В инженерной геологии используются частные и комплексные методы получения информации.
Частные методы можно условно разделить на две группы: общегеологические и специальные, т.е. используемые только в инженерной геологии.
Из частных методов наиболее широко применяются следующие:
1.Наземные визуальные обследования по точкам или по линиям маршрутов (общегеологический метод, дополненный измерением не только условий залегания пород, но измерением трещиноватости, степени выветрелости, уровня грунтовых вод и т.д.).
2.Описание обнажений (общегеологический метод, дополненный описанием изменчивости состояния пород, детальным изучением трещиноватости и слабых прослоев).
3.Аэрокосмофотосъемка, аэровизуальные работы и дешифрирование аэрокосмофотоматериалов (общегеологический метод).
4.Горные и буровые работы (общегеологический метод): проходка и описание горных выработок (расчистки, закопушки, шурфы, шахты, штольни), бурение (ручное - мотобуры, колонковое, шнековое - с магазином, вибрационное).Особенности бурения : укороченные рейсы, сплошной отбор керна скальных грунтов, отбор образцов ненарушенного и нарушенного сложения из нескальных грунтов грунтоносами.
5.Динамическое и статическое зондирование.
6.Пенетрационно-каротажный метод.
7.Испытание грунтов статическими нагрузками в шурфах и скважинах.
8.Прессиометрия.
9.Опытные работы: испытание на срез целиков грунта, обрушение целиков, выпирание призм, раздавливание целиков.
10.Лабораторные методы получения данных о свойствах горных пород.
11.Геофизические методы (общегеологический метод).
12.Режимные наблюдения (общегеологический метод).
13.Обследование зданий и сооружений.
14.Моделирование (математическое, физическое, на эквивалентных материалах).
Комплексные методы получения инженерно-геологической информации: инженерно геологическая рекогносцировка, инженерно-геологическая съемка и инженерно-геологическая разведка широко используются для оценки инженерно-геологических условий различных по площади участков.
Инженерно-геологическая рекогносцировка - комплексный метод получения информации о геологических условиях строительства. Она выполняется с целью оценки качества накопленной инженерно-геологической информации о районе предполагаемого строительства и уточнения отдельных вопросов, оставшихся нерешенными; сравнительной оценки инженерно-геологических условий намеченных вариантов; предварительного прогноза изменения геологической среды, обусловленного взаимодействием с проектируемым сооружением.
Инженерно-геологическая съемка - комплексный метод получения информации о наборе компонентов инженерно-геологических условий некоторой территории путем наблюдений и описания свойств геологической среды и дешифрирования аэро-космо-фотоматериалов, дополненных другими методами (горно-буровыми, геофизическими, опробованием). Съемка ведется с целью обоснования схем развития и размещения отраслей промышленности; сравнительной оценки геологических условий строительства сооружений на намеченных вариантах, специальных вопросов разработки прогноза изменения свойств геологической среды при освоении территории. В зависимости от цели инженерно-геологическую съемку проводят в среднем или крупном масштабе. Средними считается группа масштабов 1:100000- 1:500000. Крупными - крупнее 1:50000. Государственная инженерно-геологическая съемка проводилась в масштабе 1:200000.
Инженерно-геологическая разведка - комплексный метод получения информации об инженерно-геологических условиях некоторой области литосферы путем проведения горно-буровых, опытных инженерно-геологических и гидрогеологических работ, опробования и лабораторных работ, документации строительных выемок и режимных инженерно-геологических наблюдений. В основном ее проводят в пределах границ выбранной для строительства площадки. Стадия проектирования определяет целевое назначение инженерно-геологической разведки.
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.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 691.
