Оценивается как правило экспериментально: размыв волновой в лотках мотопомпа М-600.


1. Что такое инженерная геология как наука.

2. Из каких разделов состоит инженерная геология.

3. Связь инженерной геологии с другими науками.

4. Что понимают под инженерно-геологическими условиями.

5. Главные компоненты инженерно-геологических условий.

6.  Сфера взаимодействия.

7. Частные методы получения инженерно-геологической информации .

8. Комплексные методы получения инженерно-геологической информации.

9. Что такое грунт.

10. Региональное и динамическое грунтоведение.

11. Генетический подход при изучении грунтов.

12. Дайте характеристику основных компонентов грунта.

13. Назовите главные структурные связи, которые выделяют в грунтах.

14. Основные физические свойства грунтов.

15. Основные физико-химические свойства грунтов.

16. Главные взаимодействия в системе «грунт».

17. Твердая компонента в системе «грунт».

18. Жидкая компонента в системе «грунт».

19. Газы в системе «грунт».

20. Биогенная составляющая в системе «грунт».

21. Техногенные грунты.

22. Главные показатели прочностных свойств скальных и дисперсных грунтов.

23. Главные показатели деформационных свойств вы знаете.

24. Что такое экзогеодинамика.

25. Что такое экзогенный геологический процесс и инженерно-геологический процесс? В чем отличие?

26. Основа классификации экзогенных геологических процессов Ф.П.Саваренского.

27. Главные цели и методы изучения ЭГП.

28. Что такое выветривание? Основные факторы выветривания.

29. Кора выветривания, ее особенности.

30. Характеристика процессов, обусловленных поступательным действием поверхностных вод.

31. Характеристика ЭГП и ИГП, обусловленных волновым движением воды.

32. Процессы заболачивания и подтопления. Причины и условия процессов.

33. Просадки.

34. Карстовый процесс.

35. Главные условия развития карстового процесса.

36. Гравитационные процессы.

37. Условия развитие оползней, степень устойчивости склона.

38. Назовите элементы строения оползней.

39. Назовите и охарактеризуйте главные криогенные процессы. Основная причина возникновения этих процессов.

40. Для каких целей проводится специальное крупномасштабное инженерно-геологическое районирование.

41. Понятие ПТС.

42. Региональная инженерная геология, какие задачи она решает.

43. Инженерно-геологическая карта, три типа инженерно-геологических карт.

44. Четыре категории инженерно-геологических карт.

45. Для каких целей составляются обзорные инженерно-геологические карты.

46. Для каких целей составляются общие обзорные инженерно-геологические карты мелкого масштаба.

47. Для каких целей составляются общие обзорные инженерно-геологические карты среднего масштаба.

48. Для каких целей составляются среднемасштабные инженерно-геологические карты.

49. Для каких целей составляются детальные инженерно-геологические карты.

50. Для каких целей составляются инженерно-геологические карты специального назначения.

51. Схема разделения геологической среды на геологические тела.
 



ВВЕДЕНИЕ

Возрастание значимости инженерно-геологических исследований как части геологоразведочных работ и расширение их задач отражены в последних инструктивных документах (Положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям МПР РФ, ВИЭМС, 1999, Рекомендации по содержанию, оформлению и порядку представления на государственную экспертизу материалов подсчета запасов металлических и неметаллических полезных ископаемых. МПР РФ, ГКЗ, 1998), в Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых (1997). Согласно Инструкций требуется полная изученность месторождения, в том числе изученность инженерно-геологических условий, с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, необходимых для составления проекта разработки месторождения с учетом требований природоохранного законодательства и безопасности ведения горных работ.

Таким образом, инженерно-геологическое изучение месторождений является составной частью геологоразведочных работ и должно проводиться одновременно с ними в соответствии с принятой стадийностью. Исследования должны обеспечивать получение полной и достоверной информации для решения основных задач соответствующей стадии геологоразведочных работ.

Студентам геологоразведочного факультета, специальностей 080100, 080600, 080500 читается краткий курс инженерной геологии, целью которого является ознакомление студентов с основными понятиями и структурой науки, содержанием главных направлений в современной инженерной геологии. Курс состоит из четырех лекций, дополненных практическими занятиями.

В настоящем учебном пособии, в основу которого положен курс лекций, читаемых автором студентам геологоразведочного факультета, в краткой форме изложены основные положения инженерной геологии, приведена современная понятийная база, охарактеризованы цели, задачи, содержание главных направлений науки- грунтоведения и экзогеодинамики. В отдельную лекцию выделена тема инженерно-геологических исследований при разведке и разработке месторождений.

 

 

Лекция 1

Инженерная геология (предмет, содержание, структура науки, история возникновения, связь с другими науками, компоненты инженерно-геологических условий, методы получения информации).

Масштабы и интенсивность строительной и хозяйственной деятельности человека стремительно возрастают. Широко известны примеры создания в нашей стране таких уникальных сооружений как массивные бетонные плотины Саяно-Шушенской, Красноярской и Братской ГЭС высотой более 100м, в бывшем СССР арочная плотина Ингури ГЭС (270 м), каменнонабросная плотина Нурекской ГЭС (300 м), каналы Каракумский канал длиной более 1000 км, Иртыш-Караганда (около 450 км), грандиозные транспортные системы и объекты.

Не менее интенсивна деятельность человека и в связи с добычей полезных ископаемых: в России действуют десятки железнорудных и угольных карьеров глубиной более 150м , проектируются карьеры глубиной более 600м. Объемы земляных работ при строительстве и добыче полезных ископаемых соизмеримы с геологическими процессами, протекающими на Земле. Например, только выемка грунта при гидротехническом строительстве и добыче полезных ископаемых ежегодно составляет многие миллионы кубических метров, что вполне сопоставимо с результатами деятельности такого природного процесса, как речная эрозия. В состав многих гидротехнических сооружения входят плотины и дамбы из местных материалов: каменно-земляные, намывные из песка и гравийно-песчаной смеси, насыпные из различных грунтов. Объем материала Нурекской плотины составляет 56 млн.м3. Суммарные объем грунта, образующего дамбы (их общая длина более 12,5км), входящие в напорный фронт плотины Горьковской ГЭС на р. Волге составляет 15 млн.м3.

 В.И.Вернадский в работе «Несколько слов о ноосфере», (ноосфера - сфера разума) в 1944 году, указывал, что с появлением человека, несомненно, возникла новая огромная геологическая сила на поверхности нашей планеты. Деятельность человека противоречива: в одних случаях она созидательна, а в других разрушительна, так как приводит к нарушению природного равновесия и вызывает развитие геологических процессов, изменяющих геологическую среду.

Геологическая среда - это окружающие нас геологические условия. /В.Д.Ломтадзе/. Геологическая среда возникает и изменяется во взаимодействии с атмосферой, гидросферой и внутренними сферами Земли. Изучают геологическую среду науки геологического цикла, в том числе и инженерная геология, для которой она является объектом исследований.

Инженерная геология является отраслью геологии, изучающей динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерной деятельностью человека /И.В.Попов/.

Современное, более расширенное определение дает Г.К.Бондарик /1/. Инженерная геология - наука о свойствах литосферы и ее движении, обусловленном ее взаимодействиями с внешними средами (гидросферой, атмосферой, ноосферой) в том числе взаимодействиями с сооружениями или продуктами (проявлениями) человеческой деятельности.

Дата: 2019-02-02, просмотров: 434.