Минералы и горные порода. Геодинамические процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Инженерная геология является одной из геологических дисциплин. Она разрабатывает широкий круг научных и практических проблем, решает многие задачи, возникающие при проектировании, строительстве сооружений (тоннелей, плотин, мостов, дорог и различных промышленных и гражданских зданий) и при проведении инженерных работ по улучшению территорий (осушение, борьба с оползнями, карстом и другими геологическими явлениями).

Возникновение инженерной геологии и ее развитие на первых этапах были связаны со строительством, когда строители изучали горные породы как основание, среду и материал для различных сооружений. Началом же научных исследований инженерно-геологического плана следует считать первые десятилетия XIX в. Строительство путей сообщения, заводов, фабрик, плотин и других сооружений требовало обеспечения их надежности. В этом большую роль сыграли первые русские инженеры путей сообщения, воспитанники и профессора старейшего вуза страны - Института корпуса инженеров путей сообщения, ныне Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС), основанного в 1810 г.

Уже в первые годы работы института в нем изучался курс минералогии и геологии. Можно считать, что зарождение инженерной геологии в приложении к строительству путей сообщения в России относится к началу XIX в. и первые работы в этой области принадлежат перу инженеров путей сообщения. Выполнение геологических исследований для целей железнодорожного строительства в России относится к 1842 г. - началу постройки первой железной дороги нормальной колеи. В этой связи строители начали уделять горным породам большое внимание. Растущие масштабы строительных работ требовали привлечения геологов к изысканиям под строительство. Поэтому уже в начале XX в. геологи начали привлекаться к решению вопросов, связанных со строительством железных дорог. Среди геологов в этой работе принимали активное участие: И.В. Мушкетов, В.А. Обручев, А.В. Львов, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, А.П. Павлов и др. они работали как эксперты и изыскатели на различных стройках, проводили исследования с целью изучения оползней, карста, обвалов, вечной мерзлоты на железных дорогах. По результатам обследования объектов появилась литература, касающаяся условий проведения железнодорожных линий.

Условия строительства сооружений на территориях распространения тех или иных геологических процессов и явлений специфические, они регламентируются в каждом отдельном случае специальными строительными нормами и правилами, определенными принципами, необходимостью соблюдать осторожность и некоторые ограничения и осуществлять специальные мероприятия для обеспечения устойчивости и нормальных условий их эксплуатации.

Инженерная геология как наука и прикладная дисциплина изучает общие природные условия, подлежащие учету при проектировании, возведении и эксплуатации инженерных сооружений, а также те геологические процессы и явления, которые могут оказать вредное влияние на сооружения и нарушить нормальные условия их работы.

Широкое распространение и развитие разнообразных геологических процессов и явлений вызывает необходимость в охране территорий, жизни и деятельности человека от их стихийного, вредного и опасного, а иногда и катастрофического проявления и в их прогнозе. Изучением и разработкой связанных с этим проблем и вопросов занимается инженерная геодинамика - один из разделов инженерной геологии. По существу она призвана решать вопросы строительства сооружений в особых геологических условиях, разрабатывать теоретические основы охраны территорий и прогноза геологических процессов и явлений.

Инженерная и хозяйственная деятельность человека должна основываться на знании законов и закономерностей развития геологических процессов. Именно они должны служить основой при выполнении работ по охране и преобразованию территорий.

1. Минералы (гипс) и горные породы, их физико-механические свойства (гнейс, опока, мергель)

Минералами, из которых слагаются горные породы или грунты, называют природные химические образования (соединения) или самородные элементы, являющиеся продуктами сложных физико-химических процессов, протекающих в земной коре.

Гипс (легкий шпат). Название происходит от греческого слова гипсос - мел. Встречается в виде зернистых и тонкокристаллических масс, волокнистых агрегатов, кристаллов. Часто встречаются сростки кристаллов гипса в виде двойников. Такая форма сросшихся кристаллов получила название «ласточкин хвост». - водосодержащий сульфат кальция. Твердость 1,5-2,0. Плотность 2,2-2,4. Блеск стеклянный до перламутрового. Черта белая. Излом неровный, гибок, но не эластичен. Спайность весьма совершенная. Образуется в ассоциации с каменной солью и ангидритом. Гипс образует мощные пласты, линзы. В числе примесей присутствует ангидрит, глинистые и другие минералы. Предел прочности на сжатие не менее 20 МПа. Довольно легко растворятся в воде. Используется для получения ряда строительных материалов, является важным сырьем для бумажной, химической промышленности, для производства красок и т.д.

Горные породы - природные агрегаты минералов относительно постоянного минералогического и химического состава, которые образуют самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Изучением горных пород занимается наука петрография (от греч. петра - скала, камень, графос - пишу). По своему происхождению (генезису) горные породы подразделяются на 3 класса: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические.

Гнейс - метаморфическая горная порода, состоящая преимущественно из полевых шпатов и кварца. Присутствуют цветные минералы - слюда, амфибол, пироксен. Текстура полосчатая, что обусловлено линейным расположением чешуек слюды и роговой обманки. Более широкие и светлые полосы сложены кварцем и полевыми шпатами. Предел прочности на сжатие 80-180 МПа. Плотность гнейсов составляет около 2,7; окраски разнообразные, как у гранитов. Порода маломорозоустойчивая. Обладает малым сопротивлением выветриванию. Если гнейсы образовались при метаморфизме магматических пород (гранитов и др.), их называют ортогнейсами, если образовались из осадочных - парагнейсами. Гнейсы широко распространены в толщах докембрийских образований, слагающих основание платформ и щитов. Из-за сланцеватого сложения гнейсы не пригодны для изготовления тесаного камня (квадров). Они находят применение только в виде мелкой щебенки и бутового камня.

Опока - кремнистая твердая порода, состоящая в основном из опала (до 90%) с примесью остатков организмов, в частности игл (спикул) иглокожих. Опока представляет собой водоустойчивую полускальную породу. Опоки сложены на 85-90% тонкозернистым опалом. Цвет светло-серый, светло-желтый, зеленовато-черный. Опоки слабоморозоустойчивы. При выветривании легко разрушаются, что необходимо учитывать при проектировании откосов. Используются как заполнитель легких бетонов. В чистом виде обладают хорошими адсорбционными свойствами.

Мергели - тонкозернистые породы, образуют мощные толщи и состоят из кальцита и глинистых частиц (30-50%). Окраска обычно светлая, желтоватая, зеленоватая или сероватая. Образуется в морях и озерах. Одновременное осаждение карбонатного и глинистого материала приводит к образованию пород с различным содержанием кальцита. Мергель - порода полускального типа. Мергель используют для производства цемента, как строительный материал. Мергели широко распространены, встречаются во всех геологических системах, начиная с протерозоя.

2. Условия образования грунтовых отложений (элювиальные)

Выветриванием называют процесс разрушения и изменения состава, а также состояния горных пород на месте их залегания под воздействием физических явлений, химических процессов и деятельности различных организмов.

Продукты современного выветривания горных пород, оставшиеся на месте своего образования и перекрывающие исходные породы, которые постепенно в них переходят, называют элювием или элювиальными отложениями.

Различают следующие виды выветривания: а) физическое, или механическое; б) химическое; в) биологическое, или органическое.

На горные породы указанные виды выветривания обычно действуют одновременно, однако проявляются они в зависимости от климатических и других местных условий с разной степенью интенсивности. Под влиянием процессов физического выветривания обычная для скальных пород трещиноватость толщи прогрессирует. В развитии этого процесса существенную роль играют температурные напряжения, вызываемые резкими суточными колебаниями температуры, а также вода. Вода, попавшая в отдельные трещины и замерзшая в них, развивает колоссальное боковое давление, чем создает дополнительные условия для дальнейшего расчленения скалистых массивов.

Химическое выветривание горных пород происходит в основном под воздействием газов, содержащихся в атмосфере, а также воды с растворенными в ней солями и газами (главным образом кислорода и углекислого газа) и одновременно продуктов разложения органических веществ. Химическое выветривание особенно интенсивно проявляется в условиях влажного и теплого климата.

Процессы биологического, или органического выветривания горных пород весьма разнообразны. Существенную роль в этих процессах играют различные микроорганизмы и растительность.

Растительность воздействует на горные породы как механически (распирающая роль растущих корней, раскачивание высоких деревьев ветром), так и химически (кислоты, выделяемые корневой системой). Особенно сильно влияют на породы всякого рода мхи и лишайники, способные разъедать поверхности даже самых твердых пород.

В результате описанных процессов трещины в толще выветрелых скалистых пород оказываются обычно выполненными глинистыми продуктами распада самой породы. На последующей стадии разрушения порода все более и более обогащается глинистым материалом. В конечном итоге продукты выветривания большинства горных пород обычно представляют собой глины или суглинки с большим или меньшим содержанием обломочного материала.

Процессы выветривания, которые могут приводить к резкому снижению прочности и несущей способности глинистых пород, иногда могут проходить исключительно быстро (до нескольких сантиметров в сутки).

Преждевременное вскрытие котлованов в практике наблюдается достаточно часто. В этих условиях, в особенности в глинистых породах, особенно опасно морозное выветривание и одновременное увлажнение грунтов скапливающимися атмосферными и грунтовыми водами.

Наиболее простое решение задачи заключается в возведении сооружений на толще здоровых выветрелых пород, для чего необходимо снимать покрывающие их массы разрушенного грунта, кроме того, при выборе трасс мостовых переходов и туннелей необходимо стремиться располагать сооружения на участках с наименьшим накоплением выветрелых масс породы и наименьшего развития мощности зоны активного выветривания.

Если невозможно снять выветрелые массы, следует предусматривать специальные инженерные мероприятия, способные обеспечивать прочность и устойчивость проектируемых сооружений в неблагоприятных условиях.

3. Методы определения абсолютного и относительного возраста пород

Метод абсолютного летоисчисления возраста горных пород основан на использовании изотопов химических элементов. В горных породах обычно содержится некоторое, иногда очень ничтожное, количество радиоактивных элементов (U, Ra, Th и др.). Каждый из них распадается с присущей только ему скоростью. Процессы распада идут самопроизвольно и на скорость распада не влияют никакие внешние факторы. Поэтому радиоактивные элементы могут служить эталоном геологического времени. Длительность процесса обычно очень велика. Например, период полураспада урана U составляет 5 млрд. лет. При тщательном и весьма точном анализе горной породы устанавливается, сколько в ней появилось Pb (продукт распада) и сколько осталось неразложившегося радиоактивного элемента. На этом основании и определяется возраст природы. Для образования из ста граммов урана одного грамма Pb потребуется 7400 млн. лет.

Абсолютный возраст породы, лет, в которой найдено m, г U и n, г Pb, определятся по формуле

где - содержание в породе свинца, г;

- содержание в породе урана, г.

На основе изучения геологического строения земной коры и истории развития жизни, исследователи получили возможность разбить всю геологическую историю Земли на отдельные отрезки времени и оставить по данным абсолютного и относительного возраста горных пород шкалу геологического времени - геохронологическую шкалу. Каждый отрезок геологического времени имеет своё название и индекс (на геологических картах также применяют различные цвета). Для слоёв пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфические шкалы: фанерозоя и криптозоя. Толщу пород, образованную за время эона называют эонотемой, за время эры - эратемой, за время периода - системой, за время эпохи - отделом. Самый короткий отрезок геохронологической шкалы - век, а образовавшийся за это время толща горных пород называется ярусом. Например, читается как - меловой период, поздняя эпоха, датский век, а цвет заливки на инженерно-геологической карте - зелёный.

Относительный возраст осадочных пород определятся на основе изучения условий залегания и взаимоотношения отдельных слоёв осадочных пород и на основе изучения сохранившихся в них остатков растительных и животных организмов. Основной принцип определения относительного возраста пород этим методом заключается в том, что при последовательном залегании пластов осадочных пород лежащие ниже будут древнее, чем вышележащие.

Стратиграфический метод основан на изучении условий залегания пластов горных пород.

Палеонтологический метод получил в геологической практике наибольшее применение. Он основан на изучении ископаемых остатков вымерших организмов. Ещё в начале XIX в. инженер Смит при строительстве каналов в Англии обнаружил в различных толщах многочисленные окаменелые остатки животных организмов. При изучении установлено, что отдельные формы животных организмов приурочены только к определённым слоям и отсутствуют в других. Был сделан очень важный вывод: в пластах одного и то же возраста присутствуют одни и те же ископаемые животные и растительные остатки, не встречаемые в более древних и более молодых отложениях. Установлено также, что чем пласт древнее, тем более простые формы организмов он содержит. Работы Ж.Б. Ламарка, Ч. Дарвина и других ученых по эволюции органического мира позволили установить, что органическая жизнь на Земле развивалась постепенно от более простых форм к более сложным. Животные и растительные организмы в течение геологической истории постепенно совершенствовались в борьбе за существование, приспосабливаясь к изменяющимся условиям жизни. Некоторые организмы на определенных стадиях развития Земли полностью вымирали, на смену им приходили другие - более совершенные. Это позволило установить относительный возраст каждого организма в сравнении с другими организмами. Таким образом, палеонтологический метод дает возможность по остаткам организмов судить об относительном возрасте горных пород.

4. Эры и периоды геологической истории Земли

Архейская эра, или архей, - древнейшая эра в геологической истории Земли продолжительностью около 1 млрд. лет, эра формирования земной коры, появления на ней первой воды, время накопления первых мощных толщ осадочных пород.

Все породы архейской группы интенсивно дислоцированы прорваны многочисленными интрузиями гранитов. Архейская группа пород характеризуется преимущественно гнейсами, сильно метаморфизированными различными кристаллическими сланцами кварцитами. Породы архея характеризуются значительной плотностью и прочностью. В невыветренном состоянии они обычно являются прекрасным основанием для всевозможных сооружений.

Протерозойская эра, или протерозой, - вторая эра от начала геологической истории Земли; продолжительность её составляет 600-800 млн. лет. Для этой эры были характерными теплый тропический климат, обширное распространение моря, где происходило накопление известняков на обширных территориях.

Большинство пород протерозойского времени представляет собой типичные осадочные толщи более или менее метаморфизированные (метаморфические сланцы, филлиты, кварциты, конгломераторы, мраморы).

Палеозойская эра, или палеозой, - третья эра от начала геологической истории Земли продолжительностью в 300-350 млн. лет. Эту эру подразделяют на периоды: 1) кембрийский, или кембрий(Є); 2) ордовикский, или ордовик (О); 3) силурийский, или силур (S); 4) девонский, или девон (D); 5) каменноугольный, или карбон (С); 6) пермский, или пермь (P).

В палеозойское время проявились две мощные складчатости: каледонская (ордовик и силур) и герцинская (средне- и верхнекаменноугольное и нижнепермское время). Соответствующим образом в пределах палеозойской эры проявились и фазы тектонического покоя, характеризуемые низким стоянием континентальных массивов и морскими трансгрессиями.

Породы палеозойского времени отличаются большим разнообразием как по составу и степени метаморфизации, так и по условиям залегания. Большое распространение имеют разнообразные известняки, мергели и доломиты (морская фация).

В пределах континентальной платформы породы палеозоя представлены (в зависимости от фации) различными глинами, песками и рыхлыми песчаниками.

Мезозойская эра, или мезозой, - четвёртая эра с начала геологической истории Земли, включающая в себя три периода: 1) триасовый, или триас (Т); 2) юрский, или юру (J); 3) меловой, или мел (К).

Мезозойская эра была эпохой относительного тектонического покоя. В юрский период проявлялась киммерийская складчатость. Вследствие этого юрское время характеризуется в основном континентальной обстановкой и накоплением осадков континентальной фации (угли) и мелководного моря (чёрные или тёмно-серые глины). Тем не менее мезозойская эра характеризовалась теплым однообразным климатом. Среди мезозойских отложений морские и континентальные осадки распространены примерно одинаково. Среди морских осадков наибольшее значение имеют глинистые сланцы; характерны разнообразные известняки и мергели, меньше - песчаники конгломераты. Для третьего периода этой эры характерен писчий мел как проявление интенсивной трансгрессии мелового времени, в результате который в пределах континентальных массивов образовались обширные водные бассейны.

Среди пород континентальной фации преобладают песчаники, глинистые сланцы, озёрные мергели и даже глинистые известняки.

Кайнозойская эра, или кайнозой, - пятая с начала Земли и поздняя геологическая эра, подразделяемая на палеоген, неоген и четвертичный периоды. В эту эру чрезвычайно интенсивно проявилась так называемая альпийская складчатость, с которой связывается история рождения Альп, Кавказских горных цепей, Крыма, Гималаев и других горных систем.

Первая половина кайнозойской эры (палеоген) отличалась очень теплым, почти тропическим климатом. В дальнейшем, по мере развития альпийской горообразовательной фазы, климат ухудшается. Климат же неогена характеризуется ясно выраженным похолоданием. В этот период появились предвестники грядущего мощного оледенения.

5. Сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Схемы нарушения форм залегания пород (складка, горст)

В недрах Земли происходят интенсивные внутренние процессы (эндогенные). Они проявляются в виде грандиозных вулканических извержений, частых землетрясений (в год фиксируется до 100 тыс. землетрясений и в их числе до 100 весьма сильных), с наступлением на сушу и с отходом морей, свидетельствующих об изменении во времени высотного положения континентов и, что является, быть может, наиболее важным, вызывает разнообразие деформации земной коры и горообразования как результат проявления тектонических процессов и явлений.

Эндогенные процессы в определенной мере обусловлены магматической деятельностью, в результате которой образуются магматические и метаморфические горные породы и жильные минеральные образования.

Эндогенные процессы способствуют увеличению контрастности рельефа, величины его градиентов, они создают наиболее крупные формы рельефа Земли и тем самым условия для развития многих экзогенных процессов.

Тектонические движения - это перемещение земной коры, ведущее к изменению высоты поверхности. Эти движения, как и другие внутренние процессы, практически недоступны для непосредственных наблюдений. ученые имеют возможность изучать только их результаты - изменение структуры земной коры, смещение слоев и других элементов. В результате тектонических движений изменяется первичная форма залегания горных пород: могут быть смяты в складки и образовывать складчатые горы, также могут возникнуть разные нарушения (одни участки опускаются, другие поднимаются). Опустившийся участок называется грабеном, поднявшийся - горстом.

Складчатые движения земной коры называют также горообразовательными. Складчатые движения земной коры характеризуются большой интенсивностью, силой и амплитудой проявления. Складчатость протекает в меньшие по сравнению с колебательными движениями сроки и дает ощутимые результаты: возникают высокие горы, образуются крупные разломы и трещины в земной коре. По разломам происходят значительные перемещения отдельных участков земной коры - их воздымание и опускание. Горообразовательные движения сопровождаются землетрясениями и вулканизмом. Складчатые формы дислокаций характеризуются, как правило, наклонным залеганием пластов без разрыва их сплошности; в некоторых случаях складки пород едва намечаются. При этом условии имеет место пологое падение пластов. В других случаях складчатая форма проявляется более интенсивно особенно в центральных зонах складок (их ядрах), отличающихся очень крутым падением пластов, где последние поставлены на голову. Нередко в результате проявления эрозии и абразии складчатое сооружение бывает разрушенным и частично смытым. В этих условиях на поверхность в различных ее зонах выходят самые разнообразные пласты, которые ранее залегали на значительной глубине и были выведены к поверхности земли в результате складкообразования и последующей денудации.

При анализе строения основания под проектируемое сооружение в условиях складчатой области никогда не следует упускать из виду, что складка представляет собой некоторое геометрическое тело, в своем строении подчиняющееся определенным закономерностям. Наиболее интересными являются закономерности чередования - смены одного пласта другим во всех частях складки. Отсюда можно составить прогноз строения основания и свойств грунтов под ним путем изучения элементов залегания и сменяемости пластов в обнаженных (например, размытых) частях складок с последующей экстраполяцией падения и простирания этих пластов.

6. Сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Процессы и возможные мероприятия (курумы, химическая суффозия)

минерал грунтовой отложение порода

Экзогенные процессы обусловлены внешними силами, действующими неодинаково в различных климатических и физико-географических условиях под влиянием энергии тепла и света Солнца и гравитационных сил.

Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли, в атмосфере и гидросфере. Эти процессы сопряжены с физическим и химическим разрушением горных пород и минералов, переходом их в другие разновидности и модификации; существенное значение при этом имеют биогенные процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов. Еще более существенную роль в преобразовании горных пород и минералов играет человеческая деятельность, которая в масштабе «геологического времени» является катастрофической по объемам. Ежегодно наращиваются темпы добычи, переработки и утилизации горных пород и минералов (полезных ископаемых и строительных материалов), причем темпы подобной деятельности совершенно не сопоставимы с природной геологической деятельностью по своим масштабам и последствиям.

Процессы механического, химического и термического разрушения и растворения горных пород чаще всего заключаются в процессах механической и химической суффозии, водноколлоидных и молекулярных реакций, водонасыщения, миграции солей, пептизации, диспергирования коллоидов, коагуляции, флуотации и др.

В холодных областях Земли и в высоких горных районах можно наблюдать морозное выветривание, вызванное замерзанием воды в трещинах и порах пород. Явление морозного выветривания можно наблюдать в виде круноглыбовых и щебенистых развалов и россыпей. В горных областях выше снеговой линии и в областях распространения многолетнемерзлых пород благодаря сезонному оттаиванию верхнего слоя каменные россыпи и развалы в горных ложбинах и балках приобретают подвижный характер в связи с насыщением водой и ледяным ложем. Такие каменные потоки называются курумами.

Фильтрационный поток в горных породах при определенных условиях может привести в движение мелкие частицы, находящиеся в составе обломочных пород (песков, гравия, галечника и др.) или заполнителя трещин и карстовых полостей, и вызвать вынос их из породы. Этот процесс выноса мелких частиц из породы, заполнителя трещин и полостей, представляющий собой своеобразный процесс подземного размыва горной породы, принято называть суффозией. Развитие суффозии характеризует фильтрационное разрушение, фильтрационную неустойчивость горной породы или заполнителя трещин и карстовых полостей. Иногда в отличие от такой «механической» суффозии выделяют еще «химическую» суффозию, под которой понимают процесс выщелачивания солей из горной породы. Химическая суффозия - процесс растворения породы, который происходит гораздо быстрее при больших скоростях движения воды.

Вынос частиц или солей из породы приводит к образованию в ней пустот или зон разрыхления; чем больше скорости потока, тем более крупные частицы могут им выноситься. С увеличением скорости потока повышается и скорость суффозии. К суффозионным явлениям относят осевшие поверхности, суффозионные блюдца, воронки и пустоты.

Процесс суффозии развивается при определенных условиях движения фильтрующейся воды, составе и структуре породы и наличии в ней пор и пустот, по которым происходит фильтрация.

К мерам по предотвращению суффозии относятся улучшение свойства пород битумизацией или силикатизацией, регулирование поверхностного стока, устройство защитных покрытий типа обратных фильтров и др.

7. Классификация подземных вод. Разные фазовые состояния воды, условия залегания и движения подземных вод (парообразное, трещинные)

В инженерной геологии принята классификация видов воды, предложенная А.Ф. Лебедевым (1930), которая позднее была уточнена в соответствии с новыми представлениями о природе воды и строении ее молекул. Согласно этой классификации выделяют следующие виды воды:

· парообразная

· физически связанная:

- гигроскопическая (прочносвязанная)

- пленочная (рыхлосвязанная)

· капиллярная

· гравитационная (свободная)

· вода в твердом состоянии

· химически связанная вода в минералах:

- кристаллизационная

- конституционная.

Парообразная вода, т.е. водяной пар, заполняет вместе с воздухом пустоты в почве и горных породах. Парообразная вода обладает большой подвижностью и перемещается от мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью и от более влажных участков к менее влажным. Перемещение парообразной воды происходит во всех направлениях. Она проникает в почву из атмосферы, но может образовываться при испарении влаги в почве. Парообразная вода может конденсироваться и давать гигроскопическую воду.

Парообразная вода находится в зоне аэрации в порах, не занятых водой, и движется вследствие различия упругости паров. Несмотря на малое содержание в грунтах (около 0,001 массы сухого грунта), вода играет очень большую роль во влажностном режиме почвенных и лежащих ниже (в зоне аэрации) горизонтов грунтов, особенно в районах степей и пустынь.

К подземным водам относят все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности земли и дна поверхностных водоемов и водотоков. Подземные воды заполняют свободные пустоты в горных породах.

К особым типам подземных вод относятся трещинные и карстовые воды, а также воды многолетней мерзлоты. Трещинные воды находятся в трещиноватых скальных или полускальных магматических породах, метаморфических и осадочных. Водообильность этих пород зависит от степени трещиноватости и ряда других естественных факторов - условий инфильтрации (просачиванию воды сверху), заполнения трещин, дренажа при наличии областей разгрузки и пр. Та же характеристика может быть дана и карстовым водам, приуроченным к полостям, пустотам (пещерам и подземным залам) и трещинам в растворимых горных породах. Трещинные и карстовые воды могут быть и напорными и безнапорными в зависимости от гипсометрического положения области питания, пространственного положения трещин, условий разгрузки и пр.

8. Методы инженерно-геологических изысканий (проходка грунтов, определение устойчивости склона)

Наиболее распространенным способом геологической разведки является бурение, причем в зависимости от свойств пород и задач исследования применяют различные методы бурения и инструменты.

Проходку относительно слабых пород ведут обычно методом ручного ударно-вращательного бурения.

В качестве режущих разрушающих и извлекающих породу инструментов используют различного рода наконечники. Для извлечения слабых водоносных пород (плывунов) применяют желонки, представляющие собой род цилиндра с клапаном, слабых пород (песка, пластичных глин) - ложки, более плотных - змеевики (своего рода буравы). Для проходки твердых пород, раздробления встреченных валунов и т.д. используют различные долота. В этих условиях нередко в скважинах производят небольшие взрывы. Наконечники закрепляют на штангах, представляющих собой свинчивающиеся отрезки труб малого сечения.

При проходке скважин образцы пород извлекаются лишь в нарушенном состоянии. Такие образцы непригодны для лабораторных определений 1 класса (сжимаемость, сопротивляемость сдвигу и т.д.). Для этих испытаний требуются образцы пород с ненарушенной структурой (монолиты).

Также используется метод проходки скважин - вибробурение. При этом методе буровой инструмент погружают в грунт с помощью вибратора, укрепленного непосредственно на наконечнике или штанге. Этот метод обеспечивает в слабых породах высокую скорость проходки (4-6 м/мин).

При проходке скальных пород используют метод колонкового бурения, при котором скважины бурят с помощью непрерывного вращения инструмента специальным двигателем. Режущим инструментом является коронка. Коронка снабжена зубьями из твердого металла (победита, сталинита). При бурении особо твердых пород используют алмазные коронки.

Качественная оценка устойчивости склонов и откосов всегда необходима, но особенно при предварительных и региональных исследованиях. Она влияет на районирование территорий и планирование сооружений, ориентирует на необходимость более детальных исследований отдельных участков и более осторожное решение инженерных задач при проектировании и строительстве сооружений. Поэтому логическим продолжением описательной оценки устойчивости склонов и откосов является применение количественных методов - моделирования и расчетов.

Методы моделирования (построение моделей в лотках, на специальных стендах из эквивалентных материалов, оптические модели, испытание моделей на центробежных установках и др.) позволяют воссоздать модель склона или откоса и при соблюдении определенных правил исследовать распределение напряжений и развитие деформаций в пределах склона или откоса при тех или иных силовых воздействиях или изменении условий их существования. Таким образом, наглядно выявляется физика процессов и становится возможным обоснование оценки устойчивости склонов и откосов. Методы моделирования значительно шире применяются для оценки устойчивости склонов и откосов, чем для оценки устойчивости оползней, и достаточно полно освещены в специальной литературе.

Основными количественными методами оценки устойчивости склонов и откосов и соответственно прогноза оползневых явлений являются расчетные. Эти методы принято называть методами расчета устойчивости склонов и откосов. В настоящее время предложено несколько групп таких методов. В основе большинства из них лежит теория предельного равновесия однородной, изотропной или так называемой сыпучей среды. Одни из них считаются методами математически наиболее строго обоснованными, другие приближенными инженерными, позволяющими решать практические задачи устойчивости склонов и откосов с точностью, вполне достаточной для практических целей.

Метод расчета устойчивости склонов и откосов, сложенных неоднородными горными породами применим для склонов и откосов, в геологическом строении которых имеются явные границы раздела в напластовании горных пород, ориентированные неблагоприятно, т.е. наклоненные к основанию склона или образованные наклонными трещинами. Например, при залегании делювиальных отложений на поверхности коренных пород, делювиально-элювиальных образований на поверхности менее выветрелых пород, оттаявших пород на поверхности мерзлых, одной толщи коренных пород на поверхности напластования другой, массы горных пород на наклонной поверхности трещины и т.д. Такие границы раздела еще не являются поверхностями скольжения, но могут ими стать и вероятнее всего те, по которым коэффициент устойчивости масс горных пород будет иметь минимальное значение - меньше единицы. Поэтому устойчивость склонов и откосов в таких случаях проверяют по нескольким возможным поверхностям, выявляя наиболее вероятную. Этот метод иногда называют расчетом устойчивости прислоненного откоса.

Метод расчета устойчивости склонов и откосов, сложенных однородными горными породами. В однородных изотропных породах, не имеющих каких-либо видимых границ разделов, ориентированных наклонно к основанию склона или откоса, поверхность скольжения обычно имеет вогнутую, условно круглоцилиндрическую форму. Поэтому расчет устойчивости в таких случаях обычно называют методом расчета по круглоцилиндрической поверхности скольжения. Наиболее вероятными местами выхода этой поверхности скольжения на поверхность земли обычно являются бровка склона или откоса или часть их, приближающаяся к бровке, и их основания.

При расчете устойчивости таких склонов и откосов на геологическом разрезе радиусом произвольной длины намечают несколько поверхностей скольжения и по каждой из них проверяют устойчивость масс горных пород, ограниченных поверхностями скольжения и рельефа склона. Склон или откос можно считать устойчивым, если по каждой намеченной поверхности скольжения коэффициент устойчивости будет больше единицы.

Список литературы

минерал грунтовой отложение порода

1. Н.Н. Маслов, «Основы инженерной геологии и механики грунтов», Москва, 1982

2. Д.И. Шульгин, В.Г. Гладков, А.Н. Никулин, «Инженерная геология для строителей железных дорог», Москва, 2002

3. В.Д. Ломтадзе, «Инженерная геология, инженерная геодинамика», Ленинград, 1977

4. М.А. Никонова, П.А. Данилов, «Землеведение и краеведение», Москва, 2000

5. Л.Д. Белый, «Инженерная геология», Москва, 1985

6. В. Шуман, «Горные породы и минералы», Москва, 1986

Размещено на Allbest.ru