Фадеев А.Б.Инженерная геология

А. Б. Фадеев
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЯ

ш

уш



1



1834
Санкт-Петербург 2004
Инженерная геологин и гидрогеология. Учебное пособие для студентов строительных специальностей / А. Б. Фадеев; СПбГАСУ. СПб., 2004.- 144 с.
Приведены сведения об истории и строении Земли, геологических процессах, составе и законах движения подземных вод, разновидностях и свойствах грунтов, инженерно-геологических изысканиях, охране природной среды.
Табл. 13, Ил. 60. Виблиогр. 6 назв.
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В. Н. Парамонов (СПбГУПС);
канд. техн. наук В. Л. Лукин (ООО «Подземстройреконструкция»)
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
© Л. Б. Фадеев, 2004
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2004
Введение
( лово геология состоит из двух греческих корней: «гео» - земля,
·
·щи ос» - знание. Геология в настоящее время объединяет целый ряд наук, изучающих Землю, ее состав, строение, свойства и протекающие в се недрах и на ее поверхности процессы. Так, геохимия изуча-ci вещественный состав Земли, геодинамика - процессы в недрах и на поверхности Земли, минералогия и петрография - минералы и горные породы, слагающие земную кору, геофизика - физические свойства Земли. Можно перечислить еще целый ряд наук, рассматривающих Землю как источник различных благ для человека.
Инженерная геология изучает Землю как строительный объект, как основание зданий и сооружений, как вместилище тоннелей и других подземных сооружений.
При освоении новых территорий перед инженерной геологией выдвигается пять основных задач:
а) изучение свойств грунтов, примыкающих к сооружению и влияющих на его конструкцию, строительство и эксплуатацию:
б) выявление процессов и явлений, способных создать угрозу или усложнить эксплуатацию возводимых сооружений;
в) обеспечение водоснабжения;
г) снабжение строительства местными стройматериалами;
д) охрана природной среды от разрушения и загрязнения.
Значение инженерной геологии для промышленного, гражданского, дорожного строительства, мосто- и тоннелестроения трудно переоценить. Незнание законов инженерной геологии приводит к крупным потерям.
Так, при строительстве Воркуты и Норильска - первенцев отечественного массового строительства на вечной мерзлоте - первоначально жилые и промышленные здания воздвигались по стандартным проектам. Оттаивание мерзлых грунтов под зданиями вызвало большие неравномерные осадки фундаментов, в результате чего многие здания пришли в негодность.
На мысе Пицунда (Черноморское побережье Кавказа) был выстроен на самом берегу комплекс высотных пансионатов с набережной и пляжами. Однако вскоре после завершения строительства случился
13PAGE14315
шторм, который смыл пляж, набережную и обнажил сваи у зданий, приведя комплекс в угрожающее состояние. Запоздалый инженерно-геологический анализ выявил причины этой неприятности. Море всегда смывало пляжи мыса Пицунда, но их непрерывно пополняла гравием впадавшая рядом в море река Бзыбь, которая несла обломочный материал с гор. Незадолго до упомянутой неприятности местная строительная организация начала черпать гравий из поймы р. Бзыбь выше по течению. Поступление гравия к пляжам прекратилось, динамическое природное равновесие было нарушено, и природа сурово наказала незадачливых строителей за проявленное невежество.
Здесь уместно вспомнить слова Френсиса Бекона, известного философа XVII в.: «Чтобы управлять природой, нужно изучить ее законы».
Инженерно-геологические условия Петербурга отличаются исключительной сложностью. Грунты слабые, водонасыщенные, сильно деформирующиеся под нагрузкой. Исаакиевский собор получил неравномерную осадку до 1 м и серьезные повреждения. Осадки такого же порядка получили ряд девятиэтажных домов на Васильевском Острове.
При строительстве метро в 1974 году тоннель в районе станции «Площадь мужества» пересекал древнюю долину, заполненную плывунными грунтами. Недостаточно надежная технология проходки привела к прорыву плывуна в тоннель, затоплению его на значительном протяжении, просадкам поверхности и разрушению нескольких зданий. Ликвидация последствий аварии потребовала значительных усилий. Ошибочная конструкция обделки тоннеля привела к повторению аварии в том же месте уже в процессе эксплуатации в 1995 году.
Городу постоянно грозят наводнения, поэтому строятся защитные сооружения.
Инженерная геология широко использует методы и результаты других геологических наук: ее особенностью является тесная связь с механикой, физикой, физической и коллоидной химией. Инженерная геология является основой при изучении других дисциплин геотехнического цикла: механики грунтов, оснований и фундаментов и др.
В развитии и формировании отечественной инженерной геологии четко выделяются три этапа.
ч
Первый этап - с середины XIX века до 1917 года. Бурное развитие капитализма в России сопровождалось интенсивным развитием железнодорожной сети, промышленных предприятий, портовых сооружений. Крупные геологи: И. В. Мушкетов, В. А. Обручев - стали привлекаться к решению вопросов, связанных со строительством
м'агг(лш iv плппг г/-опо плп * * *-ч r* П Arrnrj mi^i. nonnr iq т^тдгопип
/IWJlV'-JMllJl/V pVI , IVUIJUJIUU, 1UWVIVU. 1 lU/llJIlJinVU UvpUUIV 1 IJ [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] 1\Ч*ЦГ'П,
посвященные инженерно-геологическим проблемам.
Второй этап - с 1917 года до Великой Отечественной войны. Многочисленные стройки первых пятилеток, их грандиозные по тому времени масштабы привели к возрастанию роли и ответственности инженерно-геологических исследований. В результате инженерная геология сформировалась как самостоятельная наука и хозяйственная отрасль, появились специализированные геологические организации и кафедры в вузах. Из строек того времени, способствовавших формированию инженерной геологии, необходимо отметить Свирьстрой, Днепрогэс, систему каналов Волго-Бапта, начало освоения районов вечной мерзлоты. С этим этапом развития отечественной инженерной геологии связаны имена Ф. П. Са-варенского, И. В. Попова, Г. К Каменского, Н. Н. Маслова. В те же годы за рубежом выходят капитальные труды К. Терцаги, который вполне заслуженно считается одним из основателей инженерной геологии и механики грунтов.
Третий, современный, этап развития отечественной инженерной геологии начался с 1945 года. Этот этап характеризуется постоянным усложнением сооружаемых объектов и условий строительства. Осуществляется ряд крупнейших в мире проектов, таких как каскад электростанций на Волге и реках Сибири, Останкинская телевизионная башня. Началось интенсивное освоение районов вечной мерзлоты, широкое гидромелиоративное строительство в засушливых и переувлажненных районах, наконец, строительство БАМ с десятками мостов и тоннелей. В Петербурге на смену четырех-пяти этажной застройке пришло многоэтажное жилое строительство, началось освоение подземного пространства, ведется строительство защитных сооружений от наводнений.
Инженерно-геологическими исследованиями занимается широкая сеть изыскательских и исследовательских организаций:
13PAGE14515
изыскательские отделы проектных институтов, территориальные организации инженерно-геологических изысканий, кафедры вузов.
Инженерная геология является единственной геологической дисциплиной, изучаемой студентами строительных вузов. Она включает сведения из нескольких геологических наук и распадается на пять относительно самостоятельных частей. Это общая геология, гидрогеология, грунтоведение, инженерно-геологические процессы и явления, инженерно-геологические исследования и охрана природной среды.
Рекомендуемая литература
Основная
1. Ананьев В. П., Потапов А. Д. Инженерная геология: Учеб. 2-е изд., перераб.и доп. - М.: Высшая школа, 2000.
2. ПешковскийА. М, Перескокова Т. М. Инженерная геология. М.: Высшая школа. 1971.
Дополнительная
3. Маслов Н. К, Котов М. Ф Инженерная геология. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.
4. Справочник по инженерной геологии / Под ред. Н. В.Чуринова. М.: Недра, 1974.
5. Шарай В. 11, Викарук Л. Н. Лабораторные работы по общей инженерной геологии. Минск: Вышейша школа, 1971.
6. ГОСТ25100-95. Грунты. Классификация. М., 1995.
Раздел I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ
1. Строение и состав Земли и литосферы
1.1. Форма и размеры Земли
Земля по форме близка к шару, слегка сдавленному у полюсов. Полярный радиус Земли - 6357 км, экваториальный - 6378 км. Средний радиус составляет 6370 км. Площадь поверхности Земли - 510 млн км2, из них на сушу приходится 29 %. Объем Земли - 1,081012 км3, масса - 5,98-lO^ttfСамая высокая точка Земли - гора Джомолунгма (Эверест) - расположена на уровне 8,9 км над уровнем моря, самая глубокая океаническая впадина у Филиппинских островов - на 11,6 км ниже уровня моря. Таким образом, перепад высот, так же, как разница между полярным и экватори&чьным радиусами, составляет около 20 км -всего около 1/300 радиуса. Средняя плотность Земли - 5,52 г/см3.
1.2. Происхождение Земли
О происхождении Земли и других планет Солнечной системы было высказано немало гипотез. По гипотезе А. И. Фесенкова и Г. В. Войт-кевича из Солнца произошел выброс материи под действием тех или иных причин (взрыв, близкий пролет кометы), и из этой материи образовались планеты. Аргументами в пользу этой современной гипотезы является единство химического состава Солнца, планет и падающих на Землю метеоритов, одинаковый возраст Земли и метеоритов. Очевидно, часть выброшенного из Солнца материала еще продолжает вращаться вокруг Солнца в виде метеоритов.
1.3. Методы познания строения и состава недр Земли
Методы познания строения и состава недр Земли зависят от ее глубины. До глубин порядка 1-2 км человек проник в недра горными выработками. До глубин порядка 10-12 км бурятся геологические скважины с отбором образцов пород. Изучение более глубоких зон возможно лишь геофизическими методами, из которых наибольшую информацию о Земле дали сейсмические исследования.
При динамическом воздействии в точке А (рис. 1) от нее распространяются два типа волн: продольные и поперечные. Продольные
13PAGE14715

Рис. 1. Сейсмическое просвечивание Земли: Р - продольные волны; 5- поперечные волны
волны способны проходить через твердые и жидкие среды, а поперечные - только через твердые. Кроме того, при проходе через грани-iry двух сред с различной плотностью и упругостью происходит преломление волны - изменяется направление ее распространения. Анализ сейсмического «просвечивания» Земли позволил установить наличие в ней нескольких слоев с различными свойствами, пропускающих как продольные, так и поперечные сейсмические волны, и центральной части, пропускающей только продольные волны, то есть близкой по свойствам к жидкости.
1.4. Геосферы
Земля состоит из нескольких сферических оболочек, обладающих характерными свойствами (рис. 2).
+1000 г-------,
+300

-6370км'
Рис. 2. Геосферы: / - ионосфера; 2 - стратосфера; 3 - тропосфера; 4 - гидросфера; 5 - литосфера; 6 - мантия; 7 - ядро; 8 - атмосфера
13PAGE14815
Ядро - центральная часть Земли радиусом 2900 км - характеризуется высокой плотностью (9,7-13 г/см3), не пропускает поперечных волн. Относительно состояния вещества в ядре единого мнения у ученых нет. Возможно, это действительно жидкая масса, но, может быть, при давлении 0,35 млн МПа и температуре 8600°
няет свои физические свойства.
Мантия - промежуточная геосфера, играющая большую роль в жизни самой верхней твердой оболочки Земли - литосферы. Мантия сложена породами, обогащенными тяжелыми элементами (железом, никелем) и имеющими повышенную плотность (от 3,4 до 5,6 г/см3). Температура на верхней границе мантии составляет около 1000°, однако мантия по своим динамическим свойствам - твердое тело, через нее беспрепятственно проходят поперечные волны. В то же время в мангии развиваются длительные, медленные, еще мало изученные потоки, приводящие к вертикальным и горизонтальным движениям отдельных участков поверхности Земли. Породы мантии по свойствам можно уподобить льду, твердому при ударе и пластичному под длительной нагрузкой.
Литосфера (земная кора) - твердая каменная оболочка. Средняя плотность пород литосферы составляет 2,7-2,8 г/см3. Граница раздела между литосферой и мантией носит название «поверхность Мохо-ровичича» по имени ученого, открывшего ее. На этой границе происходит скачкообразное изменение скорости распространения продольных волн: от 6 км/с в коре до 8 км/с в мантии.
На поверхности литосферы выделяют следующие основные элементы: материк, материковый шельф, материковый склон, ложе океана, океанические впадины (рис. 3).
Шельф - это продолжение материка под водой. Шельфовые участки в прошлые геологические эпохи переживали периоды континентального развития, т. е. были сушей, поэтому геологическое строение шельфа близко к строению прилегающих участков суши. Зона шельфа составляет ~7,5 % площади морей и океанов.
Верхняя часть материковых и шельфовых участков литосферы представлена осадочным слоем. Толщина слоя осадочных пород может достигать в горных районах 10-15 км, хотя местами эти породы могут отсутствовать.
13PAGE14915

Рис. 3. Рельеф литосферы: Ш - шельф; С - материковый склон; Л - ложе океана; В - океаническая впадина
Под слоем осадочных пород лежит гранитный слой, глубина нижней границы которого под гористыми участками материков может достигать 60 км и более. Под дном океанов гранитный слой тонкий или отсутствует.
Нижним слоем литосферы является базальтовый.
Средняя толщина материковых участков литосферы составляет 40-50 км, толщина океанических участков - 10-20 км.
Самые верхние слои литосферы представляют интерес для строительства.
Гидросфера - водная оболочка Земли. В нее входит вода морей и океанов, рек, озер и подземные воды. Поверхность морей и океанов составляет 7 % поверхности Земли; их средняя глубина - 3,7 км.
Атмосфера - газовая оболочка Земли до высоты -1000 км. В пределах атмосферы выделяют тропосферу - до высоты 10-13 км, выше - стратосферу и ионосферу.
Геологическая работа процессов, протекающих в гидросфере и атмосфере, формирует современный облик поверхности Земли и может существенно влиять на возводимые сооружения.
Согласно новейшей теории мобилизма жесткие глыбы материков как бы плавают в более тяжелой пластичной мантии. Теория мобилизма утверждает, что раньше существовал единый материк - Гон-двана. В мезозойской эре под действием пока еще неизвестных нам
13PAGE141015
сил I ондвана распалась на современные материки: Америку, Африку, Евразию, Австралию. Медленный дрейф материков, продолжающийся и поныне, удается наблюдать современными методами.
1.5. Геотермия
Земля имеет два источника тепля: солнечную радиацию, от кото-
рой поступает 99,5 % энергии, и энергию радиоактивного распада в недрах. Влияние двух источников тепла обусловливает сложный тепловой режим приповерхностного слоя литосферы (рис. 4).
Температура в самом верхнем слое до глубины 12-15 м зависит от сезонных колебаний. Ниже до глубины 20-40 м следует зона постоянной температуры пород, равной среднегодовой температуре наружного воздуха (в Петербурге +5°, в Воркуте -3°).
Ниже идет зона нарастающих температур. Средняя скорость нарастания температуры с глубиной {геотермический градиент) составляет 1 ° на 33 м; в районах вулканической деятельности градиент составляет 1 ° на 5-7 м. В районах суши, где среднегодовая температура воздуха ниже нуля, температура пород до определенной глубины будет также постоянно отрицательной - это районы вечной мерзлоты.
1.6. Минералы
Основные слагающие химические элементы содержатся в породах литосферы в следующих количествах:

3' !

3
Рис. 4. Температура пород по глубине: / -слой сезонного промерзания и оттаивания: 1+2- слой сезонных колебаний температуры; 3 - слой постоянных температур; 4 -рост температуры с глубиной; л - летний график; з - зимний график; справа - умеренный климат; слева - холодный климат
I 1
О - 46,8 %, Si - 27,3 %, Al - 8,7 %, Fe - 5,1 %, Ca - 3,6 %, Na -2,6 %, К - 2,6 %, Mg - 2,1 %, прочие - 1 %. Элементы существуют в земной коре в виде минералов. Минералы - это природные тела, имеющие определенный химический состав и физические свойства, образующиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре.
Среди этих процессов выделяют:
1) магматизм - минералы образуются при застывании магмы;
2) внешние процессы - минералы образуются на поверхности Земли в ходе разрушения пород и накопления осадков;
3) метаморфизм - минералы образуются в результате перерождения других минералов под воздействием высоких температур, давлений и растворов.
Абсолютное большинство минералов - твердые, хотя есть жидкие (вода, нефть) и газообразные (аргон, горючие газы) минералы.
Всего выявлено несколько тысяч минералов, но лишь 20-30 минералов встречаются часто, входят в состав главнейших горных пород, и их называют породообразующими.
Минералы могут иметь кристаллическую структуру или быть аморфными. В кристаллическом веществе атомы элементов расположены в пространственных решетках. Кристаллы анизотропны по механическим и физическим свойствам.
Каждый минерал обладает определенным набором физических свойств, по которым он может быть определен визуально: цвет, излом, спайность, твердость, плотность.
Цвет минералов разнообразный. Для некоторых минералов цвет -характерный признак: киноварь всегда красная, сера - желтая. Однако у многих светлоокрашенных минералов цвет может сильно меняться от примесей. Например, кварц может быть бесцветным (горный хрусталь), голубым (аметист), черным (марион), то есть цвет не всегда является постоянным признаком. Более постоянным является цвет в черте, проведенной минералом по сколу фарфора.
Излом - вид поверхности при разламывании. Он может быть ровный, зернистый, раковистый, занозистый, землистый.
Спайность - способность кристалла раскалываться по определенным направлениям с образованием ровных блестящих плоскостей.
13PAGE141215
Кристалл может иметь несколько направлений спайности. Различают весьма совершенную (слюда), совершенную (кальцит), несовершенную (апатит) спайности или отсутствие спайности (кварц).
Твердость - контактная прочность минерала, сопротивляемость царапанию. В минералогии пользуются шкалой относительной твердости Мооса. В шкале Мооса каждый последующий минерал делает царапину на предыдущем. Конкретный исследуемый минерал может иметь твердость, равную твердости одного из минералов шкалы или в промежутке между ними.
Шкала Мооса
Относительная твердость
Минерал

1
Тальк

2
Гипс

3
Кальцит

4
Флюорит

5
Апатит

6
Ортоклаз

7
Кварц

8
Топаз

9
Корунд

10
Алмаз

Ориентировочно твердость неизвестного материала может быть определена с помощью обиходных предметов. Например, твердость ногтя составляет ~ 2,5, медной монеты ~ 4, стального ножа ~ 6.
По плотности минералы делят на легкие (< 2,5 г/см3), средние (2,5-4,0) и тяжелые (> 4,0).
породообразующие минералы разделяются на 5 классов:
кварц и первичные силикаты;
простые соли;
окислы и гидроокислы;
вторичные силикаты;
органические.
Первичные силикаты это сложные соли кремниевой кислоты. Они образуются только из расплавленной магмы, поэтому минералы -первичные силикаты характерны для магматических пород. Кварц наиболее устойчив против выветривания, благодаря чему он широко представлен как в осадочных, так и в метаморфических породах.
13PAGE141315
К основным минералам этого класса относятся кварц, полевые шпаты, слюды, пироксен, амфибол, оливин. Общим для минералов этого класса является присутствие в их составе кремнезема Si02, количество которого изменяется от 100 % (кварц) до 35-40 % в минералах, обогащенных железом и магнием (оливин - 2(MgFe)0-SiO,). Увеличение содержания железа и магния в первичных силикатах сопровождается увеличением плотности, более темной окраской. Большинство первичных силикатов обладает довольно высокой твердостью в интервале 5-7 по шкале Мооса. Минералы этого класса не растворимы в воде, не реагируют с соляной кислотой.
Простые соли. Основными минералами этого класса являются кальцит СаСО,, доломит CaMg(CO,)2, гипс CaS04-2H,0, ангидрит CaSO„ галитг4с1.
Эти минералы образуются преимущественно в результате внешних процессов. Им свойственна относительно невысокая твердость (1,5-3,5), хотя прочность может быть достаточно высокой. Все перечисленные минералы в той или иной степени растворимы в воде: доломит и кальцит слабо, гипс - средне, а галит - сильно растворим. Ангидрит способен при поглощении воды переходить в гипс с увеличением объема до 30 %. Минералы этого класса встречаются среди осадочных пород либо в виде мощных толщ мономинеральных пород, либо в виде минеральных примесей в грунтах.
Кальцит в виде мрамора часто встречается в метаморфизован-ных толщах.
Окислы и гидроокислы. Наиболее распространенными минералами этого класса являются лимонит Fe.O -пН.О, боксит А1,0,пН,О, халцедон Si02-nH20. Эти минералы образуются в результате протекания внешних процессов и встречаются исключительно в осадочных породах, реже в виде самостоятельных слоев, чаще в виде минеральных примесей.
Вторичные силикаты - это целый ряд глинистых минералов, образующихся в результате химического разложения первичных силикатов под воздействием агентов выветривания. Наиболее характерными представителями глинистых минералов являются каолинит и монтмориллонит; широко распространен ряд минералов, объединяемых под общим названием гидрослюды и обладающих свойствами,
13PAGE141415
промежуточными между свойствами каолинита и монтмориллонита. Всем глинистым минералам свойственны тонкокристаллическая структура и дисперсная текстура. Размер кристаллов менее 1 мкм, благодаря чему суммарная поверхность частиц велика (5-10 м2 у 1 см3 глины) и физико-химические процессы на этой поверхности при увлажнении глинистых минералов чрезвычайно активны Эти процессы определяют специфические механические свойства глин.
Все глинистые минералы размягчаются при увлажнении, при этом монтмориллонит благодаря пакетному строению кристаллов жадно втягивает в себя воду, развивая под нагрузкой давление набухания до 1,0 МПа, а без нагрузки увеличиваясь в объеме в несколько раз.
Глинистые минералы исключительно широко представлены в осадочных породах.
Органические минералы образуются в результате гумификации (разложения) и углефикации остатков растительных организмов. Исходным материалом является клетчатка (волокнистая масса малораз-ложившегося торфа). Продуктами гумификации и углефикации является гумус (сложный комплекс минерально-органических соединений), каменный уголь, горючие газы.
1.7. Горные породы
Горная порода - это моно- или полиминеральный агрегат определенного происхождения, обладающий относительно определенным минеральным составом и представленный в земной коре телами значительных размеров и определенной формы.
По происхождению горные породы делятся на три класса:
I - магматические, образовавшиеся из расплавленной магмы;
II - осадочные, образовавшиеся в результате отложения продуктов разрушения горных пород, продуктов жизнедеятельности организмов или осадков из растворов;
III - метаморфические, образовавшиеся в результате изменения магматических или осадочных пород под действием внутренних процессов земной коры.
Характерными визуальными признаками горных пород являются структура и текстура. Структура характеризует размеры, форму и количественное соотношение составных частей: минералов, зерен.
13PAGE141515
Текстура характеризует пространственное расположение составных частей в объеме.
1.7.1. Магматические породы
Характерные формы залегания магматических пород изображены на рис. 5. К ним относятся батолит, лакколит, жила (дайка), силл, покров. Магматические породы, сформировавшиеся на значительных глубинах в условиях медленного охлаждения (батолит, лакколит), называются глубинными; породы, сформировавшиеся на поверхности или на малых глубинах в условиях быстрого охлаждения (покров, силл), называются излившимися.

±±±1,±а.<-^ + +_±_±_±^_±_±_
Рис. 5. Магматические тела: / - силл: 2 - покров; 3 - жила; 4 - вулкан; 5 - батолит; 6 - лакколит; 7 - осадочные породы
Глубинным породам свойственны кристаллическая структура, массивная (однородная) текстура, излившимся - скрытокристалли-ческая, стекловатая (аморфная) структура, шлаковая (макропористая), порфировая (крупные кристаллы тугоплавких минералов окружены нераскристаллизованной массой) текстуры.
По содержанию кремнезема в валовом составе магматические породы делятся на кислые, средние, основные и ультраосновные. С
13PAGE141615
уменьшением содержания Si02 и увеличением доли темноцветных минералов растет плотность пород и окраска темнеет. Классификация магматических пород по составу и условиям образования дается в таблице.
Классификация магматических пород
Состав

Породы

Химический
Минеральный
Глубинные
Излившиеся







Древние
Молодые

Кислые: Si02 > 69 %
Кварц, полевые шпаты, слюда
Гранит
Кварцевый порфир
Липарит

Средние: Si02 = 65-52 %
Полевой шпат, роговая обманка, биотит, авгит
Сиенит, диорит
Ортоклазовый порфир
Трахит, андезит

Основные: Si02 = 52-40 %
Плагиоклазы, авгит, оливин
Габбро
Диабаз
Базальт

Ультраосновные: Si02 < 40 %
Авгит, оливин, рудные минералы
Пироксенит, перидотит, дунит
-
-

Глубинным и древним излившимся породам свойственна малая пористость (доли процента). Значительной пористостью могут обладать молодые излившиеся породы (базальт, пемза).
Все магматические породы в невыветренпом состоянии обладают высокими прочностными свойствами, малой сжимаемостью. Глубинные породы обладают высокой устойчивостью против выветривания и представляют собой ценный строительный и облицовочный материал. Из излившихся пород в качестве строительных материалов используются диабаз и базальт; нераскристаллизованная орток-лазовая масса в кислых и средних излившихся породах легко разрушается при выветривании.
1.7.2. Осадочные породы
Осадочные породы в земной коре занимают всего ~5 % объема, однако покрывают более 90 % земной поверхности. Образуются осадочные породы в результате отложения осадков на дне морей, рек, озер, на поверхности суши.
13PAGE141715
Среди осадочных пород выделяют обломочные, хемогенные, органогенные. Характерные структуры для обломочных пород - обломочная (несцементированные обломки), кошломератовая (сцементированныеокатанные обломки), брекчиевля (сцементированные угловатые обломки); для органогенных волокнистая (торф); для хемогенных-зернистокристалличс(.к,1)1 (соли), оолитовая (оолитовые известняки). Характерные текстуры слоистая, полосчатая, ленточная (тонкослоистая).
Пористость осадочных пород разная, нередко очень высокая: у илов -0,7-0,8,глин-0,4-0,5, песков-0,35-0,4, песчаников -0,1-0,15. Поры могут быть заполнены водой, газом.
Обломочные породы состоят из обломков различной крупности (таблица).
Классификация обломочных порол
Название обломков
Размер обломков, мм
Рыхлые породы
Сцементированные породы

Грубые


Обломки угловатые
Обломки окатанные
Обломки угловатые
Обломки окатанные



>200
Глыбы
Валуны
Брекчия
Конгломерат



200-40
Щебень
Галька







40-2
Дресва
Гравий





Песчаные
2-0,05
Песчаные
Песчаник

Пылсватые
0,05-0,005
Пылеватые
Алевролит

Глинистые
< 0,005
Глинистые
Аргиллит

Глинистые частицы в составе пород играют особую роль, они придают породам характерные свойства: размягчаемость в воде, сжимаемость под нагрузкой и пр. В зависимости от содержания глинистых частиц рыхлые песчано-глинистые породы (грунты) разделяются на типы (таблица):
Содержание глинистых частиц, %
Наименование фунта

<3
Песок

3-10
Супесь

10-30
Суглинок

>30
Глина

Пески и грубообломочные грунты обладают хорошими строительными свойствами: малой сжимаемостью, высоким углом внутреннего
13PAGE141815
трения, а сцементированные их разновидности могут по прочностным показателям приближаться к магматическим породам. Глинистые и пылеватые грунты - в основном на таких грунтах стоит Петербург -обладают сложными в строительном отношении свойствами.
Песок, гравий - ценные строительные материалы, глина - сырье для керамической промышленности и огнеупоров.
Среди обломочных пород выделяют группу вулканических пород, образовавшихся из вулканических обломков и вулканического пепла. Из них наиболее известны туфы, пористые, легкие, прочные прекрасный строительный и облицовочный материал.
Хемогенные (химические) осадочные породы выпадают из растворов на дне морей и лагун. При выпадении углекислого кальция образуются хемогенные известняки, при высыхании лагун (типа залива Кара-Богаз-Гол) образуются залежи каменной соли, гипса.
Хемогенные известняки - прочные, устойчивые против выветривания, применяются в строительстве в виде щебня, для буговой кладки. Глинистые известняки (мергели) - сырье для цементной промышленности.
Гипсы и загипсованные грунты опасны для строительства ввиду высокой растворимости гипса.
Органогенные породы образуются из остатков растительных и живых организмов. Опока, диатомит, трепел, состоящие или содержащие в себе кремнистые остатки водорослей и микроорганизмов, -пористые, не реагирующие с соляной кислотой породы. Они используются как легкие наполнители теплоизоляционных бетонов.
Известняк-ракушечник, коралловый известняк, мел состоят из карбонатных скелетов моллюсков, кораллов и микроорганизмов. Они реагируют с соляной кислотой. Известняк-ракушечник используется в строительстве как штучный камень и облицовочный материал.
Торф состоит из гумифицированных остатков растений, часто встречается при строительстве на увлажненных территориях. Ввиду высокой пористости (до 0,9) торф обладает сильной сжимаемостью.
Гумус - сложный комплекс органо-минеральных соединений, образовавшихся в результате жизнедеятельности организмов. Гумус обладает свойствами гелеобразователя, способен связывать и прочно удерживать воду.
13PAGE141915
Осадочные породы залегают в виде слоев (пластов). Тонкий слой называют пропластком. Если слой имеет небольшие размеры в плане и по краям выклинивается, то его называют линзой. Морские осадки обычно имеют слои выдержанной мощности на больших площадях. Континентальные осадки, например речные отложения, - имеют частое чередование ограниченных по площади слоев (рис. 6).

Рис. 6. Невыдержанное залегание континентальных осадочных пород
1.7.3. Метаморфические породы
Метаморфические породы образуются в результате изменения магматических и осадочных пород под воздействием высоких температур, газов и растворов на границе с горячей внедрившейся магмой (контактный метаморфизм), или под воздействием высоких всесторонних давлений и температуры (региональный метаморфизм). Характерные метаморфические переходы:
кварцевый песок, песчаник > кварцит;
глина > филлит, гнейс;
гранит -> гнейс;
известняк > мрамор;
перидотит -> серпентинит.
Метаморфическим породам свойственны малая пористость, кристаллическая или скрьпокристаллическая структура сланцевая и плойчатая текстуры. Они обладают обычно высокими прочностными свойствами. Однако многие разновидности метаморфических пород вследствие сланцеватой текстуры малоустойчивы против выветривания.
13PAGE142015
2. Процессы внутренней динамики
2.1. Виды движении земной коры
Как уже отмечалось, в отношении кратковременных нагрузок при прохождении сейсмических волн породы литосферы и материал мантии ведут себя как твердые тела. В длительные же периоды времени материал мантии проявляет вязкопластические свойства и напоминает собой гудрон и лед, твердые при кратковременных нагрузках и пластичные - при длительных.
На вязком материале мантии дрейфуют материки. Благодаря пока еще неведомым нам потокам в мантии поверхность литосферы испытывает непрерывные вертикальные и горизонтальные движения, более активные в одних областях, менее активные - в других. Движения земной коры и связанные с ними явления называются тектоническими процессами.
По характеру движений на поверхности материков выделяют два типа территорий: геосинклинали и платформы.
I еосинклинали - значительные по площади вытянутые участки земной коры с замкнутым циклом развития, включающем вертикальные перемещения значительной амплитуды (до 10-12 км). На первом этапе развития геосинклинали развивается интенсивный и длительный прогиб земной коры под действием нисходящего потока в вязкопластичном материале мантии. Этот прогиб заполняется глубоким морем, и в нем накапливаются огромные толщи осадочных пород (рис. 7, а). На втором этапе развития происходит подъем центральной части геосинклинальной области, сопровождаемый активной вулканической деятельностью - образованием разрывов и высоких складчатых гор (рис. 7, б).
Современная геосинклиналь в стадии накопления осадков - Средиземное море, в заключительной стадии горообразования - Кавказ, Альпы. Урал - древняя геосинклинальная область, завершившая цикл своего развития. После окончания цикла геосинклинального развития территория вступает в платформенный этап развития.
Платформа - обширная территория, имеющая древний складчатый метаморфизованный фундамент и испытывающая плавные знакопеременные вертикальные движения амплитудой до 1-2 км. При
13PAGE142115

/t t t
J. r
Рис. 7. Этапы развития геосинклинали: а - осадконакопление; б - горообразование
опусканиях платформы заливаются мелкими континентальными морями и на складчатом фундаменте накапливаются толщи спокойно залегающих осадков относительно небольшой (до 1-2 км) мощности. При поднятиях платформы оказываются в континентальных условиях, при опусканиях заливаются шельфовыми морями. Пример типичной платформы - Русская или Восточно-Европейская, ограниченная с востока Уралом, с юга - Кавказом, с запада - Карпатами. Шельфовые моря - Балтийское, Северное, Желтое.
Наличие нескольких ярусов морских отложений на Русской платформе свидетельствует о неоднократном опускании ее ниже уровня моря. Участки платформ, на которых кристаллический фундамент, не покрытый отложениями платформенного типа, выходит на поверхность, называются щитами. Примеры щитов - Балтийский (начинается к северу от линии Выборг-Приозерск, включает в себя Карелию, Скандинавию, Кольский полуостров); Украинский (включает в себя юг Украины). На гранитах Украинского щита расположена гидроэлектростанция - Днепрогэс.
Новейшие колебательные движения земной коры происходят на глазах человека. Например, Херсонес в Крыму испытал погружение в море, а сейчас опять поднялся на поверхность. Петербург опускается со скоростью 1 мм/год, Одесса - со скоростью 5,1 мм/год. Баку за последние 800 лет испытал опускание и новое поднятие на 16 м. Русло реки Конго прослеживается на дне Атлантического океана на расстоянии 130 км от берега Африки до глубин 2000 м.
Учет новейших движений земной коры имеет существенное значение при строительстве долговременных сооружений: плотин, тоннелей.
13PAGE142215
2.2. Формы нарушенного залегания пород
Тектонические движения вызывают деформации первоначального залегания пород. Эти деформации могут быть без нарушения сплошности, могут быть и разрывными.
Моноклиналь - наклонное залегание слоев пород (рис. 8). Положение слоя в пространстве характеризуегея углом падения а, равным величине двугранного угла между горизонтальной плоскостью и плоскостью слоя, и азимутом падения (3 - углом между направлением на север и проекцией направления падения на горизонтальную плоскость. Азимут падения отсчитывается от направления на север по часовой стрелке.

Рис. 8. Моноклинное залегание пород
Простиранием слоя называется линия пересечения слоя с горизонтальной плоскостью. Азимут простирания на 90° меньше азимута падения.
Складка- вытянутый в одном направлении перегиб слоев (рис. 9). Складка, обращенная перегибом вверх, называется антиклиналь перегибом вниз - синклиналь. У складки выделяют замок (место перегиба) и крылья.
Характерные разрывные формы (рис. 10) - сброс, взброс; комбинации двух сбросов: горст, грабен.
Амплитуда перемещений пород вдоль разрывного нарушения может составлять от нескольких сантиметров до 1-2 километров и более. Пример гигантского горста, образовавшегося на втором этапе развития геосинклинали, - Уральский хребет, гигантский грабен -ложе озера Байкал.
13PAGE142315
Рис. 9. Складчатое залегание: А - антиклиналь; С - синклиналь

в г
Рис. 10. Разрывные формы: а - сброс; б - взброс; в - горст; г - грабен
Со складками, а особенно с разрывными формами, связана сопутствующая трещиноватость, местами превращающая породу в мелкодробленую массу. Такие зоны дробления при проходке тоннелей имеют малую устойчивость, часто с ними связаны обильные притоки подземных вод.
2.3. Сейсмические явления
Разрывные нарушения в земной коре происходят под действием тектонических сил. Появление разрыва и каждый дополнительный сдвиг по нему сопровождаются разгрузкой окружающего массива и выделением накопленной упругой энергии в виде сейсмических волн, распространяющихся от очага (гипоцентра).
Некоторые хорошо изученные разломы в земной коре, например разлом Сан-Андреас в Калифорнии (США), регулярно являются источниками землетрясений.
Распространяющиеся от гипоцентра Г (рис. 11) волны имеют сферический фронт. Проекция гипоцентра на дневную поверхность называется эпицентром.
13PAGE142415

Рис. 11. Схема землетрясения: Г-гипоцентр; Э- эпицентр; Р - продольная полна: S - поверхностная волна
По глубине расположения гипоцентра землетрясения разделяют на поверхностные (менее 10 км), коровые (10-80 км) и глубокие (80-700 км). Наиболее разрушительными являются поверхностные и коровые землетрясения.
От эпицентра в радиальных направлениях распространяется целая серия волн. Первыми движутся с максимальной скоростью (6-8 км/с) продольные волны (Р), имеющие высокую частоту, небольшую амплитуду и служащие как бы предвестником основного носителя сейсмической энергии - поверхностных волн. Поверхностные волны S (см. рис. 11) имеют большую амплитуду, слабо затухают с расстоянием, имеют низкую частоту, близкую к резонансным частотам зданий и сооружений. Скорость их распространения примерно в два раза ниже, чем продольных волн (3-4 км/с).
Мерой мощности землетрясения в очаге является магнитуда -десятичный логарифм амплитуды колебаний на расстоянии 100 км от эпицентра, выраженной в мкм. Девятибалльную шкалу магнитуд называют шкалой Рихтера.
Для практических целей более важным показателем является интенсивность идущей сейсмической волны в данной точке, которая может быть охарактеризована амплитудой колебаний (мм) или ускорением колебаний (мм/с2).
По принятой в России шкале землетрясения делятся на 12 баллов (таблица).
Землетрясения обычно происходят на границах литосферных плит, в геосинклинальных областях с активной тектонической деятельностью.
13PAGE142515
Сейсмическая шкала
Балл
Амплитуда, мм
Ускорение, мм/с2
Характер воздействия

1
-
-
Неощутимое землетрясение

2
-
-
Едва ощутимое землетрясение

3
-
-
Слабое сотрясение

4
-
< 120
Заметное сотрясение

5
0,5-1
120-250
Пробуждение

6
1-2,0
250-500
Испуг

7
2-4
500-1000
Повреждения зданий

8
4-8
1000-2000
Массовое повреждение зданий

9
8-16
2000-4000
Всеобщее разрушение зданий

10
16-32
4000
Катастрофа

11
-
-
Изменение рельефа

12
-
-
-

На основании многолетних сейсмических наблюдений составляются карты сейсмического районирования, определяющие зоны ожидаемой интенсивности колебаний.
Уровень сейсмичности 5 баллов и менее не принимается во внимание при строительстве. При 6 баллах специальных противосейс-мических мер не принимается, но повышаются требования к качеству выполнения строительных работ. При ожидаемой сейсмичности 7-9 баллов здания и сооружения должны рассчитываться на сейсмические нагрузки.
Опасность представляет горизонтальная знакопеременная компонента сейсмического ускорения, составляющая при 8-балльном землетрясении 10-20 % от земного ускорения. При резонансной раскачке сооружения возникают наиболее серьезные повреждения. При действии горизонтальной сейсмической силы склоны и откосы как бы увеличивают свою крутизну и снижается их устойчивость. Рыхлые водонасыщенные грунты могут разжижаться.
Тоннели относятся к сейсмоустойчивым сооружениям, и колебания ниже 9 баллов, а в скальных породах - ниже 10 баллов для них не представляют существенной угрозы. Исключение составляют при-портальные участки, которые могут быть захвачены поверхностным оползнем.
13PAGE142615
В зону повышенной сейсмичности (6 баллов и более) попадает около 30 % территории СНГ. Сейсмические районы СНГ тянутся полосой вдоль южной и восточной границ: Карпаты, Крым, Кавказ, Средняя Азия, Тянь-Шань, Алтай, Забайкалье, Приморье, Курильские острова, Камчатка.
П. -----„„„„,,„,", „,„„,,„„..„, ________АГ гГ~_
пуп uyivji'iAawMui'i vp^An^ri nnivn^Honvvin j^ivuiui рлииши iV vjcui-
лов локальные грунтовые условия могут существенно изменять уровень фактической сейсмичности. Скальные грунты в основании сооружения снижают уровень сейсмичности на 1 балл, а рыхлые обводненные грунты повышают на 1-2 балла, поэтому, кроме мелкомасштабных карт сейсмического районирования, составляются крупномасштабные карты сейсмического микрорайонирования, отражающие не только ожидаемую среднюю интенсивность, но и местные грунтовые и геоморфологические условия.
Грозным проявлением подводных землетрясений являются цунами морские волны, распространяющиеся по поверхности морей и океанов со скоростью 400-600 км/ч. Для судов в океане эти волны совершенно незаметны, так как имеют пологую форму. На мелководье волны удваивают высоту до 10-15 м и обрушиваются на берег внезапно, принося большие разрушения. Цунами неоднократно наносили большой ущерб прибрежным странам Тихого океана. От цунами сильно пострадал в пятидесятых годах прошлого века город Севсрокурильск.
2.4. Вулканизм
Вулканы представляют собой наиболее эффектное проявление внутреннего динамизма Земли. В отдельных местах на границе коры и мантии возникают изолированные очаги сильного разогрева и плавления пород. Периодические изливы насыщенной газами магмы называются извержениями.
Типичный вулкан состоит из конусообразной горы, сложенной продуктами извержений, конусообразного углубления на вершине -кратера и жерла - канала, по которому поступает магма. Всего на Земле около 500 действующих вулканов. В России вулканы имеются на Камчатке и Курильских островах.
13PAGE142715
По характеру извержений выделяют три типа вулканов:
тип Везувия. Извержение начинается с толчков, идет серия взрывов с выбросом вулканических бомб (раскаленных камней), пепла, потом истекает лава. Большинство вулканов (в том числе Ключевская сопка) принадлежат к этому типу;
Гавайский тип. Широкий плоский кратер при извержениях спокойно заполняется лавой, которая постепенно переливается через края;
тип Кракатау. Остров такого наименования существовал в Зондском проливе между Явой и Суматрой. В 1883 году произошел гигантский вулканический взрыв, уничтоживший остров и несколько десятков тысяч человек в его окрестностях. В атмосферу было выброшено несколько кубических километров твердого материала. Сила взрыва была подобна силе взрыва множества самых мощных атомных бомб. Пепел ог взрыва витал в верхних слоях атмосферы несколько лет, а на палубах кораблей, находившихся на расстоянии 200 км от вулкана, выпало 1,5 м пепла. Волны цунами от взрыва дважды обогнули земной шар.
Тип вулканической деятельности зависит от состава магмы: кислые магмы вязкие, ультраосновные - жидкие.
3. Процессы внешней динамики (денудационные)
Денудация - это совокупность процессов разрушения горных пород на поверхности Земли, переноса продуктов разрушения и накопления их в понижениях рельефа. Денудационные процессы включают выветривание, разрушающую и аккумуляционную деятельности водных потоков, морей, водоемов, ветра, ледников.
Внутренние процессы - подъемы и опускания земной коры, горообразование - создают предпосылки для развития денудационных процессов, определяют их характер. Деятельность человека во многих случаях может усилить естественные геологические процессы или вызвать их к жизни.
3.1. Выветривание
Выветривание - это процесс изменения горных пород под действием агентов: атмосферы, солнечной радиации, воды, а также растительных и живых организмов.
13PAGE142815
Различают три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое.
Процессы физического выветривания:
а) высушивание. При обнажении влажных аргиллитов, алевролитов, мергелей, глин и других глинистых пород подсыхающая на их
,v^P^ ..чд вильни jrMCimiiiuviо uuD^mv., рачлрсскивас ся, шелушится и распадается на мелкие частицы;
б) размокание. Водопроницаемые песчано-глинистые и пылева-тые породы при замачивании способны существенно снижать свою связность. При обнажении неводостойких пород, например при откопке в них котлована, они способны разуплотняться, терять связность в поверхностных слоях в течение одного дождливого сезона;
в) растрескивание. При нагревании-охлаждении происходит растрескивание пород за счет внутренних напряжений, возникающих при изменении температурных полей и неравномерном расширении-сжатии. В полиминеральных кристаллических породах внутренние напряжения возникают при равномерном нагревании-охлаждении за счет различного коэффициента линейного расширения зерен различных минералов;
г) морозное выветривание. Происходит оно при замерзании в трещинах воды, сопровождающемся увеличением в объеме на 11 %. Развивающиеся при этом силы активно разрушают породу. В районах с суровыми зимами это наиболее активный фактор выветривания.
Процессы химического выветривания:
а) растворение. Подземными и поверхностными водами легко растворяются соли натрия и калия, довольно сильно растворим гипс, заметно растворим кальцит. При выносе растворимых компонентов структура и связность грунтов изменяется, возможно возникновение полостей (карстовые явления);
б) гидратация. Некоторые минералы способны поглощать воду и включать ее в состав собственных кристаллических решеток. Наиболее часто встречаемый из таких минералов ангидрит, поглощая воду, переходит в гипс. При этом объем увеличивается до 60 %, что оказывает давление на окружающие породы и может быть причиной повреждения сооружений;
13PAGE142915
в) окисление. Это наиболее характерный процесс химического выветривания. Например, окисление пирита
4FeS + 702 = 2Fe,0, + 4S02
Переход железа из молекул минералов в гидраты и гидроокислы придает породам зоны выветривания бурый цвет.
Значительную роль в окислительных процессах играет углекислота. Например, глинизация полевого шпата происходит следующим путем:
K(AlSi,Os) + С02+ пН20 -> Al4[Si4O10] (ОН)8 + К2С02 + 4Si02 nH20
Кислород и углекислота, растворенные в грунтовых водах, могут достигать значительных глубин;
г) биологическое выветривание. Это есть по существу комбинация физических и химических процессов. Корни растений расширяют трещины; отмирая, корни оставляют пустоты в грунтах. Кроты и черви роют ходы, изменяющие структуру фунтов. Наконец, разлагающиеся организмы выделяют массу химически активных веществ: углекислоту гумусовые кислоты. Проникая в глубь пород по тектоническим трещинам с атмосферными водами, они вызывают во влажных тропических районах проникновение процессов выветривания на глубину до 300 м.
Устойчивыми конечными продуктами выветривания являются глины, боксит (окись алюминия), лимонит (гидроокись железа).
При выветривании гранита, наиболее распространенной магматической породы, характерна последовательность переходов: монолит -> глыбы -» дресва > песок. Более устойчивые кварцевые частицы при этом сохраняются в виде песка, а слюда и полевой шпат переходят в глину.
Слой выветрелых пород, лежащих на месте своего образования, называется элювий.
Наиболее глубокой стадии выветривания в массиве с горизонтальной поверхностью (рис. 12) достигают самые верхние слои элювия. Накопившиеся продукты выветривания замедляют дальнейшее развитие этого процесса, однако, если они удаляются, например скатываются с крутого откоса или сняты при строительстве, то процесс выветривания активизируется.
13PAGE143015
Рис. 12. Развитие выветривания: / - элювий; 2 - исходные породы
Устойчивыми против выветривания (в строительных масштабах времени) являются глубинные магматические породы, известняки, песчаники на кремнистом и карбонатном цементе; неустойчивы глинистые породы, сланцеватые метаморфические породы, полевошпатовые излившиеся породы.
В качестве мер борьбы с выветриванием применяются отвод поверхностных вод, покрытие пород непроницаемыми для агентов выветривания покрытиями (глина, набрызг-бетон).
3.2. Геологическая работа ветра
Первое проявление геологической работы ветра - выдувание малосвязных пород. Ветер умеренной силы 8-12 м/с поднимает вверх массу пылеватых частиц, ветер 15-18 м/с несет песок, ветер 20 м/с может сорвать крышу. Ветер 50-60 м/с - а такой силы в районе Новороссийска нередко достигает знаменитый норд-ост - уже способен нести гравий, вырывать с корнем деревья. Во время пыльных бурь 1969 года в южном черноземье на громадных территориях был сдут пахотный слой толщиной 30 см. В Казахстане установлено наличие гигантских ложбин длиной до 150 км, шириной 2-10 км и глубиной до 140 м, выдутых ветрами и вытянутых вдоль господствующего направления ветров.
13PAGE143115
Легче всего выдуваются слабые разновидности грунтов, не укрепленные растительностью, на побережьях морей, в пустынях. Если в массиве слабых пород встречается более устойчивое включение, например тело магматических пород, то на выдуваемой поверхности образуются так называемые останцы (рис. 13), которые посте-
носит название корразии. Корразия проявляется и на искусственных сооружениях. После сильных песчаных бурь в Средней Азии стекла домов нередко становятся матовыми, непрозрачными.
Песчаные частицы под действием ветра скачкообразно перемещаются и прекращают движение в зоне относительного затишья. Массы перемежающихся песчаных частиц образуют своеобразные формы, называемые в пустынях барханами, а на побережьях морей - дюнами. Типичный бархан (дюна) имеет в плане серповидную форму (рис. 14), пологий наветренный и крутой подветренный склоны.


Рис. 13. Образование останца

а
б
Рис. 14. Ьархан: « профиль; 6- вид в плане
13PAGE143215
Дюнный рельеф характерен для побережья Финского залива в районе Сестрорецка - Зеленогорска. Вблизи г. Лиепая (Литва) есть дюна высотой 70 м, на месте которой 200 лет назад было селение. В Средней Азии, на Ближнем и Среднем Востоке есть целые города, захороненные новейшими ветровыми отложениями.
1/"лггЧ1Лтт1Д ПО/Ч/-П 1ЮПЙП1/Г> Г> П»/ЛТ1 Itdn tv п г* w у-ч i » п о о Г» * I п о тгл-г
'vv 1 j шЩпу nv/v,i\ii и^р^дки и v I uiiiiiDiA ^>ari\j п CI Л OClC-IJiilUlVy 1
автомобильные и железные дороги. Лучшими способами борьбы с ветровой эрозией являются облесение территорий, засев кустарниками, травами, сохранение естественного растительного покрова,
Более древние эоловые (ветровые) отложения пылеватого состава лессы - покрывают чехлом толщиной от 10-20 до 200-300 м громадные территории. Лессы обладают специфическими свойствами и будут подробно рассматриваться далее.
3.3. Геологическая работа атмосферных вод
На поверхность материков ежегодно в виде дождя и снега выпадает до 112 тыс. км3 воды. Выпавшие атмосферные воды образуют временные водотоки, а снег - лавины.
Выпадая на наклонные участки поверхности земли, вода увлекаете собой мелкие частицы и вызывает плоскостной смыв. Поток воды постепенно разделяется на отдельные струи, которые вызывают струйную эрозию. Это ведет к образованию промоин.
Обводнение поверхностных слоев на склонах ведет к активизации оползней, осыпей и других движений грунта под действием сил тяжести. Материал, переместившийся по склону под действием воды и гравитации, называется делювием (рис. 15). В отличие от элювия делювий по минеральному составу отличается от подстилающих пород. Гранулометрический состав делювия неоднородный: супеси, суглинки, пески с включением щебня и более крупных обломков. Мощность делювия возрастает к основанию склонов, достигая иногда десятков метров. Для делювия характерна склонность к оползням.
У подножья гор широкой каймой в виде смыкающихся конусов выноса скапливается материал, приносимый потоками и называемый пролювием. Пролювиальный материал рыхлый, существенно слоистый. В периоды несильных дождей откладываются слои мелкозернистого песчано-глинистого материала. В периоды сильных дождей,
13PAGE143315

Рис. 15. Схема образования наносов на склоне: О - элювий; Д - делювий; П -пролювий; 1 - атмосферные осадки; 2 -плоскостной смыв; 3 - коренные породы; 4 - контакт коренных пород и поверхностных отложений
когда с гор сходят грязекаменные потоки (с^ели), откладываются слои крупнообломочные.
Отдельные струи, объединяясь в руньи, потоки, приобретают значительную разрушающую силу, способную вызвать образование оврага. Условиями для образования оврага являются наличие легко размываемых грунтов, отсутствие растительности, которая затрудняет объединение малых струй, ливневый характер выпадения осадков. Особенно склонны к оврагообразованию лессовые грунты.
У оврага (рис. 16) выделяют устье, леже, вершину. Овраг растет вершиной вверх. Этот процесс называется пятящейся эрозией. Если овраг вскрывает водоносный горизонт, то в нем образуется постоянный водоток. Предельной отметкой, до которой может углубляться дно оврага, является уровень реки или о^ера, куда впадает водоток. Этот уровень называется базисом эрозии Когда овраг разовьется до такой степени, что его ложе станет пологим и его активный размыв

Рис. 16. Развитие оврага: / - вершина; 2 - ло<е; 3 - устье; 4 - базис эрозии
13PAGE143415
прекратится, рост оврага стабилизируется, его борта выполаскиваются, зарастают. Овраг превращается в балку (рис. 17). Если базис эрозии опускается, например при падении уровня воды в реке, рост оврага может возобновиться.

а б
Рис. 17. Поперечный профиль: а - овраг; б - балка
Длина оврагов может достигать многих километров, глубина -30-40 м, скорость роста в легко размываемых грунтах - 40 м в год.
У устья оврагов в виде конуса выноса накапливается овражный аллювий.
В качестве мер борьбы с образованием и развитием оврагов применяются отвод вод нагорными каналами, посадка деревьев и кустарников на склонах и вокруг оврагов.
В горных долинах в периоды затяжных и обильных дождей или быстрого таяния снега и ледников возникают сели - грязекаменные потоки, несущие массу обломочного материала. Характерный механизм образования селя таков: на некотором участке долины с горной рекой происходит оползень намокшего элювиально-делювиального склона. Оползень запруживает реку, потом происходит прорыв оползневой плотины и масса воды и грунта устремляется вниз по долине, увлекая за собой все новый материал. При скорости 6-8 м/с сель сметает все встречающиеся на его пути сооружения. В местностях у подножья высоких гор селевые потоки нередко приносят большие разрушения. В 1929 г. сель снес половину Алма-Аты и оставил после себя 1,5 млн т каменных обломков.
На селеопасных территориях выделяют три характерных участка (рис. 18): зону водосбора, канал стока район конуса выноса. Селеобразо
13PAGE143515

Рис. 18. Селеопасная территория: / - зона водосбора; 2 - канал стока; 3 - район конуса выноса
ванию способствует вырубка горных лесов; это, во-первых, увеличивает сток, во-вторых, лишает обломочный материал корневой связности.
В качестве мер борьбы с селями применяются лесонасаждения в области водосбора и канала стока, плотины в устьевой части канала стока, защитные дамбы в районе конуса выноса.
В шестидесятых годах прошлого столетия в районе урочища Медео была построена методом направленного взрыва 100-мстровая плотина для защиты Алма-Аты от селей. В 1972 г. давно ожидавшийся сель прошел и заполнил долину, не дойдя до верха плотины на несколько мегров. Город был спасен. После спуска воды плотина была наращена на 50 м.
Селевые конусы выноса у подножья гор образуют отложения пролювия.
Обрушение с горного склона снежно-каменной массы называется лавиной. В зимнее время в снежной массе идет непрерывный процесс испарения снега из нижних, более теплых, слоев и конденсация его в верхних, более холодных, слоях. Снежный покров как бы самоподтачивается. Как только прочность нижних слоев становится недостаточной, происходит срыв снежной массы. Смешанный с воздухом снег как на воздушной подушке устремляется вниз со скоростью до 400 км/ч, увлекая с собой обломочный материал, вырывая деревья. Сила удара лавин может достигать 600 кН/м2.
Меры борьбы с лавинами - планируемый спуск лавин путем обстрела склонов, сооружение оградительных лавиноотбойных стенок, галерей над дорогами.
13PAGE143615
3.4. Геологическая работа рек
Временные потоки атмосферных вод, стоки из болот, источники подземных вод образуют постоянные водотоки - реки. Площадь, с которой река собирает воду, называется бассейном реки (рис. 19), граница между бассейном соседних рек - водоразделом. Река вызывает размыв, растворение пород русла (эрозию), перенос продуктов и переотложение обломков. В растворенном виде вода переносит до 30 % материала; эта часть почти полностью попадает с речной водой в море.

Море
Рис. 19. Бассейны двух рек и водораздел
Река в своем развитии проходит несколько этапов. После быстрого поднятия тектоническими процессами какого-либо участка суши на крутом склоне формируется река. Большая скорость движения воды вызывает активный износ дна - донную эрозию. Образуется узкая глубокая долина с каменистым дном. По мере опускания устьевой части реки скорость течения замедляется. На дне начинает выпадать приносимый материал, донная эрозия прекращается. Наибольшее значение приобретает боковая эрозия - разработка долины в ширину. В реке появляются отмели, косы, излучины. Река стареет. Новые тектонические движения могут существенно изменить судьбу реки. Подъем базиса эрозии или опускание верховья снижают скорость движения воды, ускоряют старение реки. Напротив, поднятие верхо
13PAGE143715
вьев активизирует процессы донной эрозии, русло реки вновь очищается от осадков, река омолаживается.
В долине реки выделяют русло - непосредственное место водотока, пойму - прирусловые горизонтальные участки, заливаемые в половодье, и террасы, образующиеся за счет неоднократных колебаний уровня реки относительно базиса эрозии (рис. 20).Террасы в коренных породах называются эрозионными, в собственных отложениях реки - аккумулятивными. Древнее русло Волги в некоторых местах захоронено под 100-метровой толщей наносов.

Рис. 20. Профиль речной долины: 1 русло; 2 - пойма; 3 - эрозионные террасы; 4 - аккумулятивные террасы
Стареющие реки с пологим руслом начинают меандрировать -образовывать за счет боковой эрозии полузамкнутые излучины меандры (рис. 21). Спрямленные меандры образуют озерца - старицы.
Большие реки меридионального направления имеют асимметричные долины с крутым правым и более пологим левым берегом. Это происходит благодаря преимущественному развитию эрозии правого берега за счет сил кориолисова ускорения, прижимающего струи воды у рек, текущих на север, к восточному берегу, а у рек, текущих на юг, - к западному.
Береговая эрозия нередко причиняет ущерб дорогам и другим сооружениям, расположенным вблизи берегов. Защита от береговой эрозии осуществляется защитными дамбами, стенками, укладкой на берега железобетонных плит, заключением рек в железобетонное русло.

Рис. 21. Равнинная река: / - меандр; 2 - старица
13PAGE143815
Речные отложения называются аллювием. Различают три вида речного аллювия: русловый, пойменный и старичный. Русловый аллювий, залегающий в русле реки и выстилающий нижнюю часть пойменных отложений, обычно представляет собой крупнозернистый материал: галечник, крупнозернистые пески. Мелкие фракции вымываются из руслового аллювия током воды
Пойменный аллювий откладывается в периоды паводка в относительно спокойной воде и представляет собой самые произвольные чередования тонкозернистых песков, суглинков, супесей; обычно обогащен органическим материалом, а на заболоченных участках в пойменном аллювии может присутствовать и торф.
Старицы заполняются водой лишь в периоды половодий, и там отлагаются самые тонкозернистые разности, образующие водонасы-щенные иловатые отложения старинного аллювия.
Для аллювиальных отложений характерны косая слоистость, частое выклинивание и чередование слоев.
В долинах рек ведется самое разнообразное строительство: набережные, дороги, портовые сооружения, элеваторы и пр. В целом русловый крупнозернистый аллювий представляет собой неплохое основание, в том числе и для мостовых опор. Древний пойменный аллювий также может быть надежным основанием. Молодой аллювий, особенно иловатый, старичный, заторфованный, обладает высокой сжимаемостью, гам возможны линзы илов или пылеватых песков с плывунными свойствами.
3.5. Геологическая работа моря
Геологическая работа моря заключается в разрушении пород в полосе прибоя (морская абразия) и переотложении этих, а также приносимых реками с материков продуктов разрушения.
Морская абразия
Если вследствие тектонических процессов прибрежная часть материка опускается, то море наступает на континент, происходит трансгрессия моря. Характер текущего и прошлых тектонических движений определяет профиль морского берега (рис. 22).
Живая сила прибоя вызывает разрушение пород в волноприбой-ной нише У. Береговой уступ 2 циклически обрушается и пополняет
13PAGE143915
Рис. 22. Морская абразия: / - иолноприбойная ниша; 2 - береговой уступ; 3 - пляж; 4 - морская терраса; 5 - морские отложения
обломочным материалом пляж 3. На пляже материал измельчается прибоем, и в то же время пляж служит волногасителем, снижающим силу удара волн в волноприбойную нишу. Береговая полоса находится в динамическом равновесии: береговой уступ питает материалом пляжную полосу, а пляжная полоса ослабляет процесс разрушения берега. Любое вмешательство в это динамическое равновесие может иметь неожиданные последствия. Отбор гравия с пляжа для строительства приведет к усилению береговой абразии.
Берегоукрепительные мероприятия прекращают поступление материала на пляж, море быстро истирает пляжный материал и с сильно возросшей активностью начинает воздействовать на берег.
Наличие надводных или подводных морских террас свидетельствует о тектонических поднятиях или опусканиях береговой полосы. Если благодаря господствующему направлению ветров волны подходят к берегу не под прямым, а под острым углом, то пляжный материал перемещается вдоль пляжа.
Скорость береговой абразии под Одессой составляет 1-2 м в год, в районе Сочи - до 4 м, а на глинистых берегах Азовского моря она порой достигает 20 м.
В качестве мер борьбы с береговой абразией применяются вол-ноприбойные стенки, волноломы, снижающие силу удара волн о берег (рис. 23), буны, препятствующие продольному перемещению пляжного материала (рис. 24).
При устройстве берегоукрепительных сооружений, рассчитанных на существование пляжа, необходимо пополнять пляж специально
13PAGE144015
Рис. 23. Защита от береговой абразии: / - волнолом; 2 - волноприбойная стенка
\ \ X1

4
Рис. 24. Защита берега: / - господствующее направление ветра; 2 - буна; 3 - пляж; 4 - берег
доставляемым обломочным материалом. Угловатый щебень, завезенный с осени на пляжи Сочи, за время зимних штормов перерабатывается в окатанный гравий.
Морские отложения
При постепенном опускании суши и трансгрессии моря осадки будут отлагаться в определенной последовательности. Проход полосы прибоя даст отложение слоя галечникового материала, который при цементации превратится в конгломерат. В прибрежной полосе моря поверх галечника будут откладываться песчаные частицы, приносимые реками. Реки выносят в море огромное количество материала: Амударья приносит в Аральское море ежегодно 44 млн м3, а Хуанхэ в Желтое море - 900 млн м3. Дальше от берега и соответственно выше в толще осадков будут откладываться алевритовые (пылеватые) и глинистые частицы. Так образуются морские осадки континентального происхождения (терригенные). Если море регрессирует (отступает), то более крупнозернистые слои будут лежать выше тонкозернистых.
На более глубоких участках шельфа происходит отложение хе-могенных и органогенных известняков. Пресные воды рек приносят
13PAGE144115
с собой растворенный бикарбонат кальция, растения отнимают у него часть углекислоты, а образующийся карбонат кальция выпадает в осадок:
Са(НС03)2 = ^СаСОэ + ТС02
Примесь глинистых частиц в известняковом материале приводит к образованию мергелей. Существуют другие виды морских отложений, но именно песчано-глинистые терригенные осадки и известняки образуют толщи мощностью до нескольких километров.
Древние морские осадки, претерпевшие длительную историю уплотнения (коренные породы) и существующие сейчас в континентальных условиях, представляют собой, как правило, плотные мало-сжимаемые породы. Исключение могут составлять древние глины, обнаженные денудационными процессами и разуплотнившиеся.
Молодые современные морские отложения, не прошедшие этапа уплотнения, представляют собой, как правило, водонасыщенные илы глинистого или известнякового состава. Строительные свойства илов очень сложные.
3.6. Озера и болота
Озера представляют собой малые модели моря. По берегам озер также идет волновая абразия, а под водой отлагаются осадки. Характерным озерным осадком являются тонкослоистые ленточные глины: летом откладывается более грубозернистый материал, зимой -более тонкозернистый, глинистый. Бывают также мергели, мел, трепел озерного происхождения.
Молодые озерные осадки обладают плохими строительными свойствами.
Озерная береговая абразия, несомненно, гораздо слабее морской, но она приобретает большое значение при создании искусственных озер (водохранилищ) на слабых неводоустойчивых грунтах. В отдельные годы Цимлянское водохранилище съедало до 25-50 м земли. Разумеется, этот процесс затухающий, так как по мере выполажива-ния дна в прибрежной части интенсивность размыва затухает.
Озера с плоскими низкими берегами склонны к заболачиванию. От берега образуется плавающий ковер растений - сплавина; погру
13PAGE144215
женные под воду части сплавины образуют торф. На дне водоема скапливается озерный гнилостный ил - сапропель (рис. 25). Так, путем заболачивания озер, образуются низовые болота. Воды здесь богаты минеральными солями, приносимыми реками и ручьями, растительность пышная. Торф имеет высокую зольность.

Рис. 25. Низовое болото: / - сплавина; 2 - сапропелевый ил
Другой вид болот - верховые. Они образуются в местных понижениях на возвышенных частях рельефа (рис. 26), питаются только атмосферными водами. Верховые болота возможны только в гумид-ном климате, где выпадение осадков превышает испарение. В верховых болотах минерализация воды слабая, произрастает главным образом мох-сфагнум. Торфы верховых болот малозольные. Верховые болота являются аккумуляторами влаги, питающими реки. При осушении верховых болот, то есть при устройстве комплексных мероприятий, способствующих быстрому стоку атмосферных вод, реки приобретают неустойчивый режим: быстрый сток, паводок при выпадении дождей, таянии снегов и падение уровня воды в сухие периоды года. Повышается опасность размыва берегов рек, оврагообра-зования на склонах.
Особый вид болот - болота на вечной мерзлоте. Все горизонтальные участки на вечной мерзлоте заболочены, поскольку испаре

Рис. 26. Верховое болото
13PAGE144315
ние там ничтожно, а инфильтрация вод в грунт отсутствует. Разумеется, глубина болот там не превышает мощности сезонно-талого слоя.
По глубине болота делятся на мелкие (до 2 м), средние (2-4 м) и глубокие (более 4 м).
Болотные отложения представляют собой крайне неблагоприят-
HOC Основание ДЛЯ сооружении, lupiybi имелл илиамаьгаиъ I d Ди ju /й
и более, болотный ил - сапропель - жидкотекуч и при передаче на него нагрузки будет просто вытекать из-под фундамента.
При ведении промышленно-гражданского строительства на заболоченной территории прежде всего болото осушается (дренируется). На мелких болотах под фундаментом здания делается вытор-фовка - удаление болотных отложений - и отсыпается песчаная подушка, лежащая на минеральном дне болота. На глубоких болотах сооружаются свайные фундаменты, опирающиеся на плотные слои грунта. При строительстве автомобильных и железных дорог насыпь сажают на минеральное дно болот.
3.7. Геологическая работа ледников
В настоящее время горные и материковые ледники занимают 10 % территории суши, в том числе горные ледники составляют лишь 1,5 %, а основная масса льда находится в материковых ледниках Антарктиды, Гренландии, северных островов. В прошлые геологические эпохи ледники неоднократно разрастались на поверхности Земли в связи с циклическими похолоданиями климата. На Русской равнине за последние 240 тыс. лет произошли три крупных оледенения, причем в одном из них льды достигали широты Днепропетровска. Из района Петербурга льды отступили 12-16 тыс. лет тому назад. Толщина ледового покрова, как и в районах современного оледенения, достигала нескольких километров (4 км в Антарктиде, 2 км в Гренландии).
Профиль материкового оледенения изображен на рис. 27. Выпадающий снег, проходя последовательные стадии уплотнения (фирн, глетчер), превращается в лед и под действием собственного веса начинает медленно расползаться, опускаясь в более теплые зоны, где происходит его таяние. Если конец ледника опускается на морское дно, то такой ледник называется шельфовым. Откалывающиеся глыбы шельфовых ледников образуют айсберги.
13PAGE144415
Рис. 27. Материковое оледенение: I - ледяной купол; 2 - шельфовый ледник; 3 - айсберг
Денудационно-аккумуляционная работа ледников Толща льда оказывает громадное давление на поверхность Земли: ледник километровой толщины давит с силой 900 тонн на каждый квадратный метр. При движении эта масса подобна гигантскому рашпилю. Ледник задирает поверхность Земли (процесс называется «экзарация»), обломки вмерзают в него, и в ледовой массе оказывается большое количество обломочного материала. Этот разнородный материал называется мореной. По расположению в ледовом потоке выделяют (рис. 28) боковые морены /, донную 2, срединную 3, конечную морену 4. Ледники могут переносить вмороженный материал на сотни и тысячи километров. Под Киевом можно найти валуны скандинавского происхождения.

Рис. 28. Ледник и морены
После таяния льда обломочный материал образует вал или слой моренных отложений мощностью до нескольких десятков метров.
В концевой части ледника, где происходит его таяние, значительной оказывается роль талых ледниковых вод. Вода способна перено
13PAGE144515
сить обломочный материал, причем, чем он мельче, - тем дальше. За валом конечной морены образуются обширные пологоволнистые песчаные равнины - зандровые поля (полесья). Дальше всего относятся водой мелкие частицы, поэтому при отступлении ледника в нижней части зандровых отложений оказываются более крупнозернистые
лении ледника положение меняется на обратное: внизу мелкие частицы, выше по разрезу - более крупные.
В потоках воды под телом ледника отлагаются вытянутые, сравнительно узкие валы песка с прослоями гравия - озы. Там же под ледником под куполообразными протаяниями образуются хаотически расположенные холмы отсортированного материала - камы. Именно такими образованиями представлена холмистость Карельского перешейка.
Если ледник отступает, то на равнинах за его краем остается масса ледниковых озер, в которых происходит накопление озерного материала - ленточных глин.
Строительные ceoitcmea ледниковых отложений
Ледниковые отложения подразделяются на собственно ледниковые - моренные; водно-ледниковые - камы, озы, зандровые отложения; озерно-ледниковые.
Моренные и водно-ледниковые отложения обладают плотным сложением, достаточно высоким коэффициентом фильтрации, что обусловливает их хорошие строительные свойства. Сооружения на этих грунтах имеют малые осадки при давлениях по подошве фундаментов (до 0,6-0,8 МПа). Известные помехи при откопке котлованов, а также и в отношении неравномерности осадок могут представить крупные валуны. При буровых работах нередко крупные валуны ошибочно принимают за скальное основание. Моренные грунты при промерзании проявляют сильную пучинистость.
Озерно-ледниковые отложения обладают всеми недостатками ленточных глин: низкой прочностью, большой сжимаемостью.
Песчано-гравийные ледниковые отложения являются сырьем для получения строительного песка и гравия, а в условиях естественного залегания нередко являются аккумуляторами подземных вод.
13PAGE144615
4. Геоморфология
4.1. Элементы и формы рельефа
Рельеф - это совокупность всех форм земной поверхности: возвышений, равнин и углублений. Рельеф состоит из совокупности форм И зл смен то в
К элементам рельефа относят поверхности, линии, точки, составляющие ту или иную форму рельефа. Поверхности могут быть горизонтальными, наклонными, выпуклыми, вогнутыми. Важными элементами являются линии: водораздельная, водосливная (тальвег), подошвенная, бровка. Выделяются следующие характерные точки: вершина, перевал, дно, устье долины, оврага).
Формы рельефа могут быть положительные и отрицательные.
Основные положительные формы рельефа:
гора - изолированная возвышенность с крутыми склонами и относительной высотой более 200 м;
нагорье - обширная возвышенность, состоящая из системы горных хребтов и вершин (например, Памир);
плоскогорье, плато - нагорная равнина с хорошо выраженными или обрывистыми склонами;
холм, курган (искусственный холм), бугор - мелкие формы рельефа;
конус выноса - невысокая конусообразная возвышенность в устье водотока.
Отрицательные формы рельефа:
котловина - понижение значительной глубины с крутыми склонами;
долина - вытянутое углубление, имеющее уклон в одном направлении;
ущелье, каньон - долины с крутыми и вертикальными склонами;
овраг - долина временного водотока с крутыми склонами;
балка - мелкая долина с пологими заросшими склонами.
Формы рельефа по происхождению бывают:
образованные внутренними процессами (в результате тектонической или вулканической деятельности);
образованные внешними процессами (в результате деятельности текучих вод, моря, ледников и пр.).
13PAGE144715
Под влиянием внутренних и внешних процессов рельеф находится в постоянном развитии.
Формы рельефа, образовавшиеся в результате уноса части материала, называются денудационными (речные долины, морские террасы и др.), а образовавшиеся в результате накопления - аккумулятивными (конус выноса и др.).
По размеру форм рельефа выделяют мельчайшие (несколько сантиметров), очень мелкие (1-2 м), мелкие (несколько метров), средние (десятки метров), крупные (сотни метров). Мелкие формы (бугры, карстовые воронки, промоины) образуют микрорельеф, средние формы (овраги, террасы) - мезорельеф.
4.2. Типы рельефа
Определенные сочетания форм рельефа, закономерно повторяющиеся на обширной территории и имеющие сходное происхождение, геологическое строение и историю образуют тип рельефа. Выделяют три типа рельефа: равнинный, холмистый, горный.
Равнинный тип характеризуется плавными колебаниями высот до 200 м. По отношению к уровню моря выделяют отрицательные (/? < 0), низменные (h = 0-200 м), возвышенные (h = 200-500 м) и нагорные (h > 500 м) равнины. По степени расчленения выделяют равнины плоские (уклон до 5 м/км), мелкорасчлененные (уклон 5-10 м/км), глубокорасчлененные (10-100 м/км).
Горный рельеф составляют крупные с высотой более 200 м возвышенности и понижения. Горы могут иметь различное происхождение: тектоническое (Кавказский хребет), вулканическое (Арарат, Ключевская сопка), эрозионное (Аю-Даг в Крыму).
По высоте выделяют горы низкие, средневысокие и высокие. У низких гор высотой до 700-800 м пологие склоны, осыпи отсутствуют. В средневысоких горах высотой от 700 до 2000 м (Урал) наблюдаются осыпи, курумы. Высоким горам с отметками вершин более 2000 м свойственны осыпи, сели, курумы, снежные лавины.
13PAGE144815
5. Геологическая хронология и картирование
5.1. Определение возраста горных пород
Установление возраста пород представляет значительный интерес в геологии. По возрасту могут быть идентифицированы различные выходы одного слоя осадочных пород, в определенной степени спрогнозированы свойства пород, расшифрована геологическая история района и сделан прогноз ее дальнейшего развития.
Возраст породы может быть оценен по относительной и абсолютной шкале. Для установления относительного возраста можно воспользоваться стратиграфическим или палеонтологическим методами.
Стратиграфический метод основан на том, что при ненарушенном залегании осадочных пород вышележащий слой всегда будет моложе нижележащего. При нарушенном залегании эта закономерность может быть на отдельных участках нарушена, что порой затрудняет возможность использования стратиграфического метода.
Палеонтологический метод основан на установлении возраста по остаткам живых организмов. История жизни на Земле хорошо изучена причем некоторые организмы получали в определенные геологические периоды глобальное распространение, а потом полностью вымирали. Найденный остаток такого организма - обычно раковина моллюска - позволяет достаточно точно определить относительный возраст осадочной породы.
Абсолютный возраст пород устанавливается по учету продуктов распада радиоактивных элементов: урана, тория и ряда других.
Для определения возраста молодых пород, а также археологических находок, используется радиоуглеродный метод. В воздухе атмосферы под воздействием космического излучения всегда содержится некоторое количество радиоактивного изотопа углерода С14 с периодом полураспада 5568 лет. Попав в той же пропорции в состав растительных или живых организмов, радиоактивный углерод начинает распадаться, и по его фактическому содержанию можно достаточно точно определить отрезки времени, измеряемые тысячелетиями.
5.2. Геохронология
Установленный возраст Земли и Солнечной системы составляет около 5 млрд лет. На первом, планетарном, этапе жизни Земли проис
13PAGE144915
ходила консолидация первичного вещества, его гравитационная дифференциация, формирование земной коры. Затем в течение 2-3 млрд лет зарождалась жизнь, появились простейшие организмы. Лишь с палеозойской эры начинается бурный расцвет жизни на Земле, и с этого времени в осадочных породах земной коры начинают встречаться обильные остатки животных и растений. Человек существует на Земле в масштабах геологического времени совсем недавно.
Геохронологическая шкала (таблица) отражает историю развития Земли и органической жизни на ней.
Геохронологическая шкала
Эра, млн лет
Период
Тектонические движения и формы жизни

Кайнозой (Kz), 70
Четвертичный (Q) 1-2 млн лет
Появление человека, современный животный и растительный мир



Неоген (Ng)
Образование гор Кавказа, Альп, Гималаев. Окончательное вымирание мезозойской флоры



Палеоген (Pg)
Расцвет млекопитающих, покрытосеменных растений

Мезозой (Mz), 225
Мел (К)
Вымирание рептилий, развитие млекопитающих



Юра (J)
Расцвет рептилий, появление птиц



Триас(Т)
Разделение материков. Развитие рептилий, появление первых млекопитающих

Палеозой (Pz), 570
Пермь (Р)
Образование гор Урала. Вымирание амфибий, появление рептилий, хвойных растений



Карбон (С)
Расцвет амфибий, хвощей, папоротников



Девон (D)
Образование гор Алтая. Появление наземных четвероногих, хвощей



Силур (S)
Появление панцирных рыб, акул, папоротников



Ордовик (О)
Первые наземные животные, моллюски



Кембрий(Е)
Трилобиты, простейшие наземные растения

Протерозой (Prz). 2600
-
Появление водорослей, бактерий

Архей (Аг), 3500
-
Формирование фундамента Русской платформы. Примитивные формы органической жизни

Планетарная стадия. 5000
-
Формирование литосферы. Органической жизни нет

13PAGE145015
Геологическая история Земли делится на шесть эр, эры разделяются на периоды, каждый период на три (четвертичный период - на четыре) эпохи. Отложения той или иной эры образуют группу пород, периодам соответствуют системы пород, эпохам соответствуют отделы пород.
5.3. Геологическое картирование
Геологическая карта - это проекция геологических струкгур на горизонтальную плоскость. Основываясь на данных, изображенных на геологической карте, возможно предвидеть состав и строение земной коры в заглубленных частях, недоступных непосредственному наблюдению.
Горные породы разделяют на два класса: коренные породы и четвертичные отложения. К коренным породам относят все магматические и метаморфические породы, а также осадочные породы, образовавшиеся ранее четвертичного периода. Обычно это плотные породы, являющиеся надежным основанием объектов строительства. Молодые четвертичные породы, отложившиеся за последние 1-2 млн пет, в течение которых контуры морей и континентов мало изменились, - это обычно континентальные отложения, редко - осадки мелководных морей, дисперсные или малосвязные. Мощность четвертичных отложений обычно невелика, но они покрывают коренные породы почти сплошным чехлом, и именно четвертичные породы, как правило, являются основанием сооружений.
Геологические карты составляют отдельно для четвертичных отложений и коренных пород, причем в последнем случае четвертичные отложения мысленно удаляются.
На картах изображается расположение в плане пород различного состава и возраста; на картах четвертичных отложений указывается еще и происхождение пород. Условные обозначения различных пород на геологических картах приведены на рис. 29.
Возраст пород обозначается индексом периода. Так, например, Т, обозначает породу нижнего (раннего) отдела триасовой системы. Для обозначения происхождения четвертичных пород используются следующие индексы: е - элювиальное, d- делювиальное, а - аллювиальное, / - озерное, g - ледниковое, ео - эоловое (ветровое), т -
13PAGE145115


щ



1


2

О О
о
О

. V . V '
·


5


6

т~
//



, /

х_
л-
tf -


9


10

11
А Л Л
12
Рис. 29. Условные обозначения пород: / - почвенно-растительный слой; 2 - торф; 3 - песок; 4 - плывун; 5 - галечник; 6 - супесь; 7 - суглинок; 8 - глина; 9 - известняк; 10- мергель; 11 - гранит; 12 - диорит
морское и др. Например, обозначение lgQ4 соответствует озерно-лед-никовым верхнечетвертичным осадкам.
Карта сопровождается геологическими разрезами - проекциями! геологических структур на вертикальную плоскость.
Раздел И. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ
6. Виды и свойства подземных вод
6.1. Круговорот воды в природе
лидросфсра сидсржт I,zj млрд kivt воды, из которых У/ /о соленые воды морей и океанов. Основная масса пресных вод (87 %) лежит в виде материковых и горных ледников. Из остающихся 4,7 млн км3 90 % составляют подземные воды.
Годовое испарение с поверхности Земли - и соответственно количество выпадающих осадков - составляет 511 тыс. км3 в год. Выпадающие осадки пополняют подземные воды, подземные воды питают реки, реки восполняют потери на испарение морей и океанов -этот замкнутый цикл образует большой круговорот воды в природе.
С глубиной количество пустот в породах уменьшается, так что подземные воды развиты до относительно небольших глубин, измеряемых сотнями метров или первыми километрами. Основной источник подземных вод - инфильтрация осадков. Некоторая доля подземных вод образуется за счет конденсации водяного пара, проникающего в поры грунта из атмосферы. Воды земной коры также постоянно в небольшом количестве пополняются ювенильными водами, выделяющимися в районах вулканической деятельности из расплавленной магмы.
Количество воды, инфильтрирующейся с поверхности, определяется рельефом, климатом, составом пород, растительностью, деятельностью человека. Гористый рельеф способствует быстрому стоку. Наличие растительности оказывает сложное влияние на процесс инфильтрации: с одной стороны, растительность препятствует стоку и таким образом способствует инфильтрации, с другой стороны, задержавшаяся на листве влага испаряется, не дойдя до земли. В целом растительность активизирует круговорот воды: ускоряя испарение, способствует увеличению выпадающих осадков.
Очень сложен гидрогеологический режим городов. Асфальтирование улиц многократно уменьшает инфильтрацию атмосферных вод, увеличивает мгновенный сток ее во время дождей. Город становится
13PAGE145315
сильно зависимым от состояния ливневой канализации, и в случае ее неисправностей возникает опасность затоплений. Города, как правило, в больших количествах потребляют подземные воды глубоких горизонтов, истощая их. Например, в Лондоне и Петербурге напоры подземных вод раньше соответствовали уровню моря, а сейчас на 60-90 м ниже его. Одновременно с этим в самые верхние грунтовые слои поступает много воды за счет утечек городских водоводов.
6.2. Водные свойства пород
Вода в грунте может находиться в связанном и свободном состоянии. Поверхность твердой частицы обладает свободными активными молекулярными связями, которые притягивают к себе молекулы воды, и прочно удерживает от передвижения водяную оболочку толщиной в несколько десятков молекул. Несвязанная, способная перемещаться под действием сил тяжести, вода называется свободной или гравитационной. Термин «подземная вода» подразумевает именно свободную воду.
Подземные воды заполняют пустоты между твердыми частицами: в обломочных грунтах - это поры между зернами, в скальных породах - трещины. В карбонатных, сульфатных породах могут существовать большие полости выщелачивания (карстовые), в которых также может скапливаться вода. Поры в грунте могут быть замкнутые, не сообщающиеся между собой, находящаяся в них вода не может перемещаться, поэтому к подземным водам относится только вода открытых, сообщающихся, пор.
Поры занимают значительную часть объема пород, %:
гравий - 35-37; песчаник - 10-24;
песок-30-37; известняк - 3-30;
глина - 43-49; мел - до 45;
лесс-45-55; туф-55-60;
торф - 75-90; гранит, мрамор - 1-4.
Характерное распределение влаги в верхних слоях земной коры показано на рис. 30. Уровень воды в наблюдательной скважине соответствует уровню подземных вод - УПВ (международное обозначение WL). Обозначение УГВ (уровень грунтовых вод) - синоним обозначения УПВ. Ниже УПВ поры пород полностью заполнены водой.
13PAGE145415
5
WL
1

6
0
1.0
Sr
Рис. 30. Подземная вода: / - УКП при опускании УПВ; 2 - степень влажности грунта при этом; 3 - УКП при подъеме УПВ; 4 - степень влажности фунта при этом; 5 - скважина: б - водоупорный слой
Выше УПВ породы увлажнены за счет капиллярного поднятия. Высота капиллярного поднятия существенно зависит от направления перемещения УПВ: если УПВ понижается (идет дренирование толщи), то высота капиллярного поднятия больше, чем в случае поднятия УПВ (обводнение толщи).
Кроме того, при дренировании толщи грунт выше уровня капиллярного поднятия (УКП) содержит максимальное возможное количество связанной воды, тогда как при обводнении сухой толщи грунт выше УКП может быть сухим.
Комплекс водных свойств пород характеризуется рядом показателей.
Влажность w - отношение веса воды в образце к весу высушенного образца.
Степень влажности Sr характеризует степень заполнения пор водой и равна отношению фактической влажности w к максимально возможной w .
При 5. < 0,5 породы относят к маловлажным, при Sr = 0,5-0,8 -к влажным, при Sr> 0,8- к водонасыщенным. Для сухого песка5.= 0, для сухой на вид глины .S = 0,3-0,4, так как вода сохраняется в закрытых порах.
Влагоемкость - способность породы вмещать и удерживать в себе
sat
13PAGE145515
воду. Различают очень влагоемкие породы (суглинок, торф, глина), слабо влагоемкие (глинистый песок, мел, мергель, лесс) и невлагоемкие (гравий, песок).
Водоотдача - способность водонасыщенных пород отдавать гравитационную воду. Удельная водоотдача характеризуется количеством воды, вытекающей из 1 м3 водонасыщснной породы. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы (гравий, песок), в которых водоотдача составляет 250-430 л/м3. Они отдают почти всю содержащуюся в них воду. В глинах вся вода является связанной, и водоотдача глины практически равна нулю.
Водопроницаемость пород, это их способность пропускать воду. Чем крупнее зерна породы или шире трещины в ней - тем больше ее водопроницаемость, причем пористость пород совсем не характеризует водопроницаемость: глина с пористостью 50-55 % практически водонепроницаема.
Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации &ф, м/с (м/сут). Характерные величины коэффициента фильтрации составляют, м/сут: глины - менее 0,001; суглинки - 0,01-0,1; супеси - 0,1-0,5; пески - 0,5 - 50; галечники - 50-200.
По степени водопроницаемости грунты подразделяют согласно таблице.
Разновидность грунтов
Коэффициент фильтрации м/сут

11еводопронинаемый
<0,005

Слабонодопроницаемый
0.005-0,30

Водопроницаемый
0,30-3

Сильноводопроницаемый
3-30

Очень сильноводопроницаемый
>30

Непроницаемые грунты называют водоупорами, водонасыщен-ный слой проницаемого грунта - водоносным горизонтом.
Глины относятся к непроницаемым грунтам, суглинки и супеси - к полупроницаемымщески и галечники - проницаемым.
Водопроницаемость кристаллических и сцементированных пород определяется их трещиноватостью и может изменяться в широких пределах. Коэффициент фильтрации дисперсных грунтов может быть приближенно определен по формуле k = 1500^1О2, м/сут (d]0 -руководящий диаметр частиц, мм).
13PAGE145615
6.3. Физические свойства и состав подземных вод
Даже дождевая влага не является химически чистой водой. Например, в районе Киева на каждый км2 в год выпадает 2,5 т NaCl, а в Причерноморье - 10 т. Под землей вода может дополнительно обогащаться различными минеральными и органическими веществами, которые придают воде определенные физические и химические свойства.
Основными физическими свойствами природных вод являются температура, цвет, прозрачность, вкус и запах.
Температура воды может колебаться в значительных пределах, но чаще всего в полосе умеренного климата она имеет величину 7-10°.
Чистая вода бесцветна. Желтоватый оттенок свидетельствует о примеси болотных вод. Прозрачность зависит от наличия мелких коллоидных частиц.
Вкус воды связан с растворенными солями: NaCl дает соленый вкус, MgS04 - горький и т. д.
Запах зависит от присутствия растворенных газов биохимического происхождения (сероводород и др.).
Химический состав вод определяется наличием растворенных газов (02, С02, СН4, H,S и др.) и солей, главным образом хлоридов, сульфатов и карбонатов. Подземные воды, близкие к поверхности, нередко бывают загрязнены органическими примесями (болезнетворные бактерии, органические соединения из канализационных систем и др.). Такие воды неприятны на вкус к опасны для здоровья.
Вода для питья должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь запаха и быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1 г/л, не допускается присутствие вредных для здоровья химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий.
Бактериальная зараженность воды характеризуется присутствием в ней безвредных кишечных палочек Коли и измеряется так называемым коли-факторам, равным количеству палочек Коли в 1 см1 воды. При величине кол и-факгора менее 0,1 вода считается здоровой, при величине 0,1 -10 - приемлемой, более 10 - нездоровой. Вероятность присутствия болезнетворных бактерий пропорциональна коли-фактору.
13PAGE145715
Присутствие солей может намного превышать 1 г/л. По содержанию солей воды разделяют на пресные (до 1 г/л), солоноватые (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (> 50 г/л).
По преобладающему аниону подземные воды разделяются натри класса: гидрокарбонатные (НСО,), сульфатные (S04), хлоридные (О). По преобладающему аниону каждый класс разделяется на три группы: кальциевые (Са), магниевые (Mg), натриевые (Na).
Мерой химической активности растворенной соли является содержание ее ионов в 1 л воды, выраженное в миллиграмм-эквивален-« ( тах (мг-экв/л). 1 мг-экв равен атомному весу иона, выраженному в миллиграммах, Например, 1 мг-экв катиона Са"" равен 40 мг, 1 мг-экв . аниона S04 равен^мг.
Для того, чтобы определить наименование воды, необходимо результат химического анализа (мг/л) перевести в миллиграмм-эквивалентную форму (мг-экв/л), затем пересчитать долю каждого катиона и аниона в % (процент-эквивалент) и выразить формулой химического состава, к примеру, такого вида:
HCO380SO4lSC15 ' ~Ca70Mg20NalO '
М 0,5 означает общее содержание солей в г/л. В числителе и знаменателе этой формулы записаны анионы и катионы в порядке убывания их процент-эквивалентного содержания. По этой формуле вода называется так: пресная, гидрокарбонатная кальциевая.
Присутствие солей придает воде такие свойства, как жесткость и агрессивность.
Жесткость определяется наличием в воде катионов Са^* и Mg"*. Жесткая вода плохо мылится, дает накипь на паровых котлах и непригодна в ряде других технологических процессов.
Жесткость принято выражать в миллиграмм-эквивалентах жесткости на литр (мг-экв ж/л). 1 мг-экв жесткости равен атомному веса катиона, выраженному в миллиграммах и деленному на валентность (20 мг Са^ или 12,6 мг Mg+4). По жесткости воду разделяют на мягкую (< 3 мг-экв ж/л), средней жесткости (3-6), жесткую (6-9) и очень жесткую (>9 мг-экв ж/л). Наилучшим качеством обладает вода с жесткостью до 7 мг-экв ж/л.
13PAGE145815
Различают два вида жесткости: временную и постоянную. Временная жесткость обусловлена присутствием бикарбонатов, прежде всего Са(НСО,)2. Она устраняется кипячением, при этом СаСО. выпадает в осадок и вода становится мягкой:
Са(НСО,)2 -> iCaCO, + Н20 + ТСО,
Постоянная жесткость обусловлена присутствием сульфатов, хлоридов (CaS04, MgCl и др.) и кипячением не устраняется.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном действии растворенных в воде веществ на строительные материалы, в частности на портландцемент. По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:
а) общекислотную агрессивность, которая оценивается показателем рН;
б) сульфатную агрессивность, которая определяется содержанием иона S04. При содержании более 200 мг/л вода становится агрессивной.
Степень воздействия воды на бетон определяется не только агрессивностью воды, но и коэффициентом фильтрации пород. В грунтах с малым коэффициентом фильтрации циркуляция пород затруднена, и даже при наличии агрессивности воздействие ее на сооружения невелико. В глинах даже при кислотности рН = 5 защиты бетонных фундаментов не требуется, тогда как в фильтрующем песке при рН < 7 требуется принятие специальных мер защиты. Для борьбы с разрушением фундаментов агрессивными водами применяют специальные виды цементов, например сульфатостойкий, гидроизоляцию подземных частей зданий, понижение уровня грунтовых вод.
7. Классификация подземных вод
Толщи осадочных пород в верхней части литосферы представляют собой чередование фильтрующих и водоупорных слоев (рис. 31).
Подземные воды, залегающие непосредственно над первым сверху водоупором, называются грунтовыми, толща пород над зеркалом грунтовых вод называется зоной аэрации. Временные скопления подземных вод в зоне аэрации называются верховодкой, воды, залегающие между двумя водоупорными слоями, называются меж-пластовыми, если межпластовая вода имеет уровень ниже верхнего водоупора, то она называется безнапорной. Если вода полностью за-
13PAGE145915

Осадки
НИ
Песок (водоносный слой)_
Глина
(первый водо-
Песок
(водоносный слой)_
Глина
(второй водо-упор)
Верховодка \

Рис. 31. Разновидности подземных вод
полняет межпластовое пространство и ее напор на контакте с верхним водоупором больше нуля, то - напорной или артезианской.
7.1. Верховодка
Верховодка образуется над, случайными водоупорами, имеющими ограниченное распространение по площади. Например, над линзой глин, залегающей в толще безводных песков, в периоды выпадения осадков может скапливаться верховодка. Если верхняя часть безводной толщи сложена менее проницаемым фунтом, то в дождливый период в нем также может скопиться верховодка. Верховодка образуется весной из талых вод над неполностью оттаявшим мерзлым грунтом.
Наличие верховодки и ее уровень зависят от времени года. В сухой сезон она может вообще исчезать. Уровень верховодки может иметь даже суточные колебания.
Источником верховодки могут быть не только атмосферные воды, но и утечки в системах водопровода и канализации. Наблюдениями в ряде городов установлено, что в город по водопроводу поступает на| 20-30 % воды больше, чем выходит стоков. Разница, нередко в виде нечистых и агрессивных вод, питает верховодку.
13PAGE146015
Верховодка может местами смыкаться с горизонтом грунтовых вод, образуя местное временное повышение уровня грунтовых вод. Общими чертами верховодки разного происхождения являются временный, непостоянный характер, ограниченная площадь распространения.
Цо ПТЛШЛР D ГМ1 I_ I D ЛЛиЛООПШ! Г* ЛЛШ /Mi'a 1 ТТЛ П пллтп о i KiMro ПП^О П Г Ч Г\
особенно когда ее появление является неожиданным. Если разведочное бурение производилось на строительной площадке в сухой сезон, то верховодка дождливого сезона может быть не выявлена, что создает вероятность затопления строительного котлована. Замачивание основания здания на лессовых грунтах верховодкой может вызвать его неравномерное оседание и повреждение здания, что часто и случается в южных городах.
7.2. Грунтовые воды
' Грунтовые воды имеют значительные площади распространения и относительно постоянный уровень. Свободная поверхность грунтовых вод называется зеркалом. Положение зеркала в сглаженной форме повторяет рельеф местности. Глубина уровня грунтовых вод от поверхности различна: от 1 м на севере до 50 м на юге. Грунтовые воды безнапорные, но в отдельных местах под линзами глин могут сформироваться местные напоры. Расстояние по вертикали от подстилающего водоупора до зеркала называется мощностью водоносного слоя,
Питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также за счет поверхностных водоемов, рек. Грунтовая вода открыта для проникновения в нее поверхностных вод, она может легко загрязняться промышленными и бытовыми водами. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении от повышенных частей рельефа к пониженным. В понижениях подстилающего водоупора они могут образовать застойный бассейн.
По характеру питания и условиям залегания выделяют следующие зональные типы грунтовых вод:
грунтовые воды речных долин. Речные долины представляют собой, как правило, корытообразные углубления в водоупорных породах (рис. 32). Долины заполнены хорошо фильтрующим аллювиаль-
13PAGE146115
Рис. 32. Речная долина: / - зеркало грунтовых вод в половодье; 2 - зеркало грунтовых вод в межень; А - аллювий; К - коренные породы
ным песчано-гравийным материалом с прослоями глин. Грунтовые воды речных долин обильны, питание их происходит за счет реки и окружающих территорий. В аллювиальных отложениях речных долин часто устраивают водозаборы.
Обычно река служит дреной для окружающих массивов. Однако в засушливых районах, например, в Средней Азии, наоборот, реки питают грунтовые воды окружающих территорий. Во время высокого уровня воды (половодья) реки умеренных климатических зон также могут стать источником питания окружающих территорий;
грунтовые воды водоразделов. Они имеют единственный источник питания - атмосферные воды. Грунтовые воды водораздельных территорий питают верховья рек и в значительной степени определяют их режим. При наличии на этих территориях ледниковых отложений, имеющих сложную ст^ктуру^ с чередованием глинистых и песчано-гравийных слоев, последние часто являются аккумуляторами хороших, слабоминерализованных вод;
грунтовые воды горных областей. В горных районах обычно выпадает много осадков, но инфильтрация их на склонах мала, происходит их быстрый сток. Грунтовые воды скапливаются в межгорных впадинах, в отложениях предгорных равнин. Таковы, например, подземные воды Ферганской долины. Воды имеют обычно хорошие качества и используются для водоснабжения;
грунтовые воды пустынь и полупустынь. Эти воды обычно имеют далекую область питания, залегают глубоко и значительно минерализованы. Запасы их могут быть довольно большие, но вследствие минерализации зачастую они не пригодны для питья.
13PAGE146215
7.3. Напорные воды
Характерное условие для скопления межпластовых напорных (артезианских) вод - синклинальное залегание слоя фильтрующих пород под водоупором (рис. 33). Если напор межпластовой воды превышает уровень дневной поверхности грунта, то пробуренная скважина будет фонтанировать.

Рис. 33. Артезианский бассейн: I - водоупор; 2 - проницаемый слой; 3 - скважина; 4 - область питания; 5 - поверхность напоров; 6 - область стока
Размеры артезианских бассейнов могут быть разные: от размеров одной горной долины, до таких гигантских, как Днепро-Донецкий с площадью 350 тыс. км, т. е. больше Англии.
У больших артезианских бассейнов выделяют область питания 4 и область стока 6. Разность высот этих областей обеспечивает циркуляцию межпластовой воды. Артезианские воды, прошедшие большой путь фильтрации и не имеющие прямой связи с загрязненными поверхностными водами, обычно обладают высокими качествами и интенсивно используются для водоснабжения. Если перепад высот на краях артезианского бассейна отсутствует, то воды в нем будут застойными, с повышенной минерализацией.
7.4. Трещинные и карстовые воды
Воды этого типа скапливаются в трещинах, разломах коренных пород и карстовых пустотах карбонатных пород. Вследствие неравно
13PAGE146315
мерного распределения крупных разломов и полостей в массиве, воды этого типа также характеризуются неравномерным распределением. При встрече забоем тоннеля крупного разлома или карстовой полости могут случиться катастрофические притоки воды.
8. Движение подземных вод
8.1. Режим грунтовых вод
Грунтовые воды являются ближайшим к поверхности горизонтом подземных вод, и именно с ними чаще всего приходится иметь дело при строительстве или организации водоснабжения.
Режим грунтовых вод - это закономерные изменения во времени их уровня, температуры и состава. Режим грунтовых вод определяется: метеорологическими, гидрологическими и техногенными факторами.
Благодаря метеорологическим факторам (выпадение дождей, снеготаяние, испарение) уровень грунтовых вод в средней полосе колеблется в течение года приблизительно в пределах 1 м с максимумом в мае и минимумом в феврале. Последнее обстоятельство объясняется отсутствием поступлений атмосферных вод и продолжающимся стоком в зимнее время. Метеорологические факторы являются определяющими для грунтовых вод водораздельных территорий.
Гидрологическими факторами являются колебания уровня в реках, водохранилищах. Например, поданным наблюдений 1932 г., при подъеме воды в Волге на 13,6 м уровень подземных вод на расстоянии 1 км поднялся на 7 м. Подъем УПВ в Петербурге во время наводнений сопровождается массовыми затоплениями подвалов и полуподвальных этажей зданий.
Прокладка оросительных каналов в засушливых районах при ненадежной гидроизоляции их ложа приводит к подъему УПВ на прилегающих территориях, что не только сопровождается непродуктивными потерями воды, но и нередко ведет к засолению почв.
К числу техногенных факторов относят те виды человеческой деятельности, которые могут отразиться на режиме грунтовых вод. Например, откопка строительного котлована и откачка воды из него приведут к снижению УПВ на окружающей территории. Сброс про-
13PAGE146415
мышленных вод или утечки водоводов могут повысить уровень подземных вод вплоть до заболачивания территории.
Наблюдения за уровнем грунтовых вод ведутся в колодцах или скважинах. При проходке инженерно-геологических разведочных выработок (шурфов, скважин) отмечают глубину появления воды и
CC уСТаНОБИБШИИСЯ СТаТИЧССКИИ урОВСНЬ. ДоЛГОВрСМСНПЫе р8Ж"М-
иые наблюдения ведутся в специально оборудованных скважинах. Наблюдательная скважина обсаживается перфорированной трубой. Уровень воды в скважине измеряется различного вида устройствами, опускаемыми в нее на тросе (хлопушка, электрический контакт), или датчиками давления, опускаемыми под воду, которые постоянно вырабатывают сигнал, пропорциональный столбу воды над ними.
Положение зеркала грунтовых вод на территории изображается в виде карт гидроизогипс - линий равного уровня, аналогичных горизонталям при изображении рельефа. Направление потока грунтовых вод в каждой точке перпендикулярно гидроизогипсе и направлено вниз по уклону. Гидроизогипсы строят на топографический основе, что позволяет по карте определить глубину зеркала грунтовых вод от поверхности и рационально планировать размещение объектов.
Линии равных напоров артезианских вод называются гидроизо-пьезами.
Для определения направления и скорости движения подземных вод в скважину запускается вещество, самые малые концентрации которого могут быть легко замечены в воде: соль, флуоресцентная краска, радиоактивные изотопы. По моменту появления в окружающих скважинах вещества вычисляют скорость воды.
8.2. Расчет притоков подземных вод
Напором грунтовых вод в точке называется высота данной точки над некоторым уровнем, принимаемым за ноль, плюс высота столба грунтовых вод над данной точкой. Из этого определения очевидно, что напор грунтовой воды в точках, расположенных на одной вертикали, одинаков. Таким образом, разница напоров в сечениях ААщ ВВ, (рис. 34) будет равна разнице УПВ в этих сечениях dH.
Закон ламинарной фильтрации, установленный французским ученым Дарси, связывает скорость фильтрации v, перепад напоров

в
между рассматриваемыми сечениями dH, коэффициент фильтрации &ф и длину пути фильтрации dl:
dl
Рис. 34. Фильтрация грунтовых вод
v = k.dHldl, или иначе: v = к J,
Ф Ф
где / = &HIAI - градиент напора.
Объем воды, проносимой в единицу времени потоком с площадью поперечного сечения F (расход потока), определится любым из выражений
Q = Fv = k/I= k^FdHldl.
Если из скважины или колодца, заглубленных ниже уровня грунтовых вод, производить откачку, то зеркало грунтовых вод искривится, образуя депрессиопную воронку. Саму выработку при этом называют совершенной дреной, если она прорезает весь водоносный горизонт и доходит до водоупорного слоя, и несовершенной дреной, если она не доходит до водоупора. Радиус деп-рессионной воронки называют радиусом влияния дрены; он составляет -1000 м в гравии, -300 м в песках и -50 м в суглинках.
Приток воды в совершенный колодец (скважину) Уравнение расхода воды через цилиндрическое сечение осесим-метричного потока (рис. 35) имеет вид
Q = k^2nry-dy/dr,
где dy - перепад напора на элементарном отрезке пути фильтрации dr; 2пгу - площадь цилиндрического сечения потока.
Разделяя переменные, получим
Q drlr = 2nk^y dy.
Интегрируя левую часть дифференциального уравнения в пределах от радиуса колодца rQ до радиуса депрессионной воронки R, а^йввую часть - в пределах от h до Н, находим выражение для притока в колодец (формулу Дюпюи):
Q = тс ЦП- - /г) / HR /г0)=\ ,366 ЦП - /г2) / \g(R I г0).
13PAGE146615
R

Рис. 35. Схема к расчету притока в совершенный колодец
Приток воды в несовершенный колодец Расчет- притока в несовершенный колодец (рис. 36) сводится к расчету притока условного совершенного колодца в водоносном горизонте мощностью, равной мощности активного слоя Н= 4/3 Р.
Приток воды в колодец с непроницаемыми стенками и с фильтрующим дном (рис. 37) определяется по формуле
Q = 2knS.
,__г-,_, __L"D1

Рис. 36. Несовершенный колодец Рис. 37. Колодец с фильтрующим дном
Приток воды к совершенной траншее В отличие от ранее рассмотренных осесимметричных потоков поток,грунтовых вод к линейным дренам будет плоским, то есть линии тока (и изогипсы зеркала) в плане будут параллельными.
13PAGE146715
Расход потока через сечение высотой у в слое единичной толщины (рис. 38) /«
б = V dyldx.

Рис. 38. Совершенная траншея
Интегрирование дифференциального уравнения по х от 0 до R, а по у от h до Я приводит к формуле
e=^(/p-A2)/(2j?).
Данная формула определяет приток на 1 ног. м траншеи с одной стороны.
Приток воды к несовершенной траншее
Приток воды в несовершенную траншею <2Н составляет часть притока в условную совершешгую траншею в том же водоносном горизонте, пропорциональную заглублению траншеи в водоносный горизонт tlH (рис. 39).
Q = k.t (Н - h2) I (2RH). Рис. 39. Несовершенная траншея ^" Ф 4
Приток воды в строительный котлован Приток воды в котлован, в том числе и отличающийся по форме в плане от круглого, определяется по формулам для совершенного

13PAGE146815
и несовершенного колодца эквивалентного радиуса. При этом эквивалентный радиус вычисляется по формуле
r3=где А - площадь котлована.
о 1 \ /т . i "ж' (ж ' . ж л1. ..'.'ж х . ,ж' .ж.-, жг.л. .... . ж .. ,. -ж
С».*^. .'их . к; tin JNiuniui 1уд 1ШДЛ.1НЛО!Л ВОД
Подземные воды могут быть использованы для водоснабжения. Скважины, траншеи, устроенные с целью получения воды, называ-ютвя водозаборами.
Высокий уровень грунтовых вод может являться помехой при строительстве: вызывать большие притоки в строительные котлованы, приводить к размоканию и потере связности грунтов. Напорные воды под водоупорным дном котлована могут вызвать его прорыв и внезапное затопление. Скважины, траншеи и прочие выработки, имеющие целью снижение уровня или напора подземных вод, называются дренажными или водопонизительными.
Нагорная канава предназначается для улавливания поверхностных вод и отвода их в сторону от охраняемого объекта, например оползневого склона (рис. 40). Нагорная канава устраивается со стороны возвышенной части рельефа и должна иметь продольный уклон для быстрого стока воды.

Рис. 40. Защита склона: 1 - оползень; 2 - нагорная канава
Система открытых или специально оборудованных и закрытых траншей (рис. 41) называется горизонтальным дренажом. Горизонтальный дренаж устраивается на сельскохозяйственных угодьях, под дорожным покрытием улиц и дорог при высоком УПВ.
13PAGE146915

Рис. 41.1 Ъризонтальный дренаж: а - открытый; б - закрытый
Открытый водоотлив применяется при умеренных притоках в котлованы. На дне котлована (рис. 42) отрывается углубление - водоприемник, из которого насосом откачивается вода.
Нри необходимости значительного снижения уровня грунтовых вод и полного осушения толщи до откопки котлована применяется вертикальный дренаж. В грунт погружаются трубы, имеющие в нижней части пер-

Рис. 42. Открытый водоотлив: / - водосборник; 2 - насос; 3 - водоунор
форацию для пропуска воды, - иглофильтры. При глубине погружения до 5-7 м иглофильтры могут быть объединены в одну систему и подключены к вакуум-насосу для откачки воды (рис. 43).
При устройстве дренажа расстояние между соседними дренами должно быть меньше двух радиусов влияния.
При наличии напорных вод под водоупорным дном котлована необходимо делать проверку невозможности прорыва вод в котлован, что обеспечивается при условии
mZH/2,
где т - толщина водоупорного дна котлована до водоносного слоя, м; Н - напор воды в водоносном слое, м; 2 - коэффициент, отражающий тот факт, что плотность грунтов приблизительно в два раза больше плотности воды.
13PAGE147015

Рис. 43. Вертикальный дренаж: / - котлован; 2 - иглофильтр; 3 - водоупор
8.4. Влияние гидрогеологической обстановки на проходку и эксплуатацию тоннелей
Строительство тоннелей ниже уровня грунтовых вод увеличивает его стоимость в среднем на 20 %, однако значительная водообиль-ность может не только привести к значительно большему удорожанию, но и создать непосредственную опасность при проходке.
Призабойная, еще не облицованная, часть тоннеля во время проходки является дреной. Приток воды в тоннель в количестве 100 л/с сильно снижает производительность, затрудняет работы. Приток 500 1000 л/с способен остановить проходку обычными методами и требует применения специальных мероприятий: проходки передовой дренажной выработки или бурения передовых дренажных скважин. Опыт тоннелестроения знает притоки до 10 тыс. л/с. Удаление воды из тоннеля особенно затрудняется, если проходка ведется с уклоном вниз, когда вода самотеком не уходит из тоннеля. Дренирование окружающих пород тоннелем приводит к снижению УПВ, пересыханию окружающих источников и нарушению водоснабжения из данного водоносного горизонта.
Притоки воды в тоннель могут происходить:
из трещин и разломов в сильно разрушенных породах;
7!
очень пористых пород: песчаников, выветренных пород, особенно вблизи контакта с менее проницаемыми породами;
карстовых полостей. Особенно опасна внезапная встреча крупной обводненной трещины или карстовой полости, что может вызвать катастрофический приток в забой.
В действующие тоннели значительных притоков воды не допус кается, поэтому обделка тоннелей делается водонепроницаемой. В этом случае после проходки тоннеля уровень подземных вод может восстановиться, но при этом давление воды создает значительную нагрузку на обделку, что вынуждает делать ее более прочной и соответственно дорогой; для снижения давления воды может быть устроен заобделочный дренаж с выводом воды за пределы тоннеля за обделкой или с перепуском воды в канаву в тоннеле.
Для уменьшения притока воды применяется цементация массива, нагнетание синтетических смол.
9. Гидрогеологические исследования
Гидрогеологические исследования должны установить: наличие и состав водоносных горизонтов в зоне строительства; наличие водоупорных слоев;
направление и скорость движения подземных вод, характеристики водопроницаемости пород; ожидаемые водопритоки;
размеры депрессионной воронки в районе строительства; влияние водопонижения на работу водозаборов в районе строительства;
состав и свойства воды;
возможность использования вод для водоснабжения.
Первым этапом гидрогеологических исследований является изучение архивных материалов всех организаций, проводивших гидрогеологические работы на данной территории, а также ознакомление с Кадастром подземных вод, который представляет собой специальный перечень всех водопунктов страны (скважин, колодцев, источников), составляемый территориальными организациями Министерства геологии. На основе этих материалов, а также опубликованных работ составляется карта водопроявлений.
13PAGE147215
Если этих материалов недостаточно, то следующим этапом исследований является гидрогеологическая съемка - площадное обследование всех водопроявлений и водопункгов с нанесением их на карту. Для осуществления съемки вся территория покрывается сетью маршрутов, привязанных, главным образом, к пониженным час-
_________.. /„„„...„, „„„„„.л
1ЛМ [эсль^фа. ^дилпгим, UDpoi tij.
По материалам архивных данных и результатам съемок составляется карта фактического материала. Изучение ее позволяет установить необходимость разведочного бурения, при котором устанавливают геологическое строение толщи и напор в каждом водоносном горизонте.
На скважинах организуют опытные работы и стационарные наблюдения. Если скважина одиночная, то производятся опытные откачки при трех разных понижениях воды в скважине и строится график зависимости дебита от понижения. По приведенным ранее формулам рассчитывается коэффициент фильтрации. Предпочтительным является проведение кустовых откачек. Для этого требуется не менее трех скважин, из которых поочередно производятся откачки, а в двух других ведутся наблюдения за уровнем воды. Результаты кустовых откачек позволяют более точно рассчитать величину коэффициента фильтрации.
В поверхностных слоях грунта коэффициент фильтрации может быть определен методом пробных наливов воды в шурфы (рис. 44).
В опытном шурфе устанавливается кольцо, нижняя часть которого немного заглубляется в
грунт. Затем в кольцо заливает- Риа 44 0nPe*e™ проницаемости rj методом пробного налива
ся вода, и уровень ее поддерживается постоянным (5-10 см) и одинаковым как в пределах кольца, так и вне его. Количество воды, добавляемой в кольцо для поддержания постоянного уровня, фиксируется. Наличие воды за пределами кольца обеспечивает строго вертикальное движение воды, фильтрующейся вниз из кольца, и постоянное сечение ее потока при вели
13PAGE147315
чине градиента напора / = 1 м/м. Расчет величины коэффициента фильтрации производится по формуле
где Q - расход воды за период времени V, А - площадь кольца.
Качество воды, ее пригодность для примышленного и бытового водоснабжения оценивается по результатам химического анализа.
При проектировании водоснабжения за счет подземных вод необходимо оценить их запасы. Запасы делятся на статические и динамические,
Статические запасы равны полному запасу гравитационной воды в водоносном пласте:
Q =kV,
где К - объем обводненной породы; кв - коэффициент водоотдачи.
Динамические запасы (м3/год) определяются количеством воды, ежегодно поступающей в водоносный слой:
Q = ЮООаЛИ,
где а - коэффициент инфильтрации осадков; N - количество осадков, мм/год; А - площадь водосбора, км2.
По точности подсчета разведанных запасов подземных вод их делят на четыре категории: А, В, С, и С2. Запасы категории А разведаны с детальностью, обеспечивающей полное выяснение геологического строения толщи, режима вод и условий восполнения запасов. Запасы категории В рассчитаны по выявленным основным особенностям строения толщи, режима и питания подземных вод. Запасы С, соответствуют изученности толщи и подземных вод в общих чертах, а запасы С2 устанавливаются на основании общих гидрогеологических данных, подтвержденных опробованием в отдельных точках, либо по аналогии с разведанными участками.
13PAGE147415
Раздел III. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ
10. Состав и физические свойства грунтов
Грунт - это горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.
Грунты могут служить:
1) материалом оснований зданий и сооружений;
2) средой для размещения в них сооружений;
3) материалом самого сооружения.
Таким образом, в понятие «грунты» входят все рассмотренные типы горных пород, а также искусственные слои.
Наибольшие сложности для наземного строительства возникают в дисперсных грунтах, поэтому им уделяется наибольшее внимание. При проходке тоннелей проблемы устойчивости возникают как в дисперсных, так и в трещиноватых скальных грунтах.
10.1. Фазовый состав грунтов
Песчано-глинистые грунты осадочного происхождения, с которыми чаще всего приходится иметь дело при строительстве, представляют собой дисперсную многофазовую систему. Комплекс твердых минеральных частиц грунта составляет твердую фазу грунта и называется скелетом грунта. Пустоты между частицами минерального скелета - поры - могут быть заполнены полностью или частично водой и льдом.
Грунт, поры которого заполнены только воздухом, называется однофазным, так как воздух в силу своей низкой вязкости при сжатии грунта легко выходит из пор и не оказывает на работу скелета сколько-нибудь существенного влияния. Грунт с полностью заполненными водой порами называется двухфазным, а если в порах присутствуют вода и газ (воздух) - трехфазным. В последнем случае вода будет запирать в порах грунта мелкие пузырьки воздуха и он будет принимать полноценное участие в работе грунта под нагрузкой. Грунты ниже уровня подземных вод находятся в двухфазном состоянии, а
13PAGE147515
в зоне аэрации могут быть в однофазном (аридные климатические зоны), но, чаще - в трехфазном состоянии.
В поровом пространстве мерзлого грунта, кроме перечисленных фаз может присутствовать твердое вещество со специфическими свойствами - лед. Такой грунт называют четырехфазным.
10.2. Вещественный состав грунтов
Твердая фаза дисперсных грунтов состоит из минеральной и органической частей. Минеральная часть представлена первичными минералами, которые перешли в состав грунта из первичной материнской породы, и вторичными, образовавшимися в ходе последующих физико-химических процессов. В числе первичных минералов в наибольшей степени представлен кварц, наиболее устойчивый против разрушения агентами выветривания. Присутствуют обломки полевых шпатов, слюды. Вторичные минералы представлены глинистыми минералами, гидроокислами железа, алюминия, кремния; могут присутствовать гипс, хлориды, кальцит и другие минералы. На строительные свойства грунтов наибольшее влияние оказывает присутствие глинистых и растворимых (гипс, галит) минералов.
Органические минералы - торф и гумус - могут присутствовать в виде примесей в минеральных грунтах или слагать самостоятельные слои. Присутствие органических веществ придает грунтам повышенную влагоемкость и пластичность, набухаемость и низкую водопроницаемость.
10.3. Гранулометрический состав грунтов
Дисперсный грунт состоит из обломков различного размера. Масса обломков различной крупности обладает существенно различными свойствами и в составе грунта передает в той или иной степени эти свойства. Сведения о гранулометрическом составе грунта позволяют в значительной степени прогнозировать его поведение под различными нагрузками.
Частицы, близкие по размеру и свойствам, объединяют в группы, называемые фракциями. Количественное содержание фракций и характеризует гранулометрический состав грунта. Выделяются следующие фракции (таблица):
13PAGE147615
Фракция
Диаметр частиц, мм

Валунно-глыбовая
Более 200

Галечниково-щебенистая
200-40

1 равийно-дресвяная:


крупная
40-20

средняя
КМ

мелкая
4-2

Песчаная:


крупная
2-0,5

средняя
0,5-0,2

мелкая
0,2 -0,05

Пылеватая
0,05-0,005

Глинистая:


крупная
0,005-0,001

тонкая
Менее 0,001

При лабораторном исследовании грунтов песчаные и более крупные фракции разделяют ситовым методом. Для определения содержания пылеватых и глинистых фракций существует несколько методов, основанных на различной скорости оседания частиц различной крупности в воде.
Как уже отмечалось при рассмотрении обломочных осадочных пород, содержание глинистых частиц в песчано-глинистом грунте определяет его название: глина, суглинок, супесь. Если количество пылеватых частиц в грунте превышает содержание глинистых, то грунт называют пылеватым (например, «пылеватый суглинок»). Присутствие в составе грунта крупных фракций добавляет к его названию соответствующий эпитет (например, «валунная глина»).
Гранулометрический состав может быть изображен графически в виде кумулятивной кривой (рис. 45). Ордината каждой точки этой кривой определяет суммарное содержание частиц в грунте, размер которых меньше величины, соответствующей абсциссе точки (абсцисса пропорциональна десятичному логарифму размера частиц, выраженному в микрометрах). Верхняя граница (диаметр) частиц, содержание которых в грунте составляет 10 %, называется действующим диаметром d]0 (на рис. 45 d]Q - 0,02 мм). Аналогичный показатель для частиц, доля которых в грунте составляет 60 %, называется контролирующим диаметром d (на рис. 45 d60 = 0,17 мм). Соотношение d /d]0 - коэффициент неоднородности грунта.
13PAGE147715

Наименьшей пористостью будут обладать грунты, состоящие из различных фракций, в которых пустоты между более крупными частицами заполняют более мелкие частицы. Максимальная плотность укладки твердых частиц скелета возможна в смесях, состоящих из частиц с соотношением диаметров 7:1. Более плотному сложению скелета соответствует меньшая сжимаемость грунта.
10.4. Вода в грунтах
Характер взаимодействия твердой и жидкой фаз грунта определяющим образом влияет на его механические свойства. Взаимодействие фаз происходит по границам их раздела, то есть по поверхности частиц скелета. Суммарная площадь поверхности глинистых частиц общим объемом 1 см3 составляет около 10 м2, а у песка аналогичный показатель составит величину порядка 0,01 м2. Это большое различие определяет и различную роль воды в грубозернистых и глинистых грунтах.
Вода в грунтах может присутствовать в химически связанном, парообразном, жидком и твердом состояниях.
Химически связанная вода в составе, например, кристаллов гипса, каолинита, удаляется только при обжиге, а при обычных условиях никакого участия в работе грунта не принимает.
Парообразная вода в зоне аэрации образуется как за счет испаре
13PAGE147815
ния жидкой воды грунта, так и за счет всасывания атмосферного воздуха при перепадах температур. Она также существенного влияния на механические свойства грунта не оказывает.
Лед в грунте прочно цементирует зерна скелета, однако при оттаивании льда эти цементирующие связи полностью исчезают, а свойства грунта определяются уже взаимодействием скелета с жидкой водой.
Жидкая вода в грунтах присутствует в грунте в связанном и свободном виде. Свойства свободной воды в виде капиллярной и гравитационной воды рассматривались ранее.
Связанная вода в грунтах присутствует в двух видах: прочно- и рыхлосвязанная.
Валентные связи ионов на поверхности твердой частицы являются свободными, неуравновешенными, вследствие чего поверхность минеральных частиц в грунте имеет отрицательный электрический заряд. Молекулы воды, обладающие свойством электрического диполя, под воздействием электрического поля поверхностного слоя твердой частицы ориентируются определенным образом и притягиваются к ее поверхности. 15-20 слоев молекул воды оказываются этими электрическими силами очень прочно привязаны к поверхности, и эту часть связанной воды называют прочносвязанной или гигроскопической. Силы притяжения здесь настолько велики, что при нормальной температуре гигроскопическая влага не испаряется, а напротив, пополняется за счет конденсации молекул воды из воздуха. Температура замерзания гигроскопической влаги существенно ниже нуля градусов, в ней не растворяются соли. Гигроскопическая влага удаляется из фунта только ггугем просушивания при температуре не менее 105°. Предельное содержание гигроскопической влаги называется гигроскопической влажностью; оно изменяется от 0,002-0,003 в песке до 0,15 и более в глине. Гигроскопическая влага обладает определенной механической прочностью и при строительных нагрузках из грунтов не отжимается.
Поверх слоя гигроскопической влаги еще до ста слоев молекул воды могут удержаться электрическими силами поверхности твердой частицы. Этот слой называют рыхлосвязанной или пленочной водой. Замерзает пленочная вода при температуре -3...4Р, не вытекает из грунта под собственным весом, но способна перемещаться в
13PAGE147915
грунте (мигрировать) от более толстых пленок к более тонким, перемещаться под действием электрических полей.
Толщина пленок рыхлосвязанной воды зависит от механического давления на грунт: при увеличении внешнего давления часть по-ровой влаги отжимается, а при разгрузке грунта от внешнего механического давления (или при замачивании недоувлажненной глины) электрические силы подсасывают дополнительную воду и грунт набухает. Максимальная пленочная (молекулярная) влажность изменяется от (0,7-0,8)-10"2 в песках до 1,3 и более в глинах монтморилло-нитового состава.
Тонкая пленка связанной воды вокруг песчаной или более крупной частицы не может изменить свойств массы, состоящей из таких частиц. В то же время у частиц размером менее 0,5 мкм вес будет соизмерим с силами их взаимодействия с окружающей средой, и обволакивающие их пленки воды будут придавать частицам новые коллоидные свойства. Такие частицы в воде обладают броуновским движением.
Слой связанной воды, окружающей твердую частицу, который имеет на внутренней поверхности положительный электрический заряд, а на внешней - отрицательный заряд, называют двойным электрическим слоем. Коллоидную частицу со связанной водой называют мицеллой.
Силы поверхностного натяжения свободной воды обеспечивают капиллярные явления в грунтах: капиллярный подъем воды в зоне аэрации над уровнем подземных вод, капиллярную связность в дисперсных грунтах. Хорошо известен факт, что бессвязный сухой песок при увлажнении приобретает определенную связность и способен стоять в вертикальном откосе высотой до 0,3-0,4 м. Объясняется это тем, что в трехфазном грунте силы поверхностного натяжения межзеренной воды стягивают между собой частицы, производят так называемое капиллярное обжатие, благодаря которому между частицами возникают силы трения, препятствующие их взаимному сдвигу. Дальнейшее увлажнение приводит к уменьшению площади свободной поверхности внутригрунтовой воды, на которой развиваются силы поверхностного натяжения, и снижению сил капиллярного обжатия.
13PAGE148015
Влажность грунта, при которой развивается наибольшее капиллярное обжатие и может быть достигнута (путем дополнительного механического уплотнения) максимальная плотность, называется оптимальной влажностью.
Подъем капиллярной воды и ее испарение на поверхности в аридных районах с минерализованными грунтовыми водами приводят к засолению верхних слоев грунта. Капиллярные воды зоны аэрации обеспечивают гниение заглубленных деревянных частей зданий, отсыревание негидроизолированных кирпичных и бетонных стен. Капиллярными явлениями обусловлено морозное пучение грунтов.
10.5. Показатели физических свойств грунтов
Удельным весом грунта у называется вес единицы объема грунта. Удельный вес определяется взвешиванием и измерением объема образца грунта. Частное от деления этих величин дает искомый показатель.
Удельный вес дисперсных грунтов обычно находится в пределах 16-19 кН/м3, увеличиваясь у грунтов плотного сложения до 21 кН/м3.
Удельный вес сухого грунта yd - это вес единицы объема высушенного грунта с естественной пористостью.
Удельный вес твердых частиц грунта у - это вес единицы объема вещества скелета. У минеральных грунтов ys= 26-27 кН/м3.
Пористостью грунта п называется суммарный объем пор в единице объема фунта; в соответствии с международным стандартом пористость выражается в долях единицы и составляет у песков 0,25-0,30, у глин - 0,6-0,7.
11. Инженерно-геологическая классификация грунтов
Классификация грунтов используется: а) для предварительной оценки строительных свойств грунтов; б) составления инженерно-геологических карт; в) выбора методов улучшения свойств грунтов; г) выбора методов детального изучения свойств грунтов.
Действующая инженерно-геологическая классификация ГОСТ 25100-95 разделяет грунты по общему характеру структурных связей на четыре класса, в том числе три класса природных грунтов:
13PAGE148115
скальные, дисперсные, мерзлые; 4-й класс - техногенные грунты. Классы грунтов подразделяются на группы (по прочности структурных связей), подгруппы (по происхождению), типы (по вещественному составу) и конкретные виды (по наименованию грунтов). В сокращенном виде классификация ГОСТ 25100-95 приведена в таблице.
Классы
Группы
Подгруппы
Типы и виды

1
2
3
4

Скальные грунты (с жесткими структурными связями)
Скальные грунты
Магматические породы
Граниты, базальты и др.





Метаморфические породы
Силикатные (гнейсы, сланцы, кварциты); карбонатные (мраморы и др.)





Осадочные породы
Силикатные (песчаники, конгломераты и др.); карбонатные (известняки и др.)



Полускальные грунты
Магматические эффузивные породы
Вулканические туфы





Осадочные породы
Силикатные (аргиллиты, алевролиты и др.); карбонатные (мел, мергели); сульфатные (гипсы и др.)

Дисперсные грунты (с механическими и водно-коллоидными связями)
Связные грунты
Осадочные породы
Минеральные (глинистые);
органоминеральные (илы, заторфованные земли и др.); органические (торф)



Несвязные грунты
Осадочные породы
Силикатные, карбонатные полиминералы ibie (пески, круинообломочные грунты)

Мерзлые грунты (с криогенными структурными связями)
Скальные и полускальные фунты
Промерзшие магматические, метаморфические и осадочные породы
Те же, что и для скальпы? грунтов



Связные грунты
Промерзшие осадочные породы
Те же, что и для дисперсных фунтов

13PAGE148215
Окончание таблицы
1
2
3
4

1 схногснныс грунты (с различными структурными связями)
Скальные и полускальные грунты
Природные
породы, измененные физическим или
химическим воздействием
Граниты, известняки и др.



Дисперсные связные
То же
Раздробленные скальные и дисперсные породы



Дисперсные несвязные
Перемешенные грунты
Насыпные, намывные грунты





Антропогенные образования
Шлаки, золы, городские свалки

11.1. Скальные грунты
Группа скальных грунтов охватывает магматические, метаморфические, и осадочные породы в кристаллически-связном состоянии. Характерные скальные грунты: граниты, известняки, песчаники. Высокие прочностные свойства этих грунтов обусловлены существованием кристстлических связей (уютш^^жшЛёЩЩ'Х^ внутри и по границам зерен. Скальные грунты при строительных нагрузках практически несжимаемы, водоустойчивы, водопроницаемы только по трещинам, прочность образтдевЯабораторного размеражожет-доети-гать_250-300 Ml la.
Кристаллические связи при разрушении не восстанавливаются, поэтому скальные грунты после нагружения до предела прочности разрушаются и превращаются в трещиноватую или раздробленную массу с резко пониженными прочностными свойствами.
Все скальные массивы в ходе геологической истории подвергались воздействию тектонических или температурных напряжений и вследствие этого пронизаны трещинами. Выделяют два вида трещин: трещины отдельности и тектонические трещины.
Трещины отдельности формируются одновременно с образованием породы. Так, при остывании крупного магматического тела вследствие охлаждения его поверхности и продолжающегося подпора магмы снизу образуется сеть трещин, как перпендикулярных, так
13PAGE148315
и параллельных поверхности тела, разбивающих его на блоки размером до нескольких метров. В центральных частях магматических тел возможны большие нетрещиноватые блоки, из которых, например, вырублены колонны Исаакиевского собора в Петербурге. В осадочных породах трещины отдельности параллельны и перпендикулярны наслоению.
Тектоническая трещиноватость образуется уже после формирования породы под действием тектонических сил. При одноосном сжатии поверхностных частей скальных массивов образуются разрывные трещины, параллельные направлению сжатия, с шероховатыми неровными стенками (рис. 46, а). При неравномерном всестороннем сжатии образуются трещины сдвига, имеющие явные признаки проскальзывания, местами притертые до глянца (зеркала скольжения - рис. 46, б). При смятии в складки толщи осадочных пород (рис. 46, в) образуются поверхности межслоевых и внутрислоевых проскальзываний и кососекущие трещины (кливаж). Зона интенсив ной трещиноватости, где порода может быть измельчена до щебня даже перетерта в процессе тектонического сдвига до глины, называется зоной дробления.

a I jr б f T

Рис. 46. Тектонические трещины: a - разрывные; 6 - сдвиговые; в - кливаж
Трещины отдельности снижают прочность скального массива 3-5 раз по сравнению с прочностью малого образца. В плоскост. зеркал скольжения сцепление может снижаться до нуля. Трещины массиве группируются вокруг нескольких преимущественных иапра лений. Такие ipyniibi трещин называют системами трещин, обычно массиве имеется 3-5 систем трещин,.Наличие определенной систематичности в расположении трещин обусловливает неоднородность прочностных свойств-с'кальных массивов по различным направлениям - анизотропию.
Интенсивность трещиноватости характеризуется средним расстоянием между трсщгптми] при расстоянии более 1 м порода малотрещиновата, 0,2-1 м - среднетрещиновата, менее 0,1 м - сильнотрещиновата.
При разведочном бурении выявление истинной густоты трещин по керновому материалу затруднительно вследствие дополнительных изломов керна. В этом случае характерным показателем оказывается выход керна, то есть отношение суммарной длины кусков кернового материала к длине пробуренного участка скважины. Поскольку часть кернового материала на контактах отдельных KycjjOB истирается, а мелкодробленый материал вообще выносится^до этот показатель всегда меньше единицы. Если выход керназ5блее 0,9, то проходка тоннеля на этом участке скорее всего не пеггребует никакого крепления или потребует крепления легких тагюв; если выход керна 0,6-0,7, то применение тяжелых видов крепи будет, по-видимому, необходимым. При выходе керна менее/}р проходка тоннеля обычными методами может оказаться невозможной.
В зарубежной практике получил распространение показатель качества керна RQD, представляющий собой долю кернового материала, представленную кусками длиннее 15 см. Устойчивость массива с показателем RQD более 75 % ечнтеиггел-чшеокой, при RQD - 50-75 % -средней, 25-50 % - ниже-средней, а при RQD < 25 % массив считается неустойчивым.
Зонам повышенной трещиноватости обычно сопутствует и повышенная степень выветрелости, в еще большей степени снижающая прочность пород.
11.2. Полускальные грунты
К этой группе относятся сильнотрещиноватые и выветрелые скальные породы, вулканические туфы, гипс, ангидрит, алевролиты, мел, песчаники с глинистым цементом. К полускальным Грунтам относят породы с прочностью менее 5 МПа. Это довольно большая величина, но прочность - не главная характеристикаполуокальныхтрун-
13PAGE148515
сновное их свойство - пониженная устойчивость против воды и агентов выветривания. Соотношение прочности врдонасыщенного и сухого образца полускальцо'й породы называется коэффициентом размягчаемое™ К. Грунты р К> 0,9 считаются неразмягчающимися, а с К <уЛЪ- сильноразмягчающимися.
Связность полускальных грунтов обусловлена преимущественно цементационными связями. Повышенная пористость и влагоем-кость ведут к размораживаемости, то есть к снижению прочностных свойств после одного или нескольких циклов замерзания и оттаивания водонасыщенного образца. Многиепороды из группы полускальных грунтов (алевролиты, аргиллиты) реагируют на высыхание. Ангидрит при замачивании сильно увеличивается в объеме, гипс растворяется проточными водами.
Модули деформаций полускальных фунтов на 1-2 порядка ниже, чем у скальных, но превышают 100 МПа, что позволяет их рассматривать для поверхностного строительства как несжимаемое основание. При проходке тоннелей в полускальных породах применение креплений становитея необходимым во всех случаях: либо для поддержания свода, лжю для предохранения от выветривания.
При быстром приложении нагрузки многие полускальные породы могут вести себя как упругие, хрупкие, тела, а при длительном приложении нагрузки накапливать большие вязкопластические деформации (каменная соль, аргиллит и др.).
По пределу прочности на одноосное сжатие Rc в водонасыщен-ном состоянии скальные и полускальные грунты подразделяют согласно таблице.
Разновидность фунтов
Предел прочности на одноосное сжатие МПа

Очень прочный
>120

Прочный
120-50

Средней прочности
50-15

Малопрочный /
15-5

Пониженной прочности
5-3

Низкой проч.^юти
3-1

Очень низкой прочности
<1

13PAGE148615
В горном деле и тоннелестроении для характеристики прочности грунтов используется коэффициент крепости/, численно равный прочности-На сжатие (в МПа), деленной на.10. Коэффициент крепости носит имя своего~автора - проф. М. М. Протодьяконова.
11.3. Крупнообломочные грунты
К этой группе относятся несцементированные залежи обломков (щебень, галечник, дресва, гравий), содержащие более 50 % по весу обломков размером более 2 мм.. Наибольшую прочность имеют обломки магматических пород, меньшую - обломки осадочных пород. Укладка обломков может быть рыхлая и плотная. Наибольшую плотность имеют крупнообломочные грунты, неоднородные по гранулометрическому составу.
Строительные свойства крупнообломочных грунтов благоприятные: они малосжимаемы, хорошо фильтруют воду.
11.4. Песчаные грунты
Это сыпучие в сухом состоянии грунты, не обладающие свойствам пластичности и содержащие более 50 % обломков по весу размером менее 2 мм. К ним относятся различные по крупности пески различного происхождения: эоловые, аллювиальные, водно-ледниковые. При увлажнении песчаные грунты за счет капиллярных сил приобретают некоторую связность и способны держать вертикальный откос высотой 30-40 см, однако при полном водонасыщении вновь превращаются в бессвязную массу.
Песчаный грунт может иметь различную плотность в диапазоне от некоторой митгнмальной величины, соответствующей самой рыхлой ук-ладке^ерен, до максимальной величины, соответствующей самой плотной возможной'упаковке. Степень уплотненности характеризуется пористостью п: песок с п > 0,41 считается рыхлым, с п < 0,36 - плотным.
Плотный песок является хорошим основанием для поверхностных сооружений. Частицы песка, так же как и более крупные обломки, непосредственно контактируют друг с другом; под нагрузкой отжим воды из песчаного грунта невелик и вследствие большого коэффициента фильтрации происходит быстро, уплотнение грунта малое (1-2 %) и происходит практически мгновенно.
13PAGE148715
Зерна водонасыщенного рыхлого песка под кратковременными динамическим илии^ибрационным воздействием мо^ут в укладке слегка развернутьс>Ки утратить контакт друг с другом. Грунт превращается на какое-то время во взяёсь песчаных частиц в воде и способен растекаться. Мелкозернистые пески с повышенным содержанием пылеватых частиц и коллоидного материала плохо отдают воду и обладают текучестью даже в отсутствие динамических воздействий. Такие грунты называют плывунами.
11.5. Глинистые грунты 11.5.1. Природа связности глинистых грунтов
Свойства глинистых грунтов определяются свойствами глинистой фракции, которая в силу своей тонкодисперсной структуры активно взаимодействует с водой. Особенно важным показателем глинистого грунта является содержание в нем монтмориллонита - самого активного глинистою минерала.
Микроскопические чешуйчатые кристаллы глинистых минералов обладают своеобразной особенностью: 0азальные плоскости чешуек несут на своей поверхности отрицательный электрический заряд, а ско-ловые поверхности -положительный заряд (рис. 47). Поверхно/т и с противоположными электрическими зарядами притягиваются друг к другу, иг наличие в глинистой массе контактов типа «базис - скол» обеспечивает ей определенную связность. Как уже отмечалось ранее, электрический заряд глинистых частиц удерживает на их поверхности довольно толстые пленки воды. Чем больше пленочной воды в грунте, тем меньше в нем контактов «базис - скол», тем меньше связность глинистого грунта.
Существенную роль в механизме связности глинистых грунтов играют ионы щелочных металлов, присутствующие в поровой воде. Эти ионы благодаря своему электрическому заряду также притягивают к себе молекулы воды и связывают определенную часть поровой влаги. Такой переход свободной воды в связанное состояние способ

Рис. 47. Связь «базис - скол»
13PAGE148815
ствует упрочнению грунта. Большей способностью связывать воду обладают двухвалентные ионы кальция и магния, меньшей - одновалентные ионы натрия и калия. В силу этого при одинаковой влажности глины содержащие в поровой воде ионы кальция или магния будут обладать наибольшей связностью, меньшей - глины с ионами натрия или калия и наименьшей глины, не содержащие ионов
Ионы в прровой воде довольно активно мигрируют от зон большей концентрации к зонам меньшей концентрации, поэтому при помещении образца глины, содержащего ионы, в чистую воду концентрация ионов в поровой воде образца будет постепенно снижаться, сопровождаясь снижением связности глины. Явление миграции ионов называется осмос. Во многих районах Норвегии и Швеции, поднявшихся из-под поверхности миря в послеледниковое время, на поверхности залегают слои молодых морских глин, содержащих в поровой воде со времени своего образования ионы натрия и в меньшем количестве-других щелочных металлов. Атмосферные воды вымывают эти ионы, глины постепенно теряют прочность, и нередко на пологих склонах, сложенных такими глинами («быстрыми глинами», как их называют в литературе), происходят внезапные большие по площади оползни без каких-либо внешне видимых побудительных причин.
Если образец глины, содержащей ионы какого-либо металла, будет помещен в раствор, содержащий ионы другого металла, то концентрация ионов как первого, так и второго металла в поровой воде и окружающем растворе будет постепенно уравниваться. Это в конце концов приведет к замене ионов первого металла в образце на ионы второго металла, поэтому ионы щелочных металлов в поровой воде глин называют обменными ионами.
Если в жидкотекучую взвесь глинистых частиц в воде (золь) добавить раствор, содержащий ионы двухвалентного металла, например хлористого кальция, то связующее действие этих ионов приведет к за-густеванию золя, его коагуляции и превращению в гель. Хлористый кальций в данном случае играет роль коагулянта. Напротив, добавка в такой гель ионов натрия (например, раствора хлористого натрия) приведет к вытеснению в той или иной степени ионов кальция, ослаблению связующего действия обменных ионов и разжижению геля. В данном случае хлористый натрий играет роль пептизатора.
13PAGE148915
По такому механизму происходит коагуляция и выпадение глинистых частиц, взвешенных в пресных водах рек, при впадении их в соленые моря. Благодаря коагулирующему действию растворенных солей морские воды всегда меньше замутнены, чем пресные воды континентальных водоемов.
Эффекты коагуляции используются при искусственном укреплении грунтов, а пептизации - при необходимости создания устойчивых золей (промывочных глинистых растворов для бурения и т. п.).
Подобные сложные связи в глинистых грунтах называют водно-коллоидными связями. Пространственная решетка водно-коллоидных связей в достаточно насыщенной глине может быть нарушена при вибрации или ином динамическом воздействии, что будет сопровождаться разжижением. Однако с течением времени водно-коллоидные связи самопроизвольно восстановятся, грунт снова обретет связность. Подобные переходы называются тиксотропными, а само свойство грунта разжижаться и загустевать - тиксотропией. В большой степени этим свойством обладают водонасыщенные грунты Петербурга.
Тиксотропный, обратимый, характер водно-коллоидных связей обусловливает и пластичность глинистых грунтов, то есть их способность деформироваться без снижения сопротивляемости и нарушения сплошности: в процессе деформирования разрушающиеся связи заменяются другими, вновь появляющимися.
В уплотненных глинах наряду с водно-коллоидными связями может существовать и какое-то количество кристаллических связей, не восстанавливающихся при разрушении, поэтому у перемятых глин, а особенно при дополнительном увлажнении, прочность снижается.
11.5.2. Водно-физические свойства глинистых грунтов
Если глина содержит в себе только гигроскопическую прочно-ювязанную воду, то тиксотропные'свойства водно-коллоидных связей не могут проявляться. Глина в таком состоянии не пластична.
Увеличение влажности глины сверх максимальной гигроскопической приведет к появлению рыхлосвязанной пленочной влаги. Образец такого грунта может деформироваться без нарушения сплошности и сохранять полученную форму.
Увеличение влажности сверх максимальной молекулярной приведет к появлению в грунте свободной несвязанной воды. Связность
13PAGE149015
грунта резко снижается, он теряет способность сохранять форму, обретает свойство текучести.
Влажность на границах консистентных переходов глинистых грунтов оценивается по условным пробам. Минимальной влажностью пластической консистенции {влажность на границе пластичности Vf'^) считается влажность, при которой раскатанный жгут из грунта толщиной 3 мм начинает крошиться на отрезки длиной примерно 3 мм. Максимальной влажностью пластической консистенции {влажность на границе текучести wh считается влажность, при которой стандартный конус с углом при вершине 30° и массой 76 г погружается в грунт от собственного веса на глубину 10 мм.
Интервал влажности между wp и w определяется содержанием в грунте глинистых частиц и их способностью связывать воду (активностью). Эта важная характеристика грунта называется числом пластичности^.
J\ = WL'Wr
Для трех видов глинистых грунтов характерны такие значения числа пластичности:
грунт /,
супесь 0,01-0,07
суглинок 0,07-0,17
глина >0,17.
Фактическая консистенция глинистого грунта характеризуется показателем консистенции /; , который определяется по формуле
IL = {w-wp)l {wL - wp), где w - фактическая влажность 1рунта.
В зависимости от величины IL выделяют состояния грунтов по консистенции (таблица). ^
При погружении в воду глинистые грунты ведут себя по-разному: одни быстро размокают, другие - медленнее. Быстрее всего размокают супеси, обладающие большим коэффициентом фильтрации, и грунты монтмориллонитового состава. Сильно уплотненные глинистые грунты не монтмориллонитового состава благодаря возникающим в них водостойким связям кристаллизационного характера не
9!
Грунт и консистенция /


Супеси твердые
<0 /

Супеси пластичные
0-1,0

Супеси текучие
> 1,'0

Суглинки и глины твердые
УО

Суглинки и глины полутвердые
ОЧ),25

Суглинки и глины туг0пластитпые


Суглинки и глины мягкопластичные
0,50-0,75

Суглинки и глины текучепластичные
0,75-1,0

Суглинки и глины текучие
> 1,0

всегда или с большим трудом переходят в пластическое состояние. По скорости размокания глинистые грунты разделяют на неводостойкие, слабо водостойкие и относительно водостойкие.
Глинистые грунты, особенно монтмориллонитового состава, при замачивании увеличиваются в объеме, набухают, развивая на жесткие преграды давление, способное привести к их разрушению. Набухае-мость грунта характеризуется коэффициентом набухания, ояредвяяе--мым в приборе с жесткими стенками и рассчитываемымтю-фермуле
5 = (A'-A)/ А, где h, h' - высота образца до и после замачивания.
Грунт с коэффициентом набухания менее 0,04 считается ненабуха-ющим, более 0,12 - сильнонабухающим.
Если набухание образца происходит под нагрузкой, то коэффициент набухания будет тем меньше, чем больше нагрузка. При определенной величине нагрузки набухания грунта наблюдаться уже не будет. Эта нагрузка, равная давлению набухающего грунта на жесткую преграду, называется давлением набухания. Давление набухания в глинах достигает 0,3-0,5 и даже 1,0 МПа, что превышает обычные давления фундаментов на грунт.
Набухающие глины встречаются в аридных климатических зонах (нижнее Поволжье, Крым, Казахстан).
Усадка - процесс, обратный набуханию, заключающийся в уменьшении объема глинистого грунта при высыхании. Усадка характеризуется пределом усадки, численно равным
v\<-v')/y,
где v - объем грунта естественной влажности; v'- объем грунта на пределе усадки.
13PAGE149215.
Усадка сама по себе может привести к деформации опирающихся на грунт сооружений, но, кроме того, она создает предпосылки для набухания грунта в случае его увлажнения.
Липкость - отрицательное качество глинистых грунтов. Прилипание глин к рабочим органам строительных машин снижает их производительность. Липкость характеризуется силой, необходимой для отрыва от образца грунта стальной пластины. Величина этого показателя достигает 25 Tcf 1а. Липкость может быть понижена уменьшением влажности подсушиванием или введением в грунт песка.
11.6. Торфы и почвы
Торф образуется в результате отмирания и разложения болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода. Сухое вещество торфа состоит из растительных остатков, продуктов их разложения - гумуса - и минеральных включений - золы (до 40 %). Торфы обладают высокой пористостью и влажностью: содержание воды в торфе может в 5-10 раз превышать содержание сухих частиц. Следствием этого является высокая сжимаемость торфа при передаче на него нагрузок даже от самого легкого сооружения. При доступе кислорода к торфу, например при понижении уровня подземных вод, возможна активизация гниения органики с выделением взрывоопасного метана.
Минеральные грунты, содержащие примесь торфа (заторфован-ные грунты), обладают отрицательными свойствами торфа, пропорциональными его содержанию.
Почвы - это особый вид элювиальных грунтов, образованных совместным действием процессов выветривания и живых организмов. Главная особенность почв - обогащенность гумусом (2-10 %), который придает почвам темную окраску. Мощность почв обычно составляет первые десятки сантиметров, но в черноземах достигает 2 м и более. Почвы составляют самый верхний грунтовый слой; в районах действия активных аккумуляционных процессов встречаются захороненные почвы.
Почвы, обогащенные органическим материалом и продуктами глубокого выветривания, обладают свойством впитывать большое количество влаги и прочно удерживать ее, что предопределяет боль
13PAGE149315
шую сжимаемость под нагрузкой, низкие прочностные показатели, липкость. При строительстве почвы удаляются.
11.7. Техногенные грунты
Наиболее часто встречаются два типа техногенных грунтов: перемещенные природные грунты (намывные и насыпные); антропогенные образования (бытовые свалки и производственные отходы).
Намыв грунтов - широко применяемый способ выравнивания и повышения отметок территорий; большинство районов новостроек Петербурга в прибрежных районах располагается на намывных грунтах мощностью 1-Зм.
Намывной песчаный грунт имеет среднюю плотность и может служить удовлетворительным основанием. Намывные суглинки и пылеватые грунты могут обладать плохой водоотдачей и длительное время сохраняться в текучем или скрытотекучем (ешютюмпгтттк"-_схлрониому"р^ЖйЖению) состоянии.
Насыпные крупнообломочные грунты скальных пород - надежное малосжимаемое основание. Насыпные песчано-глинистые грунты требуют уплотнения.
Промышленные отходы могут быть самыми разнообразными. Отвалы металлургических шлаков, скальных пород горного производства обладают хорошими строительными свойствами. Отходы обогатительных фабрик - жидкие шламы - представляют собой взвеси в воде мелко перемолотых минеральных частиц. Благодаря большому содержанию тончайших пылеватых фракций шламы могут длительное время сохраняться в текучем состоянии, что нередко служит причиной серьезных аварий при прорыве оградительных дамб шламохра-нилищ, содержащих порой многие миллионы кубометров шламов.
Золошлаковые отходы электростанций и котельных обладают пылеватым составом, высокой сжимаемостью.
Бытовые и строительные отходы в виде так называемых культурных слоев в старых городах достигают 10 м и более. Надежность их как оснований сооружений, так же как и бытовых свалок, определяется главным образом их возрастом и пропорциональной этому степенью уплотненности. Свалки возрастом менее 20 лет имеют безусловно неудовлетворительные строительные свойства.
13PAGE149415
12. Методы технической мелиорации грунтов
Термином мелиорация (улучшение - фр.) называют различные способы улучшения тех или иных свойств грунтов. Грунты с измененными свойствами входят в класс техногенных грунтов.
В практике промышленно-гражданского и дорожного строительства мелиорация используется:
а) для снижения водопроницаемости трещиноватых скальных, грубообломочных и песчаных грунтов;
б) увеличения связности трещиноватых скальных и обломочных грунтов;
в) снижения просадочности рыхлых, лессовых и мерзлых грунтов;
г) увеличения плотности и снижения сжимаемости глинистых и заторфованных грунтов.
Применяемые методы мелиорации можно разделить на четыре группы: механические, внесение вяжущих добавок, дренажные, термические.
12.1. Механические методы
Для уплотнения насыпных песчано-глинистых и лессовых нросадочных грунтов применяется трамбование падающим грузом. В качестве груза используются железобетонные пирамиды, подвешиваемые за вершину к подъемному крану. Поднятый груз отцепляется от троса и ударом плоского основания уплотняет грунт. Обычно применяется груз массой 2-3 т. При сбрасывании с высоты 10-15 м он уплотняет грунт на глубину 2-3 м. В мировой практике строительства использовались грузы массой до 30 т и даже 200 т с высотой сбрасывания до 40 м, при этом зафиксированная глубина уплотнения грунта достигала 20 м. При использовании легких грузов и необходимости уплотнения грунта до глубин, больших глубины трамбования, откапывается котлован до нужной глубины уплотнения, протрам-бовывается его дно, а затем грунт слоями засыпается обратно в котлован и послойно протрамбовывается.
При трамбовании необходимо увлажнять или подсушивать грунт до оптимальной влажности, когда силы капиллярной связности в грунте достигают максимального значения и обеспечивают достижение
13PAGE149515
максимального уплотнения. Увлажнение лессов одновременно снижает структурную прочность.
Водонасыщенные грунты трамбовке не поддаются, так как при кратковременном ударе вода не успевает выходить из пор грунта.
Для глубинной трамбовки лессовых грунтов применяется ударно-канатный буровой станок с буровым снарядом в виде тяжелой сигаровидной металлической болванки (рис. 48). Первоначально этим снарядом пробивается скважина, затем в скважину подливается вода для увлажнения грунта вокруг скважины, подсыпается местный грунт и производится его втрамбовывание тем же самым снарядом в стенки скважины. Рис. 48. Глубинное трамбование: В радиусе 1-1,5 м от скважины / - трамбовка: 2 - втрамбованный .рунт [рунт ушютняется Подобные операции уплотнения ведутся по шахматной сетке 2x2 или 3 х 3 м.
Для получения фунтов максимальной плотности применяют оптимальные смеси грунтов различного гранулометрического состава, подбирая их из такого расчета, чтобы промежутки между контактирующими частицами каждой фракции были заполнены частицами более мелких фракций. Уплотненная смесь щебня, песка и глины может служить полотном автодороги или основой аэродромного покрытия.
Уплотнение сухих или, напротив, водонасыщенных песчаных сыпучих и крупнообломочных грунтов может быть достигнуто виброуплотнением. Вибратор, установленный на поверхности грунта, обеспечит уплотнение полусферы радиусом 1-2 м. Если вибрация передается через металлический стержень, погружаемый в грунт, то достигается глубинное виброуплотнение. Влажные грунты с действующими силами капиллярной связности виброуплотнению почти не поддаются.
Укатка песчано-глинистых грунтов при оптимальной влажности тяжелыми катками уплотняет их на глубину нескольких десятков сан

13PAGE149615
тиметров. Если каток дополнительно снабжен вибратором, то виброукатка позволяет уплотнять даже водонасыщенные малоглинистые грунты.
12.2. Укрепление грунтов вяжущими добавками
Снижение плдпплпницярмпгтн и пгмгмшримр гпа-зипгты тпгаимнп-- - _„„..г„ --------.. „„_..-----*|---.-----
ватых скальных и крупнообломочных грунтов может быть достигнуто цементацией. В пробурешгую скважину под давлением до 0,5-1,0 МПа нагнетается цементное молоко, проникающее в окружающие породы на расстояние от 1,5-2 до 5-8 м в зависимости от проницаемости пород. После твердения цемента грунт обретает требуемые свойства. Так осуществляется глубинная цементация при создании цементационных завес под плотинами, при укреплении пород по оси проходки тоннеля. Применение вместо цемента синтетических смол (эпоксидных, карбамидных) обеспечивает более высокие прочностные и противофильтрационные свойства укрепленному грунту.
При поверхностной цементации к поверхностному слою грунта добавляется 3-5 % цемента. После укатки грунта и схватывания цемента образуется довольно твердый грунтоцемент, служащий хорошей основой для дорожных и аэродромных покрытий или временным покрытием.
Силикатизация грунта основана на введении в грунт силиката натрия (жидкого стекла). Вступая в реакцию с солями грунта или со специально вводимыми растворами, силикат натрия образует сили-кагель, который при свертывании образует тонкие халцедоновые пленки и прочно связывает грунт.
Для закрепления лессовых грунтов достаточно произвести нагнетание раствора силиката натрия, вступающего в реакцию обмена с содержащимся в лессах карбонатом кальция. Образующийся нерастворимый силикат кальция обеспечивает немедленное устранение просадочных свойств грунта и дальнейшее нарастание его прочности со временем.
Закрепление крупно- и среднезернистых песков производится методом двухрастворной силикатизации. В грунт последовательно нагнетаются растворы силиката натрия и хлористого кальция, вступающие в грунте в реакцию обмена. Для укрепления мелкозернис
13PAGE149715
тых песков применяется однорастворная силикатизация: в грунт вводится раствор силиката натрия и кремний-фтористой кислоты:
Na2Si03 + H2SiF2 + HzO -» NaF+ Si02-nH,0
Медленно развивающийся процесс-свертывания силикагеля обеспечивает закрепление грунта.
В последнее время получил распространение метод газовой силикатизации: в грунт первоначально вводится раствор силиката натрия, а затем производится нагнетание углекислого газа. Реакция взаимодействия /
Na,SiO, + СО/+ НО -> Na,CiO, + SiO,nH,0
2 i В. 2 2 j 2 2
/
приводит к образованию силикагеля.
Укрепление пластичных глинистых грунтов может быть достигнуто с помощью так называемых известковых свай. Пробуренная в грунте скважина заполняется смесью того же грунта и извести Са(ОН),. Процессы ионного обмена с окружающим грунтом приводят к проникновению ионов кальция на расстояние до 1 м. Ионы Са" связывают поровую воду и упрочняют грунт в виде столба вокруг скважины.
12.3. Дренажные методы
Дренажные методы мелиорации используются для удаления воды из грунтов с плохой водоотдачей: глинистых грунтов., плывунных песков.
Уменьшение сжимаемости массива глинистых грунтов может быть достигнуто с помощью вертикальных песчаных дрен (песчаных свай) и предварительной пригрузки массива. С поверхности массива пробуриваются по сетке 2 х 2-3 х 3 м скважины и заполняются песком (рис. 49). Далее массив сверху пригружается насыпью (обычно 3-5 м высоты). Под давлением насыпи поровая вода отжимается из грунта в песчаные дрены и поднимается на поверхность.
Вместо песчаных свай в последнее время находят все большее применение так называемые бумажные дрены. Полоса толстой рыхлой синтетической бумаги, напоминающая по своим свойствам фитиль керосиновой лампы, запаивается между прочными перфориро-
13PAGE149815
Рис. 49. Уплотнение водонасыще1нного грунта: 1 - уплотняемый грунт; 2 - песчаная .дрена; 3 - насыпь
ванными синтетическими полосами. С помощью специального высокопроизводительного станка лента помещается в продавленную скважину и выполняет функции дрены.
Активным методом осушения глинистых и плывунных грунтов является электроосмос. Таким термином Называют способность обменных ионов глинистого грунта мигрирсзвать в направлении силовых линий электрического поля. В осушаемый грунт по шахматной сетке вводятся электроды, причем катоды имеют вид полых перфорированных труб, а аноды - обыкновенные стержней. К электродам подключается постоянный ток, и обменные ионы щелочных металлов, несущие положительный элекгрическшй заряд, с окружающими их гидратными оболочками мигрируют в, направлении от анодов к катодам. Осмотический напор порой бываееттак высок, что вода фонтанирует из труб-катодов. Эффективность: электроосмотического уплотнения может быть повышена, если черезз полые катоды подавать в грунт хлористый кальций; ионы Са++ будутт способствовать упрочнению грунта.
12.4. Термические меетоды
Оггаивание мерзлых грунтов для последующей разработки или уплотнения производится паро- или электропрогревом. Горячий пар подается в грунт через металлическую тррубу (паровую иглу), которая погружается в грунт по мере его отттаивания. Электропрогрев осуществляется путем пропускания через ггрунт электрического тока.
13PAGE149915
Устранение просадочных свойств лессового грунта может быть достигнуто методом обжига. Для этого в грунте пробуривается скважина, а в нее опускается горелка, к которой подводятся горючее и сжатый воздух. Раскаленные газы производят обжиг грунта и вокруг скважины в радиусе около полуметра образуется водостойкая керамическая структура.
Временным, но весьма эффективным методом укрепления водо-содержащих грунтов любого гранулометрического состава является искусственное замораживание. В пробуренные скважины вставляются коаксиальные трубы, в пространстве между которыми циркулирует хладоагент (раствор хлористого кальция, жидкий азот и др.). Промерзший грунт является совершенным водоупором и обладает высокими механическими свойствами. Метод широко применяется при проходке шахтных стволов и тоннелей, в частности при строительстве петербургского метро.
Раздел IV. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
13. Оползни и оползневые явления
представляют собой весьма распространенные явления и зачастую существенно осложняют условия строительства. Оказавшиеся на оползневом теле здание, автодорога, портал тоннеля или опора моста при накоплении деформаций определенной величины неминуемо становятся непригодными к эксплуатации. Оползни природных склонов в городах Крыма, Кавказа, Поволожь* ежегодно приносят значительный ущерб. Иногда случаются грандиозные и быстропротекаю-щие обрушения, влекущие за собой человеческие жертвы. В долине Вайонт (Италия) в 1962 г. в водохранилище электростанции рухнул склон горы объемом 300 млн м3. Переплеснувшаяся через плотину волна привела к гибели более 3000 человек. В Канаде в 1903 г. обрушившаяся гора Тертл захоронила под своими обломками городок Франк с 70 жителями. Грандиозный обвал более 2 млрд м3 породы на Памире в начале XX столетия не только засыпал кишлак, но и привел к образованию большого Сарезского озера. В 1956 г. оползень угольного террикона в Аберфане (Англия) засыпал школу и несколько домов. Погибли 144 человека, в том числе 116 детей.
13.1. Факторы, вызывающие оползневые явления
Выявление факторов, обусловливающих оползневые деформации или создающих предпосылки для таковых, является одной из важнейших задач инженерно-геологического обследования территорий. Выявленные факторы позволяют прогнозировать развитие оползня или наметить пути к его стабилизации.
Природный склон, откос котлована или насыпи устойчивы до тех пор, пока напряжения в них (сдвигающие силы) не превосходят прочности (удерживающих сил), так что в конце концов любое нарушение устойчивости есть результат либо повышения сдвигающих, либо понижения удерживающих сил.
13PAGE1410115
К числу главных факторов относятся:
а) изменение крутизны склона вследствие денудационных процессов (речная эрозия, морская абразия) или искусственной подрезки;
б) дополнительная пригрузка откоса насыпью или сооружением;
в) динамические воздействия: природные (сейсмические) и тех-
HUI \^flllDlV ^Дш JU.1V1T1 "lVViVriV 4U1 »J 1 JJUW U 1 UlVUJ,riA IVJVAUIinJlVlUD
и взрывных работ);
г) изменение влажности;
д) воздействие грунтовых вод (суффозия, взвешивание, гидродинамический напор);
е) выветривание поверхности склона. Две первые группы факторов повышают уровень сдвигающих
сил. Динамические воздействия ведут не только к кратковременному увеличению сдвигающих сил, но в обводненных откосах могут вызвать тиксотропные изменения], сопровождающиеся падением прочностных свойств грунта. Увлажнение сухих грунтов всегда сопровождается снижением их прочности; особенно это относится к глинистым грунтам. Воздействие грунтовых вод может вызвать как неблагоприятные для устойчивости изменения напряженного состояния (разгрузка скелета грунта от нормальных напряжений при неизменных касательных), так jti снижение прочности вследствие механической и химической суффозии. Выветривание снижает связность поверхностных слоев грунта откоса, приводит к их осыпанию.
Классификация оползневых деформаций:
движение поверхностных образований на склонах: осыпи, курумы; контактные оползни;
оползни в глинистых породах: с цилиндрической поверхностью скольжения, с выдавливанием мягких подстилающих пород (блоковые).
деформации скальных склонов: осыпание, обрушения по поверхности ослабления, обвалы.
13.2. Движение поверхностных образований на склонах
Осыпи
У подножья крутых склонов накапливаются конусы или прерывистые валы глыб, камней, щебня и более мелких частиц. Мощность этих накоплений может достигать нескольких десятков метров. Мас
13PAGE140215
сивные кристаллические породы образуют крупнообломочные осыпи, менее прочные разности пород - среднеобломочные. Из осадочных пород и сланцев образуются мелкообломочные осыпи.
Поверхностные слои осыпи, на которую активно поступает свежий обломочный материал, находятся в непрерывном движении, ускоряющемся в период снеготаяния, дождливые сезоны. Если поступление свежего материала или замедлилось, или прекратилось, осыпь постепенно стабилизируется.
Угол естественного откоса материала осыпей <р колеблется от 30-32° до 35-37° в зависимости от состава пород и крупности обломков. Фактический угол откоса осыпи а в зависимости от интенсивности поступления свежего материала может быть существенно ниже угла естественного откоса. Отношение а/ф называется коэффициентом подвижности осыпи К. Сте/гень подвижности осыпей приведена в таблице. / /
Коэффициент подвижности
/ Характеристика состояния осыпи
/

1
Подвийсная. Активное поступление свежего материала. Скорость движения осыпи составляет метры в год

0,7-1
Достаточно подвижная

0,5- 0,7
Сл&бо подвижная

<0,5
Неподвижная. Поступление свежего материала отсутствует

На подвижных осыпях растительность отсутствует, неподвижные осыпи постепенно зарастают. Строительство на подвижных осыпях недопустимо. В то же время крупнообломочные грунты неподвижных осыпей могут служить хорошим основанием для различных сооружений.
Для защиты автомобильных и железных дорог, порталов тоннелей и других сооружений от поступления осыпающегося сверху по склону обломочного материала применяют подпорные стены, галереи.
Материал осыпей может представлять собой сырье для приготовления строительного щебня.
Курумы
На относительно пологих участках у подножья крутых склонов, в ложбинах и днищах долин часто скапливаются россыпи глыб и крупных обломков, называемые курумами. Особенно грандиозных разме
13PAGE1410315
ров курумы достигают в Сибири, где морозное выветривание способствует отделению крупных глыб. Курумы насыщены глинистым материалом, имеют, как правило, и глинистое ложе. Благодаря этому курумы подвижны даже на очень пологих склонах. Мощность куру-мов достигает 15 м, а скорость движения - 1 м в год. Источником подвижности курумов является вода, увлажняющая глинистый материал. Борьба с подвижностью курумов сводится к перехвату поверхностных вод, но ввиду плохой водоотдачи глинистого заполнителя курумы поддаются стабилизации с большим трудом.
Контактные оползни Склоны долин в горных районах покрыты слоем элювиально-делювиальных грунтов мощностью до нескольких десятков метров. Контакт между рыхлыми и коренными породами связан обычно с резким изменением коэффициента фильтрации и вследствие этого, как правило, обводнен. Вся толща склоновых отложений вследствие общего закона денудации постепенно перемещается вниз. Этот процесс может ускоряться в дождливые годы при подъемах уровня грунтовых вод, может и на длительное время приостанавливаться после крупной подвижки. При относительно небольшой глубине поверхностные оползни могут иметь большую длину вверх по склону, приобретая форму потоков. Наличие в основании поверхностного оползня давно сформировавшейся поверхности скольжения делает их равновесие даже в периоды стабилизации весьма хрупким. Это равновесие легко нарушается при сейсмических воздействиях, при таких техногенных воздействиях, как, например, прокладка автодороги, неумеренный полив огородов. Признаками регулярно протекающих подвижек на склоне может служить так называемый «пьяный лес», когда деревья в лесу хаотически наклонены в разные стороны, или «саблевидный лес», когда деревья вследствие постоянного и медленно протекающего движения грунта получают искривленную саблевидную форму.
Комплекс мер по стабилизации поверхностного оползня может включать дренаж, укрепление сваями, подпорными стенами. Во избежание подрезки или дополнительной пригрузки оползневых склонов автодороги по ним нередко прокладывают на виадуках, опоры которых имеют основанием коренное ложе склона.
13PAGE1410415
13.3. Оползни в глинистых породах
Оползни с цилиндрической поверхностью скольжения (рис. 50) возникают обычно при искусственной или быстрой эрозионной подрезке склона. Они характерны для берегов рек, морей, котлованов в сравнительно однородных грунтах. Часто подобные деформации cjry-чаются в берегах водоемов с переменным уровнем воды. Размеры таких оползней обычно ограниченны, и-с-ними возможно бороться выполаживанием откоса, подвалкой его нижней части.
з

Рис. 50. Морфология оползневого склона: I - тело оползня; 2- поверхность скольжения; 3 - бровка срыва; 4 - оползневые террасы; 5 - вал выпирания; 6 нижний край оползня; 7 первоначальная форма склона; 8 - устойчивый массив
Если слой глинистой породы перекрывается более прочными породами, то при наличии даже малого уклона могут развиваться блоковые оползни. Слой покрывающих прочных пород разрывается на крупные глыбы, очень медленно скользящие по вязкопластичному глинистому ложу. Обычно эти движения столь медленны, что часто даже не замечаются жителями деревень, расположенных на отдельных блоках. Но эти движения необходимо учитывать при возведении капитальных сооружений.
Поверхность оползневых склонов, как правило, обладает характерными морфологическими признаками, которые позволяют распознавать их неустойчивое состояние при визуальном осмотре или при анализе аэрофотоснимков. Типичными признаками оползневого
13PAGE1410515
склона является бугристая поверхность, наличие бровок срыва (см. рис. 50) в верхних частях отдельных оползневых тел. В районе бровок срыва нередки суффозионные воронки, а на оползневых террасах - заболоченность. В нижней части оползневого склона наблюдаются валы выпирания, имеющие рыхлую вспученную поверхность.
13.4. Деформации скальных откосов
Вследствие физического выветривания с поверхности сильных склонов и откосов происходит осыпание, питающее обломочным материалом распололсенные ниже осыпи. Интенсивность осыпаний определяется составом пород и интенсивностью трещиноватости. У массивных нетрещи-новагых гранитов скорость осыпания (выветривания) составляет доли миллиметров в год, а у мергелей, сланцев-до 200 мм в год. Быстро выветриваются и осыпаются кислые излившиеся магматические породы: липариты, трахиты. При наличии густой трещиноватости естественного или техногенного происхождения процесс осыпания активизируется, поэтому важнейшей мерой обеспечения устойчивости скального откоса^при взрывной разработке котлована являегся применение специальщ>тх методов взрывания, сохраняющих естественную структуру массива.
Обрушения скальных склоноа.и откосов происходят при наличии в массиве поверхности ослабления, подрезанной наклонной поверхностью склона (рис. 51). Устойчивость небольших откосов против обрушения может быть повышена применением свайного или анкерного укрепления.
В крутых скальных склонах, сложенных трещиноватыми породами, могут иметь место обвалы и-б^-задаиных поверхностей ос

Рис. 51. Обрушение скального откоса по трещине 106
лабленияЛолчком к обвалу может служить землетрясение, Так образовались подпруженные огромными обвалами озера Рица на Кавказе и уже упоминавшееся Сарезское на Памире.
13.5. Изучение оползневых деформаций
Анализ стереоаэрофотоснимков позволяет довольно четко выявлять по характерным морфологическим признакам оползневые участки склонов. За установленными или предполагаемыми оползневыми участками устанавливаются регулярные инструментальные геодезические наблюдения по заложенным на поверхности оползневого тела геодезическим маркам. Анализ векторов подвижек марок за определенный интервал времени позволяет судить о скорости, направлении движения оползня, а при благоприятных определенных условиях -и о положении поверхности скольжения.
Более точные сведения о положении поверхности скольжения могут дать инклинометрические наблюдения в скважинах, пробуренных сквозь оползневое тело до неподвижного массива (инклинометр -прибор для измерения угла наклона скважин). Скважины для инкли-нометрических наблюдений обсаживаются гибкими полимерными трубами. Место резкого перегиба скважины в ходе оползневого движения склона служит признаком поверхности скольжения.
Важным элементом изучения оползней являегся установление путей питания подземных вод, поскольку обводненность - это непременный и важнейший фактор движений грунтов со склонов различного рода.
14. Инженерно-геологические явления, связанные с действием подземных вод
Подземные воды вызывают ряд процессов и явлений в грунтовой толще, которые могут серьезно осложнить строительство и эксплуатацию сооружений.
14.1. Просадочные явления
Распространение лессов Просадочные явления возникают в лессовых грунтах при увлажнении.
13PAGE1410715
Лессовые грунты покрывают около 9 % территории суши, в том числе ~15 % территории СНГ. Условной северной границей лессов можно считать линию Воронеж - Омск, хотя отдельные пятна лессовых грунтов встречаются значительно севернее этой линии.
Залегают лессы сплошным покровом мощностью от 10 до 100 м
.-с________---„„-К____,.„„Я^.ЛП АП.. V„„„.„„„ .____--„С,„,„„™,,„
И UUJ1CC при ^родпсп миидпи^хп z.ur\j т. yvapaiviupnouvii'i и^ии^ппиъ1лти
лессов, обусловливающими их специфические свойства, является высокая пылеватость (содержание фракции 0,05-0,002 мм более 50 %) при небольшом содержании глинистых частиц (до 15 %) и обогащенность карбонатами (СаС03). Лессовые грунты с содержанием глинистых частиц до 20-25 % называют лессовидными суглинками.
Относительно происхождения лессов существует несколько гипотез. Наибольшее признание из них получила эоловая гипотеза, согласно которой лессы образовались при выдувании песчаных пустынь, оставшихся за отступающими ледниками.
Отложение пылеватых частиц происходило в травянистых степях, и на месте отмерших растений в лессах образовывались многочисленные пустоты, преимущественно в виде вертикальных канальцев. Последнее обстоятельство определяет более высокую проницаемость лессов в вертикальном направлении по сравнению с горизонтальными направлениями. Общая пористость лессов составляет 0,4 и более.
Свойства лессов
Для лессов характерна низкая влажность (менее 0,15). По внешнему виду лесс представляет собой мучнистый связный грунт, разминающийся между пальцами, желтоватого или буроватого цвета. Наличие тлинис-тьгх частиц и карбонатов обеспечивает лессам при естественной влажности заметную связность: вертикальные лессовые уступы могут иметь высоту 20 м. При замачивании лесса благодаря его высокой пористости и проницаемости влага быстро достигает каждой частицы, карбонаты частично растворяются, связи в глинистой фракции немедленно ослабевают и сопротивляемость лесса внешней нагрузке резко падает.
По реакции на замачивание лессовые грунты делят на три группы: набухающие, непросадочные и просадочные. \
Набухающие лессы встречаются редко. Это плотные, с повышенной глинистостью разности, богатые монтмориллонитом. Коэффи
13PAGE1410815
циент набухания составляет 1-3, реже достигает 7 %. Давление набухания 50-100 кПа, реже 150180 кПа.
Непросадочные лессовые грунты встречаются чаще: в пониженных частях рельефа, в нижней части лессовых толщ, на северных границах распространения лессов, одним словом, в тех местах, где лесс в прошлом претерпел замачивание.
Просадочность - характерное свойство лессов, присущее им в большинстве случаев. Сухой лесс (w = 0,07-0,09) большой ( > 10 м) мощности при глубоком уровне грунтовых вод, как правило, обладает просадочными свойствами. Влажный лесс сохраняет некоторую связность, благодаря чему' просадочность не проявляется до некоторого давления, называемого начальным просадочным давлением ?нач. По величине начального просадочного давления лессовые грунты делят на две группы*:
I. Ртц = 130-200 кПа. Просадки толщи лессового фунта этой группы от собственного веса при заманивании отсутствуют, а возникают лишь под дополнительной нагрузкой в основаниях зданий и сооружений.
II. Рит < 130 кПа. Просадка толщи при замачивании от собственного веса превышает 5 рм^
Лессовые толщи обладают просадочными свойствами на глубину от 1-2 до 20-25 м и во всяком случае не ниже уровня грунтовых вод. В большинстве случаев мощность просадочных грунтов I группы не превышает 10 м. В грунтах II группы (Восточное Предкавказье, Средняя Азия) мощность просадочных толщ достигает максимальных значений. Просадочные свойства грунтов I группы с глубиной снижаются, а грунтов II группы почти не зависят от глубины. Толщи грунтов II фуппы при замачивании под собственным весом могут иметь просадки до 1,5 м. Локальные замачивания приводят к образованию замкнутых просадок - «блюдец»; линейные замачивания, например, ирригационными каналами приводят к образованию линейных просадок.
Эпюра полных вертикальных напряжений (природных плюс дополнительных) в основании сооружения имегт вид, изображенный на рис. 52. В зависимости от величины начального просадочного давления Рнт зоны просадок в основании могут появляться только под
13PAGE1410915

Рис. 52. Зоны просадок: / - при Р'т; 2 - при Р2^; II - просадочная толща; НП - непросадочныс слои
фундаментом (1) или также и в нижней части просадочной толщи (2). При еще более низкой величине Ртч просадки охватывают всю про-садочную толщу.--'
Строительство на просадочных грунтах
Просадочные явления наносят значительный ущерб существующим зданиям в городах. Утечки городских водоводов, особенно на вводах в здания, часто служат причиной просадок оснований и серьезных деформаций зданий.
При строительстве на лессовых просадочных грунтах применяют три типа мероприятий; водозащитные, конструктивные и устраняющие просадочность грунтов.
В качестве водозащитных мероприятий применяют планировку строительной площадки для отвода поверхностных вод; у стен зданий делают широкие отмостки для отвода стекающей с крыши воды за пределы оснований фундаментов; подвалы зданий тщательно гид-роизолируют во избежание попадания в грунт воды, случайно протекшей в подвал; стыки водопроводных и канализационных сетей делают повышенной надежности, особенно на вводах в здания.
Конструктивные мероприятия приспосабливают конструкцию зданий и сооружений к возможным неравномерным осадкам. Сте
13PAGE1411015
нам придают повышенную жесткость, стыкам повышенную прочность, здания армируют поясами. Применяют свайные фундаменты, опирающиеся на глубинные непросадочные слои, уширенные фундаменты, передающие на грунт нагрузки ниже начального просадочного давления грунта. Длинные здания разрезают деформационными швами.
В качестве меры, снижающей просадочные свойства грунтов, применяется предварительное замачивание толщ Ц^руппы и перевод ш^даким-образом в LiрунгтуОтот способ нашел широкое применение при строительстве каналов. Выемка грунта под сооружением до ожидаемой границы просадочных явлений и обратная его укладка с одновременным увлажнением и трамбовкой - наиболее распространенный метод устранения просадочных свойств в строительстве. Применяется также глубинная трамбовка через скважины.
Для ликвидации просадочных свойств грунтов в основании уже существующих зданий успешно применяется силикатизация.
14.2. Карст
Явления, связанные с выщелачиванием растворимых пород (известняков, доломитов, гипса) с образованием при этом пустот (каналов, пещер), сопровождающихся различными провалами земной поверхности, называют карстовыми явлениями, или карстом. Слово «карст» происходит от названия горного плато на территория Хорватии, где это явление широко развито.
Растворимость различных минералов характерезуется такими цифрами: для растворения одной части каменной соли необходимо 3 части воды, гипса - 480 частей воды, кальцита - 30000 частей. Растворимость кальцита растет при наличии в воде растворенного углекислого газа, способствующего переходу карбоната в бикарбонат с повышенной растворимостью.
Наиболее активно процесс растворения горных пород (коррозии) идет в зоне аэрации (рис. 53) - здесь образуется цепь пустот и полостей. Ниже уровня грунтовых вод скорость циркуляции воды замедлена и, кроме того, воды уже насыщены раствором, поэтому ниже уровня грунтовых вод активный карстовый процесс уже не идет. Ближайший водоем или реку, являющиеся базисом стока для подземных
13PAGE1411115

Рис. 53. Развитие карста: Г - зона активного карста; II - зона погребенного карста
вод, в отношении карстового процесса называют базисом коррозии. Изменение уровня базиса коррозии может вызвать образование второго этажа карстовых полостей. Развивающийся карст называют активным, ниже уровня грунтовых вод - пассивным, а заполненный вторичным материалом - погребенным.
Образующиеся пустоты называют карстовыми формами. Различают открытые (карры, воронки, полья) и скрытые (пещеры) формы.
Карры - это мелкие желоба глубиной до 1-2 м на наклонной поверхности подверженного коррозии массива. Воронки - это углубления различной формы и размеров диаметром от 3 до 50 м и глубиной от 1 м до десятков метров, образовавшиеся в результате выщелачивания массива сверху или провала покрывающих грунтов в подземную полость. Полья возникают в результате объединения провалов и воронок и могут тянуться на несколько километров. Пещерами называют цепь подземных полостей (Кунгурская, Новоафонская пещеры).
Карст в гипсах может развиваться довольно быстро, поэтому строительства на закарстованных гипсах избегают. В известняках карст развивается чрезвычайно медленно, поэтому во внимание принимают только уже существующие полости, разведку которых следует вести весьма тщательно.
При проходке тоннелей в закарстованных массивах неожиданная встреча заполненной водой карстовой полости является исключительно опасной. Такие массивы должны быть тщательно разведа
13PAGE1411215
ны, а впереди забоя тоннеля ведут бурение опережающих скважин для выявления полостей на пути забоя и спуска воды из них в случае встречи.
14.3. Плывуны
Плывунами называют обводненные грунты с преобладанием тонкопесчаных, пылеватых и илистых частиц, которые при вскрытии разжижаются и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости. Плывунными свойствами обладают слабые грунты Петербурга. Прорывы плывунов неоднократно создавали серьезные помехи при проходке тоннелей метро. Особенно серьезными были две аварии в 1974 и 1995 гг. на перегоне от ст. «Лесная» до ст. «Площадь мужества», когда прорыв плывуна не только затопил тоннель на большом протяжении, но и на поверхности образовалось оседание, которое привело к повреждению нескольких зданий.
Плывун в исходном состоянии недоуплотнен. Возникающий при вскрытии ток воды, во-первых, выносит с собой мельчайшие частицы, еще более снижая плотность, во-вторых, создает условия для разворота частиц, потери ими опирания друг на друга и разжижения грунта. Такое явление отмечались ранее как свойство и крупнообломочных грунтов, но из плывунов вследствие мелкодисперсного состава и низкого коэффициента фильтрации отток воды происходит чрезвычайно медленно. Если коэффициент фильтрации плывуна составляет 1--2 м/сутки и коллоидного материала в нем не содержится, то такой плывун при дренаже относительно легко отдает воду, теряет подвижность, а в высушенном состоянии приобретает сыпучесть. Если коэффициент фильтрации плывуна измеряется десятыми долями метра в сутки и даже меньше, и в его составе имеется коллоидный, особенно органический, материал, то такой плывун практически не отдает воду, и плывун-ность у него является 'весьма устойчивым свойством. При высушивании он сохраняет связность.
Для защиты строительства от прорыва плывунов применяют дренаж, защиту котлованов шпунтовым ограждением. Проходку тоннелей в плывунах обычно ведут с применением искусственного замораживания. Также применяют кессонный метод проходки.
13PAGE1411315
14.4. Суффозия
Суффозией называют процесс выноса из грунта растворенного (химическая суффозия) или взвешенного (механическая суффозия) материала. Вынос соли или гипса из засоленных и загипсованных грунтов, вынос пылеватых частиц из песка, вынос песка из крупнообломочного грунта - все это будет сопровождаться увеличением пористости грунта, появлением в нем промоин, пустот.
Явление химической суффозии наблюдается при обводнении засоленных и загипсованных пород в аридных климатических зонах, например в Средней Азии.
Для протекания механической суффозии необходимы значительные гидродинамические силы, которые возникают при достижении определенной критической скорости движения воды. Механическая суффозия свойственна гранулометрически неоднородным грунтам с коэффициентом неоднородности более 7. В этом случае крупные частицы создают каркас с крупными порами, через которые током воды выносятся мелкие частицы. Для«ачала процесса механической суффозии необходим определенный градоент напора подземных вод, обычнопорядка-5-м/м.
Суффозионные явления могут развиваться на поверхности и в глубине. При откопке котлованов в обводненных грунтах в откосах возникают крутые депрессионные поверхности и высокие градиенты напора, что в суффозионно неустойчивых грунтах сопровождается выносом материала из нижней части откоса. По мере развития процесса появляются ниши выноса, откос теряет устойчивость. Суффозионные воронки часто образуются и на горизонтальной поверхности в районе бровок срыва оползневых тел, где грунт разрыхлен оползневым процессом, а в теле откоса вдоль поверхности скольжения имеется канал для протока воды.
Глубинная суффозия (механический карст) наблюдается на контакте суффозионно неустойчивого грунта с кавернозной породой. Характерные условия появления глубинной суффозии изображены на рис. 54: поток подземных вод в лессе / имеет высокий градиент напора и большую скорость на краю водоупорного пласта 2, отделяющего слой лесса от подстилающего закарстованного известняка 3.
13PAGE1411415
УГВ 1

1^
I"2j ^\


"I LLi-

i Jl



Рис. 54. Развитие суффозионной полости
Развивающаяся суффозия приводит к выносу лессовых частиц в нижележащий слой с повышенной водопроницаемостью и образованию пустот (4), которые могут по мере своего развития служить причиной образования провалов на поверхности.
Для борьбы с суффозией в откосах применяется дренаж; против образования суффозионных воронок на поверхности используются отвод поверхностных вод, покрытие поверхности слоем трамбованной глины.
Для борьбы с различными видами суффозии, в том числе и с глубинной, применяется силикатизация. При строительстве на суффозионно неустойчивых грунтах целесообразно устраивать свайные фундаменты с опиранием концов свай на устойчивые слои.
15. Мерзлота и мерзлотные явления
15.1. Сезонное промерзание грунтов
Глубина зимнего промерзания грунтов изменяется от 0,2 м на юге России до 3-5 м на границе с районами вечной мерзлоты. Глубина промерзания зависит от климата, состава и состояния пород, толщины снежного покрова.
При замерзании воды объем ее увеличивается на 11 %. Кроме того, в промерзающем грунте силы поверхностного натяжения (тем большие, чем ниже температура) вызывают капиллярный подсос влаги из нижерасположенного водоносного горизонта (если с ним имеется капиллярная связь). В итоге глинистые грунты при промерзании
13PAGE1411515
способны существенно увеличивать свой объем. Это явление носит название морозного пучения, а грунт, обладающий этим свойством, называют пучинистым.
Поверхность пучинистого грунта в процессе промерзания приподнимается, а при оттаивании опускается с амплитудой этих колебаний до 510 см. Эти движения будут в той или иной степени увлекать и расположенные на этом грунте или заглубленные в него сооружения или их части.
В качестве мер защиты от морозного пучения применяют заложение фундаментов, коммуникаций, чувствительных к деформациям, ниже глубины сезонного промерзания грунтов, засыпку пазух фундаментов неггучинистым грунтом.
15.2. Распространение и свойства вечной мерзлоты
Северные районы Европы, Азии, Северной Америки в течение многих тысяч лет со времени последнего оледенения имеют отрицательную температуру верхних слоев земной коры. Грунты, находящиеся неопределенно длительное время в мерзлом состоянии, называют вечномерзлыми, или вечной мерзлотой. Вечная мерзлота занимает в России 11,2 млн км2 - значительно больше половины территории страны.
Различают вечную мерзлоту сплошную, с таликами (то есть имеющую участки талых грунтов), и островную (залегающую в виде ограниченных зон среди талых грунтов).
Разрастание мерзлоты во времени называют агградацией, а оттаивание грунтов по границам вечномерэлого участка и сокращение его размеров - деградацией.
Температура пород сплошной мерзлоты обычно ниже-5°, в породах с таликами -5°...-1,5°, в зонах островной мерзлоты - около 0°. Талики в вечной мерзлоте обычно обусловлены приносом тепла поверхностными и грунтовыми водами.
В вертикальном разрезе вечномерзлой толщи выделяют: деятельный слой; собственно вечную мерзлоту; подмерзлотные слои.
Деятельный слой, оттаивающий в летнее время, имеет мощность от 0,2 до 2-4 м. Меньшая мощность деятельного слоя наблюдается в северных районах под теплоизолирующим слоем мха и торфа; мак
13PAGE1411615
симальной величины мощность деятельного слоя достигает вблизи южных границ распространения вечной мерзлоты на открытых участках.
До того момента, когда деятельный слой промерзнет на всю глубину, между промерзшей корой и собственно вечной мерзлотой сохраняется талый прослоек. Подобное состояние называют слоистой мерзлотой.
В деятельном слое развивается ряд процессов, осложняющих строительство, и его мощность должна быть установлена достаточно надежно. Естественную мощность деятельного слоя определяют изысканиями, нормативную по данным многолетних наблюдений, расчетную определяют с учетом теплового воздействия здания.
Собственно вечная мерзлота имеет мощность от нескольких метров вблизи южных границ распространения вечной мерзлоты до 2600 м на севере Якутии. Под долинами крупных рек имеются талики или верхняя граница вечной мерзлоты залегает глубоко.
По физическому состоянию различают следующие виды мерзлых грунтов: а) твердомерзлые f частицы дисперсных грунтов сцементированы льдом в монолитную массу; б) пластично-мерзлые -те же породы при температуре -0,1 ...-0,7° с наличием льда и воды в порах, способные сжиматься под нагрузкой; в) сыпучемёрзлые - песчаные и гравелистые породы с температурой ниже О^-но с малым содержанием воды.
В районах с суровым климатом встречаются мощные толщи и линзы льда, так называемый погребенный лед.
15.3. Явления, связанные с вечной мерзлотой.
В районах вечной мерзлоты наблюдается рад специфических явлений, объединяемых названием криогенные (или мерзлотные) явления: пучение, наледи, термокарст, мари, солифлюкция. Все эти явления связаны с режимом подземных вод вечномерзлых толщ.
Выделяет следующие типы подземных вод: надмерзлотные; межмерзлотные; подмерзлотные.
Надмерзлотные воды образуются в деятельном слое при его оттаивании, своим непостоянным уровнем напоминают верховодку. Межмерзлотные воды - это воды талой части деятельного слоя при его промерзании сверху. Они имеют характер межпластовых вод, ча
13PAGE1411715
сто имеют напор. Подмерзлотные воды залегают ниже нижней границы вечной мерзлоты, вследствие слабой циркуляции обычно сильно засолены, как правило, являются напорными.
Пучение грунтов деятельного слоя при его промерзании имеет тот же механизм, что и при промерзании сезонно-мерзлого слоя в умеренной климатической полосе. В зоне вечной мерзлоты это проявляется сильнее благодаря высокому стоянию уровня надмерзлот-ных вод. Усилению этого явления способствует напор межмерзлотной воды, что часто наблюдается при промерзании деятельного слоя. Последнее обстоятельство может привести к образованию больших ледовых тел под коркой промерзшего грунта - так называемых гидролакколитов. Над гидролакколитами формируются бугры пучения. После протаивания гидролакколитов образуются западины, озера.
Промерзание деятельного слоя (или увеличение толщины льда в реке) сужает сечение потока подземных (или речных) вод. Возрастающий напор может вызвать прорыв воды через верхний мерзлый слой грунта (или льда); разливающаяся вода образует наледи до нескольких метров толщины, создавая значительные помехи или полностью исключая возможность использования территории для хозяйственных целей. Проникшая в подвалы зданий вода при замерзании разрушает их.
Если в основании здания имеется большое ледяное включение, то тепловой поток от здания может вызвать протаивание этого включения и образование пустоты. Такое явление называют термокарстом.
При оттаивании деятельного слоя подстилающая мерзлота является для надмерзлотных вод водоупором, поэтому деятельный слой на равнинных участках всегда заболочен. Болота на вечной мерзлоте носят название мари. На марях развиваются кочки, медленно нарастает малоразложившийся торф.
Последовательное замерзание-оттаивание грунта на поверхности склона ведет к постепенному сползанию поверхностного слоя. Это явление называют солифлюкцией.
15.4. Строительство в зоне вечной мерзлоты
Мерзлые грунты по своим механическим свойствам подобны полускальным грунтам. Их прочность на сжатие в зависимости от температуры может достигать 0,5-2 МПа и более. Причины повреж
13PAGE1411815
дения зданий и сооружений, построенных на вечной мерзлоте следующие: просадки и выдавливание грунтов при оттаивании; неравномерное пучение при промерзании талых слоев; деформации склонов (со-лифлюкция); прорыв межмерзлотных вод и образование наледей.
Строительство на вечномерзлых скальных породах, на крупных песках и галечниках при глубоком залегании грунтовых вод можно вести без каких-либо специальных мероприятий, поскольку прогрев таких пород не будет сопровождаться изменением их механических свойств. На других вечномерзлых грунтах строительство необходимо вести с принятием специальных мер защиты зданий.
Прежде всего необходимо изучить мощность деятельного слоя, строение вечномерзлой толщи, ее температуру, режим, свойства грунтов, льдистость (показатель, эквивалентный влажности), климатические и другие факторы. Основной характеристикой сжимаемости вечномерзлых грунтов является величина относительного сжатия под нагрузкой 0,1 МПа
e = (h -h)IJtf
где йц и ht - высота образца в мерзлом и талом состоянии.
При величине е > 0,08 грунты рассматриваются как просадочные, а при е > 0,1 - как сильнопросадочные. В непросадочных грунтах общая величина просадки в пределах деятельного Слоя не превышает 15 см, а в сильнопросадочных грунтах превышает 90 см.
Методы строительства на вечной мерзлоте следующие:
1) без учета вечномерзлого состояния грунтов (скальный грунт, сухой песок, гравий);
2) с сохранением вечномерзлого состояния грунтов основания в течение всего периода эксплуатации здания. В отапливаемых зданиях устраивают проветриваемые подвалы. Зимой окна в подвал открывают и грунт промораживается, летом подвал закрывают, что замедляет оттаивание грунта под зданием. Утечки из водопровода и отопительных сетей часто ведут к протаиванию грунта и деформациям зданий, построенных в расчете на сохранение мерзлоты;
3) с допущением оттаивания после строительства. Этот метод применяется на малопросадочных грунтах; конструкция здания должна допускать значительные неравномерные деформации;
13PAGE1411915
4) с предпостроечным оттаиванием и уплотнением грунта. Этот способ применяется при строительстве зданий с большим тепловыделением (горячие цеха заводов, банно-прачечные комбинаты и т. п.).
Для защиты от пучения применяются осушение территории, засыпка пазух фундаментов непучинистым фунтом. Для защиты от наледей устраивают мерзлотные пояса в виде канав глубиной 3/4 мощности деятельного слоя (рис. 55). Промерзание грунта через дно канавы и смыкание верхнего мерзлого слоя с вечной мерзлотой создает защиту от прорыва межмерзлотных вод к охраняемым сооружениям. Для защиты от речных наледей отсыпают заградительные валы.

Рис. 55. Защита от наледей: У - промерзающий деятельный слой; 2 - талый слой с напорной межмерзлотной водой; 3 вечная мерзлота; 4 - защитная траншея
Как показывает практика, повреждения зданий на вечной мерзлоте происходят вследствие недостаточных изысканий, неправильных проектных решений (например, малая длина свай), неправильных методов строительства (например, обводнение котлована при строительстве), неправильной эксплуатации зданий (например, протечки воды под здание и как следствие - оттаивание грунта основания).
Раздел V. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОХРАНА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
16. Инженерно-геологические исследования
Инженерно-геологическая обстановка на площадке предполагаемого строительства выявляется специально проводимыми исследованиями.
16.1. Состав инженерно-геологических исследований
Целью инженерно-геологических исследований является обоснование проектирования различных видов строительства. В процессе их выполнения изучаются геологические, геоморфологические и гидрогеологические условия, современные инженерно-геологические процессы и явления, свойства горных пород.
Результаты изучения геологических условий позволяют выбрать лучший участок для строительства, установить влияние геологических процессов на сооружение и влияние сооружения на окружающую среду. Материалы изучения грунтов позволяют определить допустимые строительные нагрузки, сделать выводы о необходимости улучшения свойств грунтов методами технической мелиорации, составить представление о наличии строительных материалов.
Инженерно-геологические исследования заканчиваются инженерными выводами, в которых устанавливается глубина заложения фундаментов, величина допустимого давления на грунт, прогнозируются устойчивость сооружений, осадки, выбираются трассы и конструкции обделок транспортных и канализационных тоннелей, параметры водозаборов.
Исследования ведутся, в основном, до проектирования, но продолжаются и в период строительства путем сверки фактических данных при откопке котлованов, проходке тоннелей с материалами более ранних исследований; в случае необходимости назначаются дополнительные инженерно-геологические исследования. Инженерно-геологические исследования могут оказаться необходимыми и в ходе эксплуатации сооружения, в случае возникновения деформаций для установления их причин.
13PAGE1412115
Объем работ инженерно-геологических исследований определяется стадией проектирования, сложностью обстановки, конструктивными особенностями сооружения.
Инженерно-геологические исследования состоят из трех этапов: подготовительного, полевого и камерального.
Подготовительный этап начинаемся с изучения архивных материалов различных организаций и публикаций, освещающих инженерно-геологические условия района строительства. На основании собранных данных составляется карта фактического материала, планируются необходимые дополнительные полевые исследования,
На полевом этапе выполняются все инженерно-геологические работы: инженерно-геологическая съемка, разведочные и геофизические работы, полевые исследования грунтов, изучение подземных вод, анализ опыта местного строительства.
Камеральный этап включает в себя лабораторные исследования, анализ полевых материалов, составление отчета.
16.2. Инженерно-геологическая съемка
Инженерно-геологическая съемка - это комплексное изучение геологии, гидрогеологии, геоморфологии и других естественно-исторических условий района, определяющих условия строительства и эксплуатации сооружений.
При изучении геологии используются все ранее пройденные выработки, проходятся и новые необходимые выработки. В обнажениях и с помощью разведочных выработок устанавливаются возраст и литология пород, ведется отбор проб.
Инженерно-геологическая съемка включает в себя полную гидрогеологическую съемку с необходимыми полевыми исследованиями.
Изучение геоморфологии в процессе съемки позволяет установить характер протекания современных геодинамических и инженерно-геологических процессов: оконтурить оползневые тела, карстовые и суффозионные воронки, береговую абразию и пр. Инженерно-геологическая съемка включает изучение опыта местного строительства, материалов наблюдений за деформациями сооружений.
В ходе инженерно-геологической съемки ведегся определение физико-механических свойств пород полевыми методами, а также в полевых
13PAGE1412215
лабораториях. Все более широкое применение в инженерно-геологической съемке находят аэрофотосъемка и другие аэрометоды. Особенно полезными могут оказаться аэрометоды для обнаружения разломов, встреча которых при проходке тоннелей связана с различными осложнениями.
16.3. Инженерно-геологические карты
Результаты инженерно-геологической съемки отражают на картах и разрезах. Карты составляются на топографической основе. Как масштаб съемки, так и масштаб карт определяется назначением проводимых работ.
При проектировании промышленного, гражданского и транспортного строительства инженерно-геологические карты можно составлять для больших территорий (планирование населенных пунктов, выбор трассы дороги, тоннеля) и для малых участков (жилой массив, проектирование способа строительства обделки тоннеля). Этим различным целям соответствуют два вида инженерно-геологических карт:
а) карты инженерно-геологического районирования (М 1:10000-1:25000);
б) детальные инженерно-геологические карты (М 1:5001:5000). На карте инженерно-геологического районирования (рис. 56)
выделяются участки с однотипными геоморфологическими форма-

Рис. 56. Карта инженерно-геологического районирования
13PAGE1412315
Район
Геологический разрез
Глубина грунтовых вод, м
Сцепление,
угол внутреннего фения грунта
Рекомендуемые мероприятия

1. Русло реки
Глубина воды до 3 м
-
-
Берегоукрепление

2. Пойма реки
Песок крупнозернистый
1-2
35°
Строительство сооружений,
устойчивых при затоплении паводком

3. Лессовое плато
Лесс -15м
10-12
50 кПа, 25°
Устранение просадочности фунта

4. Моренное плато
Морена - Юм, глина - 12 м
10-12
100 кПа,30°
11ротивопучинные мероприятия

5. Овраги
Суглинок
0-10
-
Строительство нецелесообразно

6. Оползни
-
-
-
Строительство нецелесообразно

ми, геологическим строением, гидрогеологическими условиями и свойствами грунтов. Карта сопровождается характеристикой инженерно-геологических районов.
Детальная инженерно-геологическая карта должна отразить грунтовые условия до глубин, представляющих интерес для планируемого строительства. Из этой документации должно быть ясно, на какой грунт будет опираться каждый фундамент, а также чередование слоев в основании фундамента.
Геологическая карта - понятие собирательное. Если насыщенность информацией одного планшета чрезмерно велика, то делают отдельные карты геоморфологии, гидроизогипс, четвертичных отложений, коренных пород и т. д. В комплект инженерно-геологической карты входят разрезы, показывающие геологическое строение толщи в вертикальной плоскости вдоль стен здания, оси тоннеля (рис. 57).
16.4. Разведочные выработки и опробование
Проходку разведочных выработок (рис. 58) ведут для выяснения геологического строения и гидрогеологических условий участка, установления типа и состояния пород, отбора образцов пород и проб воды.
13PAGE1412415

Рис. 57. Геологический разрез: / - четвертичные отложения; 2 - коренные породы
Буровая
а л скважина
0 Шурф \

Рис. 58. Разведочные выработки: a - на склоне; б - с горизонтальной поверхности; / - наносы; 2 - коренные породы
Канавы, расчистки - мелкие поверхностные выработки, вскрывающие коренные породы из-под тонкого элювиального слоя.
Штольня - горизонтальная выработка, проходимая со склона и вскрывающая породы в глубине массива, например в портальной части тоннеля. В неустойчивых породах штольни крепятся.
Шурф - неглубокая (до 20 м) вертикальная выработка малого поперечного сечения (1x1-1,5x1,5м), проходимая вручную или с ис-
13PAGE1412515
пользованием средств малой механизации. Стенки шурфов крепятся распорной дощатой или срубовой крепью.
Буровые скважины - вертикальные или наклонные выработки диаметром 60-150 мм. Глубина скважин для поверхностного строительства редко превышает 30 м, для разведки условий строительства тоннелей она достигает 300 м.
Применяются следующие способы бурения: ручное, ударно-канатное, шнековое, колонковое.
Ручное бурение используется в слабых грунтах при малой глубине (до 5-10 м) и малом объеме буровых работ.
Ударно-канатное бурение - наиболее распространенный способ бурения в дисперсных грунтах. Бурение состоит в сбрасывании на забой скважины тяжелой буровой штанги, к нижнему концу которой привинчен наконечник, разрушающий и захватывающий породу.
При шнековом вращательном бурении разрушение грунта в забое скважины производит резец, а разрушенный грунт поднимается наверх шнеком (архимедовым винтом). Бурение очень быстрое, но не позволяет получать ненарушенных проб грунта.
При колонковом вращательном бурении разрушение грунта по контуру забоя скважины производится буровой коронкой, армированной твердым сплавом или алмазами, из центральной части скважины при бурении формируется неразрушенный керн, который поднимают на поверхность для анализа.
Поднимаемый на поверхность буровой материал используется для составления буровой колонки с описанием грунтов по всей длине скважины. При бурении регистрируются первое появление грунтовых вод и установившийся уровень.
Пробуренные скважины могут в дальнейшем использоваться для режимных гидрогеологических наблюдений или для каротажа, то есть исследования пород в стенках скважины погружными геофизическими приборами.
Погашаемые скважины должны подвергнуться тампонажу, то есть заполнению нефильтрующим материалом (глиной, цементом).
При проходке разведочных выработок из всех слоев пород мощностью более 50 мм производится отбор проб для лабораторных исследований. Наиболее детально исследуются грунты несущего слоя.
Для определения грансостава, влажности, показателей консистенции сохранения естественной структуры пород не требуется, и пробы можно отбирать бороздовым методом. Для определения удельного веса, прочностных и деформационных характеристик требуются образцы ненарушенной структуры, которые отбирают в виде моно-
п i .ttv\ о
Jltll
Отобранные пробы во избежание высыхания гидроизолируют, снабжают подробными этикетками и направляют на лабораторные исследования, которые должны быть проведены не позднее чем через 1,5-6 мес. после отбора проб.
16.5. Полевые опытные работы и стационарные наблюдения
Полевые опытные работы включают геофизические исследования, гидрогеологические опытные работы и режимные наблюдения, определения прочностных и деформационных свойств пород.
Среди геофизических методов в инженерной геологии получили применение гамма-гамма-каротаж, сейсмическое профилирование и электрическое зондирование.
Гамма-гамма-каротаж позволяет определить плотность пород в стенках скважин. Метод основан на однозначной связи проницаемости пород по отношению к гамма-лучам с их плотностью.
Сейсмическое профилирование (и сейсмокаротаж) позволяет определить скорость прохождения упругих колебаний в породах, которая находится в корреляционной связи с их прочностными и деформационными свойствами.
Электрическое профилирование и зондирование позволяют изучать чередование слоев пород в массиве на основе их различной электропроводности.
Гидрогеологические опытные работы включают определение коэффициента фильтрации, опытные откачки, измерения напоров и ряда других параметров водоносных горизонтов.
Деформационные свойства грунтов (сжимаемость) определяются нагружснием опытных штампов диаметром 0,2-1,0 м, методом прессиометрии (нагружение участка скважины изнутри). Прочностные свойства устанавливают сдвигом грунтовых призм или методом вращательного среза. Показатели консистенции глинистых и плот
13PAGE1412715
нос'ги песчаных грунтов определяются методом статического зондирования - по усилию вдавливания в грунт заостренного металлического стержня (зонда).
16.6. Лабораторные исследования
Лабораторные исследования проводятся:
а) для геологического изучения пород; б) установления классификационных показателей; в) определения расчетных показателей прочности и деформируемости; г) выбора методов технической мелиорации грунтов; д) определения жесткости, агрессивности и прочих характеристик подземных вод.
При лабораторном исследовании грунтов определяют вещественный состав грунтов (минеральный, химический, наличие органических примесей, содержание солей), показатели структуры и текстуры (грансостав, пористость), показатели физического состояния (влажность, консистенция), физические свойства (удельный вес, водопроницаемость, растворимость, размокаемость, липкость, водоотдача), сжимаемость, прочность, исследуют состав и свойства подземных вод.
16.7. Инженерно-геологический отчет
Отчет является итогом инженерно-геологических исследований. Он состоит из трех частей: общей, специальной и графических приложений.
Общая часть отчета включает:
Введение (цели и задачи, состав и объем работ, исполнители, район и сроки работ).
Физико-географический очерк (описание рельефа, гидрографии, климата).
Геология района (весь материал по геологическому строению, стратиграфии, тектонике, гидрогеологии).
Природные геологические явления и инженерно-геологические процессы (описание процессов и прогноз их дальнейшего развития).
Полезные ископаемые (оценка возможности использования местных грунтов как строительных материалов, прогноз запасов, оценка их качества).
13PAGE1412815
Специальная часть отчета содержит описание конструкций сооружений, требования к условиям строительства, методику и результаты исследований инженерно-геологических свойств грунтов; условия строительства и эксплуатации сооружений; сравнение конкурентных участков. Заключение содержит основные выводы.
Графические приложения включают весь графический материал, накопленный в ходе выполнения инженерно-геологических исследований.
16.8. Инженерно-геологические исследования для различных этапов проектирования
Проектирование объектов промышленно-гражданского и транспортного строительства, водоснабжения и канализации обычно ведется в две стадии: а) проектное задание; б) рабочее проектирование.
Для составления проектного задания нужно выбрать строительную площадку (место расположения объекта, трассу тоннеля). Соответствующие этим задачам предварительные изыскания включают сбор имеющихся материалов, маршрутные обследования района, проходку разведочных выработок на каждом геоморфологическом элементе обследуемой территории, выяснение общих сведений о гидрогеологии района и наиболее высоком стоянии уровня подземных вод. Результатом предварительных исследований является карта инженерно-геологического районирования территории.
Для рабочего проектирования проводятся детальные исследования, по результатам которых составляется детальная инженерно-геологическая карта. Строение грунтовой толщи должно быть выяснено под каждым фундаментом проектируемого сооружения, в месте каждой скважины проектируемого водозабора. Количество разведочных выработок определяется сложностью инженерно-геологических условий и характером сооружения. В условиях средней сложности на 1000 м2 застраиваемой площади требуется одна скважина. Скважины должны быть пробурены под каждой мостовой опорой, по 3 скважины на портальный участок тоннеля и по одной скважине на 100-150 м трассы при глубине тоннеля до 300 м (при глубине тоннеля более 300 м скважины не бурятся).
13PAGE1412915
Инженерно-геологические условия считаются простыми, если несущая способность грунтов в основании поверхностных сооружений и устойчивость их в тоннелях не вызывает сомнений, а уровень подземных вод находится ниже зоны влияния сооружения. В простых условиях количество разведочных скважин может быть уменьшено вдвое.
Условия средней сложности характеризуются наличием невыдержанного залегания и умеренной обводненностью грунтов, их неустойчивостью в тоннелях без обделки.
Условия считаются сложными, если грунты обладают низкими прочностными свойствами, высокой сжимаемостью, невыдержанным залеганием, сильной обводненностью, присутствует вечная мерзлота, карст, иные процессы и явления, что может служить причиной больших осадок сооружений и сильного давления на обделку тоннелей. В сложных условиях количество разведочных скважин удваивается.
Инженерно-геологические исследования должны также дать основания для выбора способа земляных работ, конструкций фундаментов сооружений и обделки тоннеля, способов защиты от агрессивных вод, решения вопросов водоснабжения.
17. Охрана природной среды
17.1. Природная среда
Природная среда - это многокомпонентная динамическая система, которая находится под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности человека и одновременно сама влияет на эту деятельность.
Основными геологическими компонентами природной среды являются атмосфера, гидросфера и литосфера. Инженерная экология изучает причины и последствия изменений в геологической среде и разрабатывает мероприятия по защите от них. Основным объектом инженерной экологии является наиболее уязвимый элемент -подземные воды.
Последствия изменений в природной среде могут быть технические (например, гниение деревянных свай и просадки исторических зданий при понижении уровня подземных вод), биологические (например, гибель рыбы в реке при попадании в нее ядовитых про
13PAGE1413015
мышленных отходов) и социальные (повышенная заболеваемость при загрязненной атмосфере и т. п.).
Строительная индустрия в возникновении экологических проблем выступает в качестве непосредственного и косвенного фактора. Непосредственные проявления -: сведение почвенно-растительного слоя, нарушение рельефа при добыче стройматериалов. Отдаленные последствия связаны с накапливающимися нарушениями природного равновесия. Промышленно-гражданское строительство обычно сопровождается появлением верховодки, снижением напоров в артезианских горизонтах, увеличением температуры грунта и атмосферы. Последствиями гидромелиоративного строительства являются резкие изменения уровня грунтовых вод: повышение и связанное с этим заболачивание или засоление грунтов или, напротив, - понижение и иссыхание водоемов и болот. Вокруг объектов линейного строительства (нефте- и газопроводов) обычно оттаивает вечная мерзлота.
Экологические проблемы по масштабу разделяются на локальные, региональные и глобальные. Пример локальной проблемы -подъем уровня подземных вод на территории завода «Атоммаш» (г. Волгодонск, Ростовская область), следствием чего стали большие осадки заводских сооружений. Пример региональной проблемы -выброс медно-никелевыми металлургическими заводами Мурманской области в атмосферу многих тысяч тонн сернокислого газа, который ветрами разносится на территорию соседних Скандинавских стран и вызывает выпадение кислотных дождей. Пример глобальной проблемы - повреждение озонового слоя стратосферы промышленными выбросами хлорсодержащих газов (фреонов).
17.2. Причины и последствия изменений в природной среде
Изменения в атмосфере Загрязнение твердыми частицами связано, прежде всего, с поступлением мелкодисперсной золы и несгоревших частиц углерода (сажи) при сжигании зольных топлив. Основным следствием задымления и запыления является нарушение влажностного режима атмосферы: вокруг твердых частиц происходит конденсация влаги, образуется туман, мелкий моросящий дождь. Репутация Лондона и Петербурга как туманных городов до середины XX века была связана с
13PAGE1413115
использованием для отопления дров и каменного угля. При переходе на беззольные виды топлива туманы в этих городах перестали быть частыми. Частые моросящие дожди взамен более редких, но сильных неблагоприятны для растительности, так как мелкий дождь испаряется с листвы и не промачивает почву. При массовом извержении вулканов, что возможно при соударении Земли с крупным кос мическим телом, в результате глобального запыления атмосферы и затенения температура поверхности может понизиться на десятки градусов, что приведет к необратимым изменениям в биосфере. По-видимому, такие события случались в прошлые геологические эпохи и привели к вымиранию целых видов живых организмов. Подобное явление («ядерная зима») возможно в случае мировой войны с массовым применением ядерного оружия, при котором в атмосферу поднимутся миллионы тонн пыли и дыма.
С промышленными поступлениями пыли и дыма современная индустрия успешно справляется использованием эффективных топок и золоуловителей.
Газовое загрязнение обусловлено главным образом поступлением в атмосферу углекислого, угарного и сернистого газов при сжигании топлив и переработке сернистых руд цветных металлов. Повышение содержания углекислого газа в атмосфере Земли вызывает глобальное потепление климата (парниковый эффект), что может привести к разрастанию пустынь и подъему уровня мирового океана. Сернистый газ в виде кислотных дождей разрушает стройматериалы, неблагоприятно влияет на флору, фауну и здоровье людей. Роль фреонов отмечалась ранее. Газы, растворенные в осадках, поступают в поверхностные и подземные воды.
Борьба с газовым загрязнением является сложной проблемой. В качестве пассивной меры газовыделяющие объекты размещают с учетом господствующего направления ветров.
Трагические последствия радионукл-тздного загрязнения атмосферы в результате взрывов атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки и аварии на Чернобыльской АЭС в XX веке достаточно известны.
Шумовое и электромагнитное загрязнение атмосферы имеет локальный характер: вдоль транспортных магистралей, линий электропередач, вокруг радиопередающих источников.
13PAGE1413215
Изменения в гидросфере Здесь рассматривается лишь изменения в гидрогеологической части гидросферы - в режиме подземных вод. Источниками химического и органического загрязнения являются неочищенные стоки горно-обогатительных комбинатов, гальванических цехов, автомобильных моек, растворенные удобрения с сельхозугодий, утечки бытовой канализации, стоки с животноводческих комплексов, поступления с захоронений бытовых и промышленных отходов. Почвенно-растительный слой и зона аэрации в отношении умеренных загрязнений обладают свойством самоочистки. Так, разбросанные по полям отходы со свиноводческого комплекса не попадут в подземные воды. Концентрированные же поступления подобных загрязнений сделают грунтовые воды вниз по стоку непригодными для потребления. Активная защита от загрязнений - безотходные производства, очистка и нейтрализация стоков, пассивная защита - ограждение источников загрязнений противофильтрационными завесами.
Повышение уровня грунтовых вод (УГВ) может быть обусловлено заполнением близкого водохранилища или прокладкой канала с необлицованными стенами. Колебания уровня воды в водохранилище сопровождаются и колебаниями уровня подземных вод. Так, после строительства каскада волжских гидроэлектростанций вокруг водохранилищ и в приволжских городах активизировались оползни, карстово-суффозионные явления, волновая эрозия берегов, их заболачивание. Другой частой причиной подъема УГВ являются утечки из оросительных и водопроводных сетей. При этом происходят просадки лессовых грунтов, набухание набухающих, суффозия, что сопровождается деформациями зданий.
Локальное снижение уровня грунтовых вод на 1-2 м в городской черте может быть обусловлено откачкой вод из соседнего строительного котлована. Следствиями этого будут гниение деревянных элементов фундаментов, суффозия грунта и просадки. Региональное снижение уровня грунтовых вод на десятки метров из-за глубокого дренирования горными выработками (вокруг карьеров Курской магнитной аномалии - до 200 м) или неумеренного забора воды сопровождается снижением дебита водозаборов и осадками территории (г. Мехико осел более чем на 7 м).
13PAGE1413315
Изменения в литосфере Изменения рельефа обусловлены, главным образом, горными работами (рис. 59).

Рис. 59. Горные работы: 1 - часть залежи угольного пласта, извлеченная открытым способом; 2 - часть залежи, извлеченная подземным способом и заполненная обрушившейся породой; 3 - залежь для дальнейшей разработки; 4 - зона обрушения; 5 отвал пустых пород
Искусственные котловины - карьеры - при открытой разработке месторождений достигают глубины в сотни метров при площади в десятки квадратных километров. Глубина Коркинского угольного карьера вблизи Челябинска составляет свыше 600 м, железорудные карьеры в Белгородской области тянутся на десятки километров. Большой гранитный карьер расположен вблизи поселка Кузнечное в Ленинградской области. Вокруг карьеров на многие километры понижаются уровни подземных вод. Искусственные горы - отвалы пустых пород - также достигают высоты в сотни метров. Отвалы коренных пород не содержат плодородных веществ, необходимых растениям, служат источником запыления. При подземной выемке залежей полезных ископаемых происходят оседания поверхности, достигающие десятков метров. В мульдах оседания повышается уровень грунтовых вод, повреждаются сооружения. Подобным оседаниям подвергаются города Прокопьевск (Кузбасс), Соликамск (Урал), Караганда (Казахстан). Задачей инженерной экологии в районах ведения гор
13PAGE1413415
ных работ является рекультивация территорий после отработки месторождений: планировка, покрытие почвенно-растительным слоем.
Изменение напряженного состояния литосферы происходит при горных работах, нефтегазодобыче, заполнении водохранилищ миллионами тонн воды. Следствием являются локальные хрупкие разру-
НТРННа ГГОПАП (УПГШТЛР \/ТТЯПТ.Л Тик- Rrwn\T ПГЧТПУГ\ЯЫТЛПТЛ1ма ТЛигл/гил_
ГЭС (Кавказ) глубиной 270 м в течение 30 лет после заполнения происходили землетрясения до 7 баллов.
Изменения теплового поля доставляют беспокойство главным образом, в районах вечной мерзлоты. Оттаивание мерзлоты происходит при снятии торфяного покрова, под влиянием теплового потока со стороны сооружений (жилых домов, нефтегазопроводов и др.), утечек из коммуникаций. В результате деградации мерзлоты до 40 % зданий Якутска получили серьезные просадки и повреждения. Напротив, вокруг редукционных станций на входах магистральных газопроводов в города (в том числе и в Петербург) формируются острова искусственной мерзлоты и наблюдается морозное пучение за счет охлаждения газа при редуцировании давления.
Изменения свойств грунтов происходят при попадании кислот в глинистые грунты и обычно сопровождаются их набуханием. Попадание щелочи часто ведет к уплотнению, растрескиванию и повышению проницаемости глинистого слоя. В результате износ зданий на промышленных площадках повышается в 3-5 раз. Попадание в грунт нефтепродуктов и иной органики сопровождается развитием в грунте биоты - микроорганизмов и грибов. Биота выделяет газ, придает грунтам плывунные свойства.
17.3. Захоронение отходов
Идеальным вариантом хозяйственной деятельности являются безотходные производства и полная переработка городского мусора. Однако до настоящего времени часть промышленных и бытовых отходов не находит применения или слишком дорога в переработке. Для минимизации ущерба природной среде эти отходы подлежат безопасному захоронению.
По своей природе отходы бывают: ядовитые (например, соли тяжелых металлов от гальванических производств); радиоактивные;
13PAGE1413515
слаботоксичные (бытовой мусор, терриконы угольных шахт); нейтральные (отвалы пустых пород). По консистенции отходы могут быть твердые и жидкие.
При размещении нейтральных отходов руководствуются соображениями дальнейшего использования занимаемых территорий. Целесообразно снять почвенно-растительныи слой и покрыть им складируемые отходы.
Слаботоксичные отходы, в частности бытовые свалки, стараются размещать так, чтобы выделяющиеся газы и инфильтрующиеся воды распространялись в сторону от населенных пунктов и происходила природная самоочистка воздуха и подземных вод. По истечении нескольких десятков лет по завершении разложения органики и вымывания растворимых компонентов занятая территория может вовлекаться в хозяйственный оборот.
Ядовитые и радиоактивные отходы подлежат захоронению в специальных могильниках. Главное, что должен обеспечить могильник, -изоляция захоронения от подземных вод.
WL
WL
1
Рис. 60. Поверхностный могильник: 1 - водоупор; 2 - водоносный слой; 3 - токсичные отходы; 4 - противофильтрационная завеса; 5 - гидроизоляционный экран; б - почвенно-растителыюе покрытие
13PAGE1413615
Могильники бывают подземные и поверхностные. Жидкие отходы могут быть закачаны в отработанные пористые нефтегазоносные пласты. Твердые радиоактивные отходы захораниваются обычно в подземных выработках, в безводных породах.
Поверхностный могильник ядовитых отходов (подобный могильник имеется вблизи поселка Красный Бор в Ленинградской области) должен быть максимально защищен от контакта с атмосферными и подземными водами гидроизоляционными экранами и противофиль-трационными завесами (рис. 60). Слой гидроизоляции укладывается по дну и стенам котлована и поверх захоронения. Противофильтра-ционные завесы изолируют подземные воды под могильником от окружающей среды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Инженерная геология в строительных вузах не является профилирующей дисциплиной, однако она изучает среду, на которой возводятся объекты строительства, и от правильности инженерно-геологических оценок зависит благополучие сооружений. Роль инженерной геологии особенно возрастает при строительстве в сложных фунтовых условиях - на закарстованных территориях Москвы, на слабых грунтах Петербурга. Новые задачи перед строителями выдвигают инженерно-геологические проблемы охраны окружающей среды. Наконец, курс инженерной геологии является базой для изучения целого ряда строительных дисциплин.
Изложенный в учебном пособии курс инженерной геологии обеспечивает молодого специалиста-строителя базовыми минимально необходимыми сведениями, которые необходимо будет расширять в порядке самообразования в направлении конкретных решаемых проблем.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................................................3
Рекомендуемая литература...................................................................6
Раздел I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ....................................7
1. Строение и состав Земли и литосферы.................:........................7
1.1. Форма и размеры Земли................................................................7
1.2. Происхождение Земли...................................................................7
1.3. Методы познания строения и состава недр Земли.....................7
1.4. Геосферы........................................................................................8
1.5. Геотермия...................................................................................... 11
1.6. Минералы..................................................................................... 11
1.7. Горные породы............................................................................. 15
1.7.1. Магматические породы................................................................ 16
1.7.2. Осадочные породы........................................................................ 17
1.7.3. Метаморфические породы...........................................................20
2. Процессы внутренней динамики...................................................21
2.1. Виды движений земной коры.....................................................21
2.2. Формы нарушенного залегания пород.......................................23
2.3. Сейсмические явления................................................................24
2.4. Вулканизм.....................................................................................27
3. Процессы внешней динамики (денудационные).........................28
3.1. Выветривание...............................................................................28
3.2. Геологическая работа ветра........................................................31
3.3. Геологическая работа атмосферных вод...................................33
3.4. Геологическая работа рек............................................................37
3.5. Геологическая работа моря.........................................................39
3.6. Озера и болота..............................................................................42
3.7. Геологическая работа ледников..................................................44
4. Геоморфология................................................................................47
4.1. Элементы и формы рельефа.......................................................47
4.2. Типы рельефа...............................................................................48
13PAGE1413915
5. Геологическая хронология и картирование..................................49
5.1. Определение возраста горных пород.........................................49
5.2. Геохронология..............................................................................49
5.3. Геологическое картирование......................................................51
Раздел II. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ...................................53
6. Виды и свойства подземных вод...................................................53
6.1. Круговорот воды в природе........................................................53
6.2. Водные свойства пород...............................................................54
6.3. Физические свойства и состав подземных вод.........................57
7. Классификация подземных вод.....................................................59
7.1. Верховодка ...................................................................................60
7.2. Грунтовые воды............................................................................61
7.3. Напорные воды............................................................................63
7.4. Трещинные и карстовые воды....................................................63
8. Движение подземных вод..............................................................64
8.1. Режим грунтовых вод..................................................................64
8.2. Расчет притоков подземных вод.................................................65
8.3. Методы защиты от подземных вод............................................69
8.4. Влияние гидрогеологической обстановки на проходку
и эксплуатацию тоннелей.............................................................71
9. Гидрогеологические исследования...............................................72
Раздел III. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ..................................75
10. Состав и физические свойства грунтов......................................75
10.1. Фазовый состав грунтов............................................................75
10.2. Вещественный состав грунтов.................................................76
10.3. Гранулометрический состав грунтов.......................................76
10.4. Вода в грунтах............................................................................78
10.5. Показатели физических свойств грунтов................................81
11. Инженерно-геологическая классификация грунтов..................81
11.1. Скальные грунты.......................................................................83
11.2. Полускальные грунты................................................................85
11.3. Крупнообломочные грунты.......................................................86
11.4. Песчаные грунты.......................................................................87
13PAGE1414015
11.5. 1 линистые грунты......................................................................88
11.5.1. Природа связности глинистых грунтов..................................88
1! .5.2. Водно-физические свойства глинистых грунтов...................90
11.6. Торфы и почвы...........................................................................93
11.7. Техногенные грунты..................................................................94
10 \ А а-тг\ п т J TOVIFHIIA^ \ГГ\ \ я П1Л Г\ Г\ Q Т1 Ы1Л ГТИ/иТЛР OS
IX.. lO^i vy/J,Ul I V..1IIH 1vv1vu Г I 1TI Wrf i.* iv^UI^III * ж Ulvwn............................... ^
12.1. Механические методы...............................................................95
12.2. Укрепление грунтов вяжущими добавками............................97
12.3. Дренажные методы....................................................................98
12.4. Термические методы.................................................................99
Раздел IV. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ......................................................101
13. Оползни и оползневые явления.................................................101
13.1. Факторы, вызывающие оползневые явления........................101
13.2. Движение поверхностных образований на склонах.............102
13.3. Оползни в глинистых породах................................................105
13.4. Деформации скальных откосов..............................................106
13.5. Изучение оползневых деформаций........................................107
14. Инженерно-геологические явления, связанные с действием подземных вод.............................................................................107
14.1. Просадочные явления..............................................................107
14.2. Карст..........................................................................................111
14.3. Плывуны...................................................................................ИЗ
14.4. Суффозия.................................................................................. 114
15. Мерзлота и мерзлотные явления...............................................115
15.1. Сезонное промерзание грунтов..............................................115
15.2. Распространение и свойства вечной мерзлоты.....................116
15.3. Явления, связанные с вечной мерзлотой...............................117
15.4. Строительство в зоне вечной мерзлоты.................................118
Раздел V. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ И ОХРАНА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.... 121
16. Инженерно-геологические исследования.................................121
16.1. Состав инженерно-геологических исследований.................121
16.2. Инженерно-геологическая съемка.........................................122
13PAGE1414115
16.3. Инженерно-геологические карты........................................... 123
16.4. Разведочные выработки и опробование................................ 124
16.5. Полевые опытные работы и стационарные наблюдения..... 127
16.6. Лабораторные исследования................................................... 128
16.7. Инженерно-геологический отчет...........................................128
16.8. Инженерно геологические исследования для
различных этапов проектирования............................................129
17. Охрана природной среды........................................................... 130
17.1. Природная среда...................................................................... 130
17.2. Причины и последствия изменений в природной среде......131
17.3. Захоронение отходов...............................................................135
Заключение........................................................................................138
Александр Борисович Фадеев
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЯ
Редактор А. В. Афанасьева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка А. М. Николаевой
1 [одписано к печати 27.10.04. Формат 60x84'/ . Бум. офсетная. Усл. печ. л. 9,2. Уч.-изд. л. 9,25. Тираж 300 экз. Заказ Ј1&«С» 1<И
Саикт-11стсрбургский государственный архитектурно-строительный университет 190005. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5











15

Приложенные файлы

  • doc 8898934
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 2

Добавить комментарий