Инженерная геология, этапы развития, задачи. Инженерная геология, как наука о рациональном использовании окр . среды.

1. Quand se passe le Carnaval de Nice ?

2. Combien de jours dure le Carnaval ?

3. Comment est représentée sa Majesté Carnaval ?

4. Qui participe au grand défilé ?

5. Comment se termine le Carnaval ?

 

Инженерная геология, этапы развития, задачи. Инженерная геология, как наука о рациональном использовании окр . среды.

Инж. Геология - наука, изучающая свойства горных пород, грунтов, природные-геологические и техногенно-геологические процессы в верхних горизонтах ЗК в связи со строительной деятельностью человека.

Инженерная геология сформировалась как наука геологического цикла в 20 – 30 годах ХХ века в связи с запросами различных видов строительства – транспортного, промышленного, энергетического и др. Были созданы специализированные изыскательские организации, инженерно-геологические исследования стали необходимой стадией проектирования и строительства. ИГ, включающая на этом этапе грунтоведение и инженерную геодинамику, стала изучаться в вузах. В последующие 1940…70-е гг. она интенсивно развивалась применительно к решению проблем строительства в сложных геологических условиях транспортных сооружений, крупных ГЭС и ТЭС, атомных электростанций и др. Содержание ИГ расширилось за счет обобщения закономерностей инженерно-геологических условий обширных территорий (регионов); региональная ИГ стала третьей составной частью инженерной геологии.

Главная цель-изучение природной геологической обстановки до начала стр-ва и прогноз изменений, которые произойдут в геол. среде, породах в процессе строительства.

2. Общие сведения о Земле. Форма и строение Земли, внешние и внутренние геосферы и их взаимодействие, химический состав земной коры. Геотермический режим.

Приняв приближенно форму земли в виде шара ( геоид ) со средним радиусом 6371,1 км, строение ее можно характеризовать совокупностью геосфер. К внешним геосферам относятся атмосфера, гидросфера и биосфера. К внутренним – земная кора (ЗК), литосфера, мантия и ядро.

 

ЗК толщиной около 70 км состоит из трех слоев, названных по характеру типичных пород: осадочный, гранитный и базальтовый; в океанической ЗК гранитный слой отсутствует. Мантия подразделяется на верхнюю (до 900км) и нижнюю (глубже до 2900). Верхний слой мантии вместе с ЗК образуют литосферу (до 140 км глубины).

Рис. 1.1. Внутренние геосферы

Из физических полей Земли большое значение имеют тепловое, гравитационное, магнитное; закономерности последних используются в геофизических методах, применяемых в инженерной геологии.

 

В ядре выделяют его внешнюю оболочку (2900 – 5000 км) и само ядро. В них и нижней мантии протекают процессы движения и преобразования вещества, приводящие к выделению внутренней – эндогенной – энергии Земли. Она проявляется в образовании минералов и горных пород, структур литосферы и ЗК, рельефа, т.е. характера поверхности последней. Таким образом, имеет место взаимодействие всех перечисленных геосфер.

Наиболее распространенными в ЗК являются следующие химические элементы: кислород (46,5), кремний (25,7), алюминий (7,6), железо (6,2). В скобках приведены массовые доли элементов в %. Далее следуют Ca, Na, Mg, K, H, Ti, C. Остальные элементы в сумме составляют менее 1%.

Геотермический режим ЗК определяется взаимодействием вышеуказанной эндогенной(внутренняя энергия химических реакций, протекающих в мантии) энергии и внешней (экзогенной), главным образом солнечной. В итоге в ЗК выделяют три зоны: в верхней преимущественное значение имеет влияние солнечного тепла и соответственно проявляются суточные, сезонные и другие колебания температуры; глубже следует нейтральный слой, в котором температура постоянна и близка к среднегодовой. Еще глубже наблюдается устойчивый рост температуры, интенсивность которого характеризуется указанием геотермических ступени и (или) градиента.

Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины- геотермический градиент.

Глубина, при которой температура повышается на 1 градус по Цельсию -геотермическая ступень . Очевидно соотношение ГС = 100/ГГ. В среднем ГС равна 33 м, но в общем она меняется от 5 до 100 м. Например, для Москвы ГС = 59 м, для Петербурга только 20 м; различие объясняется более близким к поверхности для последнего расположением кристаллических пород и наличием в них глубоких разломов. Учет роста температуры с глубиной имеет непосредственное практическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин.

 

3. Минералы и горные породы, эндогенный и экзогенный процессы их образования. Породообразующие минералы, классификации, состав, свойства.

Земная кора состоит из горных пород (ГП), представляющих собой агрегаты нескольких (иногда одного) минералов. Минерал - природное образование, однородное по внутреннему строению, химическому составу и физическим свойствам. Всего их известно несколько тысяч, но основную массу ГП составляют несколько десятков наиболее распространенных – породообразующих – минералов.

 

Большинство минералов имеет кристаллическое строение

Изотропность – свойства одинаковы по всем направлениям

Анизотропность - разные.

По характеру энергии, определяющей процессы минерало-, и породообразования, их делят на эндогенные(внутренние) и экзогенные(на поверхности). К эндогенным относятся магматизм и метаморфизм.

Магматизм – внедрение магмы в ЗК или излияние ее на поверхность в виде лавы. Образующиеся при этом ГП называются магматическими (МГП). Это интрузивные (глубинные) (гранит, сиенит, диорит и др.) и эффузивные (поверхностные) (порфиры, андезит, базальт, пемза и др.).

Метаморфизмом называется преобразование ранее образовавшихся пород при изменении условий их существования, под действием высоких давления, температуры, химически активных жидкостей и газов. Образующиеся при этом породы называются метаморфическими (ММГП); это гнейс, кварцит, мрамор, различные кристаллические сланцы. МГП и ММГП составляют большую часть массы ЗК.

Экзогенные процессы протекают на небольших глубинах ЗК и на ее поверхности. Экзогенные минералы образуются на земной поверхности и на небольшой глубине вследствие преобразования эндогенных минералов, кристаллизации и осаждения солей из водных растворов, а также в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов, накопления их остатков. Такой процесс минералообразования называется осадочным, а возникающие при этом горные породы называются осадочными (ОГП).

Классификация:1)(содержащие кремний) силикаты : наиболее распространены минералы магматического происхождения - полевые шпаты ортоклазы и плагиоклазы, слюды, оливин, авгит, роговая обманка; метаморфического – тальк, хлорит, серпентин; осадочного – каолинит, монтмориллонит, гидрослюды 2)оксиды и гидроксиды: кварц,опал,лимонит3)карбонаты(соли натрия,магния,меди):кальцит,доломит4)сульфаты(соли серной кислоты):гипс,ангидрит

5) сульфиды(производные сероводорода):пирит 6) галоиды(фтористые и хлористые соединения): галит, сильвин

Во многих случаях минерал можно определить по его физическим свойствам, к которым относятся

Физические свойства:1)внешняя форма 2) цвет 3) прозрачность 4) блеск 5) твердость (шкала Мооса) 6) Спайность-способность раскалываться по определенным направлениям 7)излом 8) плотность 9) магнитность

По плотности различают минералы легкие (r ≤2,5г/см³), тяжелые (r >= 4) и средней плотности при изменении r в указанных пределах. Для определения твердости минералов пользуются шкалой Мооса, в которой каждый последующий из приведенных эталонных минералов царапает предыдущий, т.е. превышает его по твердости на один балл: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд, алмаз. Последние три минерала относятся к редким, так что из перечисленных породообразующих минералов к твердым относятся полевой шпат (6) и кварц (7); к мягким тальк (1) и гипс (2); остальные имеют среднюю твердость.

Очень большое практическое значение имеет устойчивость минералов к выветриванию. В этом отношении они подразделяются на очень устойчивые – кварц, мусковит; устойчивые – ортоклаз, альбит, т.е. полевые шпаты с большим содержанием кремнекислоты (кислые); умеренно устойчивые – кислые плагиоклазы, авгит, роговая обманка, биотит и др.; малоустойчивые – основные плагиоклазы (с малым содержанием кремнекислоты), оливин, пирит.

Магматизм и магматические горные породы(МГП),условия образования, формы залегания интрузивных и эффузивных магматических пород. Названия и строительные свойства наиболее распространенных МГП.

Магматизм – внедрение магмы в ЗК или излияние ее на поверхность в виде лавы. Образующиеся при этом ГП называются магматическими (МГП). Это интрузивные (глубинные) (гранит, сиенит, диорит и др.) и эффузивные (поверхностные) (порфиры, андезит, базальт, пемза и др.). Магма- сложный силикатный сплав

Текстура пород(пространственное расположение частей пород в ее обьеме):1) массивная- равномерное, плотное расположение минералов 2)полосчатая- чередование участков различного минерального состава 3)шлаковая- порода, содержащая видимые глазом пустоты

порфировую ( с кристаллами в виде отдельных вкраплений в общей стекловатой массе) или стекловатую структуру; текстура может быть как плотной, (порфиры, порфириты, диабазы), так и пористой – липариты, трахиты, андезиты, базальты, пемза

Структуры:1) зернистые - типичные для глубинных пород 2)полукриссталические 3)стекловатые- типичные для излившихся пород

Формы залегания:

А) Глубинные ( интрузивные)

1) батолиты-массивы ,площадью до несколько сотен км,залегающих глубоко от земной пов-ти 2)штоки-ответвления от батолитов 3)лакколиты- грибообразные формы 4) жилы - заполненные магмой трещины в земной коре

Рис. 2.1. Формы залегания интрузивных МГП:

1 – батолит; 2 – шток; 3 – лакколит; 4,5 – жилы (4 – пластовая или силл; 5 – секущая или дайка

Б) Излившиеся ( эффузивные) :1)купола- сводообразные формы 2)лаковые покровы -растекание магмы на пов-ти Земли 3)потоки- вытянутые формы

 

Рис. 2.2. Формы залегания эффузивных МГП:

1- купол; 2 – покров; 3 - поток

 

Характеристика пород:1)Кислые породы(содержание SiO2 65-75%) гранит и его аналоги

2)средние породы(52-65%) порфириты, андезиты, порфир, трахит 3)основные(40-52%) габбро и ее аналоги-диабаз , базальт 4) ультраосновные(менее 40 %) только глубинное происхождение – пироксениты.

Все МГП широко применяются в различных областях строительства. Из интрузивных наиболее распространенная порода – гранит, а из эффузивных – андезиты и базальты.

В общем МГП и ММГП (метаморфические ГП) обладают большой прочностью, малосжимаемы, нерастворимы в воде. При использовании их обязательно устанавливается трещиноватость, которая может существенно снизить прочность и повысить деформируемость массива породы.

 

Осадочные горные породы ОГП,УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ,КЛАССИФИФИКАЦИЯ,ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА. Особенности строительной оценки различных классов ОГП- ОБЛОМОЧНЫХ НЕСВЯЗНЫХ И СЦЕМЕНТИРОВАННЫХ,ГЛИНИСТЫХ,ХИМИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ.

Составляя всего 5% от массы ЗК, осадочные породы чаще всего слагают ее верхние слои и выходят на поверхность, оказываясь в зоне хозяйственно-строительной деятельности человека. На происхождение ОГП указывает название – формирующиеся из осадка. Последний возникает при разрушении ранее существовавших пород вследствие выветривания и переносе продуктов разрушения, при кристаллизации солей в усыхающих водных бассейнах, а также при накоплении остатков животных и растительных организмов. В соответствии с указанными условиями образования ОГП разделяются на три группы: обломочные, глинистые, химические и биохимические. Основной формой залегания ОГП является слой, в котором различают подошву, кровлю и мощность Н – расстояние между ними (рис.2.З).

Слоистость, значительная пористость, большая изменчивость прочности и сжимаемости, повышенная чувствительность многих пород к внешним воздействиям – характерные черты ОГП. В них нередко обнаруживаются остатки и отпечатки животных и растений, позволяющие устанавливать возраст пород. Охарактеризуем каждую группу ОГП.

Рис. 2.3. Формы залегания ОГП:

1 – слои; 2 – линзы; 3 – выклинивание слоя;

4 – пережим слоя (пласта); 5 – пропласток (прослоек)

Обломочные ОГП

Представляют собой скопления обломков ранее существовавших пород как результата их физического выветривания – увеличения трещиноватости с дальнейшим дроблением, измельчением пород под действием перепадов температуры, замерзания в порах и трещинах воды, кристаллизации солей при ее испарении. По размеру обломки или частицы объединяются в группы – фракции. Выделяются следующие фракции с размерами (мм): валуны (глыбы) d >100; галька (щебень) 40…100; гравий (хрящ, дресва) 2…40; песок 0,05…2; пыль 0,005…0,05; глина d<0,005. Указанные в скобках названия используются для неокатанных, угловатых обломков.

В природе обломочные породы представляют собой смесь различных фракций. Наименование породе присваивается по преобладающей фракции, cоставляющей по массе более 50%. Если связи между частицами отсутствуют, породы называются рыхлыми или несвязными. Это галечник, гравий, щебень, хрящ, песок. Для последнего ограничивается также содержание глинистой фракции тремя процентами. Цементированные природным цементом галька и гравий называются конгломератом; то же, щебень и хрящ – брекчия. Конгломераты образуются в прибрежной зоне морей и поэтому распространены шире брекчий. Цементированный песок называется песчаником. Цементированными оказываются продукты вулканических извержений – пепел, песок и др. Оседая на землю, уплотняясь, цементируясь и твердея, они образуют пористые породы, называемые вулканическим туфами или туффитами, если включают обломочный материал другого происхождения. Прочность несвязных пород зависит от трения между отдельными частицами; при шероховатой, угловатой их форме оно больше. Большое значение имеет плотность «упаковки» частиц: плотные породы будут и более прочными.

Содержание различных фракций в процентах по отношению ко всей массе достаточно представительной пробы породы называется гранулометрическим составом. Он приводится в табличной или графической форме и является важной характеристикой любых дисперсных грунтов. Соответствующий график называется кривой однородности (рис.2.4). Для неоднородного грунта кривая более пологая. Численно это можно характеризовать коэффициентом неоднородности k = d₆₀/d₁₀, т.е. отношением диаметров частиц, меньше которых в грунте 60 и 10% соответственно. Если k>3, то песок неоднородный. По размеру частиц пески подразделяются на гравелистые, когда частиц крупнее 2 мм более 25%; крупные и средней крупности, когда частиц крупнее 0,5 и 0,25 мм соответственно содержится более 50%; мелкие, когда частиц крупнее 0,1 мм более 75% и пылеватые, когда этих частиц менее 75%. Если содержание ни одной из перечисленных фракций не достигает 50%, песок называют разнозернистым. От гравелистых и крупных к пылеватым строительные свойства песков ухудшаются: снижаются прочность и водопроницаемость, увеличиваются сжимаемость и способность к разжижению, переходу в состояние плывуна, проявляется пучинистость мсостояние плывуна, проявляется пучинистость. Рис. 2.4. Графики гранулометрического состава грунтов

(кривые однородности): 1 – неоднородный песок; 2 – суглинок

 

Для цементированных пород очень важен вид природного цемента. По минеральному составу он может быть кремнистым (из минералов опал, халцедон), карбонатным (кальцит, доломит), железистым (лимонит), гипсовым, глинистым. В указанном порядке прочность цемента убывает; гипсовый растворим в воде, глинистый самый слабый и в воде размокает. Песчаники с кремнистым цементом по прочности могут не уступать граниту, а с глинистым иметь сопротивление сжатию 1 Мпа и менее. Цемент может быть смешанным, состоящим из разных минералов – например, карбонатно-гипсовым и т.п.