И оснований сооружений

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ В СИСТЕМЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

Дисциплина ОПД.Ф.09

Специальность 270102.65

Для студентов очной и заочной формы обучения

ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

Рекомендуемая литература

1. Жизнь животных. - М.: Просвещение, 1981-1985. - Тт. 1-6.

2. Биологический энциклопедический словарь. - М.: Советская Энциклопедия, 1986.

3. Догель В.А. Зоология беспозвоночных. – М.: Высшая школа, 1975.

4. Шарова И.Х. Зоология беспозвоночных. – М.: Владос, 2004.

5. Наумов Н.П., Карташев Н.Н. Зоология позвоночных. – М.: Высшая школа, 1979. – Ч. 1, 2.

6. Сеник А.Ф., Кулаківська О.П. Зоологія з основами екології. – К.: Урожай, 2000.

Подписано к печати «_______» ноября 2007 г. Формат 1/16, объем 0,3 п.л. Заказ № ________. Тираж ___________ экземпляров. Отпечатано в Южном филиале «КАТУ» НАУ (Исполнитель Васецкая М.С.).

«Промышленное и гражданское строительство»

Составитель:

ст. преп. Калашник Ж.В.

Астрахань-2005

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ КАК НАУКА СВОЙСТВАХ ГРУНТОВ,

В системе наук о земле инженерная геология сформировалась к концу ХIХ века. Становление геологии как самостоятельной отрасли геологии проходило в несколько этапов: первый этап, относящийся к концу ХIХ и началу ХХ века, характеризуется накоплением опыта использования геологических данных для строительства различных объектов и для разработки нефтяных месторождений. На втором этапе, в 30-х годах ХХ века инженерная геология утвердилась как самостоятельная наука. Начали функционировать специализированные инженерно-геологические изыскательские организации, оснащенные необходимым оборудованием, приборами и высококвалифицированными кадрами. Появились первые научные монографии по инженерной геологии Ф.П. Сваренского, Н.Н. Маслова, И.В. Попова. Последняя треть ХХ века является важнейшим этапом в развитии инженерной геологии, которая превратилась в весьма самостоятельный и обширный раздел комплекса наук о Земле, способный решать сложнейшие задачи, обеспечивая возведение объектов в различных в том числе самых трудных и неблагоприятных геологических условиях.

Инженерную геологию следует определять как науку, изучающую условия инженерного освоения и преобразования геологической среды. Инженерная геология разрабатывает широкий круг научных геологических проблем и решает практические задачи, возникающие при проектировании и строительстве всевозможных сооружений (плотины, туннели, мосты, дороги, промышленные и гражданские здания, а так же при выполнении горных работ для разработки месторождений полезных ископаемых нефти, газа, угля. В современных условиях ни одно сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических материалов.

Деятельность людей, связанная со строительными, горными и мелиоративными работами, приводит к перемещению горных пород в объемах, сопоставимых с денудационной работой рек. При добыче нефти для поддержания пластового давления в продуктивных пластах требуется закачка воды в глубины Земли, которую по масштабам можно сравнить с расходами рек. Сооружаются подземные хранилища для нефти и газа емкостью в десятки миллионов кубических метров. При разработке рудных полезных ископаемых создаются котлованы площадью в несколько квадратных километров и глубиной в несколько сот метров, из которых ежедневно откачиваются сотни тысяч кубометров воды, мешающей нормально эксплуатировать эти котлованы. Таким образом, инженерно-хозяйственная деятельность человека влияет на геологическую среду, поэтому о сновной задачей инженерной геологии всегда был прогноз изменения природных условий в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека.

Инженерная геология включает в себя три главные, самостоятельные направления, изучающие три главных элемента геологической среды:

-грунтоведение - изучает свойства горных пород (грунтов) и почв в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей. Указанная зависимость является основным положением отечественной школы грунтоведения.

-инженерная геодинамика - природные и антропогенные геологические процессы явления;

-региональная инженерная геология-строение и свойства. геологической среды определенной территории.

Все три основных раздела инженерной геологии имеют один и тот же объект изучения - динамику земной коры под влиянием инженерной деятельности человека.

ГРУНТ. СОСТАВ ГРУНТОВ И ТИПЫ СТРУКТУРНЫХ СВЯЗЕЙ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТА.

Горные породы, особенно осадочные обладают пористостью. Поры могут быть заполнены воздухом либо другими газами, либо водой или другими жидкостями, например нефтью, либо и газами и жидкостью. Эти компоненты взаимодействуют между собой, а также и с твердым компонентом, они влияют на интенсивность сжатия грунтов, изменяют характер их деформаций, например упругая в сухом состоянии и пластичная деформация в водонасыщенном состоянии. В связи с этим следует различать жидкий, твердый и газообразный компоненты (фазы) грунта, то есть надо рассматривать грунт как многокомпонентную систему, изменяющуюся под воздействием человека.

По определению академика Е.М. Сергеева под грунтом следует понимать любые горные породы и почвы, которые изучаются как много-компонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека.

Твердый компонент состоит из двух частей – минеральной и органической. Е.М. Сергеев минеральные образования, входящие в состав твердого компонента грунта, подразделяет на 5 групп:

1) минералы класса первичных силикатов - обладают наибольшей прочностью, нерастворимы в воде.

2) простые соли - объединяет слабая устойчивость в воде. Степень растворимости у них разная: от труднорастворимых карбонатов, к среднерастворимым сульфатам и легкорастворимым галоидам

3)глинистые минералы – благодаря высокой дисперсности, коллоидной активности и особенностям строения кристаллической решетки активно взаимодействуют с водой, но не растворяются в ней. Они являются породообразующими в глинистых грунтах и определяют их свойства.

4) органические вещества – могут образовывать крупные скопления (торфяники, пласты угля), могут содержаться в почвах или находиться в рассеянном виде в глинистых породах в виде гумуса. Гумус отрицательно действует на грунты, способствуя их набуханию. Присутствие в породах гумуса может привести к изменению их свойств например 3% гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойства. Второй особенностью органического вещества является его высокая активность в окислительно-восстановительных процессах, имеющих место в горных породах. Обладая кислотными свойствами, гумусовые вещества являются активными агентами выветривания, разлагая силикаты и др. минералы с образованием различных коллоидных гуминовых соединений. При водонасыщении эти грунты резко снижают свою несущую способность. Именно поэтому подошва фундамента сооружения всегда должна быть ниже нижней границы почвенного слоя. Микроорганизмы могут представлять опасность для материалов конструкции подземной части сооружений, способствуя коррозии металлов. Часть органических веществ растворяется в воде, а затем адсорбируется (поглощается) глинистыми минералами, в результате чего возникают органо-минеральные комплексы.

5) лед – является составной частью сезонномерзлых и вечномерзлых грунтов. Структура его кристаллическая, но в узлах решетки находятся не атомы и ионы, а молекулы воды. Прочность его тем выше, чем ниже его температура (отрицательная)

Газы в порах грунтов могут находиться: в свободном - микропорах, трещинах, пустотах; защемленном - в глинистых грунтах, в виде пузырьков в тонких порах; растворенном - в воде, заполняющей поры грунта; адсорбированном - на поверхности твердых частиц. Наличие в грунте защемленного или адсорбированного воздуха и газов ведет:

а) к увеличению упругости дисперсного грунта, что повышает его прочность, уменьшает сжимаемость, понижает водопроницаемость;

б) к неравномерности замачивания, увлажнения и водонасыщения грунта в массиве;

в) к выщелачиванию и суффозионному выносу из грунта легкорастворимых солей, гипса, карбонатов и образованию карстовых пустот;

г) к возникновению химических реакций с образованием цементирующих растворов и литификации грунта.

Воздух и газы в молодых озерно-болотных или заболоченных аллювиальных отложениях часто приводят к разуплотнению, разрыхлению, нарушению их структуры и, как следствие, к их подвижности или текучести. Высокая газопроницаемость таких грунтов обуславливает выделение из них газов типа метана, сероводорода и др., что представляет опасность при проходке горных выработок.

В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом:

а) Парообразная вода находится в порах в виде пара. Перемещается из мест с большей в места с меньшей упругостью пара, конденсируется в жидкую воду при понижении температуры, а при повышении последней вновь переходит в парообразное состояние, может переходить в связанную воду.

б) Связанная вода подразделяется на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную воду. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100% Прочносвязанная вода не может свободно перемещаться, т. к. силы молекулярных связей превышают силы тяжести. В присутствии прочносвязанной воды глинистые грунты не пластичны, имеют твердую консистенцию. Рыхлосвязанная вода по своим свойствам отличается от прочносвязанной. Она имеет плотность близкую к плотности свободной воды и подразделяются на пленочную влагу и осмотическую воду. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пленочной воды составляет влажность, которая называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунтов Wм.м.в. -показывает, какое количество связанной воды содержится в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения грунтовых частиц. Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Наличие в грунтах осмотической влаги обуславливает их пластичность.

в) Капиллярную воду подразделяют на три вида: вода углов пор, подвешенная вода, собственно капиллярная вода. Вода углов пор – капельная форма влаги, занимающей ограниченный объем пор. При увеличении влажности грунта капиллярные поры могут быть полностью заполнены водой, в этом случае капиллярную воду подразделяют на собственно капиллярную и подвешенную воду. Собственно капиллярная вода - формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя капиллярную кайму. Мощность капиллярной каймы определяется высотой капиллярного поднятия Нк и зависит от степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта (например, в песках она равна в среднем 50 см, а в супесях и др. глинистых грунтах доходит до 2-3 м). Высота капиллярного поднятия имеет большое значение для процессов засоления и заболачивания.

Подвешенная вода формируется в песках как в однородных так и слоистых толщах и зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности, в результате промачивания грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при увлажнении и укатки грунта. Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удержаться грунтом, называют водоудерживающей способностью грунта.

г ) Свободная (гравитационная) вода - подразделяется на просачивающуюся и воду грунтового потока. Первый вид воды располагается в зоне аэрации и перемещается под действием силы тяжести сверху вниз. Вода грунтового потока движется в горизонтальном направлении в зоне полного водонасыщения.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта.

д ) Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед формируется в грунтах в виде прослоев различной мощности или в виде отдельных кристаллов. Кристаллический лед играет роль природного цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом.

Присутствие льда резко меняет свойства грунта, придавая ему свойства твердого тела.

Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых грунтов. Повторное замерзание и оттаивание дисперсных грунтов приводят к необратимым изменениям структуры (в том числе степени дисперсности) и свойств этих пород, например увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяется прочность и др. свойства.

е) Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называется конституционной и участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Эти виды воды влияют на свойства грунтов лишь косвенно, приобретая значение при исследовании минерального состава грунта.

Под строением грунтов понимают совокупность их структурно-текстурных особенностей, т.е. их структуру и текстуру. Под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих их элементов (минералов, обломков минералов горных пород, цемента) и характер взаимосвязи их друг с другом. Текстура – пространственное расположение слагающих элементов грунта (независимо от их размера)

Помимо общего понятия о текстуре грунтов Е.М. Сергеевым введены понятия о макро-, мезо-, микротекстуры. Особенности пространственного расположения макроэлементов характеризуется макротекстурой. Размер отдельных макроэлементов может изменяться от 1м и до долей сантиметра. Глинистые и лессовые породы характеризуются беспорядочной и слоистой макротекстурой. Порода с беспорядочной макротекстурой выглядит сплошным однородным телом. Порода со слоистой макротекстурой состоит из отдельных слоев, имеющих пространственную ориентацию.

Элементы мезоструктуры имеют размер от нескольких миллиметров до 0.005 и 0.001 мм, поэтому изучение ее проводится помощью специальной аппаратуры на шлифах с помощью микроскопов. Микроструктура размер элементов которой менее 1-5 мк изучается с помощью специальной аппаратуры.

Все минеральные зерна и обломки, слагающие горные породы, связаны между собой структурными связями. В различных генетических типах пород развиты различные структурные связи, обусловленные их различной природой формирования и проявления:

1) в магматических, метаморфических и некоторых осадочных сцементированных породах развиты жесткие связи химической природы, которые характеризуются внутрикристаллической связью минералов и является наиболее прочным типом структурных связей.(граниты, песчаники, мрамор)

2) В тонкодисперсных несцементированных породах связь между частицами породы осуществляется за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий, называемых водно-коллоидных связей (глины, суглинки). Например: коллоидно-дисперсные минералы обладают разнообразными свойствами и строением 1-я группа минералов каолинит, его особенностью является жесткость кристаллической решетки (все его молекулы прочно связаны друг с другом), поэтому каолинит и минералы сходные с ним мало набухают. Представитель 2-ой группы минералов является монтмориллонит, который отличается необычной для минералов подвижной кристаллической решеткой. Она состоит из кристаллических пакетов слабо связанных друг с другом. По мере увлажнения молекулы воды проникают между пакетами и раздвигают их меха гармоники. Минералы, имеющие такое строение сильно набухают,увеличиваясь в объеме в 5-10 раз.

А такие грунты, как пески, галечники, практически вообще не обладают связанностью.

Глинистым грунтам как коллоидным системам присущи такие явления как:

Поглотительная способность (адсорбция) обусловлена поглощением тонкодисперсной частью грунта различных веществ, находящихся в водной или газовых частях среды.

Коагуляция. Глинистый грунт представляет собой коллоидную систему, в которой каждая частица несет заряд, а между частицами действуют силы отталкивания, препятствующие сближению одноименных зарядов. Кроме того частицы покрыты гидратными оболочками.

При определенных условиях в грунтовой суспензии наступает порог коагуляции, при котором частицы сближаются, соединяются в агрегаты и в виде хлопьев выпадают из раствора. В грунте природной влажности и ненарушенной структуры содержание тонко дисперсной части уменьшается. Такое явление называется коагуляцией или свертыванием, частиц.

Пептизация – разукрупнение, разрушение агрегатов и переход геля в золь. Это явление обратное коагуляции. При этом в грунтах уменьшается сжимаемость, понижается прочность, уменьшается водопроницаемость.

Тиксотропность – способность дисперсных грунтов, содержащих коллоиды, переходить при действии динамических нагрузок (удар, встряхивание, вибрация) из более твердой в более мягкую консистенцию т. е. разжижаться или размягчаться, а после прекращения действия нагрузок возвращаться в свое прежнее состояние.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО – МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Физические свойства грунтов согласно, ГОСТ -25100-95 оцениваются по следующим характеристикам:

Плотность грунта - это отношение массы грунта включая массу воды в ее порах, к занимаемому этим грунтом объему

p = m/V,

p - плотность грунта,г/см, кг/м, т/м

m- масса породы с естественной влажностью и сложением, г

V - объем, занимаемый породой, см

Плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта, исключая массу воды его порах, к объему твердой части этого грунта и изменяется для всех горных пород в пределах 2.61 до 2.75 г/см

p_s=(m-m_в) /V_т,

p_s - плотность частиц грунта, г/см, кг/м,т/м

m_в - масса воды в порах грунта,г

V_т -объем твердой части грунта, см

Удельный вес грунта - характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры и может быть рассчитан

γ= pg,

γ- удельный вес грунта, н/м

p -плотность грунта

g-, ускорение свободного падения равное 9.81 м/с

Плотность скелета породы, или плотность сухого грунта p_d, представляет собой отношение массы минеральных частиц породы (твердой части грунта) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

p_d= (m-m_в)/V,V -объем, занимаемый породой, см

p_d – плотность скелета породы (плотность сухого грунта), г/см, кг/см, т/м

m-m_в=m₁ - масса сухого грунта,г

Плотность скелета породы – величина более постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по данным определений плотности и влажности по формуле: р= p_d /1+ 0.01W,

W - влажность породы, %

р -плотность породы, г/см;

p_d- плотность скелета породы, г/см

Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса сухого грунта к объему его твердой части и рассчитывается следующим образом:

γ _s = γ g

γ -удельный вес сухого грунта,Н/м

Пористость породы это отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры

n=(V_n /V) 100

V_n - объем пор в породе,см

V - объем породы, см

Пористость можно выразить через значение плотности грунта:

n =((p_s – p_d) / p_s) 100 n=(1- p_d / p_s) 100

Приведенной пористостью или коэффициентом пористости называется отношение объема пустот (пор) к объему твердой части (скелета грунта) и выражается в долях единицы по формулам: e=n / 1 –n e=(p_s – p_d) / p_d

ВЛАЖНОСТЬ.

Под естественной (природной) влажностью грунта W, понимается количество воды, содержащееся в порах грунта в его природном состоянии.

Она может менятся в зависимости от климатических и гидрогеологических условий, колебаться на протяжении года или суток в известных пределах, но при этом всегда остается характерной для данного генетического типа грунта.

Весовой или абсолютной влажностью называют отношение массы воды к массе к массе абсолютно сухого грунта, выраженное %.

Полная влагоемкость – это такая влажность, при которой все поры заполнены водой

e-коэффициент пористости; p-плотность частиц грунта

W= n /p_d W = ep_w / p_s

Влажность в зоне аэрации непостоянна. Влажность в зоне водонасыщения практически не меняется и количественно соответствует пористости грунта. Эта влажность и называется полной влагоемкостью, а грунт, имеющий такую влажность, водонасыщенным.

Под гигроскопической влажностью W_г понимают влажность воздушно-сухого грунта.

Степенью влажности или относительной влажностью называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношение объема воды к объему пор грунта

S_r=(W p_s (100-n)) / n Sr = W p_s /e p_w

S - степень влажности породы, %

W - естественная влажность породы, %

p_s - плотность частиц породы, г/см

n - пористость, %

p_w - плотность воды, г/см

е - коэффицент пористости

Максимальная молекулярная влагоемкость Wм.м.в. показывает количество воды, которое удерживается в породе силами молекулярного сцепления, после того как вся гравитационная вода стечет из породы. Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов способом высоких колонн.

Разностью между полной и максимальной влагоемкостью определяют водоотдачу грунта

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Способность грунтов свободно отдавать воду под действием силы тяжести называется водоотдачей. Глинистые грунты имеют плохую водоотдачу, т. к. значительная часть влаги остается в них в виде связанной воды. Пески обладают хорошей водоотдачей, численно равной объему их пор, но истинные плывуны имеют водоотдачу практически равную нулю. Их можно заставить отдавать воду только с помощью электроосмотического осушения. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы и пески от 25- 43%

Водонасыщение - свойство дисперсных грунтов впитывать и удерживать в себе свободную воду. Скорость и количество удерживаемой воды зависит от величины удельной поверхности, гидрофильности, гран.состава, пористости (пески насыщаются значительно быстрее, чем глины.

W =масса поглощенной грунтом воды / масса абсолютно сухого грунта

D - дефицит водонасыщения это разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью.

Водопроницаемость - способность грунтов пропускать через себя гравитационную воду через поры (рыхлые и глинистые грунты) и трещины (скальных гр.) Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации – это скорость движения подземных вод при гидравлическом градиенте равном единице (см/сек, м/ч, м/сут)

По величине К_ф породы делятся на:

Водопроницаемые - К_ф больше 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы, закарстованные известняки, доломиты)

Слабопроницаемые (полупроницаемые) - К_ф от 1- 0.001 м/сут (супеси, суглинки, лесс, торф)

Непроницаемые (водоупорные) - К_ф менее 0.001 м/сут (глины, тяжелые суглинки, не трещиноватые массивные кристаллические и сцементированные осадочные породы)

ВОДНО - ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

(пластичность, липкость, усадка, набухание, размокание)

Изменение влажности грунта с переходом ее через характерные границы ведет к изменению состояния грунта или к возникновению в нем новых свойств.

Пластичность, липкость, усадка, набухание, размокание – характерны для песчано-глинистых грунтов и называются специфическими.

Пластичность – способность глинистого грунта под действием внешних усилий менять свою форму без разрыва сплошности, а после прекращения действия усилия сохранять полученную форму. Пластичные свойства обуславливаются наличием пленочной воды и проявляются только между двумя определенными значениями влажности. Минимальное значение влажности называют нижним пределом пластичности или границей раскатывания W_p, а максимальное – верхним пределом пластичности или г раницей текучести W_i. Нижним пределом пластичности называется такая влажность при которой грунт переходит из пластичного в полутвердое или твердое состояние. Верхним пределом пластичности называется такая влажность при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Разность между W_p и W_i называют числом пластичности I_p

По числу пластичности песчано-глинистые грунты разделяются:

Супесь от 0.01 до 0.07

Суглинок от 0.07 до 0.17

Дата добавления: 2013-12-12