Лекции по инженерной геологии

1.
ВВЕДЕНИЕ.

Геология - комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых. Геология в самостоятельную ветвь естествознания выделилась в ХУШ – начале ХIХ века. Сейчас геология - комплексная естественная наука, включающая более двадцати научных дисциплин: стратиграфия, минералогия, тектоника, петрография, литология, геокриология, учение о полезных ископаемых, геофизика, инженерная геология, гидрогеология и др.
Инженерная геология – наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и инженерно- геологические процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.
Становление инженерной геологии. В конце ХIХ - начале ХХ века – накопление опыта использования геологических данных для строительства железных дорог. Во второй трети ХХ века инженерная геология стала необходимой частью строительного производства. Были разработаны методики качественной и количественной оценки свойств горных пород (грунтов). Появились нормы и технические условия на строительство в обычных и сложных геолого-климатических условиях и при развитии опасных природных процессов (многолетняя мерзлота, сейсмические районы, лессовые просадочные грунты, и др.). В настоящее время инженерная геология изучает природную среду для целей строительства и обеспечения ее рационального использования и охраны от неблагоприятных для человека процессов. Инженерная геология основывается на знаниях в области физики, химии, высшей математики, биологии, экологии, географии, астрономии, гидравлики, геодезии, климатологии, информатики.

Инженерная геология включает следующие научные направления:
1) грунтоведение – изучает горные породы (грунты) и почвы;
2) инженерная геодинамика – исследует природные и антропогенные геологические процессы и явления;
3) региональная инженерная геология – изучает строение и свойства геологической среды определенных территорий (регионов).
Кроме того, инженерная геология включает специальные разделы: механика грунтов, механика скальных грунтов, инженерная гидрогеология, инженерная геофизика, геокриология (мерзлотоведение).

Главная цель инженерной геологии – изучение природной геологической среды до начала строительства, прогноз тех изменений, которые произойдут в ней в процессе строительства и эксплуатации сооружений. В настоящее время ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться без инженерно-геологических данных.

Основные задачи инженерно-геологических изысканий, проводящихся до начала проектирования объекта:
- выбор оптимального в геологическом отношении места (площадки, района) строительства данного объекта;
- выявление инженерно-геологических условий ( состав грунтов, условия их залегания, гидрогеологическая обстановка, характер природных геологических процессов) в целях определения рациональной конструкции фундамента и объекта в целом и технологии производства строительных работ;
- выработка рекомендаций по мероприятиям инженерной защиты территории и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации сооружений.


Лекция № 2.
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ

1. Геосферы
Земля сложена концентрическими оболочками (геосферами): внешними – атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества по В.И.Вернадскому) и внутренними: ядро, мантия, литосфера.












Атмосфера по распределенной в ней температуре подразделяется снизу вверх на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу (ионосферу) и экзосферу.
Особенности сфер атмосферы:
- тропосфера (8 – 18 км), составляет 80% от всей массы атмосферы;
- стратосфера (до 40 км) с температурой +10 - -30о С и давлением 0,2 - 42 мм. рт. ст.;
- мезосфера (40-80 км) с температурой - -30 - -50о С и давлением 0,01 - 0,02 мм рт.ст.;
- термосфера или ионосфера (80 – 800 км) с температурой от –50оС на высоте 100-200 км до +1500оС у верхней границы,
- экзосфера или корона Земли (выше 800 км).

Состав атмосферы: азот (75,51 %), кислород (23,3 %), аргон (1,28%), углекислота (0,04 %), и другие газы и почти весь водяной пар.

Гидросфера – водная оболочка Земли. В ее состав входят все воды Земли (океаны, моря, реки, озера, материковые льды и др.)
Вода на Земле распределена неравномерно, большая ее часть сосредоточена на поверхности. Основную часть гидросферы составляет Мировой океан (94%). Химический состав гидросферы весьма разнообразен – от пресных вод до очень соленых (рассолов). Вода может находиться в виде водяного пара (гидроля Н2О), жидкой воды (дигидроля 2Н2О) льда (тригидроля 3Н2О).
Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, особенно в поверхностной зоне земной коры. С одной стороны, под воздействием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород и их перемещение, переотложение, с другой – гидросфера выступает как мощный созидательный фактор, являясь бассейном для накопления в ее пределах значительных толщ осадков разного состава.
Вода также содержит примеси кислот (Н2СО3, НСl, Н2SO4 b и др.), солей (хлориды, бикарбонаты, сернокислые соли), щелочей. С солями и кислотами связаны агрессивные свойства воды по отношению к горным породам, зданиям и сооружениям.
Поверхностные воды – источник водоснабжения, активный агент осадконакопления и разрушения пород.
Подземные воды – источник водоснабжения, активный агент таких процессов, как карст, суффозия, плывуны. С ними связано подтопление территорий. Подземные льды находятся в зоне многолетней мерзлоты.

Биосфера – область распространения вещества, это сложноорганизованная оболочка, связанная биохимическими и геохимическими циклами миграции вещества, энергии и информации. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, ограниченную озоновым слоем, гидросферу, верхнюю часть земной коры.
Биосфера по В.И.Вернадскому – область существования живого вещества, та оболочка Земли, в которой деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.
На две трети биосфера состоит из воды. Это – самая крупная экосистема планеты. Максимальная толщина – 30 – 35 км. Это – растительный и животный мир, микроорганизмы. Биосфера активный агент всех процессов в атмосфере, гидросфере и верхних слоях земной коры.

Твердые геосферы
Сведения о толщине и свойствах твердых геосфер получены с помощью геофизических методов, в частности, по скорости прохождения через них сейсмических волн. Границы между геосферами весьма условны.

Земное ядро состоит из внутреннего твердого ядра железо-никелевого состава с плотностью 14 г/см3, и внешнего пластичного, состоящего из железа с примесью кислорода, серы, углерода; плотность внешнего ядра с глубиной растет от 9,5 до 12,3 г/см3.

Мантия – силикатная оболочка между ядром и литосферой. Мантия имеет ультраосновной состав, в котором преобладают кремний и магний. Мантия делится на верхнюю ( до глубины 400 км ), переходный слой Голицына (400 – 1000 км) и нижнюю (1000 – 2900 км ). Верхняя мантия с плотностью 3,3 -4,5 г/см3 и переходный слой Голицына по своим свойствам соответствуют твердому телу. Нижняя мантия с плотностью 5,3 – 6,5 г/см3 находится в пластичном состоянии.

Литосфера - каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору и подкорковую часть верхней мантии. Она подстилается астеносферой – пластичной оболочкой верхней мантии (на глубине 150 и более км). Вещество астеносферы способно проявлять ползучесть и ведет себя как вязкая жидкость. Поэтому отдельные плиты, из которых состоит литосфера могут перемещаться по мантии. Мощность литосферы меняется от первых км под рифтами в средней части океанов до 100 км на океанических окраинах, а под континентами – до 300- 350 км. Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии и она обладает жесткостью и прочностью.

Земная кора – верхний слой Земли. Нижняя граница или подошва проводится по сейсмическим данным по слою Мохоровичича (по имени югославского геофизика), где отмечается резкое увеличение скорости сейсмических волн до 8,2 км/с. Земная кора имеет алюмосиликатный состав. Из химических элементов в ней преобладают кремний, алюминий и кислород. Выделяются два типа земной коры: «базальтовая» океаническая и «гранитная» континентальная.


Океаническая кора состоит из осадочного и базальтового слоя. Осадочный слой у берегов представлен обломочным материалом, а дальше от берега - карбонатными осадками и глубоководными глинами. Его мощность у берегов – достигает 15 км, а в центральной части океана не превышает 0,5 км. Базальтовый слой состоит из лав базальтового состава, ниже которых располагаются габбро, иногда – серпентиниты. Мощность базальтового слоя – 5-7 км. Средняя плотность океанической коры – 2,9 г/см3. Мощность океанической коры -5 – 20 км.
Континентальная кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Ее мощность меняется от 20-25 км на окраинах континентов до 80 км под молодыми горными системами (Гималаями, Андами), под древними платформами – 40 км. Плотность континентальной коры – 2,7 2,8 г/см3.

2 Природные геологические процессы.

Поверхность земной коры формируется под воздействием направленных противоположно друг другу процессов:
1. Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики Земли) – тектонические и магматические, которые ведут к вертикальным перемещениям земной коры. Они вызывают образование материков и океанов, горных хребтов и впадин. Источником их является внутренняя энергия Земли.
2. Экзогенные процессы (процессы внешней динамики Земли), обусловленные энергией Солнца, планет, деятельностью человека. Они протекают на поверхности Земли и выражаются во взаимодействии атмосферы, гидросферы и биосферы с земной корой. Эти процессы направлены на нивелирование контрастных форм рельефа (горных систем, впадин). При этом положительные формы рельефа разрушаются под действием воды, колебаний температуры, действии ветра, а впадины заполняются толщей осадков – продуктов разрушения и переработки горных систем.
3. Седиментационные процессы (осадконакопление), проявляющиеся в землетрясениях. Эти процессы возникают под действием различных факторов: внутренней энергии Земли (при тектонических движениях, вулканизме), экзогенных процессов (оползней, обвалов), космического фактора (падение метеоритов), в результате деятельности человека (взрывы, движение транспорта и др.).

3. Тепловой режим земной коры.

Земная кора имеет два источника тепла: от Солнца и от распада радиоактивных веществ в верхней мантии, где температура достигает 1300оС.
В земной коре различают три температурные зоны (тепловых пояса):
1) переменных температур (сезонных колебаний) – от 0 м на экваторе до 12- 15 и более метров в средних широтах. Изменение температур зависит от климата. В зимний период в этой зоне образуется подзона промерзания (в Тамбовской области нормативная глубина сезонного промерзания – 1,4 м);
2) постоянных температур – на глубине 15-40 м, в северном полушарии здесь – 15,5оС, в южном – 13,5оС. Исключением является зона многолетней мерзлоты мощностью от первых десятков до 1000 и более метров, где температура ниже 0оС;
3) повышения температур с глубиной.

Глубина, при которой температура повышается на 1оС – геотермическая ступень, (в среднем она равна 33 м), величина нарастания температуры на 100 м – геотермический градиент.




Лекция № 3.
МИНЕРАЛЫ

Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, происходящих в Земле. В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии, и лишь незначительная часть - в аморфном. Свойства кристаллических веществ обусловливаются как их составом, так и внутренним строением, т.е. кристаллической структурой.
В настоящее время различают два вида минералов: 1) природного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, которые возникли в процессе техногенной деятельности человека.

1. Происхождение минералов

Различают три основных процесса минералообразования:
1) Энодогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы (силикатный огненно - жидкий расплав). Такие минералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.
2) Экзогенный процесс происходит на поверхности земной коры. Минералы формируются на суше и в море. На суше минералы создаются в процессе выветривания (воздействие воды, кислорода, колебания температуры) эндогенных минералов. К таким минералам относятся глинистые (каолинит), различные железистые соединения. В море минералы формируются в процессе выпадения химических остатков из водных растворов (галит). Ряд минералов образуется за счет жизнедеятельности различных организмов (опал).
Экзогенные минералы в большинстве случаев имеют низкую твердость, взаимодействуют с водой или растворяются в ней.
3) Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают прочность и плотность (роговая обманка).

2. Природные минералы

Это минеральные образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свои физические свойства.
Иногда минералы встречаются в виде самостоятельных скоплений, но чаще входят в состав горных пород, определяя их физико-механические свойства.
В земной коре встречается более 7000 минералов и их разновидностей. Наиболее часто встречаются порядка 100 минералов, они входят в состав горных пород и называются породообразующими.


3. Искусственные минералы

В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов.
Существуют два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные.
Аналоги – это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.).
Техногенные – это вновь созданные минералы с наперед заданными свойствами (алит – вяжущие свойства, муллит – огнеупорность и др.). Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в цемент – алит и белит; в огнеупоры – муллит, периклаз; в абразивы – карборунд.



4. Классификация минералов по химическому составу.

Классы самородных элементов и сульфидов.
Из наиболее распространенных минералов первого класса можно назвать серу S. Используется в химической промышленности для получения серной кислоты, в сельском хозяйстве и в ряде других отраслей.
Графит С связан преимущественно с процессами метаморфизма. Широко применяется в металлургии, для производства электродов и др. К этому же классу относятся такие ценные минералы, как алмаз, золото, платина и др.
К классу сульфидов принадлежат многочисленные минералы - руды металлов.
Галенит, или свинцовый блеск PbS,- встречается в виде кристаллических агрегатов, реже - отдельных кристаллов и их сростков. Сингония кубическая. Цвет свинцово-серый; черта серовато-черная, блестящая; блеск металлический; непрозрачный.
Сфалерит, или цинковая обманка ZnS, - встречается в виде кристаллических агрегатов, реже сростков кристаллов кубической сингонии. Цвет бурый, редко бесцветный, примесями железа бывает окрашен в черный; черта желтая, бурая; блеск алмазный, металловидный; просвечивает; спайность совершенная.

Класс галоидных соединений.
К нему относятся минералы, представляющие соли фтористо-, бромисто-, хлористо-, йодистоводородных кислот.
Наиболее распространенными минералами этого класса являются хлориды, образующиеся главным образом при испарении вод поверхностных бассейнов. Известны выделения хлоридов и из вулканических газов.
Галит NaCI - образует плотные кристаллические агрегаты, реже кристаллы кубической формы. Чистый галит бесцветный или белый, чаще окрашен в различные светлые цвета; гигроскопичен, соленый на вкус. Используется в пищевой промышленности, в химической для получения хлора, натрия и их производных.
Сильвин КСl - близок по происхождению и по физическим свойствам к галиту, с которым часто образует единые агрегаты. Отличительный признак - горько-соленый вкус. Применяется в основном как сырье для калийных удобрений, в химической промышленности.
Фториды связаны преимущественно с гидротермальными, а также с магматическими и пневматолитовыми процессами (греч. "пневма" - дух, газ). В экзогенных условиях образуются редко. К ним относится флюорит, или плавиковый шпат - CaF2, встречающийся в виде зернистых скоплений, отдельных кристаллов и их сростков.
Класс оксидов и гидроксидов.
По количеству входящих в него минералов занимает одно из первых мест: на его долю приходится около 17% всей массы земной коры. Из них около 12,5% составляют оксиды кремния и 3,9% - оксиды железа. Минералы этого класса образуются как в эндогенных, так и в экзогенных условиях.
Кварц SiО2 - широко распространенный в земной коре породообразующий минерал. Кварц встречается в виде зернистых агрегатов, плотных масс, зерен в породах, в пустотах образует кристаллы и их сростки. Кристаллы имеют сложную форму, основой которой является шестигранная призма, оканчивающаяся ромбоэдрами. Цвет разнообразный - бесцветный, белый, серый, встречаются окрашенные разности. Окраска лежит в основе выделения разновидностей кварца: горный хрусталь - бесцветные прозрачные кристаллы; дымчатый кварц - серо-дымчатые, бурые; аметист - фиолетовые кристаллы; морион - черные и др.; просвечивает, реже прозрачен. Кварц выделяется при кристаллизации магмы, выпадает из горячих растворов и паров, возникает в процессе метаморфизма. В экзогенных условиях образуется редко. Химически устойчив в любых условиях.















Халцедон SiO2-скрытокристаллический минерал, образующий плотные, часто натечные массы. Цвет различный, часто желто-бурых тонов. Кварц и халцедон используются в стекольной, химической промышленностях, в строительстве, горный хрусталь (пьезокварц) - в оптике и радиотехнике. Красиво окрашенные разновидности применяются в ювелирном деле. Месторождения многочисленны.
Опал SiO2.nH2O - аморфный минерал. Образует плотные, часто натечные массы, слагает некоторые осадочные породы органогенного происхождения. Бесцветный, белый, серый, примесями бывает окрашен в различные цвета. Образуется при выветривании силикатов, в результате жизнедеятельности некоторых организмов; выпадает и из горячих растворов, образуя гейзериты. Используется в ювелирном деле как поделочный камень, в строительстве как абразивный материал.
Широко распространены в природе минералы оксида железа. Гематит, или железный блеск Fe2О3, образует плотные мелкокристаллические агрегаты чешуйчатого строения, скрытокристаллические массы (красный железняк), а также желваки (конкреции) радиально-лучистого или скорлуповатого строения. Цвет от желто-серого, стально-серого и почти черного у кристаллических разностей до темно-красного у скрытокристаллических; цвет черты от красно-бурого до вишнево-красного.
Магнетит, или магнитный железняк FeО.Fе2О3, или FeFe2О4, обычно образует плотные кристаллические агрегаты. Сингония кубическая. По свойствам напоминает кристаллическую разновидность гематита, но отличается от него черным цветом черты и магнитными свойствами. Образование гематита и магнетита связано главным образом с эндогенными процессами - магматическими, гидротермальными и метаморфическими. Гематит может возникать и в экзогенных условиях (при выветривании, в морской среде).
Лимонит, или бурый железняк,- это агрегат близких минералов - гётита FeOOH, гидрогётита FeOOH.nН2О, лепидокрокита FeO(OH) и глинистых частиц, соотношения которых непостоянны. Лимонит образует плотные натечные или землистые рыхлые массы, конкреции и оолиты. Часто можно наблюдать в одном образце переходы плотных разностей в рыхлые. Цвет у рыхлых разностей охристо-желтый, у плотных - черный; черта соответственно желто- бурая или бурая. Образование лимонита связано с выветриванием железосодержащих минералов, а также с выпадением из поверхностных вод, причем в этом процессе большую роль играют микроорганизмы.
Ценным полезным ископаемым на алюминий является боксит, представляющий собой, подобно лимониту, агрегат минералов - оксидов и гидроксидов алюминия: диаспора АlOOН, гидраргиллита Аl(ОН)3, бемита АlO(ОН) с примесью оксидов железа, оксида кремния и др. Встречаются в виде землистых рыхлых или твердых масс, часто образуют оолитовые скопления. Цвет белый, серый, желтый, чаще красный, буро-красный. Образуются при выветривании горных пород, которые богаты минералами, содержащими алюминий, и при последующем переотложении продуктов выветривания.
Класс карбонатов объединяет большое число минералов, для которых характерна реакция с соляной кислотой, сопровождающаяся выделением углекислого газа. Интенсивность реакции помогает различать минералы - карбонаты, близкие по многим свойствам. Они часто светлоокрашенные, со стеклянным блеском; твердостью 3-4,5; спайностью совершенной в трех направлениях. Образование карбонатов связано главным образом с поверхностными химическими и биохимическими процессами, а также с метаморфическими и гидротермальными.
Кальцит, или известковый шпат Са[СО3],-один из наиболее распространенных в земной коре минералов, участвующих в строении как осадочных, так и метаморфических пород. Встречается в виде кристаллических и скрытокристаллических агрегатов различной плотности, в пустотах в виде разнообразных натечных форм, кристаллов и их сростков. Цвет разнообразный - от бесцветного и белого, изредка до черного; (бесцветные прозрачные кристаллы кальцита, обладающие двулучепреломлением, называются исландским шпатом); бурно реагирует ("вскипает") с соляной кислотой. Применение разнообразно: в строительстве, в металлургической и химической промышленностях, как поделочный камень, исландский шпат - в оптике.
Доломит CaMg[СO3]2- распространенный минерал, образующий кристаллические и землистые агрегаты. От кальцита отличается несколько большей твердостью и плотностью, а главное, реакцией с соляной кислотой, которая идет только с порошком доломита. Используется в металлургии и строительстве.
Минералы класса сульфатов осаждаются в поверхностных водоемах, образуются при окислении сульфидов и серы в зонах выветривания, реже связаны с вулканической деятельностью.
Ангидрит Ca[SO4]-образует плотные мелкокристаллические скопления. Цвет белый, часто с голубым или серым оттенком; блеск стеклянный, перламутровый; прозрачен, чаще просвечивает; спайность совершенная в одном направлении и средняя в двух. Используется для производства цемента, для поделок.
Наиболее распространенным минералом класса сульфатов является гипс Ca[SO4]2H2O, встречающийся в виде мелкокристаллических и землистых агрегатов, отдельных кристаллов и их сростков. Обычно белый, бывает окрашен в светлые тона; блеск стеклянный, перламутровый, шелковистый; прозрачный или просвечивает; спайность в одном направлении весьма совершенная, в другом средняя. Используется в строительстве, в химической промышленности, медицине и др.
Класс фосфатов. Наиболее распространенным минералом является апатит Са5[РO4]3(F,ОН,Cl) (содержание фтора, хлора и гидроксильной группы колеблется). Встречается в виде кристаллических агрегатов и отдельных кристаллов. Цвет бесцветный, чаще бледно-зеленый и зеленовато-голубой. Происхождение магматическое. Широко используется для производства удобрения и в химической промышленности.
Класс силикатов. Минералы этого класса широко распространены в земной коре (свыше 78%). Они образуются преимущественно в эндогенных условиях, будучи связаны с различными проявлениями магматизма и с метаморфическими процессами. Лишь немногие из них возникают в экзогенных условиях. Многие минералы этого класса являются породообразующими магматических и метаморфических горных пород, реже осадочных.
Силикаты характеризуются сложным химическим составом и внутренним строением. Минералы содержащие ионы алюминия называются алюмосиликатами.
Внутренняя структура силикатов и алюмосиликатов в значительной степени обусловливает их свойства: минералы с островной структурой, характеризующейся плотной упаковкой ионов, часто образуют изометричные кристаллы, обладают большой твердостью, плотностью и несовершенной спайностью. Минералы с линейно вытянутыми структурами (цепочечными и ленточными) образуют призматические кристаллы, обладающие хорошо выраженной спайностью в двух направлениях вдоль длинной оси структуры. Минералы с слоевой структурой образуют таблитчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью, параллельной "слоям" структуры.
Островные силикаты. Оливин, или перидот, (Mg,Fe)2[SiO4], форстерит (бесцветный) Mg2[SiO4] и фаялит (черный) Fe2[SiO4]. Встречается обычно в виде зернистых агрегатов или отдельных зерен, вкрапленных в породы.
Цвет желто-зеленый, оливковый до черного. Разновидности, содержащие мало железа, употребляются для изготовления огнеупорного кирпича, хризолит (желто-зеленая разновидность) - драгоценный камень.
Цепочечные и ленточные силикаты и алюмосиликаты. Цепочечной структурой обладают минералы группы пироксенов, а ленточной - амфиболов. Минералам группы амфиболов свойственны длинностолбчатые, игольчатые или волокнистые шестигранные кристаллы.
Авгит (Ca,Na) (Mg,Fe2+,AlFe3+) [(Si,Al)2O6] встречается в кристаллических агрегатах. Цвет зеленовато- черный и черный; блеск стеклянный.
Одним из наиболее распространенных минералов группы амфиболов является роговая обманка (Ca,Na)2(Mg,Fe2+)4(Al,Fe3+) (OH)2[(Si,Al)4O11]2. По свойствам близка к авгиту, отличаясь формой кристаллов и взаимным расположением плоскостей спайности, а также несколько меньшей плотностью.
К листовым (слоевым) силикатам и алюмосиликатам относится большое количество минералов, из которых многие являются породообразующими магматических, метаморфических и глинистых осадочных горных пород. Обладают весьма совершенной спайностью в одном направлении, параллельном "листам" кристаллической структуры, и небольшой твердостью.
Наиболее распространенными минералами этой структурной группы являются слюды, зерна которых встречаются во многих магматических и метаморфических породах; в жилах отдельные кристаллы слюд достигают в сечении нескольких квадратных метров. Происхождение магматическое, гидротермальное, метаморфическое.
Биотит K(Mg,Fe)3(OH,F)2[AlSi3O10]. Цвет черный, бурый, иногда зеленоватый; блеск стеклянный, местами перламутровый; как у всех слюд, листочки, отделяющиеся по спайности, упругие.
Мусковит 3KAl2(OH)2[AlSi3O10] по многим свойствам близок к биотиту, но имеет почти бесцветную окраску со светло-розовым или серым оттенком, прозрачен в тонких листочках. Используется в электропромышленности, радиотехнике, приборостроении, для изготовления огнестойких строительных материалов, красок, смазочных материалов и др.
Тальк Mg3(OH)2[Si4O10] образует кристаллические агрегаты, реже отдельные крупные кристаллы и их сростки. Цвет белый, светло-зеленый; блеск стеклянный, перламутровый, у плотных мелкозернистых агрегатов матовый; листочки, отделенные по спайности, гибкие, неупругие (на ощупь жирный). Широко используется как огнеупорный материал, при изготовлении изоляторов, в парфюмерии и пр.
Серпентин (змеевик) Mg6(OH)8[Si4O10] встречается обычно в виде плотных скрытокристаллических разностей. Тонковолокнистая разновидность называется хризо-асбестом. Цвет светло-зеленый, желто-зеленый до черного, часто пятнистый, у хризо-асбеста золотистый, отдельные волокна белые; блеск стеклянный, жирный, у хризо-асбеста шелковистый. Хризо-асбест используется для изготовления огнестойких и теплоизоляционных материалов.
К листовым силикатам относится ряд минералов осадочного происхождения, образующихся при выветривании преимущественно магматических и метаморфических пород. Составляют основную часть глинистых пород. Из этих минералов наибольшим распространением пользуется каолинит Al4(OH)8[Si4O10], образующий землистые агрегаты. Цвет белый; блеск агрегатов матовый; излом землистый; (на ощупь жирный); легко поглощает влагу, намокая, становится пластичным. Употребляется в керамическом производстве, строительном деле, бумажной промышленности и др.
Из каркасных алюмосиликатов рассмотрим минералы группы полевых шпатов.
Минералы группы полевых шпатов пользуются широким распространением в земной коре, составляя в ней около 50 %. Являются породообразующими многих магматических и метаморфических горных пород. В трещинах образуют крупные кристаллы. Для всех полевых шпатов характерна спайность совершенная или средняя в двух направлениях. По химическому составу полевые пшаты делятся на две подгруппы: 1) калиевые (калинатровые, или щелочные) полевые шпаты; 2) известково- натровые (кальциево-натровые) полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие непрерывный изоморфный ряд Na[AlSi3O8] и Са [Al2Si2O8].
Из первой подгруппы наиболее распространен ортоклаз К[А1Si3О8]. Цвет от бесцветного, белого, светло-серого до разных оттенков розового и красно-желтого; спайность в двух направлениях. Минерал того же состава, но кристаллизующийся другому, называется микроклином. По внешним признакам микроклин неотличим от ортоклаза, и только его голубовато-зеленая разновидность - амазонит - по цвету легко отличается от других полевых шпатов.
Калиевые полевые шпаты (особенно микроклин) из пегматитовых жил используются в керамической и стекольной промышленности.
В подгруппу плагиоклазов входят минералы, представляющие изоморфный ряд, Среди плагиоклазов по количеству оксида кремния выделяют кислые, средние и основные минералы (табл. 1).
Плагиоклазы по свойствам близки друг к другу и макроскопически обычно не разделяются. Исключение составляет лабрадор, у которого на сером фоне хорошо видны синие и зеленые переливы - иризация.
Плагиоклазы макроскопически мало отличаются и от калиевых полевых шпатов. Иногда их можно различить по окраске: плагиоклазы преимущественно белые, серые, зеленовато-серые, калиевые полевые шпаты белые, светло-серые, розовые и желтые разных оттенков. Существует также различие в угле между плоскостями спайности.

Таблица 1
Таблица минералов изоморфного ряда плагиоклазов
Минералы
Содержание, %
Кислотность (по содержанию оксида кремния)


Na[AlSi3O8]
Ca[Al2Si2O8]


Альбит
100-90
0-10
Кислые

Олигоклаз
90-70
10-30


Андезин
70-50
30-50
Средние

Лабрадор
50-30
50-70


Битовнит
30-10
70-90
Основные

Анортит
10-0
90-100





Лекция №4
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ

1. Горные породы и критерии их классификации.

Горные породы – агрегаты частиц одного или нескольких минералов или обломков пород. Горными породами сложена земная кора. Известно около 10000 видов и разновидностей горных пород.

Критерии классификации горных пород:
Минералогический состав, химический состав, структура, текстура, генезис (условия образования), форма залегания.
Минералогический состав. Горные породы могут состоять из одного или нескольких минералов. Мономинеральные породы – кварцит (сложен одним кварцем), известняк (состоит на 98% из минерала кальцита), гипс, доломит и др. Полиминеральные породы преобладают в природе и представляют собой закономерные сочетания частиц нескольких минералов. – Гранит состоит из зерен кварца, полевых шпатов, биотита и др. Минералы, содержащиеся в породах в количестве более 5%, называют породообразующими, содержащиеся в меньших количествах – второстепенными.

Химический состав - горные породы в отличие от минералов не имеют формулы, их химический состав определяют валовым химическим анализом.

Структура – признак, отражающий размер, форму, характер (кристаллы или обломки), взаимоотношение и взаиморасположение компонентов породы. Структура отражает сложение породы, характеризует мелкие черты ее строения. Например: породы, состоящие из кристаллов (магматические глубинные породы – гранит, хемогенные осадочные породы – гипс) обладают полнокристаллической структурой, обломочные осадочные породы (пески, песчаники, гравий) – обломочной структурой, излившиеся магматические (базальт) – стекловатой структурой.

Текстура – признак, характеризующий способ заполнения пространства породой, особенности расположения и распределения компонентов породы в занимаемом ею объеме. Текстура отражает особенности строения породы крупного масштаба: слоистость для осадочных, пористость или гнейсоватость для магматических, полосчатость – для метаморфических пород. Структура показывает как сложен агрегат, текстура – как он размещен в пространстве.


2. Главные генетические группы горных пород

По условиям образования различают три группы горных пород, отличающиеся друг от друга рядом признаков, обусловленных особенностями их образования:
Магматические – возникли в земной коре при застывании магмы (огненно-жидкого силикатного расплава) – гранит, диорит, сиенит, габбро, риолит, трахит, андезит, базальт и др.
Осадочные – образовались на поверхности земной коры – на суше (при разрушении ранее возникших горных пород) или в водоемах:
а) при выпадении солей из пересыщенных водных растворов (доломит, гипс),
б) в результате жизнедеятельности организмов (известняк, мел),
в) при отложении в водной среде поступившего в нее обломочного материала (песок, гравий).
Осадочные породы образуют тонкий слой, покрывающий три четверти земной поверхности.
3. Метаморфические – возникли в земной коре при перекристаллизации под влиянием высокого давления, температуры и химически активных веществ уже существовавших магматических или осадочных пород (мрамора, сланцы, гнейсы).
Магматические и метаморфические породы составляют 95% массы земной коры.

Магматические горные породы

Различают три генетических типа магматических пород:
- интрузивные (глубинные),
- эффузивные - излившиеся на поверхность,
- экструзивные - выброшенные при извержениях вулканов.
Различные условия образования проявились в отличии этих типов по таким признакам как текстура, структура и форма залегания. Поэтому перечисленные признаки являются критериями, позволяющими установить их происхождение (см. рис.).

Деление магматических пород по степени изменения

Эффузивные породы по степени изменения (степени выветрелости) делятся на палеотипные (возраст свыше 200 млн. лет), отличающиеся вторичными изменениями, миндалекаменной текстурой – базальтовые и андезитовые порфириты, риолитовые, трахитовые и кварцевые порфиры, диабазы, и кайнотипные (возраст меньше 200 млн. лет) с относительно свежим обликом базальты, долериты, андезиты, риолиты (липариты), трахиты.
Для интрузивных пород степень изменения определяется терминами свежая (невыветрелая) или выветрелая порода. Степень изменения зависит от устойчивости минералов, слагающих данную породу, а также от структур и текстур пород. Поэтому степень изменения интрузивных образований возрастает с увеличением размера кристаллов, а массивные породы изменены меньше гнейсовидных.






















Генетические типы магматических пород и их отличительные признаки




Деление магматических горных пород по химическому составу на
кислые, средние, основные и ультраосновные.
Критериями деления магматических пород по химическому составу являются: содержание кремнекислоты (SiO2), содержание извести (СаО) и щелочей (К2О) и (Na2O).
По содержанию кремнекислоты магматические породы делятся на:
кислые – группа гранита – липарита (SiO2 > 65%),
cредние – группы диорита – андезита и сиенита – трахита (SiO2 - 52-65%),
основные – группа габбро–базальта (SiO2 - 45-52%),
ультраосновные – группа пироксенита – дунита ( SiO2 <45% ).

По содержанию щелочей и извести средние породы делятся на два ряда: нормальный ряд (группа диорита – андезита) и щелочной ряд – (группа сиенита – трахита) с преобладанием щелочей.
Особенности химического состава отражаются в различии минералов.

Минералогический состав.
Минеральный состав - минералы подразделяют на породообразующие (главные и второстепенные) и акцессорные.
Породообразующие минералы - составляют>90% объема породы и представлены главным образом силикатами:
- полевые шпаты, кварц, нефелин - светлоокрашенные,
- пироксен, оливин, амфиболы, слюды - темноцветные.
В разных по химическому составу породах один и тот же минерал может быть главным или второстепенным.
Акцессорные минералы составляют, в среднем ~1% объема породы, и представляют: апатит, магнетит, циркон, рутил, хромит, золото, платину и др.
Существуют минералы первичные (образовались одновременно с породой) и вторичные (возникли при выветривании пород после их образования), к вторичным минералам относятся каолин, лимонит хлорит.

Цветной индекс – состав и содержание цветных минералов в породе. Цветной индекс возрастает от 0 – 5% (редко 10-15) в кислых породах до 50% в основных и до 100% в ультраосновных породах. Так как цветные минералы неустойчивы в окружающей среде, то с увеличением их содержания понижается устойчивость пород. Поэтому основные и средние породы менее устойчивы к процессам выветривания, чем кислые.
Светлые минералы устойчивее цветных, особенно кварц. В ряду от кислых пород к основным убывает содержание кварца и относительно устойчивого ортоклаза. Их место занимают плагиоклазы. В том же направлении (от кислых пород к основным) происходит смена кислых плагиоклазов (альбита и олигоклаза) на средний плагиоклаз (андезин) и далее – на лабрадор и битовнит. В связи с упомянутым изменением минералогического состава в ряду кислые – основные породы снижается их устойчивость к агентам выветривания.

Инженерно-геологические особенности.
Инженерно-геологические особенности – наиболее характерные свойства горных пород, которые проявляются при использовании их в качестве оснований сооружений или в виде строительных материалов. К инженерно-геологическим особенностям магматических пород относят: прочность на одноосное сжатие, устойчивость к выветриванию, сжимаемость, отдельность и трещиноватость, водопроницаемость, поведение при полировке.
Прочность на одноосное сжатие магматических пород меняется от 5-10 до 400-500 МПа. Ее величина зависит от структур, текстур, с увеличением размера кристаллов прочность убывает. Стекловатые породы более прочны, чем кристаллические.
Наличие пор снижает прочность. Наименее прочные – шлаки и пемза, наиболее прочны массивные базальты (до 500 МПа).
Устойчивость к выветриванию зависит от минералогического состава, структур и текстур пород. Основные и средние породы с высоким цветным индексом и значительным содержанием плагиоклазов менее устойчивы, чем граниты, содержащие кварц и ортоклаз. Т.о. в классификации магматических пород (плакат) устойчивость к выветриванию убывает в пределах горизонтальных рядов слева направо – от кислых пород к основным. Устойчивость возрастает с уменьшением размера кристаллов. Породы стекловатой структуры (эффузивы) устойчивее их интрузивных аналогов, а среди эффузивов устойчивее породы со стекловатой, чем с порфировой структурой. Массивные породы устойчивее гнейсовидных.
Сжимаемость проявляется только в выветрелых и трещиноватых породах.
Отдельность и трещиноватость обусловлены остыванием магмы при кристаллизации, которое сопровождается уменьшением ее объема. Трещинами массив породы разделяется на отдельности различной формы. В зависимости от систем трещин различают виды отдельности: столбчатая (базальты), глыбовая (граниты), шаровая (диабазы). Трещиноватость усиливается при выветривании пород, что происходит вблизи поверхности земли (на глубине 5-10 м). Отдельность облегчает добычу природных стройматериалов, но сильная трещиноватость намного снижает качество магматических пород как стройматериалов и оснований сооружений.
Водопроницаемость проявляется в трещиноватых породах и в пористых эффузивах. Невыветрелые массивные магматические породы являются водоупорами.

Характеристика главных представителей (на лаб. работах).





Лекция № 5
Осадочные горные породы.

Представление об осадочных горных породах.

Осадочные горные породы образуются при осаждении и накоплении в водной или воздушной среде продуктов выветривания (разрушения) исходных (материнских) горных пород с последующим их уплотнением. Осадочные породы составляют всего 5% объема земной коры, но покрывают 75% ее поверхности слоем мощностью от долей метра до сотен и тысяч метров и в связи с этим являются наиболее распространенным основанием сооружений. Многие из них используются в качестве стройматериалов. Этим объясняется повышенное внимание к ним со стороны строителей и инженеров-геологов.

2.Стадии образования осадочных горных пород.

Различают 4 последовательно сменяющих друг друга во времени стадии: выветривания, переноса и накопления продуктов выветривания, уплотнения осадков.
СТАДИЯ ВЫВЕТРИВАНИЯ (гипергенеза). В эту стадию происходит разрушение ранее возникших исходных (материнских) горных пород магматических, осадочных или метаморфических. Различают 4 типа выветривания (медленного и постоянного разрушения исходных пород):
а) Физическое выветривание
Факторы – суточные и сезонные колебания температур, действие воды, находящейся в трещинах породы при ее замерзании и оттаивании.
Характер процесса – измельчение горных пород без изменения их химического и минералогического состава.
Продукты – неокатанные обломки различного размера – глыбы, щебень, дресва, песок, пылеватые и глинистые частицы.
Локализация – зоны с континентальным и резко континентальным климатом (с резкими сезонными колебаниями температуры).
б) химическое выветривание.
Факторы – действие атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод, содержащихся в них кислот, солей щелочей, кислорода, содержащегося в воде и воздушной среде.
Характер процесса – разрушение пород с изменением их минералогического и химического состава, образованием новых пород и минералов.
Продукты – соли, гидроокислы железа и алюминия, глинистые минералы.
Локализация – зоны с влажным и теплым климатом.
в) биологическое выветривание.
Факторы – действие бактерий, растительного и животного мира.
Характер процесса – ан. химическому выветриванию.
Локализация – зоны с влажным и теплым климатом.
г) смешанное выветривание происходит при совместном действии двух или всех трех вышеназванных типов выветривания. Практически всегда действуют все три типа выветривания одновременно, но с преобладанием того или иного типа.
СТАДИЯ ПЕРЕНОСА (транспортировки) продуктов выветривания к зонам осадконакопления. Продукты физического выветривания перемещаются в виде обломков водными потоками или ветром (дальность переноса ветром пылеватых и песчаных частиц достигает тысяч км). Продукты химического и биологического выветривания переносятся в виде истинных и коллоидных растворов поверхностными водами.
СТАДИЯ НАКОПЛЕНИЯ перенесенных продуктов происходит в зонах осадконакопления: продукты физического выветривания выпадают из толщи воды или воздуха при уменьшении скорости потоков. Продукты химического и биологического выветривания выпадают из перенасыщенных истинных или коллоидных растворов. Кроме того, в водной среде выпадение в осадок остатков организмов, обитавших в данном водоеме, и продуктов их жизнедеятельности.
Стадии переноса и накопления осадков иногда рассматривают в качестве единой стадии седиментации.
СТАДИЯ УПЛОТНЕНИЯ И ДЕГИДРАТАЦИИ (стадия диагенеза), в течение которой осадок превращается в породу.

Генетические типы осадочных горных пород.

В зависимости от типа выветривания материнских пород, способов переноса и накопления продуктов выветривания выделяют три главных генетических типа осадочных горных пород: обломочные, хемогенные и органогенные, а также породы смешанного состава. В зависимости от области накопления осадков различают также континентальные (речные, озерные, эоловые) и морские осадочные породы.

Химический и минералогический составы, текстуры, структуры и форма залегания осадочных пород.

Минералогический и химический состав. Различают первичные и вторичные минералы. Первичные заимствованы из материнских пород при физическом выветривании – кварц, полевые шпаты, слюды. Вторичные минералы возникли при химическом выветривании исходных пород или в результате жизнедеятельности организмов – кальцит, гипс, лимонит, опал, глинистые минералы. По химическому составу осадочные породы наиболее разнообразны. Это могут быть алюмосиликаты, карбонаты, оксиды, сульфаты и др.
Структуры различны для каждого из генетических типов осадочных пород и будут рассмотрены при характеристике каждого из генотипов. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементированных – брекчиевидные и т.д.
Текстуры осадочных пород слоистые. Различают следующие типы слоистости: нормальный слой (прямая горизонтальная), линзовидная, выклинивающая, косая слоистость.
Форма залегания осадочных пород – слои и слоистые толщи. Слои отличаются друг от друга составом, структурой, цветом. В слое могут быть также тонкие слои других горных пород – прослои. Слои резко отличающиеся по составу постоянной мощности и сравнительно большой площади называют пластами. Толщей называют комплекс слоев, объединенных сходством состава или возраста, или один слой, но значительной мощности.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

5. Характеристика генетических типов.

Обломочные породы состоят из продуктов физического выветривания исходных магматических, метаморфических или древних осадочных пород. Продукты выветривания представлены обломками различного размера, сложенными отдельными минералами или породами. В сцементированных разновидностях в цементе находятся продукты химического и биологического выветривания (известковистый, железистый и др. материалы).
Критерии классификации: размер частиц, степень их окатанности, степень связности частиц между собой.
По размеру различают собственно обломочные породы с размером частиц свыше 0,005 мм (валуны, глыбы, галька, щебень, гравий, дресва, песок, пылеватые частицы) и глинистые породы, содержащие наряду с обломочным материалом глинистые частицы, выпавшие из коллоидных растворов.









КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЛОМОЧНЫХ ПОРОД
Размер частиц, мм
С Т Е П Е Н Ь С В Я З Н О С Т И


Рыхлые
Связные
Сцементированные


С окатанными обломками
С неокатанными обломками

С окатанными обломками
С неока-танными обломками

100-500
Валуны
Глыбы

Конгломерат
Брекчия

10-100
Галька
Щебень

Конгломерат
Брекчия

2,0–10
Гравий
Дресва

Гравелит
Дресва

0,05-2,0
Песок

Песчаник

0,05-0,005
Алеврит
Алеврит
Алевролит

>0,005
Супесь, суглинок, глина
Супесь, суглинок, глина
Аргиллит


По степени связности различают рыхлые, связные и сцементированные породы. Рыхлые и связные встречаются преимущественно в современных отложениях: в морях, реках, озерах, намного реже встречаются в более древних толщах. Сцементированные породы характерны для прежних геологических эпох.
По степени окатанности подразделяются только крупнообломочные породы (от гравия и дресвы до валунов и глыб).
Для крупнообломочных пород характерны псефитовые структуры: гравийная, дресвяная, галечниковая, глыбовая. Песчаные породы обладают псаммитовой структурой, при этом по размеру песчаных частиц различают пески крупные (0,5-2 мм), средней крупности (0,25-0,5 мм), мелкие (0,1-0,25 мм), пылеватые (0,05-0,1 мм). Для алевритов и алевролитов характерна пылеватая алевритовая, для глинистых пород – пелитовая структура.
Грубообломочные и песчаные рыхлые породы (на лабораторных работах). Грубоообломочные породы, состоящие из неокатанных обломков, развиты на склонах горных хребтов, в руслах временных водотоков, состоящие из окатанных обломков (валуны, галька, гравий) находятся на морских побережьях, в руслах и долинах горных рек, среди ледниковых отложений. Песчаные породы состоят из минералов, наиболее устойчивых к процессам выветривания (кварц, полевые шпаты, слюды).
Связные, главным образом, глинистые породы.
К глинистым породам относят отложения, содержащие свыше 3% глинистых частиц (диаметр менее 0,005 мм). Глинистые частицы представлены минералами каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдами, галлуазитом, иллитом. Кроме них в глинистых породах находятся пылеватые, песчаные и более крупные частицы, а также примесь лимонита, органического вещества и др. Глинистые породы составляют около 50% общего объема осадочных пород.





В зависимости от содержания глинистых частиц различают:
название породы
содержание глинистых частиц, %


супесь
3-10

суглинок
10-30

глина
30-60

глина тяжелая
> 60


При увлажнении глинистые породы переходят в пластичное и текучее состояние, при высыхании уменьшаются в объеме и дают усадку. Это – влагоемкие породы со слабой водоотдачей. Супеси и суглинки слабоводопроницаемы, глины – водоупоры.
Сцементированные породы (конгломераты, гравелиты, брекчии, песчаники, алевролиты, аргиллиты) образуются из рыхлых и связных отложений при их уплотнении, дегидратации и цементации. Роль цемента выполняют вторичные образования: кальцит, лимонит, кремнистый и глинистый материалы, иногда гипс, проникающие между обломками вместе с фильтрующейся водой.

По вещественному составу различают цементные вещества:
- Кремнистый (кварцевый) - прочный и устойчивы к выветриванию,
- Железистый - (бурого цвета), средней устойчивости,
- Известковый (карбонатный) - средней прочности и устойчивости (слабо растворим в воде),
- Глинистый - непрочный, размокает в воде,
- Гипсовый - слабо растворяется и размокает в воде.

ТИПЫ ЦЕМЕНТА
(различаются только в крупнообломочных породах)

Прочность крупнообломочных пород и их устойчивость в окружающей среде зависят от трех факторов: а) состава цемента, б) типа цемента, в) характера обломков.
Свойства сцементированных пород (на лаб. работах).

5.2.Хемогенные породы.
Образуются при химическом выветривании, переносе продуктов выветривания в виде истинных и коллоидных растворов с последующим выпадением их в осадок. Представители: гипс, ангидрит, доломит. Структура кристаллическая (зернистая) с различным размером кристаллов. (Хар-ка – на лаб. работах).

5.3.Органогенные породы.
Разделяются на зоогенные, состоящие из остатков животных (известняк, известняк-ракушечник, мел), и фитогенные, сложенные растительными остатками (торф, диатомит, трепел, угли, горючий сланец) ( Хар-ка–на лаб. раб.).

5.4.Породы смешанного состава.
К ним относятся лесс, лессовидные суглинки, опока, мергель. Все они, за исключением мергеля, являются континентальными отложениями. (Характеристика на лаб. работах). Здесь упомянем только лессовидные суглинки потому, что они широко распространены в Тамбовской области и являются главным основанием сооружений.
Состав лессовых пород:
название породы
содержание частиц, %


пылеватых частиц
> 50%

глинистых частиц
10-30%

известкового материала
10-15%

примесь бикарбонатов
до 3%


Лессовидные суглинки обладают высокой пористостью (до 55 %); макроскопически видна пористость с вертикальной ориентацией пустот. При увлажнении размокают, теряют прочность, резко уменьшаются в объеме, из-за чего происходит просадка грунта, поэтому они ненадежны как основания сооружений.

6. Инженерно-геологические особенности.
Очень разнообразны, т.к. часть осадочных пород являются скальными грунтами, другие – связными или рыхлыми, многие содержат примесь органического вещества.
а) сжимаемость проявляется только в рыхлых и связных породах. Песчаные рыхлые породы уплотняются быстро и незначительно даже при кратковременных нагрузках – трамбовке, вибрации. Глинистые водонасыщенные грунты уплотняются только при длительной постоянной нагрузке. Чем выше влажность и больше содержание глинистых частиц, тем дольше они уплотняются под нагрузкой, например, под нагрузкой от здания. Скальные невыветрелые породы (доломит, песчаник) обычно несжимаемы.
б) Прочность на одноосное сжатие в скальных породах меняется от 0,8 до 200 МПа. Наиболее прочны доломиты (40-200 МПа), наименее прочны опока (0,8 – 5 МПа), гипс, аргиллит.
в) устойчивость к выветриванию зависит от состава, строения и степени связности пород. Устойчивость сцементированных обломочных пород (песчаников, конгломератов и др.) зависит от прочности обломков, типа и состава цемента. Обломки магматических и метаморфических пород устойчивее, чем обломки осадочных. Породы на базальном цементе устойчивее, чем на поровом и т.д. Из цементов самый устойчивый кремнистый, наименее устойчив– глинистый. Мергели и аргиллиты разрушаются легко. Известняки неустойчивы во влажной среде, более стойки доломиты. Связные глинистые грунты разрушаются быстрее в условиях переменного увлажнения и высыхания, промерзания и оттаивания.
г) растворимость и размокаемость в воде характерна для хемогенных, органогенных и тех обломочных пород, в состав которых входят растворимые в той или иной степени сульфаты, карбонаты и галогениды. Это гипс, известняки, и обломочные породы с неустойчивым к воде цементом. Растворимость карбонатов повышается с увеличением в воде содержания углекислоты.
д) водопроницаемость сравнительно высока в рыхлых обломочных породах (песках, галечнике, гравии), меньше в супесях и суглинках; глины и плотные скальные породы являются водоупорами.
е) влагоемкость и водоотдача: пески и крупнообломочные рыхлые грунты невлагоемкие, с большой водоотдачей; глинистые грунты влагоемки и слабо отдают воду.
ж) предрасположенность к усадке, просадке, набуханию, морозному пучению, суффозии. Просадка характерна для лессов и лессовидных суглинков, усадка и набухание свойственны суглинкам и глинам, морозное пучение происходит в водонасыщенных песчаных и глинистых породах, суффозия – в разно-зернистых пылеватых песках, песчаниках на известковом цементе



Лекция № 6.

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Метаморфические горные породы - результат преобразования пород разного генезиса, приводящего к изменению первичной структуры, текстуры и минерального состава в соответствии с новой физико-химической обстановкой.

Представление о метаморфизме. Типы метаморфизма.

Метаморфизм - (преобразование) – существенные изменения минерального состава, структур и текстур горных пород, происходящие в земной коре под воздействием эндогенных процессов в условиях высоких температур и давления при участии химически активных веществ (флюидов).
Объект метаморфизма – ранее сформировавшиеся магматические и осадочные горные породы.
Факторы – высокие температуры, давление и химически активные вещества. Температура может достигать тысячи и более градусов. Давление бывает общее (гидростатическое – всестороннее, зависящее от глубины в земной коре) и ориентированное, одностороннее (стресс). Величина давления может достигать 5 кбар. Химически активными веществами (флюидами) являются пары воды, хлора, фтора, различных кислот. Постепенность нарастания интенсивности факторов метаморфизма позволяет наблюдать все переходы от первично осадочных или магматических пород к образующимся по ним метаморфическим породам.
Область проявления – пояс (зона) метаморфизма, расположенный в земной коре на глубине от 800 м до 15-20 км.

Типы метаморфизма.
В зависимости от ведущего фактора выделяют следующие типы метаморфизма: контактовый, катакластический (динамометаморфизм), региональный метаморфизм.

Рисунок - Типы метаморфизма. 1Зоны: 1 – диагенеза и эпигенеза, П – катакластического метаморфизма, Ш – контактового метаморфизма, 1У-УП – зоны регионального метаморфизма: 1У – нижней ступени, У – средней ступени, У1 – высокой ступени, УП – плутонического метаморфизма.

Диагенез и эпигенез представляет собой дометаморфическое изменение пород (уплотнение, дегидратация, превращение осадка в породу).

Катакластический метаморфизм (динамометаморфизм) характеризуется интенсивным односторонним давлением (стрессом).
Область проявления – узкие (сотни метров), протяженные (десятки, сотни километров) полосовидные участки (зоны), приуроченные к разрывным нарушениям, по которым происходят подвижки в массивах горных пород, сопровождающиеся их дроблением.
Продукты – катаклазиты, тектонические брекчии, глины трения – результат разрушения (дробления пород). Если давление всестороннее (гидростатическое), то такой метаморфизм называют динамометаморфизмом.

Контактовый метаморфизм развит в зонах, примыкающих к массивам интрузивных пород.
Факторы – высокие температуры (200 -1000(), химически активные вещества при относительно низком давлении.
Область проявления – узкие (сотни метров) зоны вокруг интрузивных массивов (см. рис). Различают термальный метаморфизм при котором известняки превращаются в мраморы, аргиллиты – в роговики и контактово-метасоматический (при действии высоких температур и флюидов известняки и мергели превращаются в скарны).

Риcунок - Область проявления контактового метаморфизма. 1 – известняки, 2 – аргиллиты, 3 – интрузивный массив, 4 – зона контактового метаморфизма, 5 – скарны, 6 – роговики.

Региональный метаморфизм. Область проявления – пояс метаморфизма, расположенный в земной коре на глубине 800-20000 м. и охватывающий значительные регионы (Урал, Забайкалье). Факторы – высокие температура и давление, величина которых возрастает с глубиной. В зависимости от величины температуры и характера давления в поясе метаморфизма различают 4 зоны:-
Верхняя зона с низкотемпературной ступенью метаморфизма.
Температура – 200-450о, при высоком гидростатическом давлении. Находится в земной коре на глубине 1-8 км. В этих условиях происходит частичная перекристаллизация отложений с сохранением многих реликтов исходных пород. Например, в глинистых сланцах сохраняются реликты аргиллитов, в зеленых сланцах – кислых магматических пород.
Средняя зона (среднетемпературная ступень). Перекристаллизация пород происходит при температурах порядка 450-800о в условиях совместного влияния гидростатического и одностороннего давления (стресса). Располагается в земной коре на глубинах 8-12 км. В таких условиях сохраняются только самые устойчивые минералы – кварц, и часть полевых шпатов. Продуктами такого метаморфизма являются кварциты, мраморы, слюдяные сланцы.
Нижняя зона с высокотемпературной ступенью метаморфизма.
Температура достигает 800-1000о, характерно высокое гидростатическое давление при слабо выраженном одностороннем. Эта зона располагается в земной коре на глубинах от 12 до 20-30 км. В таких условиях реликты исходных пород обычно не сохраняются. Продуктами метаморфизма являются кварциты, мраморы, гнейсы, амфиболиты.
Зона плутонического метаморфизма характеризуется (в отличие от предыдущих зон) тем, что в ней в условиях очень высоких температур (свыше 1000оС) и сильного гидростатического давления происходит расплавление исходных пород с образованием мигматитов (гранито-гнейсов с полосчатой текстурой).


Минеральный состав, структуры, текстуры и формы залегания
метаморфических пород.

Минеральный состав во многом сходен с магматическими породами: кварц, полевые шпаты, слюды, роговая обманка, пироксены, кроме них встречаются типичные метаморфические минералы: тальк, серпентин, асбест, а также кальцит и доломит, входящие в состав мраморов.

Структуры:
- кристаллобластические (бластез–перекристаллизация),
- катакластические,
- реликтовые.

КРИСТАЛЛОБЛАСТИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ


(Стрелками показано направление давления).
Лепидобластовая структура характеризуется наличием параллельно ориентированных (по нормали к направлению давления) чешуек и тонких пластинок минералов. Характерна для слюдистых сланцев.
Нематобластовая структура характеризуется субпараллельной ориентацией столбчатых кристаллов полевых шпатов и роговой обманки (удлинение по нормали к давлению). Встречается в кристаллических сланцах и гнейсах.
Гранобластовая структура отличается изометричной (таблитчатой, округлой) формой зерен кальцита, кварца и др. минералов. Встречается в мраморах, кварцитах, образовавшихся при гидростатическом (всестороннем давлении). В кварцитах, роговиках и др. породах иногда наблюдается
Сливная структура, при которой отдельные минералы визуально не различимы (кварциты, роговики).

КАТАКЛАСТИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ возникают при дроблении пород под действием интенсивного одностороннего давления (стресса). Встречаются в тектонических брекчиях, катаклазитах, состоящих из разновеликих остроугольных обломков, между которыми иногда находится глина трения.

Реликтовые структуры – сохранившиеся структуры исходных магматических или осадочных пород. Например, в парагнейсах иногда сохраняется структура гранитов, в кварцитах – структура песчаников. В глинистых сланцах – пелитовая структура.

Текстуры метаморфических пород:
а) сланцеватая, обусловленная параллельной ориентацией чешуек слюд (в слюдистых сланцах),
б) полосчатая (гнейсовая) с чередованием темноокрашенных полос, сложенных биотитом и роговой обманкой, и светлых, состоящих из кварца и полевого шпата,
в) очковая, при которой зерна устойчивых и прочных минералов (кварца и полевых шпатов) «обтекаются» массой слюдистого или слюдисто-кварцевого состава (встречается в гнейсах),
г) плойчатая, при которой породы смяты в мелкие гофрированные складки, встречается в слюдистых сланцах, подвергшихся стрессу,
д) массивная с равномерным распределением изометричных зерен минералов в породе встречается в кварцитах, мраморах, роговиках.


Формы залегания метаморфических пород:
а) полосчатые толщи, возникшие при региональном метаморфизме слоистых осадочных толщ; характерны для гнейсов, сланцев;
б) глубинные массивы, образующиеся при изменении интрузивных пород (гранито-гнейсы, ортоамфиболиты) или при контактовом метаморфизме (скарны, роговики).


3. Классификация метаморфических пород.

В основу классификации положены два фактора:
а) интенсивность метаморфических преобразований, отражающаяся в структурах (особенно, в размере кристаллов) и текстурах пород,
б) характер исходных пород (выражается в минеральном и химическом составе).
Примеры: в зависимости от глубины метаморфических преобразований в ряду пород – аргиллит - глинистый сланец - слюдяной сланец – гнейс – мигматит постепенно исчезают реликты аргиллита и увеличивается размер кристаллов; независимо от интенсивности преобразований сохраняется химический и минеральный состав исходных пород в рядах: известняк - мрамор, кварцевый песчаник – кварцит, габбро – амфиболит.

Классификация метаморфических пород
Тип метаморфизма
Исходные горные породы


Известняк,до-ломит
Мергель
Аргил-лит
Пес-ча-ник
Гра-нит
Липа-рит
Анде-зит,
ба-зальт
Габ-бро,
дио-рит
Ультра-основ-ные

Локальный
Контактовотер-мальн.

Контактовоме-тасома-тичес-кий
мрамор




скарн

роговик



скарн
роговик






грейзен
рого-вик



вторкварцит
рого-вик



скарн






серпен
тинит, талько-вый сланец

Катакласти-ческий
Катаклазиты, милониты

Региональный
Верх-няя
ступень



Сред-няя сту-пень



Нижняя ступень



Плуто-ничес-кий







Мрамор





Мрамор









извест-ковый сланец



Амфи-болит
глинис-тый сла-нец



слюдяной сланец




Гнейсы




мигматит






Кварцит




Кварцит






Слюдя-ной сла-нец

Гнейсы



мигматит
кв.-слюдя-ной сла-нец

кв. людя ной сла нец


Гнейсы




мигматит







Зеле-ный сланец



Ам-фибо-лит












Ам-фи-бо-лит
























Согласно другим классификациям выделяются зернистые породы (мраморы, кварциты) и сланцеватые (сланцы, гнейсы). Сланцы и гнейсы, образовавшиеся за счет осадочных пород, называют парасланцами и парагнейсами, а сланцы и гнейсы, возникшие при метаморфизме магматических пород, - ортосланцами и ортогнейсами.

4. Инженерно-геологические особенности.

Метаморфические породы по ГОСТ 25100-95 относятся к скальным грунтам. Большинство этих пород – надежное основание сооружений, за исключением тектонических брекчий, известняковых мраморов, интенсивно дислоцированных сланцев. Из-за сходства минерального состава метаморфические породы по инженерно-геологическим свойствам близки к магматическим, но несколько уступают им по прочности и устойчивости к выветриванию из-за высокой трещиноватости, сланцеватых или полосчатых текстур.
К главным инженерно-геологическим особенностям метаморфических пород относятся: прочность на одноосное сжатие, сжимаемость, устойчивость к выветриванию, отдельность, трещиноватость, водопроницаемость.
Прочность на одноосное сжатие (Rсж) зависит от минерального состава, структур и текстур пород. Наименее прочными являются глинистые сланцы (около 5 МПа), скарны и грейзены, наиболее прочными – кристаллические сланцы, гнейсы, кварциты, мраморы (50-200 МПа). Все сланцеватые и полосчатые породы (сланцы, гнейсы) анизотропны по прочности: наибольшая прочность проявляется по нормали к сланцеватости, наименьшая – параллельно ей.
Сжимаемость характерна только для выветрелых пород.
Устойчивость к выветриванию зависит от состава и строения пород: разновидности со сливной структурой и массивной текстурой, в составе которых преобладает кварц (кварциты, роговики, яшмы) устойчивы ко всем видам выветривания. Менее устойчивы породы с полосчатой текстурой, особенно крупнокристаллические и неоднородные по минеральному составу. Сравнительно быстро разрушаются полосчатые сланцы и гнейсы, содержащие полосы, сложенные цветными минералами (биотитом, роговой обманкой, пироксеном); при этом выветриванию подвергаются, в первую очередь, именно эти полосы, и такие породы распадаются на отдельные плитки. Неустойчивы к химическому выветриванию известковые мраморы, т. К. они сравнительно легко выщелачиваются водой.
Отдельность метаморфических пород определяется их текстурой: полосчатые гнейсы и сланцы обладают плитчатой отдельностью; для массивных пород (кварцитов, мраморов, роговиков) характерна глыбовая отдельность.
Трещиноватость высокая у сланцев и гнейсов, густота трещин увеличивается в зонах складчатых и разрывных нарушений.
Водопроницаемость зависит от степени выветрелости и трещинноватости пород, наличия пор и каверн. Водопроницаемы трещиноватые и кавернозные мраморы, скарны, грейзены, тектонические брекчии. Невыветрелые метаморфические породы являются водоупорами.


Лекция № 7.
Геологическая хронология.
Шкала геологического времени.

Установление возраста горных пород необходимо для их сопоставления как в пределах одного региона, так и в удаленных друг от друга областях, для оценки их свойств и определения их положения среди других пород. Вся геологическая документация, в том числе геологические карты и разрезы, требует применения показателей возраста пород. С помощью таких показателей породы объединяются по возрастному признаку в толщи, системы, группы отложений. Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.
Абсолютный возраст – продолжительность существования породы в годах, тысячах, миллионах и миллиардах лет. Для его определения применяют методы, основанные на использовании процессов радиоактивных превращений, происходящих в радиоактивных элементах и радиоактивных изотопах (уран, калий, рубидий углерод), входящих в состав пород. Такие элементы и изотопы распадаются с образованием определенных продуктов, например при распаде урана образуется свинец, при распаде рубидия – стронций, при распаде калия –аргон. Процесс распада каждого изотопа идет с постоянной скоростью и не зависит от внешних воздействий. Скорость распада каждого радиоактивного изотопа характеризуется периодом полураспада – временем, в течение которого распадается половина атомов данного изотопа. У каждого радиоактивного изотопа известен период полураспада и известны продукты распада. Зная исходное количество радиоактивного изотопа, количество продуктов распада и скорость распада, можно определить продолжительность процесса. Поскольку процесс начался с момента образования породы, содержащей радиоактивный изотоп, то точка начала отсчета процесса показывает время образования породы, т.е. возраст породы.


Изотопы, используемые для определения абсолютного возраста пород

Изотоп
Конечный продукт
Период полураспада ( млн. лет )

238U
206 Pb + 8He
4460

87Rb
87Sr + (
48,80

40K
Ar + 40Ca
1,3

14C
14 N
5730 лет


Точность методов различна: для U – 60 млн. лет, рубидиево-стронциевого – 100.000 лет. Эти методы применяются для определения возраста древних пород (архейских протерозойских палеозойских, мезозойских). Изотоп 14С для четвертичного периода, в археологии, истории. Например, с его помощью установлено время открытия Америки норманном Лейвом Эриксоном (988 г).

Относительный возраст отражает последовательность образования отложений, возраст пород относительно друг друга, показывает, какие породы древнее, какие моложе. Для установления такого возраста используют стратиграфический и палеонтологический методы.
Стратиграфический метод применяют для осадочных толщ с ненарушенным горизонтальным или слабо наклонным залеганием слоев. При этом считается, что каждый вышележащий слой моложе нижележащего. Этот метод не используют для складчатых зон, в которых слои смяты в складки.


Палеонтологический метод является уникальным, т.к. позволяет определить возраст отложений по отношению друг к другу независимо от характера залегания слоев и сопоставить возраст пород, залегающих в различных регионах. В этом методе используются органические остатки, находящиеся в породах (раковины, растения, микроорганизмы, споры и пыльца растений, реже – костные остатки крупных животных). Так как органический мир развивался поступательно от простого к сложному, то каждой временной эпохе отвечают свои организмы, остатки которых сохраняются в толще отложений, образовавшихся в эту эпоху. Поэтому толщи, сформировавшиеся в различные эпохи, содержат свои специфические органические
·остатки, позволяющие надежно отличить разно-возрастные отложения друг от друга. Палеонтологический метод был впервые применен для определения относительного возраста пород в конце ХУШ века английским строителем Вильямом Смитом.
Методы относительной геохронологии применимы только для осадочных толщ. Методы абсолютной геохронологии используют для магматических и метаморфических пород, лишенных органических остатков.
C помощью методов относительной и абсолютной геохронологии вся история Земли разделена на ряд последовательных отрезков времени, каждому из которых соответствует определенная толща отложений и магматические породы. Каждый отрезок времени получил наименование и обозначение в виде индекса, а на геологических картах – свою окраску.









ШКАЛА ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ВРЕМЕНИ ЗЕМЛИ
Эры (группы)
Периоды (системы)
Эпохи (отделы)
Ин-декс
Возраст, млн. лет
Органический мир

Кайнозойская
Четвертичный


Неоген

Палеоген
Голоцен
Верхний
Средний
Нижний

Q1Y
QIII
QII
QI
N

Pg
0,02
0,1
0,3
2,0
Человек, млекопитающие.
Флора современная

Фауна: млекопитающие
Флора: покрытосеменные

Мезозой-ская
Меловой



Юрский


Триасовый


K



J


T

140



213


248
Фауна: млекопитающие, птицы
Флора: растения-гиганты
Фауна: динозавры.
Флора: цикадовые, хвойные.
Фауна: рептилии, рыбы.
Флора: хвойные.

Палеозойская















Пермский

Каменно-угольный


Девонский

Силурийский
Ордовикский

Кембрийский

Вендский

















P

C



D

S

O


(


V
270

360



408

438

505


570


680
Фауна: рептилии.
Флора: хвойные.
Фауна: амфибии, акулы, насекомые.
Флора: папоротники, хвощи
Фауна: рыбы, кораллы.
Флора: хвощи.
Фауна: панцирные рыбы
Флора: папоротники
Фауна: скорпионы, моллюски.
Флора: водоросли
Фауна: археоциаты,
трилобиты.
Флора: водоросли.
Простейшие, водоросли.

Протерозойская


PR
2700
Бактерии, водоросли

Архейская


AR
3600
Примитивные органические формы







Лекция № 8.
Геотектоника. Структуры земной коры.

1.Тектонические движения и их роль в строении и развитии земной коры.

Строение земной коры и обусловленные им формы рельефа постоянно меняются в результате совместного действия эндогенных и экзогенных процессов. Главная роль принадлежит эндогенным процессам (процессам внутренней динамики Земли). Эндогенные процессы выражаются в движениях земной коры и в магматической деятельности. Движения земной коры, вызывающие изменения в строении земной коры и образование геологических структур, называют тектоническими движениями. Тектонические движения, строение земной коры, геологические структуры изучает наука геотектоника (от латинского «текто» - строю).
Тектонические движения происходят постоянно, но интенсивность их проявления во времени непостоянна. Различают длительные эпохи относительного тектонического покоя и кратковременные фазы тектонической активности – фазы складчатости или горообразования. В геологической истории Земли было несколько фаз складчатости: Альпийская (палеогеновый период), Киммерийская или Мезозойская (юрский период), Герцинская (конец каменноугольного и пермский период), Каледонская (ордовик и силур), Байкальская (начало кембрийского периода). Фазы складчатости – мощный фактор, меняющий строение земной коры, характер ее поверхности (рельеф местности), стимулирующий активность экзогенных процессов, изменение климата и биосферы. Вызванные фазами складчатости изменения происходят по следующей схеме: тектонические движения – образование структур земной коры – возникновение горных систем альпийского типа и глубоководных морских впадин – активизация экзогенных процессов (разрушение горных систем и заполнение впадин осадками) – изменение климата (в частности из-за образования высокогорных ледников), качественный скачок в развитии органического мира.

2. Типы тектонических движений.
Согласно современным представлениям имеются три типа движений земной коры: горизонтальные, вертикальные и складчато-разрывные.
Горизонтальные движения – являются главными. Впервые о них заявил в 1912 г. австрийский геофизик А.Вегенер, считавший, что крупные участки земной коры (континенты) смещаются относительно друг друга. Но только в 60-ые годы прошлого века эта гипотеза была подтверждена данными палеомагнетизма, геофизическими исследованиями, наблюдениями из космоса, данными глубоководного бурения, исследованиями океанских с глубин с помощью глубоководных батискафов, палеонтологическим материалом. В эти годы была создана теория движения литосферных плит. Согласно этой теории происходит расширение первичной океанической земной коры. Движение плит начинается от зон расширения - глубинных разломов, приуроченных к срединно-океаническим хребтам, и завершается на окраинах океанов, где океаническая кора уходит под материки. При этом ранее возникшие 6-8 литосферных плит, состоящие из материков и прилегающих к ним участков океанической коры, перемещаются по верхней мантии по мере движения расширяющейся океанической коры.
Факторы горизонтальных движений – конвекционные тепловые потоки в астеносфере и верхней мантии, сила Кориолиса.
Особенности – длительность, постоянство во времени, планетарный масштаб, небольшие скорости (Южная Америка удаляется от Африки на 4 см/год, Индия надвигается на Азию по 5 см/год).
Результат: образование структур земной коры первого порядка (материки, океаны, планетарные разломы) и второго порядка (платформы, геосинклинали).
Вертикальные (колебательные) движения.
Факторы: горизонтальные движения, внутренняя энергия Земли.
Особенности: длительность, постоянство во времени, охват значительных территорий, небольшие скорости (Скандинавия поднимается на 25 мм/год, Среднерусская возвышенность – на 15-20 мм/год, Голландия опускается на 40-60 мм/год, Франция – на 30 мм/год, Санкт-Петербург – на 3,6 мм/год).
Результат: изменение границ суши и моря, регулирование интенсивности процессов осадконакопления (накопление осадков в морях) и разрушения прилегающих частей суши. Различают колебательные движения прошедших эпох (при их участии сформировались толщи осадочных пород) и современные (фиксируются по изменению уровня морей, обмелению озер, внутренних морей – Аральского, Каспийского, обмелению или углублению русел рек, образованию речных проток и стариц).
Складчато-разрывные движения.
Факторы: горизонтальные и колебательные движения.
Особенности: кратковременность (в течение одной фазы складчатости), значительная интенсивность, проявление в локальных, тектонически активных зонах.
Результат: формирование складчатых зон, выраженных в рельефе в виде горных систем.


4.Тектонические структуры различного порядка.
Структуры первого порядка – материки, океаны, глубинные разломы планетарного масштаба (телезаставка). Материки и океаны отличаются по строению и мощности земной коры.
Структуры второго порядка – платформы и геосинклинали.
Платформы представляют собой обширные (десятки тысяч кв.км), изометричные по форме области (примеры- Восточно-Европейская, Сибирская).
Платформы представляют собой жесткие устойчивые малоподвижные структуры со слабо выраженной тектонической деятельностью. На платформах нет вулканизма и землетрясений, тектонические движения представлены медленными колебательными. Для платформ характерно двухярусное строение: нижний ярус (кристаллический фундамент) сложен смятыми в складки метаморфическими породами и интрузивными образованиями; верхний ярус (осадочный чехол) представлен горизонтально залегающими осадочными породами. Для платформ характерен равнинный рельеф.


Геосинклинали представляют собой тектонически активные участки земной коры. Они представляют собой узкие (десятки километров), протяженные (тысячи км) зоны, размещенные между платформами, или между материками и океанами. Для геосинклиналей характерны интенсивные тектонические движения, вулканизм, землетрясения, а также накопление мощных толщ осадочных пород. С ослаблением тектонической активности геосинклинали переходят в складчатые зоны (горные области альпийского типа).
Тектонические структуры более высоких порядков представлены складчатыми зонами, предгорными прогибами, складками и разрывными нарушениями.


Первичные и вторичные формы залегания горных пород.

Первичные формы залегания образуются одновременно с формированием пород, для осадочных пород это – слои и слоистые толщи, для магматических – глубинные массивы или потоки и покровы, для метаморфических – полосчатые толщи или массивы.
Слой – первичная форма залегания осадочных пород, это – однородное маломощное тело большой протяженности, отличающееся от смежных слоев составом, структурой, цветом. Элементы слоя – поверхности напластования - кровля и подошва, мощность (рис.).


Слои объединяются в толщи. Различают согласное и несогласное залегание толщ по отношению друг к другу. Толщи залегают согласно, если кровли и подошвы слоев одной толщи параллельны кровлям и подошвам слоев другой толщи. При несогласном залегании подошва вышележащей толщи срезает слои нижележащих пород (рис.).

Вторичные или нарушенные формы залегания возникают уже после образования пород в результате складчато-разрывных движений.
Среди этих форм различают складчатые нарушения (дислокации) и разрывные нарушения.
Складкой называется изгиб слоя без разрыва его сплошности. В природе наблюдается большое разнообразие складок. Классифицировать их можно по разным признакам, но сначала следует остановиться на элементах единичной складки, часть которых может быть определена достаточно строго, а часть носит условный характер (рис.). В складке выделяются: крылья-пласты, боковые части складки, располагающиеся по обе стороны перегиба или свода; ядро - внутренняя часть складки, ограниченная каким-либо пластом; угол при вершине складки - угол, образованный продолжением крыльев складки до их пересечения; замок, или свод,- перегиб пластов; осевая поверхность - поверхность, делящая угол при вершине складки пополам; шарнир - точка перегиба в замке, или своде складки; шарнирная линия - линия пересечения осевой поверхности с кровлей или подошвой пласта в замке или своде складки. Осевая линия, или ось - линия пересечения осевой поверхности складки с горизонтальной поверхностью. Гребень - высшая точка складки, не совпадающая с шарниром в случае наклонных или лежачих складок.


13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Складчатые или пликативные нарушения (дислокации) образуются без разрыва сплошности слоев. К ним относятся моноклиналь, флексура, синклинальная и антиклинальная складки.
Моноклиналь - самая простая форма нарушения первоначального залегания пород, выражается в общем наклоне слоев в одну сторону.
Флексура – коленообразная складка, образующаяся при смещении одной части толщи относительно другой без разрыва сплошности слоев.



Антиклиналь – складка, обращенная вершиной вверх, синклиналь – складка, обращенная своей вершиной вниз. Бока складок называют крыльями (К), внутреннюю часть – ядром (Я), вершины – замком (З), линия, делящая складку на две симметричные части – осью (О).
По положению оси в пространстве различают складки симметричные, асимметричные, наклонные, лежачие, по форме – изоклинальные (крылья //, сундучные и т.д.). Расположенные рядом синклинальная и антиклинальная складки называются сопряженными.
Разрывные нарушения (дислокации) образуются в результате интенсивных тектонических движений, вызывающих разрывы сплошности слоев. При этом образуются тектонические блоки, смещенные относительно друг друга. Смещение происходит по плоскости разрыва. Амплитуда смещения колеблется от долей метра до первых километров. К разрывным нарушениям относятся сбросы, горсты, грабены, надвиги, сдвиги.



Рисунок - Сброс. 1 – приподнятый блок, 2 – опущенный блок, 3 – плоскость смещения, 4 – амплитуда сброса; стрелкой показано направление смещения.



Рисунок - Горст. 1, 3 – опущенные блоки, 2 – приподнятый блок, 4 – амплитуда смещения, 5 – плоскости смещения; стрелками указано направление смещения.

Рисунок - Грабен. 1, 3 – поднятые блоки, 2 – опущенный блок, 4 – амплитуда смещения, 5 – плоскости смещения; стрелки указывают направление смещения.


Рисунок - Надвиг. 1 – перемещенный блок, 2 – неподвижный блок, 3 – плоскость смещения (ориентирована к поверхности земли под углом менее 30о); стрелкой показано направление смещения.

Значение данных о залегании горных пород для строительства.

Для строительства наиболее благоприятными условиями являются горизонтальное залегание слоев большой мощности с однородным составом. В этом случае здание располагается в однородной грунтовой среде, равномерно оседающей под весом здания (а). В этом случае здания и сооружения располагаются в однородной грунтовой среде, пласты равномерно сжимаются под весом сооружения.
Наличие дислокаций усложняет инженерно – геологические условия строительных площадок – нарушается однородность грунтов оснований сооружений, образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов, по трещинам разрывов периодически происходят смещения, циркулируют подземные воды.
Если слои залегают наклонно, то здание располагается на грунтах с различными свойствами, что может привести к неравномерной осадке (б). Если здание расположено на складчатом основании, то нарушается однородность и прочность грунтов (в); нежелательно располагать здания линиях разломов, где могут быть зоны дробления, и происходят подвижки блоков (г).









Лекция № 9.

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ (ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ)

1. Общие сведения, происхождение подземных вод.
Воды, находящиеся в верхней части земной коры, называют подземными. Гидрогеология – наука о происхождении, условиях залегания, законах движения, составе и свойствах подземных вод. Подземные воды – источник водоснабжения, но во многих случаях – фактор, осложняющий строительство и эксплуатацию сооружений.
Вода находится в постоянном движении. Различают большой, малый и внутренний (местный) круговорот воды. Большой круговорот: испарение влаги с поверхности океана – перенос ее на материки – выпадение в виде атмосферных осадков – перенос воды реками в океан. Малый круговорот: испарение влаги с поверхности океана – выпадение осадков в океан. Внутренний круговорот: испарение влаги с поверхности материка (с почвы, поверхности озер и болот) – выпадение атмосферных осадков на материке.

Происхождение подземных вод. По условиям образования выделяются несколько типов подземных вод: 1) инфильтрационные; 2) конденсационные; 3) седиментогенные; 4) магматогенные, или ювенильные; 5) метаморфогенные, или возрожденные.
1) Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание в глубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.
2) Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.
3) Седиментогенные подземные воды (лат. "седиментум" - осадок)- это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми отложениями. Такие воды называют эпигенетическими (греч. "эпи"-на, после). Седиментогенные воды нередко называют "погребенными", или реликтовыми (лат. "реликтуc" - остаточный). Ряд исследователей (Н. Б. Вассоевич и др.) отводят существенную роль в формировании глубинных пластовых вод так называемым элизионным процессам (лат. "элизио" - выжимание), т. е. выжиманию под влиянием давления и температуры из иловых морских осадков седиментогенных вод в водопроницаемые песчаные и другие слои. Такие воды называются перемещенными.
4) Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы, Э. Зюссом (1902) были названы ювенильными (лат. "ювенилис" - юный). Поступление таких вод происходит, с одной стороны, при извержении вулканов, с другой - из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 7-10% воды. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается, по разломам и тектоническим трещинам поднимается вверх, поступает в земную кору и местами выходит на поверхность. Количество магматогенных вод незначительно. К тому же они поступают на поверхность уже в смешанном виде, так как на своем пути пересекают различные горизонты подземных вод иного генезиса.
5) Метаморфогенные подземные воды (возрожденные, или дегидратационные) образуются при метаморфизме минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду или газово-жидкие включения. Под влиянием температуры и давления происходят процессы дегидратации. Если они протекают длительно, то приводят к образованию капельножидкой воды, вступающей в общий геологический круговорот подземных вод.

Водные свойства грунтов
(влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость).
Влагоемкость – способность грунтов вмещать и удерживать в себе воду. Когда все поры и трещины грунта заполнены водой, порода находится в состоянии полного водонасыщения. Различают породы влагоемкие (торф, суглинки, глины), слабовлагоемкие (мергель, мел. рыхлые песчаники, мелкие пески, супеси), невлагоемкие (гравий, галька, пески).
Водоотдача – способность водонасыщенных грунтов отдавать гравитационную воду в виде свободного стока, выражается в процентном отношении объема вытекающей из грунта воды к объему породы. Наибольшая водоотдача (25-45%) у гравия, гальки, крупных песков, наименьшая – у глин (близка к 0).
Водопроницаемость – способность пород пропускать через себя воду. Зависит от наличия трещин и пор. Характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, представляющим собой скорость движения подземных вод при гидравлическом градиенте 1 .По величине Кф различают
водопроницаемые породы (Кф> 1`м/сут) (галечник, гравий, пески крупные и средней крупности),
слабопроницаемые (Кф - от 0,001 до 1 м/сут),
непроницаемые или водоупоры (Кф < 1 м/сут.).

3. Физические свойства, химический состав, жесткость и агрессивность подземных вод.
Физические свойства – вкус, цвет, запах, температура, прозрачность.
Химический состав. Воды содержат в растворенном состоянии газы, органические вещества и соли. По содержанию солей (хлоридов, сульфатов, карбонатов) воды делятся на пресные (растворенных солей менее 1 г/л), солоноватые (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л), рассолы (более 50 г/л).
Жесткость и агрессивность свойства, обусловленные присутствием в воде солей.
Различают жесткость постоянную (сульфаты и хлориды) и временную, исчезающую при кипячении (карбонаты и бикарбонаты).
Агрессивность – способность подземных вод разрушать стройматериалы и грунты путем действия на них растворенными в воде солями. Различают агрессивность общекислотную, магнезиальную, карбонатную, обусловленную содержанием в воде свободной углекислоты. Предохранение конструкций от агрессивного действия вод – защитный слой краски, штукатурки, проведение дренажа вод.

4. Классификация подземных вод.
Подземные воды подразделяют по характеру использования и по условиям залегания в земной коре.
По характеру использования различают:
хозяйственно-питьевые,
технические (используются в промышленности и сельском хозяйстве),
промышленные (содержат в растворе бром, йод и др.),
минеральные (содержат минералы, радиоактивные элементы, и др.),
термальные (с температурой свыше 37о С).

По условиям залегания в земной коре различают:
- верховодку,
- грунтовые,
- межпластовые воды.





Верховодка образуется в зоне аэрации, когда инфильтрующаяся вода встречает на своем пути линзы водонепроницаемых пород. Это могут быть линзы глин среди песчаных отложений речных террас или суглинков в водопроницаемых водно-ледниковых отложениях и др. Подземные воды верховодки обычно образуются на сравнительно небольшой глубине и имеют ограниченное по площади распространение (см. рис.). Мощность пород, насыщенных верховодкой, чаще всего бывает до 1 м, редко достигает 2-5 м. Наибольшая мощность отмечается весной в период интенсивного снеготаяния и осенью при обильном выпадении атмосферных осадков. В засушливые годы мощность и количество воды верховодки уменьшаются, а иногда она совсем иссякает. Продолжительность существования верховодки зависит также от размеров и мощности водоупорного ложа, влагоемкости пород и условий питания. Чем больше размеры и мощность водоупорной линзы и интенсивность питания, тем больше сроки существования верховодки.
Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой части коренных пород, залегающего на первом от поверхности, выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. Верхняя граница зоны насыщения называется уровнем или зеркалом грунтовых вод (см. рис.). Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Она изменяется в пространстве и во времени. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, местами за счет инфильтрации вод рек и других поверхностных водоемов.
Гидравлические свойства грунтовых вод. По гидравлическим свойствам грунтовые воды безнапорные со свободной поверхностью. Уровень воды в буровых скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на высоте, соответствующей верхней границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.
Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам или трещинам. Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые потоки движутся от повышенных участков (начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам (оврагам, рекам, озерам, морям), где происходит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки или дренирования (франц. "дренаж" - сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной. Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента, а также от водопроницаемости горных пород.

Движение грунтовых вод через относительно мелкие поры и неширокие трещины происходит в виде отдельных струек и называется ламинарным (параллельно-струйчатым) и только в галечниках, сильно трещиноватых и закарстованных породах приобретает местами турбулентный характер. Скорость движения воды V, по линейному закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости (коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту J:

V=KJ, где J=h /е
Где h - разница высот, е - пройденное расстояние.

Скорость движения воды в песках от 0,5 до 1-5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах.
Расход грунтовых вод (Q) прямо пропорционален гидравлическому градиенту (J) и площади поперечного сечения (F):

Q = KJF, или Q=VF

Режим грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы понижается. При таких колебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В результате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения. Вместе с колебанием уровня грунтовых вод изменяется дебит (франц. "дебит" - расход) источников, а иногда и химический состав. В режиме грунтовых вод определенное значение имеет также их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими водоемами. Направленность процессов взаимодействия во всех случаях определяется соотношением уровней подземных и поверхностных вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В районах с влажным и умеренным климатом реки, как правило, дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод (рис.)

При изучении режима грунтовых вод важно знать:
1) высотное положение их уровня и уменьшение его во времени и по площади;
2) дебит источников;
3) количество выпадающих атмосферных осадков;
4) изменение уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые воды.
Изучение этих вопросов и систематические замеры уровня грунтовой воды в колодцах и специальных буровых скважинах производятся на многочисленных режимных гидрогеологических станциях. По результатам этих замеров, соответствующих определенному времени, строятся карты гидроизогипс (греч. "изос" - равный, "гипсос" - высота), на которых отражаются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и зависимость его уклона от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта.
Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидростанций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях необходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади.
Межпластовые воды – находятся в водоносных горизонтах, расположенных между водоупорами. Эти воды могут быть ненапорными и напорными (артезианскими).
Ненапорные воды находятся в горизонтально залегающих водоносных слоях, заполняют их не полностью.
Напорные (артезианские) воды залегают в водоносных слоях наклонных или смятых в синклинальную складку. Напор получается потому, что отдельные части водоносных слоев залегают на различных уровнях, что и создает напор. У напорных вод площадь питания не совпадает с площадью распространения. Напор артезианских вод характеризуется пьезометрическим уровнем. Он может быть выше земной поверхности, тогда скважина фонтанирует, или ниже ее.



Рисунок - Межпластовые воды. 1 – водоупоры, 2 – водоносные слои,
3 – область питания водой, 4 – буровая скважина, 5 – высота
напора, 6 – пьезометрический уровень.


Лекция №10

ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ГРУНТОВЕДЕНИЯ

1.Грунты. Виды связей в грунтах. Классификация по ГОСТ 25100-95.

Грунты – горные породы, почвы и техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунтоведение – наука о физико-механических свойствах, условиях образования грунтов, изменениях, происходящих в них в ходе природных геологических и инженерно-геологических процессов при строительстве и эксплуатации сооружений.
Основой при классификации, особенно при выделении главной таксономической единицы – классов, является характер связей между частицами грунтов.

Виды связей в грунтах:
1. Жесткие прочные не меняющиеся при увлажнении (структурная связь химической природы)
2. Жесткие прочные, ослабляющиеся при увлажнении (структурная связь химической природы).
3. Подвижные водно-коллоидные, резко меняющие прочность при увлажнении или осушении породы (структурная связь за счет молекулярного и ионно-статического взаимодействия).
4. Отсутствие структурных связей (связь за счет – силы трения).

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:
класс – по общему характеру структурных связей,
группа – по характеру структурных связей, включая их прочность,
подгруппа – по происхождению,
тип – по вещественному составу,
вид – по наименованию грунта (с учетом размера частиц и показателей свойств)
разновидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

Согласно ГОСТ 25100-95 выделяются следующие классы грунтов:
1. Класс природных скальных грунтов.
2. Класс природных дисперсных грунтов.
3. Класс техногенных грунтов.
4.Класс природных мерзлых грунтов.

Класс природных скальных грунтов включает группы скальную со связями жесткими прочными, не меняющимися при увлажнении (магматические, метаморфические породы, песчаники, конгломераты на кремнистом цементе, известняки, доломиты) и полускальную со связями в грунтах жесткими прочными, меняющимися при увлажнении или осушении (диатомит, трепел, мел, мергель, гипс, ангидрит, галит).

Класс природных дисперсных грунтов – включает группы связных грунтов с водно-коллоидными связями (с видами: - глинистые грунты – супеси, суглинки глины, илы, сапропели заторфованные земли, почвы, торф) и несвязных грунтов (с видами: пески и крупнообломочные грунты).
Классы природных дисперсных и природных мерзлых грунтов требуют от строителей особого внимания, поскольку их устойчивость и прочность как оснований сооружений непостоянны и меняются в зависимости от изменений условий внешней среды (температуры и влажности).
Природные дисперсные и мерзлые грунты – рыхлые или связные горные породы, состоящие из частиц, не связанных между собой (пески, крупнообломочные грунты) или связанных таким образом, что прочность связей во много раз меньше прочности самих частиц (глинистые грунты, часть мерзлых грунтов).

2. Нескальные грунты как дисперсные системы. Фазовый состав грунтов.
Дисперсные грунты – накопления мелких частиц в виде песчаных или глинистых образований. Грунты состоят из твердых минеральных частиц, поры между ними заполнены водой и газом. В грунтах взаимодействуют три фазы: твердая, жидкая и газообразная (в мерзлых грунтах находится и 4-ая фаза – лед).
В зависимости от роли фаз в проявлении тех или иных свойств грунтов все грунты делятся на системы:
Однофазные - твердая фаза + газ (сыпучие грунты – крупнообломочные и песчаные, в которых газ сообщается с атмосферой и не влияет на свойства грунтов).
Двухфазные - твердая фаза + вода (водонасыщенные песчаные и глинистые грунты, находящиеся ниже УГВ).
Трехфазные – твердая фаза + вода + газ (водонасыщенные песчаные и глинистые грунты, находящиеся ниже УГВ; газ находится в замкнутых порах и не влияет на свойства грунтов).
Четырехфазные – твердая фаза + вода + газ + лед (мерзлые грунты).

3.1. Твердая фаза. Вещественный и гранулометрический состав.

Состав твердой фазы:
минеральная часть органическая часть
первичные вторичные торф гумус
минералы минералы
скелет грунта цемент грунта
кварц, полевые глин., крем.,
шпаты карб, железис-
тый мат- лы


Торф и гумус – нежелательные примеси, придающие грунтам пластичность, повы-шенную влагоемкость, слабую водоотдачу, плохую водопроницаемость, повышенную сжимаемость.
Гранулометрический состав грунтов. Сыпучие и связные глинистые грунты представляют собой смесь частиц различного размера. В зависимости от размера частицы объединяются во фракции. Фракция – группа частиц с одинаковым диаметром определенного диапазона. Гранулометрический состав – процентное содержание фракций по массе. Природные грунты большей частью – смесь различных фракций - песчано-гравийная, галечно-гравийная и т.д. Гранулометрический состав определяется гранулометрическим анализом.


2.2. Жидкая фаза. Виды воды в грунтах.
Вода в грунтах находится в следующих видах: твердая (лед), газообразная, (водяной пар), жидкая и химически связанная. Хим. связанная вода входит в состав минералов и отражена в формуле (гипс – СаSO4 2Н2О). Газообразная вода находится в воздухе, заполняющем поры (кол-во не превышает 0.001 % от массы грунта). Твердая вода – в мерзлых грунтах с отрицательной температурой.
Жидкая вода в зависимости от степени связности с твердыми частицами делится на гигроскопическую, пленочную, гравитационную и капиллярную. Гигроскопическую и пленочную воду называют физически связанной водой, т.к. они удерживаются на поверхности частиц с помощью электромолекулярных сил.
Гигроскопическая (прочносвязанная) вода образует на поверхности твердых частиц пленки толщиной в несколько молекул, удерживающиеся на ней электромолекулярными силами величиной до 1000 МПа; имеет плотность 1.5 г/см3, замерзает при -78о, не растворяет солей, обладает сопротивлением сдвигу. Удаляется из грунта под большим давлением или при очень высоких температурах.
Пленочная (рыхлосвязанная) вода покрывает пленкой гигроскопическую воду и удерживается на частицах электромолекулярными силами величиной в сотни атмосфер. Эта вода может передвигаться от частиц с большей толщиной пленок воды к частицам с меньшей толщиной пленок, имеет повышенную вязкость, плотность выше 1 г/см3, замерзает при темп. ниже 0о, обладает пониженной растворимостью. С пленочной водой связаны такие свойства глинистых грунтов как набухание, усадка, пучение и пластичность.
Гравитационная (свободная или поровая) вода заполняет поры, трещины, каверны в грунтах и передвигается в них под влиянием силы тяжести. Это – обычная вода, она образует водоносные горизонты в водопроницаемых породах.
Капиллярная вода заполняет трещины и поры в грунтах, удерживается в них силами поверхностного натяжения. Она располагается над УГВ и поднимается над ним под действием капиллярных сил. Высота подъема зависит от размера пор грунта ( от размера частиц грунта ) и составляет: в песке крупном – 1.5 м, в песке средней крупности – О.5м, в песке мелком – 1.0 м, в супеси – 1.0–2.0 м, в суглинке – 1.2–2.5 м, в глине – 3.0 – 4.0 м. С капиллярной водой связаны засолонение почв и появление сырости в подвалах.


2.3. Физические свойства грунтов
К ним относятся: плотность грунта, плотность частиц грунта, влажность, коэффициент пористости, степень водонасыщения.
Плотность грунта, ( – отношение массы грунта к его объему в природном состоянии. Зависит от влажности, пористости, минерального состава, ед. измерения – г/ см3, варьирует от 0.8 (торф) до 2.4 г/см3 (тяжелые глины).
Плотность частиц грунта, (z – отношение массы частиц к занимаемому ими объему в предельно плотном сложении. Зависит только от минерального состава, ед. измерения - г/см3, варьирует от 2.64 (пески) до 2.74 г/см3 (глины).
Влажность, w – отношение массы воды, содержащейся в порах, к массе частиц грунта, выраженное в процентах или долях единицы.
Коэффициент пористости, е – отношение объема пор к объему частиц грунта, отражает плотность сложения грунта, выражается в долях единицы.
Коэффициент водонасыщения, Sr - отражает степень заполнения пор водой (доли ед.); для пород, залегающих выше УГВ, по величине Sr различают разновидности:
маловлажные (Sr < 0,5),
влажные (0.5-0.8),
насыщенные влагой (0,8-1).

Грунты, залегающие ниже УГВ, имеют величину Sr , близкую к 1.

3. Класс природных дисперсных грунтов.
3.1. Виды пески и крупнообломочные грунты.

РАЗНОВИДНОСТИ
по гранулометрическому составу:
Разновидность Размер частиц, мм Содержание
частиц, %
Крупнообломочные:
валунный (глыбовый) >200 >50
галечниковый (щебенистый) >10 >50
гравийный (дресвяный) >2 >50
Пески:
гравелистый >2 >25
крупный >0.50 >50
средней крупности >0.25 >50
мелкий >0.10 >75
пылеватый >0.10 <75


Разновидности песков по плотности сложения с учетом
коэффициента пористости (е):
Пески
Плотность сложения песков


плотные
средней плотности
Рыхлые

Гравелистые, крупные, средней крупности
< 0,55
0,55-0,70
> 0,70

Мелкие
< 0,60
0,6-0,75
< 0,75

Пылеватые
< 0,6
0,6-0,8
> 0,8


Прочность крупнообломочных грунтов зависит только от прочности частиц. Эти грунты – надежное основание сооружений, используются для грунтовых подушек и как заполнитель в бетоны.
Пески обладают средней или хорошей водопроницаемостью, под нагрузкой от сооружений уплотняются быстро и незначительно. Маловлажные и влажные пески – надежное основание сооружений. Пески – компонент строительных растворов, пески средней крупности и крупные – заполнитель в тяжелые бетоны.
3.2. Вид глинистые грунты. Водно-физические свойства, разновидности, классификационные показатели, инженерно-геологические особенности.

Разновидности выделяются по числу пластичности (содержанию глинистых частиц), показателю текучести и др. признакам.
Глинистые грунты – особые по свойствам и наиболее распространенные основания сооружений. Тип связи в них водно-коллоидный (связь между твердыми частицами осуществляется через пленки воды). Свойства глинистых грунтов зависят от содержания глинистого материала, влажности и минерального состава.
В числе глинистых минералов находятся: монтмориллонит, гидраргиллит, каолинит, глауконит и др. Кроме них имеются пылеватые, песчаные и более крупные частицы.
Водно-физические свойства глинистых грунтов
Пластичность – способность глинистого грунта изменять свою форму под внешним давлением без разрыва сплошности и изменения объема и сохранять вновь приобретенную форму после прекращения внешнего воздействия. Пластичность проявляется в определенном диапазоне влажности, границами которого являются пределы пластичности.
Пределы пластичности – граничные значения влажности, при изменении которых грунт переходит из одного состояния в другое:
Wp – нижний предел (предел раскатывания) - влажность, при уменьшении которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое, а при увеличении – из твердого в пластичное.
Wl – верхний предел (предел текучести) – влажность, при увеличении которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние, в при уменьшении – из текучего в пластичное.

Wp Wl
Твердое состояние пластичное состояние текучее состояние
Гигроскопическая вода пленочная вода свободная вода

Число пластичности – разность между верхним и нижним пределами:
Jp = Wl – Wp

Число пластичности отражает содержание глинистых частиц в грунте:
Разновидность
Число пластичности, JP
Сод-ие глин. частиц, %.

Cупесь
1-7
3-10

Суглинок
7-17
10-30

Глина
>17
>30


Разновидности глинистых грунтов по показателю текучести, Jl = W – Wp /Jp Для супесей
Разновидности
Индекс текучести, Jl

Супесь твердая
>0

Супесь пластичная
0
Супесь текучая
Jl>1

Для суглинков и глин
Разновидности
Индекс текучести Jl

Твердые
<0

Полутвердые
0 - 025

Туго пластичные
0,25 - 0,5

Мягко пластичные
0,5 - 0,75

Текуче пластичные
0,75 - 1

Текучие
> 1


Число пластичности и показатель текучести важны при оценке глинистых грунтов как оснований сооружений.
Набухание и усадка. Набухание происходит при поглощении грунтом влаги и сопровождается увеличением его объема.
Оценивается по величине относительной деформации набухания без нагрузки:
(sw = (h1 – ho) / ho
где ho- первоначальная высота образца, h1 – высота образца после набухания.

Если (sw > 0,04 - грунт набухающий.
При увеличении объема грунта в связи с набуханием грунты оказывают давление на здание величиной от 0.3 до 1 МПа. Это значительная величина, если учесть, что давление здания на грунт в зависимости от типа фундамента меняется в пределах 02– 0,4 МПа. Причина набухания – увеличение толщины пленок рыхлосвязанной воды. Набухание особенно велико в монтмориллонитовых глинах, где наряду с увеличением толщины пленок влага поглощается самим минералом с резким увеличением его объема. В результате может произойти деформация зданий.
Усадка – процесс обратный набуханию. Происходит при потере влаги при испарении или осушении грунта растительностью. При этом объем грунта уменьшается, а на поверхности земли образуются трещины усыхания, глубиной до 1–3 м.
Предел усадки (относительная усадка): 13 EMBED Equation.3 1415
(sh = (Vo – V) / Vo
где Vo – объем грунта до усадки, V - объем грунта после усадки.

Наибольшая усадка - у глин и тяжелых у глин; водостойкими являются тяжелые глины и все глины морского происхождения.суглинков, особенно содержащих монтмориллонит. Усадка свыше 25 – 30 % может привести к деформации зданий.
Размокание – происходит у супесей, суглинков, частично – у глин.
Липкость обусловлена пленками физически связанной воды; вязкость этих пленок проявляется как внутри, так и на поверхности грунта. Липкостью обладают суглинки и глины, особенно обогащенные гумусом. Величина липкости достигает 0.025 МПа. Для ее нейтрализации в грунт добавляют песок.
Водопроницаемость природных дисперсных грунтов различна: песчаные и крупнообломочные грунты водопроницаемы, супеси и суглинки – слабо водопроницаемы, глины являются водоупорами.

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики: сжимаемость и сопротивление грунта сдвигу (Ананьев, Потапов, 2000, с 153-159). Песчаные и крупнообломочные грунты, под нагрузкой сжимаются быстро и незначительно, они сжимаются даже при кратковременной нагрузке – вибрации, трамбовке.
Сжимаемость глинистых грунтов происходит из-за уменьшения их пористости. Это – длительный процесс: вначале из грунта уходит под нагрузкой вода, только потом давление передается на частицы грунта. Чем ни меньше водопроницаемость грунта, тем медленней из него выходит влага. Поэтому супеси сжимаются быстрее суглинков, а суглинки – быстрее глин. Сильно сжимаются – заторфованные грунты и торф.

4.3. Органоминеральные и органические грунты. Почвы.
К органоминеральным грунтам относятся илы, сапропели, заторфованные грунты (Ананьев, Потапов, 2000, с. 215-220). Торф – очень влагоемкая порода, обладающая сильной сжимаемостью под нагрузкой, (в 60 раз большей, чем у глины).
Почва – поверхностный плодородный слой дисперсного грунта, образованный при совместном действии процессов выветривания и почвообразования. В составе почвы находятся глинистые породы и продукты разложения органического мира. Глинистые породы образуются при выветривании материнских пород, а при почвообразовании накапливаются гумус (перегной) и торф. Гумус – сложный органоминеральный комплекс, обогащенный С, О, Н, N. Эти элементы образуют гуминовые кислоты (растворимый продукт), гумин (нерастворим в щелочах), белки, жиры, углеводы, смолы. Почвы дают зольную и азотную пищу растениям. Мощность почв достигает 1-2 м.

Типы почв выделяются в зависимости от климатических зон:
1. Тундровые – бедны гумусом (до 3%), торфянистые. М – 0,3 м.
2. Подзолистые (лесные) – гумуса до 4%, цвет серый.
3. Серые почвы лесостепи.
4. Черноземные лугово-степные, гумуса до 25 % , цвет черный. М - 1-2 м.
5. Сухие каштановые и бурые, развитые в зонах сухого континентального климата, гумуса – 3-5%.
6. Светло-серые сероземы пустынь и полупустынь с участками солончаков и солонцов; гумуса – 1-1,6%.
7. Красноземы, обогащенные гидроокислами железа и алюминия, развиты во влажных субтропиках.

Почвы Тамбовской области:
1 Черноземы типичные (на юге области среди них – черноземы солонцеватые)
2. Черноземы выщелоченные.
3. Дерново-подзолистые.
4. Серые лесные песчаные (подзолистые).
5. Лугово-черноземные.
6. Пойменные.
7. Болотные.

Почвы – ненадежное основание сооружений; почвы, содержащие гумус и торф, обладают повышенной сжимаемостью, что может вызвать сильную осадку зданий. Солончаковые почвы при увлажнении набухают. При строительстве нужно проводить рекультивацию почв по схеме: снятие почв – хранение - восстановление почвенного покрова.

4. Класс техногенных грунтов. Техническая мелиорация грунтов
( см. Ананьев, Потапов, 2000, с. 227-251)
К техногенным грунтам относятся естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования. В класс техногенных грунтов входят группы скальных, полускальных, дисперсных связных и несвязных грунтов. В группах выделены подгруппы грунтов: измененные в условиях их естественного залегания физическим или физико-химическим воздействием, природные перемещенные образования (насыпные и намывные) и антропогенные образования.
Намывные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых проведена с помощью средств гидромеханизации.
Насыпные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществлена с помощью транспорта или взрыва. Они создаются специально в строительных целях (дамбы, насыпи, грунтовые подушки) или возникают вследствие производственной или культурно-бытовой деятельности (отвалы рудников, бытовые свалки, культурные слои городов). Специальные строительные насыпи создают с учетом их последующего использования, поэтому они имеют определенный состав (гравийный, щебенистый, песчаный и др.) и необходимую плотность. Их применяют в качестве улучшенных оснований сооружений вместо заторфованных или глинистых грунтов, а также для дамб и дорожных насыпей.
Культурные слои развиты на территории старых городов, это – отвалы при земляных работах, строительный мусор, остатки фундаментов, накопления пыли, ливневых наносов, растительных остатков. Мощность - до 30-40 м.
При строительстве на техногенных грунтах проводят инженерно-геологические исследования для изучения условий их залегания и прочностных характеристик.
Техническая мелиорация (улучшение) грунтов применяется для изменения свойств пород, являющихся основанием сооружений (увеличения прочности, понижения водопроницаемости). Лессовый грунт улучшают цементацией, трамбовкой, обжигом, битуминизацией. Глинистые пластичные породы подвергают дренажу, электрохимическому закреплению, силикатизации, замораживанию, трамбовке, обжигу, уплотнению сваями, крупнообломочные породы - цементации, глинизации.

5. Класс природных мерзлых грунтов.
Мерзлые грунты обладают структурами с криогенными связями (структуры, скрепленные льдом). Мерзлое состояние грунтов бывает временным и постоянным (вечным).
Временная мерзлота характерна для грунтов при сезонном промерзании. При промерзании дисперсные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную прочность, а при таянии они ее теряют и становятся водонасыщенными. При этом органоминеральные и органические грунты могут переходить в разжиженное состояние с малой несущей способностью и выдавливаться из под сооружений. В строительстве учитывают глубину сезонного промерзания, которая зависит от климата и от состава грунтов. В Тамбовской области расчетная глубина сезонного промерзания - 1,4 м.
Вечная (многолетняя) мерзлота развита в России на севере Европейской части и в Сибири. Территорию вечномерзлых грунтов делят на три зоны:
зону сплошной мерзлоты (крайний север, мощность мерзлой толщи - сотни метров, температура грунтов - -7-12оС),
зону мерзлоты с таликами (расположена южнее, среди мерзлых толщ находятся талые породы, мощность мерзлоты – 20-60 м, температура – 0,2- - 2о С),
зону островной мерзлоты (юг Сибири, мерзлые грунты развиты отдельными участками, их мощность – 10-30 м, температура около 0о С).
Вечномерзлая толща по вертикали делится на деятельный слой (сезонная мерзлота, оттаивающая летом) и собственно мерзлую толщу. Различают слившуюся мерзлоту, когда деятельный слой промерзает зимой полностью до вечной мерзлоты, и неслившуюся, (зимой между замерзшим деятельным слоем и вечной мерзлотой остаются талые породы). В деятельном слое располагается надмерзлотная грунтовая вода, водоупором для нее служит вечная мерзлота. В толще многолетней мерзлоты иногда содержатся линзы льда (погребенные льды).
Главную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески, и др.), скальные грунты развиты незначительно.

По физическому состоянию мерзлые грунты делятся три вида:
твердомерзлые (скальные грунты),
пластично-мерзлые (сцементированные льдом глинистые грунты, иногда содержащие незамерзшую воду),
сыпучемерзлые (пески и крупнообломочные грунты, находящиеся в рыхлом состоянии).

Процессы, связанные с вечной мерзлотой (криогенные процессы):

Морозное пучение проявляется в виде локальных поднятий при промерзании деятельного слоя. Весной при оттаивании грунта на таких местах возникают ямы глубиной до 0,5 м.
Бугры пучения образуются в результате подъема деятельного слоя за счет давления снизу напорных межмерзлотных вод. Бугры растут несколько лет до высоты 10 и более метров.
Термокарст образуется при вытаивании льда из бугров пучения. При этом возникают провалы, небольшие западины и озера.
Грунтовые наледи возникают при прорыве воды на поверхность из замерзающего деятельного слоя.
Солифлюкция – оплывание оттаивающих летом грунтов на прогреваемых солнцем склонах местности (с крутизной 5-10о). Мощность оттаявшего грунта – 0,2-0,3 м.

Строительство в зонах многолетней мерзлоты
ведется по трем принципам:
1. Без учета мерзлого состояния грунтов (на скальных грунтах).
2. При сохранении мерзлого состояния грунтов (для складских и неотапливамых помещений)
3. С предварительным оттаиванием грунта и заменой его грунтовыми подушками, (песчаными или щебенистыми).


Лекциия № 11
ОБЪЕМНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ

Осадка, просадка, усадка, набухание, сдвижение.

1.Осадка – уплотнение грунтов оснований под воздействием увеличения нагрузки от строящихся и уже возведенных зданий и сооружений. Происходит в любых грунтах. Бытовая нагрузка – на глубине 10 м составляет 0,2 МПа.
Модуль осадки:
ep = 1000(h/ h0 (мм/м) –
величина сжатия в мм слоя грунта высотой в 1 м при применении к нему дополнительной нагрузки р.
(h – изменение мощности слоя грунта в мм при приложении к нему дополнительной нагрузки; h0 - мощность слоя грунта в м.

ер, мм/м
характер сжимаемости грунта

< 1
несжимаемые – скальные грунты;

1 – 5
слабо сжимаемые – к/обл. грунты;

5 – 20
средне сжимаемые - песчаные и глинистые грунты;

20 – 60
повышенно сжимаемые – песчаные и глинистые грунты;

>60
сильно сжимаемые – торф и глинистые за торфованные грунты.


2. Просадка – уплотнение грунта при действии постоянной нагрузки р при замачивании или оттаивании.
Относительная просадочность:
(Sl = (hp –hp” )/ h0
Где hp – мощность слоя (высота образца) грунта при принятом давлении «р»; h0 - мощность слоя (высота образца) грунта при природном давлении; hp” – мощность слоя (высота образца) грунта при принятом давлении «р», при замачивании или оттаивании.

если (Sl < 0,01 – грунт непросадочный,
если (Sl > или = 0,01 – грунт относится к просадочным.

К просадочным грунтам относятся лессовые породы (лессы, лессовидные суглинки, супеси, глины) и мерзлые грунты. Просадочность в лессовых породах проявляется при их замачивании, а в мерзлых грунтах – при оттаивании.
Различают два типа просадочных грунтов. К первому типу относят участки, где просадка происходит только под действием дополнительной нагрузки от здания (соружения); ко второму типу относят участки, на которых просадка происходит при замачивании под действием собственного веса грунта.

3.Усадка – уменьшение объема грунта вследствие потери им влаги, высыхании. Высыхание грунта может происходить за счет испарения воды или вследствие отсасывания из грунта воды корнями деревьев, которые посажены слишком близко к зданию, и их корни проникают под фундамент. Усадка характерна для глинистых грунтов. В результате усадки появляются трещины, максимальная глубина которых может достигать 1 – 2 м. При этом грунт теряет монолитность, прочность. Здания, стоящие на этом месте, начинают деформироваться.

Величину относительной усадки (предел усадки) оценивают по формуле (Sh == (hn – hd) / hn
где hn – высота образца грунта с wmax; hd – высота образца после высыхания с влажностью на пределе усадки wsh

Наибольшая величина предела усадки бывает в глинах, меньше – в суглинках, в супесях усадки не бывает.

4. Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Это может происходить при подъеме уровня грунтовых вод, обильных атмосферных осадках, затоплении местности. Этот процесс происходит в глинах и тяжелых суглинках. Набухающие грунты обычно залегают слоями и нередко встречаются на поверхности земли в сухих районах. При увеличении объема грунта возникает давление набухания (Psw), которое может достигать 0,8 – 1,2 МПа. Такая сила набухания может легко поднять и деформировать здание или сооружения.
Механизм набухания можно представить следующим образом: оно происходит при соприкосновении сухих или слабо влажных грунтов с водой, при этом вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются, частицы грунта раздвигаются и его объем увеличивается. Наиболее сильно поглощает воду и «разбухает» монтмориллонит.
Способность глинистого грунта к набуханию оценивают по величине относительной деформации набухания без нагрузки - (sw ( ГОСТ 25100-95 ) или величине относительного набухания (Ананьев, Потапов, 2000):
(sw = ( hнс - h ) / h,
где h – начальная высота образца грунта, hнс – высота образца после набухания.

По этой величине выделяют следующие разновидности глинистых грунтов:
разновидность
(sw, д.е.

ненабухающий
< 0,04

слабонабухающий
0,04 – 0,08

средненабухающий
0,08 – 0,012

сильнонабухающий
> 0,012


При строительстве на набухающих грунтах используют следующие мероприятия:
- Водозащита вокруг зданий для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод: вокруг здания делают широкие асфальтовые отмостки, канавы и лотки для отвода вод.
- Устранения свойств набухания грунта путем предпостроечного замачивания с использованием дренирующих скважин – грунт набухает и в таком состоянии находится весь период эксплуатации. На таком грунте можно строить только объекты с небольшими нагрузками, т.к. в грунтах понижаются деформативные и прочностные характеристики.
- Полная или частичная прорезка фундаментом слоя набухающего грунта.
- Полная или частичная замена набухающего грунта ненабухающим - применяется для набухающих грунтов с небольшой мощностью слоев.
- Увеличение давления здания на основание, чтобы оно было больше Psw/.

5. Сдвижение массивов горных пород. Так называют деформацию пород, залегающих непосредственно над горными выработками или выработанными пространствами. Это происходит потому, что горные породы в земной коре находятся в естественном напряженном состоянии, вызванном гравитационными силами. Проходка подземных горных выработок (штолен, штреков, туннелей) вызывает в массиве пород перераспределение напряжений, причем на одних участках возникает повышенное сжатие, на других – растяжение. При концентрации напряжений возникает горное давление, действующее на крепь подземных выработок. Его величина меняется от 0 до 1200 МПа. В результате на поверхности земли и вокруг горных выработок возникают инженерно-геологические явления: горные удары, выбросы пород, пучение, обрушение, сдвижение массива горных пород. При сдвижении в массиве происходит изгиб пластов или обрушение пород, а поверхность земли искривляется и опускается вместе с сооружениями.
Участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению, называют мульдой сдвижения.

Рисунок – Мульда сдвижения: 1 - поверхность земли, 2 - поверхность мульды, 3 – деформирующийся массив горных пород, 4 – подземная выработка, 5 – угол сдвижения.

Величина осадки поверхности земли составляет 0,1 – 0,9 (обычно 0,6   0,7) от высоты подземной выработки. Глубина центральной части мульды колеблется от долей метра до 1 -0 2 м. Оседание земной поверхности может длиться месяцы и годы.


Лекция № 12

Гравитационные процессы на склонах рельефа
местности.

Горные породы на склонах нередко находятся в неустойчивом состоянии. Под действием силы тяжести, атмосферных осадков, поверхностных, а иногда и подземных вод они могут смещаться вниз по склону. В результате этого возникают осыпи, курумы, обвалы, оползни и сели.

Осыпи. На крутых склонов в горных районах, где развиты скальные породы, активно действуют процессы физического выветривания. Продукты выветривания: глыбы, щебень, дресва, пески скатываются вниз по склону. Это – процесс осыпания. В результате этого процесса у подножия склонов образуются валы – осыпи, состоящие из обломков различного размера. Мощность осыпей колеблется от первых метров до десятков метров. В состав осыпей входят обломки пород, которые слагают склоны. Характер осыпей зависит от состава пород, слагающих склоны. На склонах, сложенных массивными кристаллическими породами, например, гранитами, образуются глыбовые осыпи. На склонах, сложенных менее прочными породами, накапливается щебень или дресва. А там, где выходят сланцы, известняки, мергели, песчаники, осыпи состоят из обломков различной формы (плитчатой пластинчатой) и величины (от глыб и щебня до дресвы и песка).
Особенностью осыпей является их подвижность. Скорость движения больше в верхних слоях – до 1 м/год и более, меньше – в нижних слоях. Скорость оползания зависит от количества материала, угла склона и угла естественного откоса материала, из которого состоит осыпь.
Угол естественного откоса – максимальный угол, при котором породы находятся в устойчивом состоянии – не оползают, не оплывают. У каждой породы рыхлого сложения есть свой угол естественного откоса. Он зависит от размера частиц, слагающих породу, степени их окатанности, плотности сложения породы. Для глыб, щебня, дресвы (в сухом состоянии) угол естественного откоса варьирует от 35-37 до 43-45о и более, для песков – от 26 до 43о. Этот угол примерно равен углу внутреннего трения.
Степень устойчивости осыпей определяют при помощи коэффициента устойчивости:
K = a / (,
где а – угол поверхности склона, ( - угол естественного откоса породы.

По степени подвижности различают осыпи действующие (живые и подвиж-ные), затухающие и неподвижные:

ТИП ОСЫПИ
ВЕЛИЧИНА КУСТ
ВЕЛИЧИНА а

Живые
1,0
> 67

Подвижные
0,7 – 1,0
45 – 67

Затухающие
0,5 – 0,7
<45

Неподвижные
< 0,5
< 45


Затухающие, а особенно, неподвижные осыпи покрыты растительностью.

Осовы   осыпи, насыщенные водой. При смачивании уменьшается угол естественного откоса материала, слагающего осыпь, Куст увеличивается, и вся осыпь «осовывается» вниз по смоченной поверхности склона.
Защита сооружений от осыпей и борьба с ними: осыпи усложняют строительство: засыпают дороги, полезные площади, сооружения. Небольшие щебеночные осыпи, расположенные выше сооружения по склону, убирают. Из инженерных сооружений применяют улавливающие и подпорные стенки, устраивают козырьки и сетки над дорогами, проложенными в основании склонов с осыпями. В тех местах, где развиты мощные медленно соскальзывающие осыпи, устраивают галереи и тоннели для дорог. При борьбе с осовами используют также методы осушения.

Курумы – россыпи каменного материала, состоящие из глыб с примесью щебня. Эти россыпи покрывают склоны горных хребтов. Широко развиты в горных районах, в области многолетней мерзлоты. В этих условиях каменные россыпи сползают вниз по склонам, накапливаясь у их подножия. Мощность таких россыпей достигает у подножия 15 и более метров. Характерная особенность курумов подвижность. Масса каменного материала сползает вниз по глинисто-суглинистым, нередко мерзлым породам, покрывающим склоны, со скоростью от сантиметров до десятков см в год. Курумы делятся на действующие и затухающие. Действующие очень подвижны, в них пустоты между глыбами не заполнены, растительность на них отсутствует. Затухающие курумы задернованы и покрыты растительностью. При движении курумы разрушают сооружения, засыпают полезные площади. В борьбе с курумами используют взрывные работы, осушают их глинистую подстилку, для чего в верхней части склона отводят ручьи нагор-ными канавами или используют дренаж.

Обвалы – обрушение крупных масс горных пород с опрокидыванием и дроблением. Они возникают на крутых (более 45 – 50о) склонах рельефа местности (склоны речных долин, ущелья, побережья морей и озер), в строительных котлованах других горных выработках. Наиболее часто обвалы происходят в горных районах, сложенных трещиноватыми скальными породами. Способствуют возникновению обвалов подрезка или подмыв склонов, избыточное увлажнение пород, перегрузка обрывов, землетрясения. Обвалы проявляются в периоды дождей, снеготаяния, весенних оттепелей, а также после неправильно проведенных взрывных работ. По объему обвалы различны. Это могут быть отдельные глыбы (их называют вывалами), массы пород в десятки кубометров, катастрофические обвалы, когда обрушиваются миллионы и миллиарды кубометров пород. Примером гигантского обвала является обрушение в 1911 г. на Памире 7 млрд. т пород, запрудивших реку с образованием Сарезского озера.
Мероприятия по борьбе с обвалами сводятся к их предупреждению и осуществлению защитных работ. Там где возможны крупные обвалы, проводить строительство не рекомендуется. Для предупреждения малых обвалов проводят искусственное обрушение склонов путем взрывов небольшой мощности или забивки клиньев в трещины. Устраивают подпорные и улавливающие стенки, рвы, отводят поверхностные воды. В строительных выемках ставят подпорные или временные шпунтовые стенки, подпорные щиты.

Оползни – скользящие смещения горных пород на склонах под действием гравитации при участии поверхностных или подземных вод. Широко развиты на склонах долин, оврагов, балок, по берегам морей и озер, в бортах искусственных выемок. Они разрушают сооружения на склонах и ниже их. Деформациям подвергаются железные и шоссейные дороги, колодцы, системы водоснабжения и водоотведения. Ежегодно оползни приносят ущерб на Черноморском побережье Кавказа, в долинах Волги и др. рек. В Тамбовской области оползневые явления чаще всего происходят в Кирсановском районе.
Внешний облик оползневых склонов имеет ряд признаков, по которым можно установить, что склон находится в неустойчивом состоянии: там, где происходит отрыв породы, видны серии концентрических трещин, ориентированных вдоль склонов, сползание пород приводит к бугристости склонов в их нижней части, у подошвы склонов образуются валы выдавливания, между буграми и валами иногда скапливаются поверхностные и подземные воды, в верхней части склонов видны оползневые террасы, на залесеных склонах часто бывает «пьяный лес».
Для развития оползней нужен ряд условий: высота, крутизна и форма склонов, геологическое строение, гидрогеологические условия и свойства пород, слагающих склоны. Оползни происходят на склонах круче 15о, особенно - на склонах выпуклой и нависающей конфигурации и чаще всего там, где слои залегают с падением в сторону склона. Типичные оползневые породы – суглинки. Большинство оползней приурочено к выходам подземных вод.
Степень устойчивости склонам определяют коэффициентом:
Куст = ( N tg ( + C F ) / T
где T – сдвигающая составляющая веса массива грунтов, N – нормальная составляющая веса массива, F – площадь поверхности скольжения оползня, C – удельное сцепление пород, слагающих склон, tg( - коэффициент внутреннего трения.

Числитель – сумма сил, сопротивляющихся возникновению оползня, в знаменателе – сталкивающие силы. Сталкивающие силы: вес массива грунта и расположенных на нем сооружений, давление подземных вод.
При Куст > 1 склон устойчив,
при Куст =1 склон находится в равновесии,
при Куст < 1 склон неустойчив, и может произойти оползание:



Причины оползней:
1.Процессы, изменяющие внешнюю форму и высоту склона: колебания базиса эрозии рек и оврагов, разрушающая работа волн и текучих вод, подрезка склонов.
2. Изменение структуры и физико-механических свойств пород, слагающих склон, за счет выветривания, увлажнения подземными, дождевыми, талыми и хозяйственными водами, суффозии.
Дополнительная нагрузка на породы, слагающие склоны: гидродинамическое давление при фильтрации воды в сторону склона, гидростатическое давление воды в порах и трещинах пород, искусственные статические и динамические нагрузки на склон, сейсмические явления.

В оползне выделяют следующие элементы:

Рисунок – Элементы оползня: 1 – тело оползня, 2 – поверхность скольжения, 3 – бровка отрыва, 4 – оползневые террасы, 5 – вал выпирания, 6 – подошва оползня, 7 – форма склона до оползня, 8 – коренные породы.

Скорость движения оползней различают:
соскальзывающие (тело оползня перемещается мгновенно),
постепенно сползающие (скорость от мм и до десятков метров в час).

Различают оползни:
недействующие (сползание произошло давно, такие оползни приходят в движение только при подрезке склона),
действующие.
Действующие оползни требуют применения противооползневых мероприятий. Проводят количественную оценку устойчивости склона (определяют коэффициент устойчивости конкретного склона).
Мероприятия по обеспечению охранной обстановки:
- запрещение рубки леса, корчевания и разработка участков под огороды, уничтожение кустарников и травяного покрова;
- запрещают любые разработки грунта в пассивной зоне – у подножия склона, загрузка склона в активной зоне – у бровки, увеличение крутизны склона, вскрытие неустойчивых грунтов;
- запрещение спуска поверхностных вод и полива склона;
запрещение применения взрывных работ, забивка свай;

Берегозащитные мероприятия на водотоках и водоемов у подножия склонов:
отвод и выправление русел,
устройство защитных покрытий склонов, лотков, перепадов, стен – набережных.

Водоотводные и осушительные мероприятия:
- заделка трещин, устройство покрытий, дамб, обвалования, нагорных и осушительных каналов, лотков, каптаж источников;
- обустройство дренажей – продольных и поперечных канав и галерей, дренажных шахт и поглощающих колодцев;
- выполнение изоляции – глинизации, замораживания грунтов.
Землеустроительные мероприятия:
съем оползневых масс,
срезка активной части оползня,
очистка скальных откосов,
террасирование и выполаживание склона,
отсыпка грунта у подножия склона.

Подпорные сооружения:
шпунтовые стенки,
одпорные стенки (каменные, бетонные, ж/бетонные).

Покрытия (для закрепления поверхности склона и защиты от ливневых вод) – из песчаного, гравелистого галечного материала, шлакоглинобетона, асфальта.

Использование растительности для закрепления и осушения склона:
- травосеяние,
- посадка влаголюбивых кустарников, деревьев.

Искусственное уплотнение и закрепление грунтов на склоне:
цементация,
силикатизация,
битуминизация,
глинизация.

Обеспечение устойчивости сооружений:
удаление неустойчивого массива (до устойчивых пород),
закладка глубоких фундаментов, опирающихся на устойчивые породы,
устройство деформационных швов,
использование каркасных конструкций.










13PAGE 15


13PAGE 142815



Рисунок 1 – Геосферы Земли

Рисунок 2 - Типы земной коры.

Континент

Океан

Горный
хрусталь

Аметист

Морион

Опал

Гематит

Лимонит


Кристаллы кальцита: а ромбоэдрический; б скаленоэдрический; в призматический; г таблитчатый.

Кальцит

Гипс

Биотит

Тальк

Лабрадор

Гранит






Рисунок - Различные случаи соотношения речных и грунтовых вод: А - уровень грунтового потока наклонен к реке (обратное соотношение в период половодья); Б - уровень грунтовых вод наклонен от реки (питание происходит за счет инфильтрации речных вод); 1- водопроницаемая порода; 2- водонепроницаемая порода; 3- уровень подземных вод

Рисунок - Схема грунтовых вод и верховодки: I- зона аэрации; II- зона насыщения; 1- почвенные и капиллярно-подвешенные воды, 2- песчаные водопроницаемые породы, 3- водонепроницаемые породы, 4- грунтовые воды, 5- уровень грунтовых вод, 6- направление движения грунтовых вод, 7- капиллярно-поднятая вода, 8- нисходящий источник, 9- уровень верховодки, 10- направление инфильтрующихся вод

Рисунок - Основные элементы складки

Рисунок – Форма слоев осадочных пород: 1 – нормальные слои; 2 – линза; 3 – выклинивание; 4 – несогласное залегание слоев; 5 – кровля слоя; 6 – ложе слоя; h – мощность слоя.

6

5

h

4

2

3

1



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 8898965
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий