Лекции "Основы инженерной геологии" для заочников

Министерство образования и науки Республики Дагестан

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Республики Дагестан

«Колледж архитектуры и строительства»

Рассмотрено	Утверждаю
на заседании цикловой комиссии ____________________________	Зам. директора по УМР
	____________ Магомедов М.Р.
Протокол №___	«____» _____________ 20____г.
от «____»____________20_____г.
Председатель комиссии
_____________________

Курс лекций по дисциплине «Основы инженерной геологии»

по специальности 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

Составила: Шамсудинова М.В.

преподаватель общепрофессиональных дисциплин

Каспийск

Содержание

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………………………… 3

Тема 1. Геологическое строение и возраст горных пород………………………………………… 4

1.1. Происхождение и строение Земли……………………………………………………………… 4

1.2. Геологическая хронология………………………………………………………………………….. 4

1.3. Возраст горных пород………………………………………………………………………………….. 5

1.4. Условия залегания горных пород………………………………………………………………… 6

1.5. Виды дислокаций горных пород………………………………………………………………….. 6

1.6. Значение дислокаций для инженерной геологии………………………………………. 7

1.7. Понятие о геологической норме и разрезе. Геологическая карта……………… 8

Тема 2. Породообразующие минералы и горные породы………………………………………… 9

2.1. Понятие о минералах…………………………………………………………………………………… 9

2.2. Генезис минералов (происхождение)…………………………………………………………. 9

2.3. Классификация минералов………………………………………………………………………….. 9

2.4. Физические свойства…………………………………………………………………………………… 10

2.5. Понятие о горных породах………………………………………………………………………….. 12

2.6. Классификация горных пород…………………………………………………………………….. 12

2.7. Магматические горные породы………………………………………………………………….. 12

2.8. Осадочные горные породы…………………………………………………………………………. 13

2.9. Метаморфические горные породы…………………………………………………………….. 16

Тема 3. Гидрогеология………………………………………………………………………………………………… 16

3.1. Виды воды в грунтах……………………………………………………………………………………. 16

3.2. Классификация подземных вод…………………………………………………………………… 17

3.3. Водные свойства горных пород…………………………………………………………………… 17

3.4. Закон движения подземных вод…………………………………………………………………. 18

3.5. Определение коэффициента фильтрации…………………………………………………. 19

3.6. Грунтовые воды……………………………………………………………………………………………. 19

3.7. Межпластовые подземные воды………………………………………………………………… 20

3.8. Трещиновые и карстовые воды ………………………………………………………………….. 20

3.9. Определение направления движения подземных вод……………………………… 21

3.10. Режим подземных вод……………………………………………………………………………… 22

3.11. Понятие о деприссионной воронке и радиусе влияния…………………………… 22

3.12. Водопонижение грунтовых вод на строительных площадках…………………. 23

3.13. Химический состав подземных вод………………………………………………………….. 23

Тема 4. Грунты………………………………………………………………………………………………………………. 24

4.1 Общие сведения, классификация грунтов…………………………………………………….25

4.2 Свойства грунтов…………………………………………………………………….…………………….28

4.3 Методы укрепления грунтов……………………………………………………………………….30

ВВЕДЕНИЕ

Геология как наука

Геология - это наука изучающая состав, строение, происхождение и развитие Земли, закономерности и процессы ее формирования, составляющие ее горные породы и минералы, историю развития жизни на планете.

Основной объект изучения – земная кора (литосфера).

Геология развивалась и выделила ряд разделов:

1. Минералогия – это наука о минералах, их составе, свойствах и процессах образования.

2. Кристаллография – это наука о кристаллах природных и искусственных, их форме и структуре.

3. Петрография – это наука о горных породах, которые состоят из нескольких минералов, изучает происхождение, состав, свойства, условия залегания.

4. Динамическая геология – это наука о процессах, происходящих в земной коре и на поверхности, преобразующих ее.

5. Историческая геология – это наука, изучающая историю развития коры и населяющих ее растительных и животных организмов.

6. Гидрогеология – это наука о подземных водах, их образовании, залегании, движении и свойствах; использовании в хозяйстве и влиянии на устойчивость инженерных сооружений.

7. Грунтоведение.

Задачи инженерной геологии

Главная цель – изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, прогноз изменений, которые произойдут в геологической среде в процессе строительства и эксплуатации.

Это определяет основные задачи:

1. Выбор благоприятного в геологическом отношении места строительства данного объекта.

2. Выявление инженерно-геологических условий для того, чтобы выбрать рациональные конструкции фундамента и объекта в целом, а также технологий производства строительных работ.

3. Выработать мероприятия по инженерной защите территории и охране геологической среды.

Тема 1. Геологическое строение и возраст горных пород

1.1. Происхождение и строение Земли

Земля – шарообразное тело, сплюснутое у полюсов. Из-за наличия неровностей земной поверхности, получило название геоид.

Тело Земли имеет концентрическое строение из ядра и оболочек (геосфер).

Различают наружные и внутренние геосферы:

Внутренние:

Мантия – силикатная оболочка, является источником сейсмических и вулканических явлений и горообразовательных процессов.

Ядро состоит из внешнего жидкого и внутреннего твердого ядра. На 90% состоит из железа с примесью кислорода, серы, углерода, водорода. Плотность достигает 14гр/см³.

Внутренне строение Земли изучалось по данным глубинных сейсмических исследований по скорости прохождения и характеру преломления ударных волн.

Наружные:

Атмосфера:

• Тропосфера формируются облака, и происходит движение воздуха, содержаться различные газы;

• Стратосфера

• Ионосфера

Гидросфера – все воды Земли.

Биосфера – все живые организмы на Земле.

1.2. Геологическая хронология

Дает представление о возрасте Земли и отдельных ее слоев и возрасте горных пород. Все время разделили на отрезки. Так была создана геологическая шкала. Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфическую шкалу.

геохронологическая шкала	Стратиграфическая шкала слоев пород
Эон Эра Период Эпоха Век Время	Эонотема Эратема Система Отдел Ярус Зона

Каждый отрезок времени получил свое наименование и обозначение виде индекса, а на геологических картах – свою окраску.

Шкала геологического времени Земли

Эон	Эра	Период	Возраст, млн.лет	Развитие органического мира
1	2	3	4	5
Фанерозой	Кайнозойская KZ	Четвертичный Q	1.7	В начале периода преобладают млекопитающие. появляется человек.
		Неогеновый N	21	Бурный расцвет млекопитающих, развиваются птицы рыбы.
		Палеогеновый Pg	42	Окончательное вымирание мезозойской флоры, Развиваются млекопитающие, птицы, рыбы.
	Мезозойская MZ	Меловой K	70	Развитие крупных растений, рыбы, млекопитающих. Вымирают динозавры.
		Юрский I	55-60	Развитие хвойных, гигантских ящеров, птиц.
		Триасовый Т	40	Окончательное вымирание палеозойской флоры. Развитие рептилий, появление млмекопитающих, водных пресмыкающих.
	Палеозойская PZ	Пермский P	55	Появление и развитие хвойных, папоротников.Рептилии, амфибии.
		Угольный C	55	Развитие земноводных и позвоночных.Пышная наземная растительность.
		Девонский D	55	Развитие каралов , панцирных рыб,плауны, хвоши, папоротники.Водоросли, скорпионы, наземные растения.
		Силурийский S	30	Панцерные рыбы, водоросли, скорпионы, наземные растения.
		Ордовский O	45	Процветают раковинные беспозвоночные, появляются наземные животные,морские молюски, водоросли.
		Кембрийский	90	Простейшие наземные растения, водоросли.
Протерозой PR			1200	Появление водорослей, бактерий, мякготелые малюски и пресноводные животные.
Архей AR			3500	Приметивные органические формы.

1. . Возраст горных пород

Имеет большое значение, поскольку определяет строение, прочность и деформационные характеристики. Например: породы архейской группы отличаются большей прочностью по сравнению мезозойской группой.

Различают абсолютный и относительный возрасты.

Абсолютный возраст – продолжительность существования породы, выраженная в годах. Определяется по содержанию в породе радиоактивных элементов. Параметры, время распада и конечный продукт известны.

Относительный возраст – позволяет определить возраст пород относительно друг друга, т.е. устанавливать какие породы древнее, а какие моложе.

Используют два метода определения возраста пород:

1. Палеонтологический метод: определяет возраст независимо от залегания слоев, в основу метода положена история развития органической жизни на Земле. Останки, вымерших организмов, захоронились в тот отрезок времени, когда они жили. Зная последовательность и период жизни вымерших организмов, можно определить возраст пород.

2. Стратиграфический метод: применяют для толщ с ненарушенным горизонтальным залеганием слоев, при этом считают ниже лежащие слои более древними. Этот метод не применяется при залегании слоев в виде складок.

1.4. Условия залегания горных пород

Осадочная оболочка Земли образована слоями разных форм и различного происхождения. Все это возникает в результате осадконакопления – это первичное залегание горных пород. Эти слои разные по мощности и состоят из разных пород. Смешиваемость пластов осадочных пород является следствием изменения условий накопления осадков, когда происходит резкое изменение осадконакопления, всегда видна четкая граница между пластами.

Пласт – геологическое тело ограниченное двумя поверхностями и характеризуется однородным составом.

Выделяют 4 типа основных слоистостей:

• п араллельно-горизонтальная слоистость говорит о неподвижности слоя (глубоководные и мелководные озерные осадки);

• в олнистая слоистость образовалась при движении среды в двух направлениях (приливы и отливы);

• косая слоистость образуется при движении водной или воздушной среды длительное время в одном направлении;

• линзовидная слоистость – периодический внос в спокойную часть водоема более грубозернистого материала.

1.5. Виды дислокаций горных пород

Нарушение первоначального залегания пластов, называется дислокацией. В результате этого появляются складки, сбросы, сдвиги и другие формы. Осадочные горные породы залегают в виде пластов, расположенных горизонтально или с небольшим уклоном, такое залегание называют нормальным. При тектонических процессах нормальное залегание нарушается.

Складчатые дислокации:

• моноклиналь – складка в одну сторону

• ф лексура – коленообразная складка;

• а нтиклиналь: в зависимости от расположения оси складки различают: прямые, косые, опрокинутые;

• синклиналь – вершина вниз.

Разрывные дислокации-сбросы, взбросы, горсты, грабены, сдвиги.

Сброс образуется в результате опускания одной части толщи

Взброс образуется в результате поднятия одной части.

Грабены образуются, когда одна часть породы опускается между двумя разрывами.

Горст образуется, когда средняя часть поднимается между двумя разрывами.

Сдвиги образуется при движении горной породы в горизонтальном направлении.

1.6. Значение дислокаций для инженерной геологии

Для строительной цели наиболее благополучными является горизонтальное залегание слоёв, большая их площадь, однородность состава. Здание имеет наибольшую устойчивость.

При крутом падении пластов и разрыве нарушается однородность грунта, что приводит к не равномерной сжимаемости слоёв и деформации сооружений.

1.7. Понятие о геологической карте и разрезе.

Геологическая карта

Геологическая карта – графическое изображение геологического строения, какого - либо участка земной коры, нанесенного на топооснову определённого масштаба.

Выделяют:

• Карты четвертичных отложений расположенных на поверхности земли

• Карты коренных отложений, т.е. убраны породы четвертичного возраста делятся:

1. стратиграфические – показывают границы пород различного возраста, которые обозначаются разными цветами и индексами;

2. литологические – отражают состав пород, обозначаются условными знаками:

суглинок глина известняк песок супесь гранит гравий

3.литолого-стратиграфические

4.инженерно-геологические

5.специального назначения (полезных ископаемых, гидрогеологические, геофизические и т.д.)

Карты делятся по масштабу:

• Обзорные 1:500 000 и мельче

• Среднего масштаба 1:200 000 до 1:100 000;

• Детальные крупномасштабные 1:10 000 и крупнее

Геологический разрез – проекция геологических структур на вертикальную плоскость. Он позволяет выявить геологическое строение на глубине.

Их строят по разведочным выработкам или по картам, вертикальный масштаб выбирается в 10 раз крупнее горизонтального.

Тема 2. Породообразующие минералы и горные породы

2.1. Понятие о минералах

Минерал – природное тело однородного состава, представляющее химические элементы и соединения (кварц).

Наука, занимающая изучением свойств, состава, строение минералов называется минералогией.

В природе известно более 7000 минералов, чаще всего в породах встречаются 100 минералов, их называют породообразующими.

Минералы встречаются в трёх состояниях : твёрдые (кварц, графит); жидкие (вода, ртуть); газообразные (метан, сероводород).

2.2. Генезис минералов (происхождение)

Минералы образуются в сложных термодинамических и физико-химических условиях в недрах и на поверхности земной коры.

Можно выделить 3 группы:

• Эндогенные – минералы магматического генезиса, образуются при остывании и кристаллизации магмы. Они плотные, твёрдые, стойкие к воде, кислотам и щёлочам (кварц).

• Экзогенные – минералы осадочного генезиса, на образование влияет кислород, вода, температура; растворяется в воде, низкая твёрдость, взаимодействует с водой (каолинит, галит)

• Метаморфические – образуется в результате высоких температур, больших давлений. Достаточно прочные (опал).

1. Классификация минералов

• По происхождению

• По химическому составу

• По кристаллографическим особенностям

• По растворимости

По химическому составу:

1. Самородные элементы: минералы, состоящие из одного химического элемента. Входит около 45 минералов, но в строении земной коры составляет 0,1% по весу (например, самородное золото, серебро, медь, платина, графит, алмаз, сера и др.).

2. Сульфиды: соединения различных элементов с серой около 50 . Включает ряд минералов – важнейших руд на свинец, медь, цинк и др. (например: пирит FeS₂).

3. Галоидные соединения: соли голоидно-водородных кислот. Наиболее распространены хлористые и фтористые соединения (например: галит, сильвин, флюорит).

4. Оксиды и гидрооксиды: минералы – соединения различных элементов с кислородом и соединения с кислородом и гидроксильной группой. Он делится на группы:

• Оксиды и гидрооксиды кремния

• Окислы и гидроокислы металлов

5. Карбонаты: кальций и доломит.

6. Сульфаты: минералы, представляющие собой соли серной кислоты: гипс, ангидрит.

7. Силикат: породообразующие минералы.

По кристаллографическим особенностям:

• Минералы с кристаллической структурой

• Аморфные минералы

2.4. Физические свойства

Распознавание минералов осуществляется по их физическим свойствам:

1. Цвет – обуславливается химическим составом и примесями делятся на светлые и тёмные минералы.

2. Твёрдость – сопротивление минерала механическому воздействию. Различают абсолютную и относительную твёрдость. Относительная – определяет в сравнении с другими минералами, твёрдость которых известна и оценивается по десяти – бальной шкале Мооса:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
тальк	гипс	кальций	флюорит	апатит	ортоклаз	кварц	топаз	корунд	алмаз

В полевых условиях используют заменители: твёрдость ногтя = 2 – 2,5; медной монеты =3; стекла = 5 – 5,5; стального ножа = 5,5 – 6.

3. Спайность – способность минерала раскапываться при ударе по определенным направлениям, образуя гладкие плоскости раскола.

Виды спайности:

• Весьма совершенная – легко раскалывает на отдельные пластины (слюда);

• Совершенная – обломки ограниченные правильными плоскостями (каменная соль);

• Несовершенная – местами заметны небольшие гладкие площадки (пирит, апатит);

• Отсутствие спайности (кварц).

4.Блеск – обуславливается различным отражением света от поверхности :

• Стеклянный (кварц)

• Жирный (тальк, графит)

• Металлический (пирит)

• Шелковистый

• Матовый

• Перламутровый

5. Излом – линия откола, бывает:

• Спайности

• Землистый

• Раковистый

2.5. Понятие о горных породах

Горные породы – минеральные агрегаты различного состава и свойств. Состоит из одного или нескольких минералов, и оцениваются валовым химическим анализом.

Базальт - SiO₂ (49 – 52%), Al₂O₃(10 – 14%), Fe₂O₃(4 – 14%), CaO (8 – 10%) и т. д.

В земной коре обнаружены более 1000 горных пород. Они делятся на:

• Мономинеральные (гипс)

• Полиминеральные (гранит)

2.6. Классификация горных пород

По происхождению:

• Изверженные породы – образуется при остывании магмы и лавы;

• Осадочные породы – продукты разрушения других пород и накопление останков организмов;

• Метаморфические породы – породы, образовавшиеся при воздействии на извержение или осадочные высоких температур и давления.

По минеральному составу

По степени кислотности

По структуре

Структура – строение породы, определяемая различным сочетанием размеров и форм минералов (кристаллическая, скрытокристаллическая, порфировая, стекловатая)

1. . Магматические горные породы

Подразделяются по условиям образования на:

1. Интрузивные (глубинные) – остывание происходит медленно полнокристаллическая равномерно зернистая структура (гранит, диориты, сиениты)

2. Эффузивные (поверхностные) – выходя на поверхность, магма теряет газы и быстро застывает, при этом образуются породы со скрытокристаллической решёткой или стекловидные. В нижней части лавы образуется мелкокристаллические породы, в верхней части – пористые (пуф, пемза и т.д.).

По кислотности SiO₂%:

• Ультракислотные (более 75%) – пегматит, обсидиан, туф, пемза, пепел;

• Кислые (65-75%) – гранит, кварцевый порфирит, липарит;

• Средние (55-65%) – сиенит, трахит;

• Основные (45-55%) – габбро, диабаз, базальт;

• Ультраосновные(менее 45%) – пироксениты, перидотит.

Разделение пород по SiO₂ имеет практическое значение с уменьшением кислотности возрастает плотность породы, уменьшается температура плавления, и породы лучше поддаются полировке, окраска становится темнее.

Структура пород:

• Кристаллическая (от весьма крупно – зернистой 10 мм до мелко – зернистой менее 1мм)

• Скрытокристаллическая структура (кристаллы не видны)

• Порфировая (выделяются крупные кристаллы)

• Стекловатая (кристаллическая решётка отсутствует, характерен раковистый излом).

2.8. Осадочные горные породы

Делятся по происхождению:

• Обломочные – образуются при механическом разрушении и накопление пород (гравий);

• Глинистые – образуются при механическом разрушении химической и физической переработке и осаждении веществ из водных взвесей;

• Химические образуются на суше при химическом выветривании и выпадение из растворов(известняк, гипс);

• Органогенные происходят от жизнедеятельности организмов.

Эти породы занимают 75% площади земной коры, минеральный состав достаточно разнообразен.

Обломочные осадочные породы

Название и форма частиц стихии	Размер частиц, мм.	Распределение частиц на отдельные фракции
Окатанные угловатые
валуны, глыбы галечник, щебень гравий, дресва	Более 200 10…100 2…10	крупные мелкие	5 - 10 2 - 5
песчаные	0,05 - 2	грубые крупные средние мелкие тонкие	1 – 2 0,5 – 1 0,25 – 0,5 0,10 – 0,25 0,05 – 0,10
пылеватые (пыль)	0,005…0,05	крупные мелкие	0,01 – 0,05 0,005 – 0,01
глинистые	менее 0,005	-	-

По происхождению эти породы могут быть:

• Морские

• Речные

• Озёрные

• Эоловые

• Вулканические

Иногда отдельные зёрна породы скрепляются цементом и образуются более прочные породы:

• Песчаники

• Брекчии

• Конгломераты - обкатанные камни

• Аргелиты - глины сцементированные

Природные цементы:

• Глинистые

• Гипсовые

• Железистый

• Кремнистый

Глинистые осадочные породы

Это породы с частицами диаметром менее 0,005 мм, имеет форму листочков, чешуек, пластинок. Содержание частиц в глине более 30%.

Разновидность глин:

• Суглинки - количество частиц 10 – 30%

• Супеси - количество частиц менее 10 %

Свойства глины:

• Пластичность

• Связность

• Набухание

• Водонепроницаемость

• Липкость

Химические осадочные породы

Образуется на дне водных бассейнов, в условиях сухого климата в результате интенсивного испарения имеют повышенную концентрацию солей.

Структура этих пород кристаллическая, иногда эолитовая, землистая. Породы плотные с высокой пористостью, слабослоистые; в основном мономинеральные, что связано с условиями выпадения химических соединений из раствора при его выветривании; растворяются в воде.

Органогенные осадочные горные породы

Образуется в результате накопления вымерших организмов, подразделяются на зоогенные (ракушечник, мел) и фитогенные (трепел, торф).

По химическому составу делятся:

• Карбонатные – характерна слабая растворимость в воде;

• Кремнистые – повышенная пористость.

Структура: ракушечная, коралловая, землистая.

2.9. Метаморфические горные породы

Метаморфизму подвергаются все горные породы, при этом изменяется минеральный и химический состав, текстура, структура породы.

Основными факторами является: температура, давление, флюиды – жидкие, газообразные компоненты магмы.

1. Контактный, образуется на контакте магмы и старой породы (мрамор, скарны, роговики);

2. Дислокационный, образуется в момент образования складок, связан с тектоническим движением земной коры. Оказывает влияние давление (сланцы);

3. Региональный носит обширный характер, захватывает разнообразные горные породы. Давление и температура действует длительное время ( кварциты, яшмы, мраморы).

Тема 3. Гидрогеология

3.1. Виды воды в грунтах

Гидрогеология – наука, изучающая подземные воды, образование, движение и свойства.

Подземные воды – это воды содержащихся в порах и трещинах горной породы ниже поверхности земли. Образуется за счёт просачивания атмосферной воды и конденсации воды.

Типы влаги:

1. Пары воды;

2. Вода в составе минералов(CаSO4 2H2O - гипс);

3. Плёночная вода, обволакивающая молекулы грунта – связная;

4. Капиллярная вода содержится в породах и трещинах пород;

5. Свободная капельножидкая вода, передвигающая под силой тяжести;

6. Вода в твёрдом состоянии.

3.2. Классификация подземных вод

Подземные воды классифицируют:

1. По характеру их использования:

   • Хозяйственно – питьевые воды – это пресные воды, использование в других целях запрещается;

   • Технические воды – используется в промышленности и в сельском хозяйстве;

   • Промышленные воды – содержат в растворе полезные элементы, имеющие промышленное значение для добычи данного элемента (бром, йод);

   • Минеральные – имеет повышенное содержание биологически активных микро компонентов, газа и т.д. Добываются через скважины или источники;

   • Термальные – имеют температуру более 37 градусов С. Выходит на поверхность в виде горячих источников и используется для теплофикации городов.

1. По условиям залегания:

• Грунтовые воды и верховодка – это воды залегающие на первом водоупоре;

• Межпластовые воды;

• Карстовые воды;

• Трещиноватые воды.

3.3. Водные свойства горных пород

Для гидрогеологического расчета необходимо знать некоторые показатели:

1. Влагоемкость – это способность породы удерживать и вмещать в себе воды. Влажность, при которой все поры заполнены водой, называют полной влагоемкостью и определяется по формуле:

n – пористость породы;

_{ } - плотность скелета породы.

Чем больше n, тем больше влагоемкость.

По степени влагоемкости породы подразделяются на:

• Весьма влагоемкие (глина, торф, суглинки)

• Слабовлагоемкие (мел, лес, мелкие пески)

• Невлагоемкие (галечник, гравий, песок)

1. Водоотдача – способность пород насыщенных водой отдавать гравитационную воду в виде свободного стока.

W n.в. – полная влагоемкость;

W м.м.в. – межмолекулярная вода.

Наибольшей водоотдачей обладают пески и супеси, крупнообломочные породы и составляет 25-43%; водоотдача близка к нулю у глин.

1. Водопроницаемость – способность пород пропускать гравитационную воду через поры и трещины. Характеризуется коэффициентом фильтрации (Кф) – это скорость движения воды при гидравлическом напоре = 1 м/сутки:

• при Кф 1 м/сутки породы водопроницаемые (галечники, гравий, песок)

• при Кф = 1 – 0,001 м/сутки породы полупроницаемые (глинистые пески, лес, торф)

• при Кф

Непроницаемые породы называют водоупорами.

Водопроницаемые – водоносные горизонты.

3.4. Закон движения подземных вод

Движение грунтовых вод осуществляется под действием силы тяжести и при направлении наклона воды.

Движение грунтовых вод подчиняется закону Дарси.

Вода перемещается из сечения 1 в сечение 2 под воздействием напора ∆H = H1 -– H2; скорость потока зависит от напора ∆H и от длины пути фильтрации L

Передвижение потока через пористые породы подчиняется линейному закону фильтрации:

Q = Kф*F*∆H/L = Kф* F*Y

Q – расход воды и количество фильтрующийся воды в единицу времени;

Kф – коэффициент фильтрации;

F – площадь поперечного сечения;

Y – напорный градиент.

3.5.Определение коэффициента фильтрации

Методы определения:

• Расчётный

• Лабораторный

• Полевой

Лабораторный метод:

Для Лабораторного определения коэффициента фильтрации применяются различные приборы. для песков применяют трубку Спецгео.

Принцип работы прибора: цилиндрический сосуд известного диаметра F помещают испытываемый грунт; через него фильтруют воду под напором и измеряют расход профильтрованной воды, и снимают показания h1и h2 пьезометров; L – величина между центрами трубочек; и рассчитывают по формуле:

Q = Kф*Y*F

Kф = Q/YF = QL/F (h1 – h2)

• 3.6. Грунтовые воды

• 

Грунтовая вода – это вода, залегающая на первом водоупоре.

Верховодка – это временное скопление подземных вод и образуется над случайными водоупорами.

Источником питания являются атмосферные осадки, поверхностные воды, напорные воды, выходящие на поверхность.

Разгрузка – поверхностные водоёмы, напорные воды.

Распространение обширное и совпадают с областью питания.

Эти воды безнапорные, находятся в непрерывном движении и направлены в сторону общего водоупора; в основном пресные и зависят от геологических условий местности и климатических факторов.

3.7. Межпластовые подземные воды

Межпластовые грунтовые воды – это воды, залегающие в водоносном слое между двумя водоупорами.

Их делят на 2 группы:

1. напорные;

2. безнапорные – слой горизонтальный и заполнен водой.

3.8. Трещиноватые и карстовые воды

Трещиновые воды – это воды, залегающие в трещинах массивов, глубина залегания от 80 до 100 м. Питание за счёт атмосферных осадков. Характерно колебание уровня во времени. Питание и площадь распространения совпадают. Движение этих вод не подчиняется законам.

Карстовые воды – это воды скапливающие в пещерах, ходах, образовавшихся вследствие выщелачивания растворимых горных пород (известняк , гипс , доломит).

Не обладают выраженным зеркалом и ложем, безнапорные: в составе содержатся соли. При залегании ниже пересечённой местности полностью заполнены водой. При залегании верхних слоёв – заполнены частично. Питание различное.

3.9. Определение направления движения подземных вод

С уществует 3 способа:

1. Способ красящихся веществ:

• Закладывают 5 шурфов по схеме.

• В средний(5) вводят красящее вещество в количестве от 2 – 20 на каждые 10 м расстояния.

• У скважин 1 , 2 , 3 , 4 находятся наблюдатели, которые засекают время появления окраски.

• Определяют скорость движения потока:

1. Определение направления по трём точкам:

• Н а местности выбирают 3 колодца расположенных в виде треугольника.

• Определяют отметки уровня грунтовых вод.

• Соединяют скважины прямыми линиями.

• Сторону с большей разницей в уровнях, делят на разность отметок (равные части).

• Пологая равномерное падение уровня находим точку уровня, которая соответствует третьей скважине, и соединяют их.

• Восстанавливаем к этой линии перпендикуляр, это и есть направление движения вод.

1. Метод гидроизогипс – это кривые линии соединения точки с одинаковыми уровнями грунтовых вод. Их получают в результате бурения скважин на местности и определения в них УГВ, а затем нанесение на план по координатам. Строятся кривые линии.

Направление течения определяется нормалями к гидроизогипсе в данной точке.

3.10. Режим подземных вод

Режим подземных вод - это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры, расхода.

В естественных условиях для подземных вод характерен естественный режим, который формируется под влиянием метеорологических, гидрогеологических и геологических факторов

Метеорологические: осадки, испарения, температура воздуха, атмосферное давление. Они вызывают сезонные и годовые колебания уровня, химического состава, температуры, расхода.

Наибольшие колебания уровней период весеннего снеготаянья и осенних дождей. Наиболее низкий – в конце лета и в конце зимы.

Разность между наивысшим и наименьшим горизонтом называется максимальной амплитудой колебания уровня (2 ,5*3).

УГВ колеблется в многолетнем цикле 11 лет. Это связано с изменениями климата. Амплитуда колебаний составляет 8 м и более.

Гидрологические: реки, приливы и отливы.

Геологические -действуют на любом участке земной коры, с глубиной их значение увеличивается. Это тектонические движения, землетрясения, вулканы, оползни, внутренняя теплота.

Техногенное влияние – производственная деятельность человека.

3.11. Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния

Водозаборы – это сооружения с помощью которых происходит захват ( забор ) подземных вод для водоснабжения, отвода с территории строительства или в целях понижения УГВ.

Существует следующие водозаборы:

• Вертикальный: скважины и колодцы

• Горизонтальный: траншеи, галереи, штольня

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение УГВ производится временно или на весь период.

Временный водоотвод – строительный водозабор, а постоянный дренажи.

П ри водозаборе происходит появление депрессионной воронки.

1 – депрессионная воронка;

R – радиус воронки.

Радиус воронки можно определить по формулам, бурением скважины, по аналогии с действующими водозаборами:

Н – мощность слоя грунтовой воды;

kф – коэффициент фильтрации.

Радиус зависит от породы, где происходит осушение: max R в гравии 400 – 600 м и min в глинах и песках.

3.12. Водопонижение грунтовых вод на строительных площадках

Понижение УГВ на строительных площадках осуществляется различными способами:

1. Самотёком. Самотёк воды зависит от рельефа местности. Водоносный слой подрезают сверху вниз по склону откосной дренажной траншееи.

2. Принудительная откачка осуществляется с помощью насосов.

Закрытый способ водопонижения с помощью ЛИУ; вокруг котлована устанавливают иглофильтры (длиной 7 – 9 м с фильтрами на концах) их присоединяют к всасывающему коллектору, возможно понижение на 4,5 м.

Если необходимо большее водопонижение , то их устанавливают в два яруса.

1. Откачка воды дренажами – обеспечивает сохранение уровня в постоянном пониженном положении.

3.13. Химический состав подземных вод

Подземные воды содержат в себе в растворимом состоянии соли, газы, органические соединения. Содержание этих веществ обуславливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей.

Соли: наибольшее распространение имеют сульфиды, сульфаты, карбонаты.

По общему содержанию солей воды разделяют:

1. Пресные (1 г/л)

2. Солоноватые (1 – 10 г/ л)

3. Солёные (10 – 50 г/л)

4. Рассолы (более 50 г/л)

В воде содержится несколько десятков химических элементов: соли ионов, CL; SO4; Na; Mg; Ca; K.

Жёсткость и агрессивность подземных вод

Жёсткость воды – свойство обусловленное содержанием ионов кальция и магния. Жёсткая вода даёт большую накипь, в сосудах.

Жёсткость выражается количеством миллиграмм эквивалент кальция и магния.

1 мг эквивалент – в 1 л воды содержатся 20,04 мг иона кальция или 12,6 магния.

В других странах 1 мг эквивалент = 28°

По жёсткости воду различают:

• мягкую

• средней жесткости 3 – 6 мг эквивалент

• жесткую 6 – 9 мг эквивалент

• очень жесткую 9 мг эквивалент

Наилучшим качеством вода обладает не

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии раствори­мых в воде солей на строительные материалы, особенно на портландцемент.

В строительных нормах оценивается степень агрессивности воды и учитывается ко­эффициент фильтрации грунтов. Это обусловлено различием скорости движения воды, чем выше, тем больше контакт с поверхностью бетона.

По отношению к бетону различают виды агрессивности:

1. Общекислотная оценивается величиной рН, в песках вода агрессивна, если рН

2. Сульфатная содержание ионов SO₄ в количестве 200 мг/ л вода агрес­сивна.

Агрессивность вод устанавливается при сравнении химических анализов воды с тре­бованием нормативов. После этого определяют меры борьбы с ней: специальных цементов, гидроизоляция, снижение уровня воды дренажными системами.

Воздействие на металлы: это окисление металлической поверхности под действием кислорода, растворенного в воде.

Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них углекислот органических и минеральных кислот, солей тяжёлых металлов, сероводо­рода, хлористых и других солей.

Повышение температуры подземной воды, электрические токи увеличивают коррозию.

Тема 4. Грунты

Грунтоведение – основное научное направление инженерной геологии и изучает горные по­роды как грунты, где ведётся строительство. Изучает состав, состояние, строение, свойства грун­тов и условие их формирования.

4.1 Общие сведения, классификация грунтов

Грунт – горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунты могут служить:

- материалом основания зданий и сооружений;

- средой для размещения в них сооружений;

- материалом самого сооружения.

Все грунты, используемые в качестве основания для зданий и сооружений, делятся на следующие типы:

1. Песчаные грунты

2. Скальные грунты

3. Суглинки и супеси

4. Глинистые грунты

5. Грунты с органическими примесями

6. Крупноблочные грунты

7. Лёсс

8. Насыпные грунты

9. Плывуны.

Иногда специалисты пользуются укрупненным понятием для классификации грунтов и делят грунты, например, на сцементированные (или скальные) и несцементированные.

Сцементированные или скальные грунты состоят из каменных горных пород, с трудом поддающихся разработке взрыванием или дроблением клиньями, отбойными молотками и т. п.

Несцементированные грунты обычно состоит из песчаных, пылеватых и глинистых частиц, в зависимости от содержания которых, делятся на: песок, супесь (супесок), суглинок, глина.

Глина бывает тощей или жирной, в зависимости от трудоемкости разработки - легкой или тяжелой. Особо тяжелая для разработки глина называется ломовой.

Кратко опишем все виды грунтов по расширенной классификации.

1. Песчаные грунты

В состав песчаных грунтов входят частицы размерами от 0,1 до 2 мм. В зависимости от размера частиц песчаные грунты делятся на гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые.

Коэффициент сжатия плотного песка низок, но скорость его уплотнения под влиянием нагрузки велика. Поэтому осадка строения, возведенного на песке, прекращается довольно быстро. Гравелистые, крупные и средние песчаные грунты обладают высокой водонепроницаемостью и, следовательно, при замерзании не вспучиваются.

Пылеватыми частицами называются частицы размерами от 0,05 до 0,005 мм. Если в песчаном грунте таких частиц содержится от 15 до 50 %, такие пески также называются пылеватыми. Присутствие в грунте пылеватых частиц значительно снижает строительные качества и ухудшает несущую способность грунта.

Хорошим основанием для здания может служить песчаный грунт равномерной плотности и необходимой мощности. При этом следует учитывать, что такой грунт не должен подвергаться воздействию грунтовых вод.

2. Скальные грунты

Такие грунты залегают в виде сплошного массива. К этой категории относятся песчаники, кварциты, граниты. Такой материал вполне водоустойчив, несжимаем. Если в таком грунте нет ни пустот, ни трещин, он наиболее подходит для строительства.

3. Суглинки и супеси

Эти грунты представляют собой смесь глины, песка и пылеватых частиц. В их состав входят 30 % глинистых частиц и от 3 до 10 % супеси. По своим техническим параметрам и пригодности для строительства эти грунты занимают промежуточное место между песчаными и глинистыми грунтами.

4. Глинистые грунты

В состав этих грунтов входят мелкие частицы величиной не более 0,005 мм. Эти частицы в основном имеют форму чешуек. Глина имеет достаточное количество капиллярных каналов и обладает большой удельной поверхностью касания между частицами.

Капиллярные каналы способствуют проникновению воды во все поры материала, при этом образуются тонкие водоколлоидные пленки, которые в свою очередь обволакивают частицы остова грунта. Это придает глине необходимую для строительства вязкость. Но с другой стороны, наличие в порах глины капелек воды при промерзании увеличивает ее объем, что влечет за собой процесс вспучивания.

Глинистые грунты характеризуются высоким сжатием (по сравнению, например, с песчаными грунтами), хотя под воздействием нагрузок скорость осадки гораздо ниже, чем у песков. Поэтому, если основанием для здания служит глина, его осадка продолжается достаточно долго.

Влажность глины влияет на ее несущую способность. Например, несущая способность глины в пластичном и разжиженном состоянии очень низка, в то время, как сухая глина может выдерживать относительно большие нагрузки.

Существуют также и ленточные глины, то есть глины, в которых присутствуют песчаные прослойки. Несущая способность таких глин крайне низка, так как они подвержены быстрому разжижению.

5. Грунты с органическими примесями

К этой категории грунтов относятся торф, ил, болотный торф, растительный рыхлый грунт. Они характеризуются высокой неравномерностью сжатия. Поэтому грунты с органическими примесями совершенно не пригодны в качестве естественных оснований.

6. Крупноблочные грунты

Крупноблочными грунтами называются осколки скальных пород, не связанные между собой. В таких грунтах преобладают осколки размером более 2 мм. К ним относятся гравий, галька, щебень. Если такие грунты не подвергаются воздействию размывающей влаги и залегают плотным слоем, они вполне подходят в качестве основания при строительстве.

7. Лёсс

Лёсс входит в категорию глинистых грунтов. Он состоит из однородной пористой тонкозернистой породы желтовато-палевого оттенка. В лёссе преобладают пылеватые частицы. Одной из основных характеристик лёсса является наличие в нем макропор, которые способствуют глубокому проникновению воды в грунт. По причине низкой водостойкости в связях между частицами, лёсс быстро размокает и дает неравномерные осадки. Таким образом, если здание возводится на лёссовом основании, необходимо оберегать грунт от промокания.

8. Насыпные грунты

Такие грунты формируются, как правило, искусственным путем, например, при засыпке оврагов, прудов и т. д. Для насыпных грунтов характерно неравномерное сжатие, поэтому в качестве естественных оснований они практически не используются, за исключением рефулированных насыпных грунтов, то есть грунтов, образованных путем перекачки разжиженного грунта по трубопроводу землесосом (рефулкром).

9. Плывуны

Плывуны представляют собой разновидность супесей и других мелкозернистых грунтов имеющих нестабильное, подвижное состояние. При разжижении плывуны

становятся особенно подвижными и могут практически превращаются в жидкость. Плывуны малопригодны в качестве основания, однако современные методы строительства располагают технологиями борьбы с негативными свойствами плывунов.

4.2 Свойства грунтов

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

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

32

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.

Механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов - это те свойства, которые проявляются при приложении к грунтам нагрузок. Основные свойства:

1. Сжимаемость дисперсных грунтов - способность уменьшаться в объеме под действием внешнего давления. Компрессионная сжимаемость (компрессия) - способность грунта сжиматься под постоянной, ступенчато возрастающей нагрузкой.

2. Просадочность - способность лессовых и других пылеватых грунтов к уменьшению объема при дополнительном увлажнении. Различают просадки при природном давлении (от веса вышележащего грунта) и дополнительном (от веса сооружения).

3. Прочность - способность грунта сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Параметры прочности соответствуют критическим напряжениям, т.е. тем, при которых происходит разрушение грунта.

4. Модуль упругости (Е) - отношение напряжения, при котором начинается разрушение, к разности относительной деформации конца и начала разгрузки.

5. Модуль общей деформации (Е_о) - отношение разности конечного и начального напряжений к разности конечной и начальной относительной продольной деформации.

6. Угол внутреннего трения - параметр линейной зависимости сопротивления сдвигу от вертикальной нагрузки. Для песчаных грунтов равен углу предельного откоса.

7. Сцепление - характеристика структурных связей грунта.

 

4.3. Методы укрепления грунтов

Для повышения несущей способности грунтовых оснований применяют следующие способы искусственного закрепления грунтов:

· цементацию и битумизацию

· химический

· термический

· электрический

· электрохимический

· механический и др.

Цементация – это процесс нагнетания в грунт жидкого цементного раствора или цементного молока по ранее забитым полым сваям. Когда процесс нагнетания заканчивается, сваи вынимают. Цементация подходит только для уплотнения крупных и средних песков.

Химическим способом (силикатизацией) закрепляют песчаные и лёссовые грунты, нагнетая в них химические растворы.

Термическое закрепление заключается в обжиге лёссовых грунтов раскаленными газами, которые подаются в толщу грунта вместе с воздухом через жаропрочные трубы в пробуренных скважинах.

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ заключается в использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5-1 В/см и плотностью 1-5 А/кв.м. При этом глина осушается, уплотняется и теряет способностью к пучению.

Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током через трубу, являющуюся катодом, в грунт вводят растворы химических добавок (хлористый кальций и др.). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.

Механический способ укрепления грунтов имеет следующие разновидности: устройство грунтовых подушек и грунтовых свай, вытрамбовывание котлованов и др.

Устройство грунтовых подушек заключается в замене слабого грунта основания другим, более прочным, для чего слабый грунт удаляют, а на его место насыпают прочный грунт и послойно утрамбовывают.

При устройстве грунтовых свай в слабый грунт забивают сваю-лидер. В полученную после извлечения этой сваи скважину засыпают грунт и послойно уплотняют.

Вытрамбовывание котлованов осуществляют с помощью тяжелых трамбовок, подвешенных на стреле крана. Этот способ менее сложен, чем способ грунтовых подушек, поскольку не требует замены грунта основания.

Уплотнение котлованов значительных размеров может осуществляться гладкими или кулачковыми катками, трамбующими машинами, виброкатками и виброплитами.

Силикатизация производится тем же способом, что и цементация грунта. Для того, чтобы закрепить песок, по трубам нагнетают раствор жидкого стекла и хлористого кальция. При закреплении пылеватых песков используют раствор жидкого стекла, смешанный с раствором фосфорной кислоты, а при закреплении лёссовых грунтов применяют только раствор жидкого стекла. После завершения нагнетания таких растворов грунты каменеют.

Если же уплотнить грунт по каким-то причинам не представляется возможным, слой слабого грунта заменяют на более прочный. Замененный грунт называют подушкой. Если строится многоэтажное здание, обычно используют подушку из песка средней крупности или крупного.

При устройстве песчаной подушки слабый грунт вынимают на некоторую глубину и заменяют песком, уплотняемым вибрацией с увлажнением. Толщина подушки из песка должна быть рассчитана так, чтобы давление от здания, переходящее на слабый грунт, не превышало его несущей способности.

При строительстве зданий на слабых грунтах искусственные основания уплотняют, упрочняют или же заменяют слабый грунт на более прочный. Уплотнять слабый грунт можно с поверхности на определенную глубину специальными пневматическими трамбовочными машинами. Иногда при этом в грунт добавляют гравий или щебень. Процесс трамбовки также может проходить при помощи трамбовочных плит весом от 2 до 4 тонн. Такие плиты выполняют из чугуна или стали. Если площадь уплотнения слишком велика, используют катки весом 10-15 тонн.

Для трамбовки песчаных и пылеватых грунтов используют поверхностные вибраторы. Такой метод гораздо более эффективен, так как уплотнение грунта идет быстрее. Вибрирование не очень эффективно для глинистых грунтов. Для глубинного уплотнения слабых грунтов используют песчаные или грунтовые сваи. Их уплотняют также цементацией и силикатизацией.

 

32