Общая геология

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Раздел 1. Элементы общей геологии

Тема 1.1 Земля как космическое тело

Тема 1.2 Основы исторической геологии

Тема 1.3 Минералы земной коры

Тема 1.4 Горные породы и условия их залегания

Тема 1.5 Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли

Тема 1.6 Геологическая деятельность внешних (экзогенных) сил Земли

Тема 1.7 Подземные воды и их значение при строительстве инженерных сооружений

Раздел 2. Основы инженерного грунтоведения и механики грунтов

Тема 2.1 Основные сведения о грунтах, прочностных и деформационных свойствах

Тема 2.2 Состав и основные физические свойства грунтов

Тема 2.3 Водно-физические свойства грунтов

Тема 2.4 Механические свойства грунтов. Механика грунтов

Раздел 3. Основы инженерной геологии и геодинамики

Тема 3.1 Инженерно-геологическая характеристика различных грунтов и почв

Тема 3.2 Инженерно-геологическая характеристика вечномерзлых грунтов

Раздел 4. Инженерно-геологические обследования

Тема 4.1 Общие приемы инженерно-геологических обследований

Тема 4.2 Инженерно-геологические обследования вдоль дорожного полотна

Тема 4.3 Поиски и разведка дорожно-строительных материалов

Тема 4.4 Состав инженерно-геологического отчета

Тема 4.5 Экология окружающей среды

Раздел 1. Элементы общей геологии

Тема 1.1 Земля как космическое тело

План изучения темы:

1. Значение дисциплины "Геология и грунтоведение" в подготовке специалиста по строительству автомобильных дорог и аэродромов, инженерная геология, грунтоведение, механика грунтов - основные составляющие дисциплины, обеспечивающие надежность службы объектов аэродромного и транспортного строительства.

2. Общие представления о Солнечной системе. Форма и размеры Земли.

3. Гипотезы об образовании планеты Земля. Земля как одна из планет космического пространства.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Земля, как и другие планеты Солнечной системы, имеет шарообразную форму. Ее диаметр около 12 750 км. Поскольку человек видит лишь небольшую часть Земли, земная поверхность кажется ему плоским кругом, ограниченным линией, где небо как бы соприкасается с землей. Недаром многим древним народам Земля казалась плоской. Позже, в Древней Греции во времена Гомера (IX-VIII вв. до н. э.), Землю представляли слегка выпуклым диском, наподобие щита воина, и считали, что сушу со всех сторон омывает океан. геология грунтоведение эндогенный

Во времена Пифагора (VI в. до н. э.) стали предполагать, что Земля - шар, как и другие планеты. Первые доказательства шарообразности Земли принадлежат древнегреческому ученому Аристотелю (IV в. до н. э.). К ним он относил наблюдения за лунными затмениями, во время которых тень от Земли, отбрасываемая на поверхность Луны, всегда круглая; изменение вида звездного неба при движении по меридиану; расширение горизонта при поднятии. Постепенно представления о Земле как о шаре стали основываться не на наблюдениях, а на точных расчетах и измерениях. Первым, кто измерил величину земного шара, был древнегреческий ученый Эратосфен (III - II вв. до н. э.). Он измерил длину дуги 1° меридиана, а затем на этой основе рассчитал длину всей окружности Земли по меридиану. Она составила примерно 40 000 км, что близко к действительности. Таким образом, ученые Древней Греции имели в общем правильные представления о форме и величине Земли. Однако карты их, показывающие распределение суши и воды на земной поверхности, были весьма несовершенны из-за недостатка фактических данных.

В период Средневековья, вплоть до XV в., многие научные представления античных народов о Земле, в том числе и о ее шарообразности, из-за господства церкви во всех сферах жизни отрицались.

рис. 1. Фигура и размеры Земли

С конца XV в. начинается возрождение, а потом и интенсивное развитие многих наук и культуры. Наступил период Великих географических открытий. Христофор Колумб в поисках западного пути в Индию открыл Новый Свет - Америку (1492 г.). Васко да Гама, обогнув Африку, проложил морской путь в Индию (1497 г.). Фернан Магеллан и его спутники совершили первое кругосветное плавание (1519-1522 гг.). В этот период сомнений в шарообразности Земли не было и Землю стали изображать в виде объемной модели - глобуса. Самый первый глобус диаметром 0,54 м был изготовлен немцем Мартином Бехаймом (1492 г.). По результатам открытий в XVI в. создавались многочисленные карты Земли и обширные географические атласы (Г. Меркатор, А. Ортелий). В XVII в. в ряде европейских стран были начаты детальные съемки местности.

Тема 1.2 Основы исторической геологии

План изучения темы:

1. Историческая геология. Относительный и абсолютный возраст горных пород. Геологическое летоисчисление.

2. Закономерности формирования горных пород и их размещение по оптимальному возрасту, накопление осадков в различные эпохи

Краткое изложение теоретических вопросов:

Историческая геология - наука о закономерностях развития земной коры - оперирует рядом историко-геологических методов. Важнейшей задачей исторической геологии является установление относительного и абсолютного возраста отложений. Основой реконструкции физико-географических и тектонических обстановок геологического прошлого служит метод актуализма.

В истории развития Земли и земной коры выделяются несколько крупных этапов, не равных по своему значению: 1 - этап аккреции вещества газопылевой туманности; 2 - догеологический этап; 3 - докембрийский (4,0-3,5 - 1 млрд. лет назад); в фанерозое выделяются: 4 - раннепалеозойский (каледонский); 5 - позднепалеозойский (герцинский); 6 - мезозойский (киммерийский) и 7 - мезозойско-кайнозойский (альпийский) этапы, которые начинались и заканчивались в различных районах Земли неодновременно. Начало этапов характеризовалось раскрытием бассейнов с корой океанского типа, а конец - сближением литосферных плит и формированием горно-складчатых поясов.

Геологическое летоисчисление - учение о хронологической последовательности формирования и возрасте горных пород, слагающих земную кору. Геологические процессы происходят на протяжении многих тысячелетий. Выделение различных этапов и периодов в жизни Земли основано на последовательности накопления осадочных горных пород. Время, в которое накапливалась каждая из пяти групп пород, названо эрой. Последние три эры разделены на периоды, т.к. в отложениях этих времен лучше сохранились останки животных и растений. В эрах были эпохи активизации горообразовательных процессов - складчатости.

Геохронологическая таблица

Эры	Периоды	Складчатости	События
Кайнозойская, 68 млн. лет	Четвертичный, 2 млн. лет	Альпийская складчатость	Формирование современного рельефа под влиянием массового поднятия суши. Оледенение, изменение уровня моря. Происхождение человека.
	Неогеновый, 25 млн. лет		Мощные вулканические извержения, поднятие гор Альпийской складчатости. Массовое распространение цветковых растений.
	Палеогеновый, 41 млн. лет		Разрушение гор, затопление молодых платформ морями. Развитие птиц и млекопитающих.
Мезозойская, 170 млн. лет	Меловой, 75 млн. лет	Мезозойская складчатость	Поднятие разрушенных гор, сформировавшихся в Байкальской складчатости. Исчезновение гигантских пресмыкающихся. Происхождение покрытосеменных растений.
	Юрский, 60 млн. лет		Возникновение разломов на материках, массовый ввод магматических пород. Начало обнажения ложа современных морей. Жаркий влажный климат.
	Триасовый, 35 млн. лет		Отступление морей и увеличение площади суши. Выветривание и понижение палеозойских гор. Формирование равнинного рельефа.
Палеозойская, 330 млн. лет	Пермский, 45 млн. лет	Герцинская складчатость	Окончание герцинского горообразования, интенсивное развитие жизни в горах. Появление на суше земноводных, простых пресмыкающихся и насекомых.
	Каменноугольный, 65 млн. лет		Опускание суши. Оледенение на материках Южного полушария. Расширение площадей болот. Появление тропического климата. Интенсивное развитие земноводных.
	Девонский, 55 млн. лет	Каледонская складчатость	Отступление морей. Накопление на суше мощных слоев красного цвета континентального отложения. Преобладание жаркого сухого климата. Интенсивное развитие рыб, выход жизни из моря на сушу. Появление земноводных, открытосеменных растений.
	Силурийский, 35 млн. лет	Начало каледонской складчатости	Поднятие уровня моря, появление рыб.
	Ордовикский, 60 млн. лет		Сильные извержения вулканов, уменьшение морских бассейнов. Увеличение численности беспозвоночных животных, появление первых беспозвоночных.
	Кембрийский, 70 млн. лет	Байкальская складчатость	Опускание суши и появление больших болотистых массивов. В морях интенсивно развиваются беспозвоночные.
	Протерозойская, 2 млрд. лет	Начало байкальской складчатости	Мощные извержения вулканов. Формирование фундаментов древних платформ. Развитие бактерий и синезеленых водорослей.
	Архейская, 1 млрд. лет		Начало формирования материковой земной коры и усиление магматических процессов. Мощные извержения вулканов. Первое появление жизни - период бактерий

Тема 1.3 Минералы земной коры

План изучения темы:

1. Понятие "минерал". Классификация минералов по происхождению.

2. Основные породообразующие минералы. Макроскопический метод определения минералов.

Краткое изложение теоретических вопросов:

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.

Количество известных в настоящее время минералов превышает 2000. Их можно группировать по разным признакам. В основе принятой в настоящее время классификации минералов лежат химический состав и структура. Большое внимание уделяется также генезису (греч. "генезис" - происхождение), что позволяет познавать закономерности распространения минералов в земной коре. Роль различных минералов в строении последней неодинакова: одни встречаются редко и представляют собой лишь незначительные и необязательные включения в горные породы; другие слагают основную массу пород, определяя их свойства; третьи, образующие локальные скопления или рассеянные в породах, представляют интерес как полезные ископаемые. Наиболее широко распространенные минералы в составе Земной коры, принадлежат к классам самородных элементов, сульфидов, галоидных соединений, оксидов и гидроксидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов и силикатов.

Классы самородных элементов и сульфидов. Минералы этих классов не относятся к породообразующим, но многие из них являются ценными полезными ископаемыми.

Из наиболее распространенных минералов первого класса можно назвать серу S, возникающую в процессе возгонки паров при вулканических извержениях, а также в поверхностных условиях при химических изменениях минералов классов сульфидов и сульфатов и биогенным путем. К этому же классу относятся такие ценные минералы, как алмаз, золото, платина и др. Также к классу сульфидов принадлежат многочисленные минералы - руды металлов (галенит, или свинцовый блеск PbS,- встречается в виде кристаллических агрегатов, реже - отдельных кристаллов и их сростков, сфалерит, или цинковая обманка ZnS, - встречается в виде кристаллических агрегатов).

Одним из наиболее распространенных минералов класса сульфидов является пирит FeS2. Образует агрегаты разной зернистости, часто встречаются вкрапленные в породы кубические кристаллы.

Происхождение минералов класса сульфидов связано главным образом с горячеводными растворами (гидротермальными). Они часто встречаются в кварцевых жилах вместе со многими минералами класса самородных элементов.

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.

Тема 1.4 Горные породы и условия их залегания

План изучения темы:

1. Понятие о горных породах. Классификация горных пород по происхождению. Метаморфические горные породы: классификация по виду метаморфизма, особенности структуры и текстуры в зависимости от свойств исходной породы и условий образования, основные свойства.

2. Использование горных пород в дорожном строительстве.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Горные породы представляют собой естественные минеральные агрегаты, формирующиеся в литосфере или на поверхности Земли в ходе различных геологических процессов. Основную массу горных пород слагают породообразующие минералы, состав и строение которых отражают условия образования пород. В основу классификации горных пород положен генетический признак. Геологические процессы, приводящие к образованию горных пород, называют процессами петрогенеза. Таких процессов, в сущности, три.

1. Кристаллизация, или застывание, природных силикатных расплавов (магм и лав), поступающих из недр Земли; этот процесс носит название магматизма.

2. Разрушение ранее существовавших горных пород в поверхностных условиях и последующее отложение продуктов разрушения в различного рода водоемах и на поверхности суши - осадконакопление.

3. Перекристаллизация горных пород любого происхождения в результате изменения физико-химических условий - повышения температуры и давления {метаморфизм).

По происхождению выделяют:

1) магматические, или изверженные, горные породы, связанные с застыванием в различных условиях силикатного расплава - магмы и лавы;

2) осадочные горные породы, образующиеся на поверхности в результате деятельности различных экзогенных факторов;

3) метаморфические горные породы, возникающие при переработке магматических, осадочных, а также ранее образованных метаморфических пород в глубинных условиях при воздействии высоких температур и давлений, а также различных жидких и газообразных веществ (флюидов), поднимающихся с глубины.

Магматические горные породы наряду с метаморфическими слагают основную массу земной коры, однако на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. В земной коре они образуют тела разнообразной формы и размеров, состав и строение которых зависит от химического состава исходной магмы и условий ее застывания.

В зависимости от условий, в которых происходило застывание магмы, магматические породы делятся на ряд групп: породы глубинные, или интрузивные, образовавшиеся при застывании магмы на глубине, и породы излившиеся, или эффузивные, связанные с охлаждением магмы, излившейся на поверхность, т.е. лавы.

Осадочные горные породы. На поверхности Земли в результате действия различных экзогенных, т.е. внешних, факторов образуются осадки, которые в дальнейшем уплотняются, претерпевают физико-химические изменения - диагенез, и превращаются в осадочные горные породы, тонким чехлом покрывают около 75 % поверхности континентов. Многие из них являются полезными ископаемыми, другие - содержат таковые

Среди осадочных пород выделяются три группы:

1) обломочные породы, возникающие в результате механического разрушения каких-либо пород и накопления образовавшихся обломков;

2) глинистые породы, являющиеся продуктом преимущественно химического разрушения пород и накопления возникших при этом глинистых минералов; 3) химические (хемогенные) и органогенные породы, образовавшиеся в результате химических и биологических процессов.

Метаморфические горные породы - результат преобразования пород разного генезиса, приводящего к изменению первичной структуры, текстуры и минерального состава в соответствии с новой физико-химической обстановкой. Главными факторами (агентами) метаморфизма являются эндогенное тепло, всестороннее (литостатическое) давление, химическое воздействие флюидов. Наблюдая обнажения тех или иных участков земной коры, мы убеждаемся в том, что горные породы определенного состава образуют некоторые геометрические тела разной формы и размера. Эти тела называют формами залегания горных пород, или структурными формами, а различные их сочетания создают общее строение - структуру земной коры.

Различают первичные (ненарушенные) и вторичные (нарушенные) формы залегания пород. Первичные структурные формы возникают вместе с формированием самой породы. Вторичные формы залегания образуются путем нарушения первичных в результате движений и деформаций земной коры. В связи с этим изучение вторичных (нарушенных) структурных форм, их различных взаимоотношений, сочетаний, соотношений одних с другими как в пространстве, так и во времени дает определенную информацию о строении и истории геологического развития изучаемых регионов Земли.

Тема 1.5 Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли

План изучения темы:

1. Геологические процессы, изменяющие состав и форму поверхности земной коры. Вулканизм. Продукты извержения вулканов.

2. Тектонические процессы земной коры и их последствия, сейсмические явления. Моретрясение, цунами

Краткое изложение теоретических вопросов:

К эндогенным процессам относятся тектонические движения и сейсмические процессы, магматизм, вулканизм и метаморфизм.

Тектонические движения бывают горизонтальными (тангенциальными, складчатыми) и вертикальными (эпейрогеническими, разрывными).

Горизонтальные движения длятся многие миллионы и миллиарды лет и совершаются на многие тысячи километров - перемещаются океаны и континенты. В архее и протерозое все современные континенты представляли собой единую площадь - Пангею, располагавшуюся в Южном полушарии. Далее она раскололась сначала на две части, а потом - на шесть. Еще в мезозое (200 млн лет назад) Африка отделялась от Евразии океаном Тетис. Остатки его - это Средиземное море.

В сам факт таких масштабных горизонтальных перемещений поначалу трудно поверить, но среди ученых-геологов он считается неоспоримо доказанным. Неясным остается механизм, осуществляющий горизонтальные движения. Предполагается, что его источником является конвективное движение вещества в астеносфере - в подкоровом объеме верхней мантии, в то время как геофизические данные указывают на это вещество как на твердое.

Горизонтальные тектонические движения выполняют колоссальную геологическую работу. Они сминают в складки пласты горных пород и заставляют их подняться в рельефе высокими горами или опуститься глубоко вниз, образуя океанические впадины. Они формируют разломы земной коры, многие из которых потом превращаются в моря и озера. По разломам земной коры внедряется магма, и формируются вулканы. Причиной землетрясений тоже являются горизонтальные движения.

Вертикальные движения имеют небольшую амплитуду - в десятки и несколько сотен метров, они постоянно то поднимают, то опускают поверхность континентов. В итоге на одной и той же территории поочередно образуется то неглубокое шельфовое море, то суша - низменность, равнина или невысокое плоскогорье.

Главным результатом вертикальных движений является накопление осадочного чехла. В то время, когда некая территория опускается ниже уровня океана, на ней происходит интенсивное накопление осадочного материала, приносимого реками с окружающей суши. Дополнительный материал дает само море за счет разрушения береговой линии. Отложенные на дне осадки постепенно уплотняются и каменеют. Через некоторое время данная территория вновь испытывает поднятие, превращается в сушу, на которой в разрезе горизонтально залегают морские осадочные породы.

Сейсмические явления - это землетрясения - мгновенные перемещения земной поверхности, вызванные перемещениями масс земной коры. Источник перемещений - горизонтальные движения земной коры, сталкивающие, тангенциальные, растягивающие. Землетрясения, как правило, приурочены к определенным участкам земной коры - геосинклинальным и складчатым поясам. Проявляются землетрясения в основном на границах тектонических структур, где происходит накопление значительных напряжений, готовых реализоваться в виде сейсмического толчка. Эти территории носят название сейсмических зон, обычно они совпадают с районами интенсивной вулканической деятельности.

Для оценки силы землетрясений используется несколько сходных между собой шкал. Первой была шкала Рихтера. В нашей стране использовалась близкая к ней шкала Медведева. В настоящее время часто используется шкала магнитуд. Относительная энергетическая характеристика землетрясения (магнитуда М) определяется так:

М = lg[А / (А · А_э)]

где А - максимальная амплитуда смещения частиц почвы на удалении от эпицентра в 100 км; А_э-- эталонная амплитуда слабого землетрясения.

В реальных случаях магнитуда составляет 9,5 баллов при очень сильных землетрясениях.

Сейсмические воздействия могут иметь различные проявления на инженерных объектах в зависимости от балльности землетрясений.

Воздействия землетрясений различной балльности опасны для всех гидротехнических сооружений, поэтому необходимо уделять внимание сейсмостойкости строительства плотин. Опыт показывает, что гидротехнические сооружения, построенные без учета сейсмического фактора, нередко подвергались частичному или полному разрушению.

При землетрясениях частицы грунта движутся в пространстве по сложной траектории, при этом возникают инерционные силы, величина и направление действия которых резко меняется во времени. В этом случае деформации сооружений и его элементов могут иметь сложный характер с преобладанием деформаций осевого растяжения, сжатия, изгиба, сдвига и кручения, которые действуют динамически, приводя к волновым и колебательным движениям всего сооружения в целом. На рис. показаны серьезные разрушения автомобильной трассы при землетрясении.

Землетрясения вызывают серьезные разрушения зданий, при которых возможны большие человеческие жертвы. Различный характер разрушений, интенсивность которых оценивается в пределах от 6 до 12 баллов по шкале Медведева - Спонейера - Карника.

Наиболее крупными сейсмическими областями являются Тихоокеанский и Средиземноморский пояса. К первому приурочено 68% всех землетрясений, ко второму - свыше 20%. На территории России к сейсмическим областям относятся: Кавказ, Прибайкалье, Южное Приморье, Сахалин, Курильские острова.

В настоящее время техногенное воздействие на геологическую среду достигло такой силы, что стали возможными землетрясения, которые провоцирует деятельность человека.

Понятие "наведенная сейсмичность" включает в себя как возбужденные, так и инициированные сейсмические явления. В качестве основных техногенных причин выступают такие, которые создают избыточную нагрузку или, наоборот, недостаток давления.

В качестве первых особенно характерны крупные водохранилища, создание которых провоцирует вероятность возбужденного землетрясения.

Тема 1.6 Геологическая деятельность внешних (экзогенных) сил Земли

План изучения темы:

1. Выветривание и его виды. Влияние выветривания на строительные свойства горных пород. Геологическая деятельность текучих вод.

2. Пролювиальные, делювиальные отложения и их использование в дорожном строительстве

Краткое изложение теоретических вопросов:

Геологические процессы подразделяют на эндогенные и экзогенные.

Эндогенные процессы - геологические процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах Земли. К ним относятся тектонические движения земной коры, магматизм, метаморфизм горных пород и сейсмическая активность. Главными источниками энергии эндогенных процессов являются тепло и гравитационная неустойчивость -перераспределение материала в недрах Земли по плотности (гравитационная дифференциация).

К эндогенным процессам относятся:

· - тектонические - разнообразные по направлению и интенсивности движения земной коры, вызывающие ее деформации (смятие в складки) или разрывы слоев;

· - сейсмические - связанные с землетрясениями;

· - магматические - связанные с магматической деятельностью;

· - вулканические - связанные с вулканической деятельностью;

· - метаморфические - процесс преобразования горных пород под влиянием давления и температуры без привнесения или выноса химических компонентов;

· - скарновые - метасоматического минерало- и породообразования в результате воздействия на различные горные породы (преимущественно известняки и доломиты) высокотемпературных растворов, содержащих в том или ином количестве Бе, М?, Са, 81, А 1 и другие вещества при широком участии летучих компонентов (вода, углекислота, С 1, Б, В и др.), и в широком диапазоне температур и давлений при общей эволюции растворов по мере понижения температуры от щелочных к кислым;

· - грейзеновые - метасоматического изменения гранитовых пород под действием газов, выделяющихся из охлаждающейся магмы с преобразованием полевых шпатов в светлые слюды;

· - гидротермальные - месторождения руд металлов (Аи, Си, РЬ, 8п, XV и др.) и неметаллических ископаемых (тальк, асбест и др.), образование которых связано с отложением или переотложением рудного вещества из горячих глубинных водных растворов, часто связанных с остывающими в земной коре магматическими очагами.

Тектонические движения - механические движения земной коры, вызываемые силами, действующими в ней и главным образом в мантии Земли, и приводящие к деформации слагающих кору пород. Тектонические движения связаны, как правило, с изменением химического состава, фазового состояния (минерального состава) и внутренней структуры подвергающихся деформации горных пород. Тектонические движения охватывают одновременно очень большие площади.

Геодезические измерения показывают, что практически вся поверхность Земли находится непрерывно в движении, однако скорость тектонических движений невелика, изменяется от сотых долей до первых десятков миллиметров в год, и только накопления этих движений в ходе очень продолжительного (десятки-сотни млн лет) геологического времени приводят к крупным суммарным перемещениям отдельных участков земной коры.

Тема 1.7 Подземные воды и их значение при строительстве инженерных сооружений

План изучения темы:

1. Образование и классификация подземных вод. Условия залегания, признаки, температура. Понятие о водопроницаемости и коэффициенте фильтрации горных пород.

2. Направление и скорость движения подземных вод. Значение грунтовых вод для устойчивости инженерных сооружений. Способы понижения уровня грунтовых вод.

Краткое изложение теоретических вопросов:

В проектировании зданий учитывается множество расчетных величин, способных повлиять на строительство и эксплуатацию сооружения, и одной из них является уровень грунтовых вод. Именно этот показатель будет основополагающим критерием в расчете стоимости застройки, технологии строительства, долговечности конструкции и условий эксплуатации здания. Грунтовые воды зачастую осложняют строительство опорных конструкций и зданий в целом, поэтому, чтобы эффективно справиться с этой проблемой, нужно узнать о ней как можно больше информации, прежде чем начинать застройку.

Схема образования подземных вод.

Уровень грунтовых вод - это слой почвы, ниже которого грунт насыщен водой до предела, то есть это ближайший к поверхности земли водоносный слой. Этот водяной слой отделен от низлежащего водонепроницаемыми породами глинистой или каменистой почвы. Глубина подземных вод зависит в основном от участка и от наличия водоемов поблизости. В горах грунтовые воды могут залегать на глубине более 100 метров, а в низинах и болотистых местностях этот показатель может насчитывать от нескольких сантиметров до 2 метров. В зависимости от времен года и интенсивности выпадения атмосферных осадков, уровень грунтовых вод постоянно изменяется, а колебания этой величины находятся в пределах нескольких метров.

Схема промерзания почвы.

Наименьший уровень подземных вод приходится на зимний период, когда из-за промерзания почвы грунт становится водонепроницаемым, а осадки выпадают в виде замерзших кристаллов воды, которые не растают до наступления тепла. Самый высокий уровень грунтовых вод отмечается весной, когда происходит таяние выпавших за зиму осадков. Верхний слой почвы становится пористым, из-за чего вся влага, образовавшаяся на поверхности, просачивается в нижние породы до водонепроницаемого слоя, что влечет за собой повышение уровня залегающих грунтовых вод. Именно поэтому для строительства зданий измерять показатель уровня подземных вод следует весной, чтобы избежать пучения грунта.

Типы слоев.

Различают следующие виды грунтовых вод:

· верховодка;

· грунтовые безнапорные воды;

· артезианские воды.

Верховодка залегает на глубине 2-3 метров. В засушливую погоду, а также зимой исчезает, просачиваясь в нижние водоносные слои. Носит временный и сезонный характер. Имеет небольшую площадь распространения. В песчаных почвах встречается крайне редко, для нее более типичны суглинистые или лесные породы. Залегая в пределах пространства подземных частей здания, верховодка представляет высокую опасность для строительства, так как может стать причиной подтопления сооружения и пучения грунта вокруг фундамента.

Таблица условий понижения грунтовых вод.

Грунтовые безнапорные воды залегают на первом водоупорном слое от поверхности земли. Этот водоносный слой не перекрывается водонепроницаемыми слоями грунта. Свой водный пласт грунтовые воды наполняют не полностью, из-за чего они и являются ненапорными. Этот вид подземных вод носит постоянный характер во времени и значителен по площади распространения.

Питание грунтовых вод происходит в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков. Именно этот тип грунтовых вод доставляет большее количество хлопот при строительстве опорных конструкций и устройстве котлованов. Дело в том, что высокий уровень безнапорных подземных вод не позволит произвести заливку фундамента из-за постоянного затопления водой строительного котлована.

Артезианские воды - это подземный слой воды, располагающийся между двумя водоупорными слоями почвы. Если по какой-либо причине будет пробит верхний водоупорный слой, то это приведет к выбросу залегающей воды под давлением на поверхность. Артезианские воды пролегают глубоко в почве и носят постоянный характер. Из-за своего расположения никак не влияют на строительство зданий.

Влияние на строительство.

Проектирование любых сооружений, предполагающих заливку фундамента, всегда должно начинаться с измерения уровня залегания грунтовых вод. Чем выше их расположение, тем меньше грунт способен выдерживать несущие опоры. Если залегание подземного водоносного слоя находится на глубине меньше 2 метров, то это считается высоким уровнем грунтовых вод. При таком их расположении от строительства, требующего обустройства котлована или траншеи, стоит отказаться.

Схема пробной скважины для определения уровня грунтовых вод.

Также избегать строительства стоит, если при высоком уровне грунтовых вод между поверхностью земли и водоносным слоем находится песчаная почва с илистой примесью. Попадание влаги в слои песчаной породы приведет к изменению грунта (он начнет "плавать"), что пагубно скажется на способности несущих конструкций выдерживать нагрузки, создаваемые самим зданием. Если же на этом уровне расположен пласт глинистого сланца, то попадание в него воды приведет к его размягчению, из-за чего потеряется устойчивость почвы, что неминуемо будет способствовать искривлению уровня фундамента.

В любом случае, при наличии подобных проблем, стоимость застройки будет неоправданно высокой. Дело в том, что подземные воды постоянно будут заливать вырытый котлован, даже при наличии качественной гидроизоляции и дренажа, что не позволит произвести заливку фундамента. Такие меры лишь на короткий срок обеспечат необходимый эффект, но сами грунтовые воды не исчезнут и, по прошествии небольшого промежутка времени, снова восстановят свой первоначальный уровень.

От уровня грунтовых вод зависит не только сметная стоимость строительства здания, но и расходы на его эксплуатацию, и сам срок эксплуатации.

Уровень подземного водоносного слоя обуславливает ограничение в виде выбора фундамента, его глубины, размера и сроков строительства. Помимо этих показателей, уровень подземного водоносного слоя накладывает ограничения на выбор материалов для застройки и их технических характеристик (плотность, прочность, водонепроницаемость и т.д.). Решение об обустройстве цоколей и подвалов тоже напрямую зависит от уровня грунтовых вод.

Схема понижения грунтовых вод.

Поэтому в строительстве принята норма расстояния от основания фундамента до залегающих грунтовых вод, равная 0,5 метра и выше. Это позволит обустроить все несущие конструкции согласно нормам и гарантирует надежность эксплуатации построенного здания. Если расчет был выполнен без учета этой нормы, то произойдет неравномерное пучение грунта, следствием чего станет перекос фундамента, который вызовет появление трещин в конструкциях, что может привести к их обрушению. Именно поэтому уровень грунтовых вод необходимо определять еще на стадии проектирования здания.

Раздел 2. Основы инженерного грунтоведения и механики грунтов

Тема 2.1 Основные сведения о грунтах, прочностных и деформационных свойствах

План изучения темы:

1.Общие сведения о грунтах. Классификация грунтов согласно ГОСТ 25100-82. Главнейшие минералы, входящие в состав грунтов.

2.Роль грунтов и почв в дорожном и аэродромном строительстве.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики.

Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться без разрушения под влиянием внешней нагрузки. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации Е, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор.

Прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу, которое можно описать линейной зависимостью Кулона

ф = p tgц + c,

где ф - сопротивление сдвигу, МПа; р - нормальное давление,МПа; tg ц - коэффициент внутреннеготрения; ц - угол внутреннего трения, град; c - сцепление, МПа.

Величины ц и c необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости.

Прочность скальных грунтов определяется преимущественно их структурными связями, т.е. сцеплением, но в наибольшей меретрешиноватостью.

Временное сопротивление скального грунта одноосному сжатию (предел прочности на сжатие) является важной классификационной характеристикой, по которой проводится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа).

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяют в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентгеноэлектронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях на будущих строительных площадках. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых результатов [14].

По каждой характеристике грунтов выполняется несколько определений и проводится их статистический анализ. Для любого ИГЭ определений должно быть не менее трех.

Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах и в буровых скважинах на объектах.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты - это образцы грунтов с ненарушенной структурой, которые должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. У пылевато-глинистых грунтов нужно сохранять природную влажность за счет водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки на их поверхности В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются массой не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-механические характеристики, причем каждую согласно своему ГОСТ: природная влажность и плотность грунта - ГОСТ 5180-84, предел прочности - ГОСТ 17245-79, гранулометрический (зерновой) состав - ГОСТ 12536-79 и т. д. В лаборатории определяют влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях дает преимущество перед лабораторным анализом, поскольку позволяет определять все значения физико-механических характеристик при естественном залегании грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При этом моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений. Такие исследования грунтов в последние годы используют все больше. При этом совершенствуется техническая оснащенность, применяются ЭВМ. Экспресс-методы позволяют быстрее получать свойства грунтов. Чтобы прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и сооружений, целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые исследования.

Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость следует считать эталонным метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278-85). Результаты других методов испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое лидирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.

При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке(ГОСТ 23741-79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости эти работы проводят толькодля сооружений I уровня (класса) ответственности. К ним относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты и требующие повышенную надежность (главные корпусы ТЭС. АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы выше 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т, д.).

Для других случаев строительства (II и III класс сооружений) достаточно надежные показатели с и ц получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248-78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518-85).

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования, результаты которого при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями для обеспечения достоверности результатов.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статически зондированием.

Метод ш т а м п о в. В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276-85). Штамп в шурфе - это стальная или железобетонная круглая плита площадью 5000 см ². Для создания под штампом заданного давления применяют домкраты или платформы с грузом.

Осадку штампов измеряют прогибомерами. В шурфе на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Штамп загружают ступенями в зависимости от вида грунта и его состояния, выдерживая до стабилизации деформаций. В итоге испытания строят графики зависимостей осадки штампа от давления и от времени по ступеням нагрузки. После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е,МПа.

Штамп в буровой скважине. Испытание грунтов проводят в скважине диаметром более 320 мм глубиной до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см ². Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации также определяют по формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, опускаемую в скважину на заданную глубину и расширяемую давлением жидкости или газа. При создаваемых давлениях замеряют радиальные перемещения стенок скважины, что позволяет определять модуль деформации и прочностные характеристики грунта.

Тема 2.2 Состав и основные физические свойства грунтов

План изучения темы:

1. Понятие о гранулометрическом составе грунтов. Методы определения гранулометрического состава грунтов.

2. Крупнообломочные и песчаные грунты: плотность, угол естественного откоса, сопротивление сдвигу. Пылеватые и глинистые грунты.

3. Свойства глинистых грунтов: плотность, пластичность, липкость, набухание и усадка.

4. Основные понятия и расчетные формулы.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Свойства грунта - это особенности грунта, обусловленные его составом, взаимоотношением и взаимодействием слагающих грунт компонентов (твердых, жидких и газообразных). Различают физические, механические, магнитные, электрические, водные и др. свойства. Здесь мы остановимся на физических и механических свойствах, поскольку на их основании производятся расчеты фундаментов, подпорных стенок и других элементов сооружений, взаимодействующих с геологической средой. Кроме того, свойства являются исходными данными (не единственными, но очень важными) для изучения и прогнозирования развития экзогенных геологических процессов.

Физические свойства грунтов - особенности грунтов, определяющие их поведение в естественных условиях и при взаимодействии с продуктами инженерной и хозяйственной деятельности человека. Ниже приведены основные физические свойства грунтов.

1. Гранулометрический состав (для дисперсных грунтов) - количественное содержание в грунте первичных частиц по фракциям (размерам зерен), выраженное в процентах от общей массы грунта.

2. Плотность. При этом различают плотность грунта и плотность скелета грунта (т.е. частиц грунта).

3. Пористость и коэффициент пористости. Пористость характеризует объем пор в единице объема грунта, а коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой компоненты.

4. Влажность. Различают естественную влажность - т.е. влажность образца на момент его отбора из горной выработки (причем она может быть весовой, т.е. отношение массы воды к массе скелета грунта, или объемной, т.е. отношение объема воды в грунте к объему всего грунта); степень влажности (коэффициент водонасыщения) - относительную долю заполнения пор водой в данном грунте; гигроскопическую влажность - отношение массы воды, удаляемой из образца воздушно-сухого грунта, высушенного при температуре 105 градусов до постоянной массы, к массе высушенного грунта.

5. Пределы пластичности (только для глинистых грунтов). Пластичность - это способность грунта деформироваться без разрыва сплошности под воздействием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения воздействия. Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее называется верхним пределом пластичности. Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое - влажность нижнего предела пластичности. Разность между значениями влажности для верхнего и нижнего пределов называется числом пластичности. Показатель консистенции - отношение разности весовой влажности и влажности нижнего предела к числу пластичности.

6. Набухаемость грунтов (только для глинистых) - способность грунтов увеличивать свой объем при замачивании. при этом развивается давление набухания.

7. Усадочность (для глинистых и органогенных грунтов) - способность грунтов уменьшать свой объем при обезвоживании.

8. Размокаемость - способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу.

9. Размягчаемость - способность скальных грунтов снижать свою прочность при взаимодействии с водой

Глинистый грунт - связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности Ip >= 1.

Пластичность глинистых пород-- способность глинистых пород изменять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил без разрыва сплошности и сохранять полученную при деформации новую форму после прекращения действия внешних сил.

Пластичные свойства глинистых пород зависят от влажности породы, степени дисперсности, минералогического состава, концентрации норового раствора, состава обменных катионов и пр.

Пластичность глинистых пород - характеризуется так называемыми пределами пластичности.

В инженерно-геологической практике пользуются показателями верхнего и нижнего пределов пластичности.

Верхним пределом пластичности (границей, пределом текучести) называется влажность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние.

Нижним пределом пластичности (границей, пределом раскатывания) называется влажность, при которой грунт переходит из пластичного в твердое состояние.

Разность между верхним и нижним пределами пластичности называют числом пластичности.

Тема 2.3 Водно-физические свойства грунтов

План изучения темы:

1. Виды воды в грунтах. Водопроницаемость, влагоемкость, водоподъёмная способность. Формы связей воды в грунтах.

2. Водный и тепловой режим земляного полотна и его регулирование. Пучины на дорогах и борьба с ними.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Природная влажность - отношение массы воды, содержащейся в в порах породы, к массе сухой породы, W, д.е.

W=(m-m₁)/m₁, (4)

где m - масса грунта вместе с содержащейся в ней водой, m₁ - масса высушенного грунта, г.

Полная влагоемкость - максимальное содержание воды, содержащееся в породе, W_п, д.е.

W_п,=n/с_d, (5)

где, n - пористость грунта, с_d - плотность сухого грунта.

Коэффициент водонасыщения грунта (степень влажности) - степень заполнения объема пор водой, S_r, д.е.

S_r=W·с_s/eс_w, (6)

где, W - природная влажность грунта, д.е.; е - коэффициент пористости; с_s - плотность частиц грунта, г/см ³; с_w - плотность воды, 1 г/см ³.

Критерий физического состояния глинистых грунтов (J_p; J_L).

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты - глины, суглинки и супеси.

Пластичность - способность пород изменять под действием внешних сил (давление) свою форму без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось - характеристика определяемая деформируемость.

Чтобы выразить пределы влажности, при которых грунты обладают пластичностью, вводят понятие верхнего и нижнего предела пластичности.

W_L - граница текучести соответствует такой влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

W_p - граница раскатывания соответствует такой влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём). Определение характерных влажностей W_L и W_p для глинистых грунтов является кропотливым лабораторным процессом и требует определенных навыков и даже профессиональной подготовки.

Число пластичности J_p=W_L-W_p.

Показатель текучести J_L=(W-W_p)/(W_L-W_p).

Таблица 6 Зависимость расчетного сопротивления R глинистых (связных) грунтов нагрузкам от величины J_L, (табл. СНиП 2.02.01-83).

Твердое состояние	Пластичное состояние	Текучее состояние
JL < 0	0 < JL < 1	JL ? 1
R ? 4 кг/см 2 = 0,4 МПа	R ? 0,2 МПа	R ? 0 (строить практически невозможно)

Тема 2.4 Механические свойства грунтов. Механика грунтов

План изучения темы:

1. Устойчивость под нагрузкой. Зависимость между давлением и пористостью. Трение и сцепление сыпучих грунтов.

2. Закон Кулона. Оптимальная влажность и максимальная плотность грунтов. Понятия и расчетные формулы

Краткое изложение теоретических вопросов:

Учебное пособие Н.И. Барац "Механика грунтов", 2008

Грунтами называют любые горные породы, почвы и антропогенные (техногенные) геологические образования, залегающие в верхней части земной коры и являющиеся объектом инженернохозяйственной деятельности человека. Массивы грунтов используются как основания сооружений, как среда, вмещающая подземные сооружения, и как материал для постройки земляных сооружений. Состав, строение, состояние и свойства грунтов определяются генезисом, возрастом отложений и характером постгенетических процессов.

Раздел 3. Основы инженерной геологии и геодинамики

Тема 3.1 Инженерно-геологическая характеристика различных грунтов и почв

План изучения темы:

1. Скальные и полускальные грунты, крупнообломочные и песчаные грунты, их строительная характеристика. Применение грунтов в дорожном и аэродромном строительстве.

2. Типы рельефа. Геоморфологические элементы, форма и особенности рельефа. История развития рельефа, его связь с тектоническими структурами.

3. Степень выветрелости горных пород, выбор поверхностного водоотвода. Характерные особенности слабых грунтов. Особенности и физико-механические свойства слабых грунтов. Просадочность в слабых грунтах.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Супеси содержат от 3 до 10 % глинистых частиц, вследствие чего по своим инженерно-геологическим свойствам они занимают как бы промежуточное положение между глинистыми и песчаными грунтами.

Содержание глинистых частиц у суглинков меньше, чем у Глин - около 10--30 %, в связи с этим количество коллоидов тоже не так велико. Мономинеральных разностей среди суглинков не встречается. Свойства, характерные для глинистых пород, выражены, естественно, в суглинках менее ярко.

К глинам обыкновенно относят породы, у которых содержание глинистых частиц превышает 30%. Встречаются глины, обладающие высокой дисперсностью, у них количество глинистых частиц ни может достигать 60 % и более. Как правило, в глинах содержится много коллоидов. Среди глин преобладают полиминеральные. Описанные выше особенности связных или глинистых фунтов выражены у глин особенно ярко.