Контрольная работа УрГУПС - Инженерная геология

Подождите немного. Документ загружается.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните значение инженерной геологии для строительства железных дорог и их

эксплуатации.

2. Опишите минералы (кальцит) и породы (опока, мергель, кварцит), отвечая на

вопросы, помещенные в примечаниях к таблицам.

3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для

проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные

свойства грунтовых отложений. (делювиальные).

4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород.

Пользуясь данными таблиц, назовите эры и периоды геологической истории Земли.

(Т

, О

, К

, С

5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов).

Приведите схемы нарушений форм залегания пород (моноклиналь, горст). Покажите

зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участка, состава и

обводненности пород.

6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов).

Опишите процессы (плоскостной смыв, химическая суффозия) и возможные

защитные мероприятия.

7. Приведите классификации подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды

в породах (пленочная), а также условия залегания и движения подземных вод

(трещинновая).

8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы

определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод.

Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к

бетону и металлу.

9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (лаборат. исследования

физ.-мех. свойств пород, определение устойчивости склонов).

1. Объясните значение инженерной геологии для строительства железных дорог и

их эксплуатации.

Инженерная геология - отрасль геологии, изучающая верхние горизонты земной

коры и динамику последней в связи с инженерно-строительной деятельностью человека.

Рассматривает состав, структуру, текстуру и свойства горных пород как грунтов;

разрабатывает прогнозы тех. процессов и явлений, возникающих при взаимодействии

сооружений с природной обстановкой, и пути возможного воздействия на процессы с

целью устранения их вредного влияния.

Инженерная геология зародилась в 19 в. В России первые инженерно-

геологические работы были связаны со строительством железных дорог (1842-1914). В

них принимали участие А. П. Карпинский, Ф. Ю. Левинсон-Лес-синг, И. В. Мушкетов, А.

П. Павлов, В. А. Обручев и др. Как наука инженерная геология оформилась в СССР к

концу 1930-х гг. в результате исследований, связанных главным образом с

гидротехническим строительством. В её развитии большая роль принадлежит Ф. П.

Саваренскому, И. В. Попову, Н. Н. Маслову, В. А. Приклонскому, М. П. Семёнову и др.

Инженерно-геологические изыскания для строительства обеспечивают

комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района,

площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов

взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной

защиты и безопасных условий жизни населения. Одной из особенностей изысканий при

строительстве железных дорог является большая протяженность при малой ширине

полосы изысканий. При изысканиях под такие объекты инженер-геолог практически

сталкивается со всеми разделами инженерной геологии (общая геология, подземные

воды, геодинамика поверхности земли и многое другое). Инженерно-геологические

изыскания выполняют по определенным нормативам, которые учитывают специфику

объектов. Строительные нормы и правила устанавливают основные положения по

определению опасных природных воздействий, вызывающих проявления и (или)

активизацию природных процессов, учитываемых при разработке предпроектной

документации, технико-экономических обоснований и рабочей документации на

строительство.

2. Опишите минералы (кальцит) и породы (опока, мергель, кварцит), отвечая на

вопросы, помещенные в примечаниях к таблицам.

Минерал Кальцит

Класс Карбонаты

Химический состав CaCO

Цвет Белый, серый, голубой, зеленый, кремовый,

бесцветный, прозрачный

Цвет черты Беловато-серая

Блеск Стеклянный

Спайность Совершенная

Излом раковистый

Твердость 3

Реакция с HCl Бурно вскипает от действия разбавленной HCl

Породы, в которые входит

минерал

Мрамор, известняк

Название происходит от лат. calx — жженая известь. Для кальцита характерны зернистые

агрегаты, друзы кристаллов, натечные образования пещер (сталактиты, сталагмиты и

др.), конкреции, жилы, отложения горячих источников. Самые большие скопления

кальцита представлены пластами известняка, в котором он является основным

компонентом. Этот кальцит первоначально накапливался на дне древних морей одним из

трех способов: 1) путем извлечения растворенного карбоната кальция организмами,

строящими из него раковины и скелеты; 2) посредством химического осаждения; 3) в

результате осаждения зерен, вымытых в результате эрозии более древних известняков.

Карбонат кальция — обычное соединение, растворенное в циркулирующих грунтовых

(подземных) водах, куда он попадает в процессе выщелачивания из жильного кальцита и

известняков. Этот карбонат кальция может быть переотложен в виде кальцита в пещерах,

жилах и полостях, в качестве цемента между зернами пород и в виде известкового туфа

вокруг горячих источников и гейзеров. Карбонатные песчаники имеют и первично-

осадочное происхождение. Кальцит часто встречается как компонент гидротермальных

жил и изредка как акцессорный минерал в щелочных пегматитах. Крупные скопления он

образует в массивах карбонатитов. Оптический кальцит, восполняющий миндалины

основных лав (траппов), — широко распространенный минерал. По частоте

встречаемости он уступает только кварцу.

При прокаливании кальцита происходит выделение углекислого газа, при этом

получается негашеная известь CaO

. После смешивания с водой она превращается в

гашеную известь Ca(OH)

. Породы, содержащие кальцит, издавна прокаливали для

получения строительной извести, используемой в производстве строительного раствора и

цемента. Исландский шпат используется в оптоэлектронных и оптических системах. Во

многих поляризационных микроскопах для получения поляризованного света раньше

использовались двупреломляющие призмы Николя из исландского шпата.

Породы опока мергель кварцит

Происхождение Смешанные осадки Смешанные осадки Образуется при

метаморфизме

кварцевых

песчаников

Минералогический

состав

Состоит из

опалового

кремнезема с

примесью

глинистого

Из смеси кальцита с

глиной (глины 30-

50%)

Кварц, небольшая

примесь слюды

материала

Структура Легкая, твердая,

микропористая

Тонкозернистая Мелко- или

тонкозернистая

Текстура однородная Массивная Массивная,

сланцеватая

Цвет Светло-желтый,

беловатый,

зеленоватый

Разнообразный и

зависит от цвета

глинистой примеси

Светлый, розоватый,

красноватый,

желтоватый

Реакция с HCl Не вскипает Бурно вскипает с

HCl и на месте капли

оставляет пятно

грязи

Не реагирует с

разбавленной

соляной кислотой

Практическое

применение

Применяется как

адсорбент, в газовой,

химической и др.

отраслях

промышленности,

при производстве

цемента

Применяется в

цементной

промышленности и

как удобрение в

сельском хозяйстве

Применяется при

изготовлении

огнеупорного

кирпича – динаса,

точильных камней,

жерновов, брусков,

плит и щебня;

применяется в

дорожном деле ; для

бетонных работ;

используется как

облицовочный,

декоративный

материал

Опока. Общими инженерно-геологическими особенностями опок являются: 1) высокая

пористость; 2) большая влагоемкость; 3) сравнительно высокая прочность в сухом

состоянии и значительное ее падение при водонасыщении; 4) слабая

морозоустойчивость.

Характерной чертой опок является именно их чрезвычайно слабая морозоустойчивость.

Уже после 2-4 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы

разрушаются. Это может быть объяснено лишь большой влагоемкостью опок (до 50-

70%). Кроме того, нужно отметить, что хотя поры в опоках открытые и сообщаются друг

с другом, водопроницаемость опок ничтожна (возникающий в опоках естественного

отложения коэффициент фильтрации, равный 5 м/сут.), связан исключительно с

трещиноватостью пород массива.

Мергель. Это известково-глинистая порода, у которой глинистые частицы

сцементированы карбонатным материалом. Распределение глинистого и карбонатного

вещества в мергеле чаще всего равномерное. Обычно под мергелем понимают такую

породу, у которой содержание CaCO

колеблется в пределах 25-30 %. При большом

содержании CaCO

порода получает название мергелистый известняк, а при меньшем –

глинистый мергель. Эти типы пород связывают мергель, с одной стороны, с известняком,

с другой – с глинами. Мергель способен набухать благодаря содержащемуся в нем

глинистому веществу, при этом все мелкие трещины, по которым возможна циркуляция

воды, закрываются и тем самым прекращается фильтрация воды сквозь мергелистые

толщи. Набухание мергеля главным образом зависит от соотношения в породе

карбонатной и глинистой составляющих. Физико-механические свойства мергелей в

связи с содержанием карбонатов и степени их дисперсности определяются в весьма

широком диапазоне измерения. На природных скосах и откосах искусственных выемок

мергели быстро выветриваются, разрушаются, формируя весьма подвижные плитчатые

осыпи. Мергель, в связи с уникальностью состава (карбонаты + глина), практически без

дополнительного обогащения, дает возможность использовать его в качестве природного

сырья для производства цемента.

Кварцит. Метаморфическая горная порода, состоящая в основном из кварца, крепкий и

прочный кварцевый песчаник с кремнистым цементом, белый до светло-серого, очень

трудный для обработки. ГенезисY— диагенез или метаморфизм кварцевого песка.

Прочность на сжатие 100—450 МПа, твёрдость по шкале МоосаY— 7, огнеупорность до

1770Y°C. Состав: кварц 70-80Y%, слюда, плагиоклазы, тальк иYт.Yд. Применяют для

изготовления динаса и как флюс (в металлургии); кислотоупорный материал,

строительный (в том числе декоративный) камень. Применяется в виде щебня в

строительстве, для покрытия полов, добавок к бетону.

3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород, необходимые

для проектирования и строительства. Опишите условия образования и

строительные свойства грунтовых отложений. (делювиальные).

Каждый грунт имеет свои, только ему присущие строительные свойства. В оценке

свойств грунтов наибольшее значение имеют физико-механические характеристики.

Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов

(плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и

разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые

появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давления, удара).

Механические свойства оцениваются прочностными и деформационными

характеристиками грунтов.

Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов

между собой довольно значительно различаются, особенно физические. Основные

физические и механические свойства скальных и нескальных грунтов приведены в

таблице:

Таблица.1 Характеристика скальных грунтов

Физические Механические

Плотность ,т/м

Коэффициент размягчения k

рз

Степень растворимости в воде

Степень выветрелости k

вс

Коэффициент трещиноватости k

тр

Пористость n,%

Прочность – сопротивление одноосному

сжатию R

МПа

Деформативность – модуль деформации Е,

МПа

Таблица.2 Характеристика нескальных грунтов

Физические Механические

Гранулометрический состав

Плотность сухого грунта ,т/м

То же частиц , т/м

Влажность природная W

Степень влажности S

Пористость n,%

Коэффициент пористости е

Число пластичности I

Показатель консистенции I

Коэффициент фильтрации k

, м/сут

Прочность – временное сопротивление

сжатию R

МПа

Сопротивление сдвигу С (кПа), (град)

Деформативность – модуль деформации Е,

МПа

Нескальные грунты характеризуются значительно большим количеством физико-

механических свойств. Это связано с их более химико-минеральным составом,

разнообразием структур и текстур.

Плотность грунта – отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к

занимаемому этим грунтом объему.

Коэффициент размягчения – отношение временных сопротивлений одноосному

сжатию скального грунта в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Степень выветрелости – отношение плотностей выветрелого и невыветрелого

образцов одного и того же скального грунта.

Пористость – отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры.

Гранулометрический состав – содержание в осадочных горных породах или

нескальных грунтах фракций частиц различной крупности, выраженное в % от массы

сухого грунта, взятого для анализа.

Плотность сухого грунта – отношение массы сухого грунта к объему,

занимаемому этим грунтом (включая поры).

Плотность частиц грунта – отношение массы сухого грунта к объему его твердой

части.

Влажность - отношение массы водой, содержащейся в грунте, к массе сухого

грунта.

Степень влажности – отношение объема воды, находящейся в порах грунта, к

объему пор.

Коэффициент пористости – отношение объема пор к объему твердой части

скелета грунта.

Число пластичности - разность между влажностями грунта на границах текучести

и пластичности (раскатывания). Характеризует количественное содержание глинистых

частиц в грунте. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси,

суглинки и глины.

Показатель консистенции – показатель состояния (подвижность) грунта

нарушенной структуры при определенной влажности. Равен отношению разности

естественной влажности и влажности на границе пластичности к числу пластичности.

Коэффициент фильтрации – скорость фильтрации при напорном (гидравлическом)

Прочность грунтов оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в

момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом

прочности Rc, МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей,

трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде и др. Для

нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление

сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований,

а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета

давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами

внутреннего сдвига φ, град и сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы

сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями

грунта, а под вторым – сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению

слагающих частиц.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не

превышающими критические и не приводящие к разрушению. Деформируемость грунтов

зависит, как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и

от способности деформироваться слагающих их минералов. Деформационные свойства

грунтов оценивается модулем деформации E, МПа.

Условия образования и строительные свойства грунтовых отложений. (делювиальные).

Атмосферные осадки, выпадающие на наклонную поверхность, стекают по ней в

форме тонких струек, увлекая за собой частицы породы. Этот процесс плоскостного

смыва частиц породы называется делювиальным.

Вода, увлекающая с собой минеральные частицы, постепенно испаряется в

атмосферу или впитывается в нижележащие слои, а перенесенные ею частицы

отлагаются на нижних, более пологих частях склона. Этот процесс многократно

повторяется до тех пор, пока продукты сноса не будут отложены с таким пологим

уклоном, что их дальнейший перенос окажется трудно осуществимым. У подошвы

склона образуется пологий делювиальный шлейф. Уклон его настолько мал, что сила

дождевых потоков уже не может преодолеть силу тяжести продуктов сноса. Обычно,

угол наклона, при котором заканчивается процесс делювиального сноса, составляет

около 4-5

. Таким образом, делювиальный процесс приводит, обычно, к обнажению

верхних и выполаживанию нижних частей склона.

Рис. 1. Схема образования наносов на склоне рельефа:

Э – элювий; Д – делювий; П – пролювий; 1 – атмосферные осадки; 2 – плоскостной смыв;

3 – коренные породы; 4 – первоначальная поверхность склона.

Так как живая сила тонких струек воды невелика, то они смывают, в основном,

лишь мелкие частицы продуктов выветривания. Поэтому делювиальные отложения

состоят обычно из суглинков и супесей. Однако в них могут содержаться и крупные

обломки (дресва, щебень, глыбы), которые в результате вымывания мелких частиц

теряют устойчивость и скатываются вниз по склону.

Для делювиальных пород (суглинков и супесей) характерно прежде всего то, что

отложенные продукты генетически не связаны с подстилающими породами, так как

являются наносами, принесенными с верхних частей склона. Отсортированность и

слоистость делювиальных наносов незначительна, причем вверху склона залегают более

крупные частицы, а снизу – более мелкие. Просачивание дождевых вод через толщу

отложенного делювия до коренных подстилающих пород вызывает появление

характерной вертикальной пористости, напоминающей вертикальную пористость лессов.

Поэтому глинистые делювиальные отложения часто относятся к группе лессовых пород.

Отсутствие генетической связи между делювием и подстилающими породами, а также

наличие водной смазки по поверхности контакта между ними иногда является причиной

образования смещений отложенных пород.

Делювиальные отложения часто образуются в комплексе с элювием, или

аллювием (отложениями рек), создавая комплексные делювиально-элювиальные или

делювиально-аллювиальные отложения, обладая промежуточными свойствами,

присущими каждому из слагающих их видов отложений.

4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород.

Пользуясь данными таблиц, назовите эры и периоды геологической истории Земли.

(Т

, О

, К

, С

Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и

определения положения среди других пород. Вся геологическая документация, в

частности геологические карты и разрезы, требуют применения показателей возраста

пород. Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.

Абсолютный возраст – это продолжительность существования (“жизни”)

породы, выраженная в годах. Для его определения применяют методы, основанные на

использовании процессов радиоактивных превращений, которые имеют место в

некоторых химических элементах (уран, калий, рубидий и др.), входящих в состав пород.

С помощью одних элементов устанавливают возраст в миллионах лет, другие дают

возможность вычислить более короткие отрезки времени. Так, зная, какое количество

свинца образуется из 1 г. урана в год, определяя их совместное содержание в данном

минерале, можно найти абсолютный возраст минерала и той горной породы, в которой он

находится. Это позволяет определять возраст в миллионах лет. По углероду

С, период

полураспада которого 5568 лет, можно устанавливать возраст более молодых

образований.

Для оценки возраста геологических объектов огромное значение приобрёл

радиоуглеродный метод, основанный на том, что в атмосфере Земли под воздействием

космических лучей за счёт обильного азота идёт ядерная реакция 14N + n = 14С + Р;

вместе с тем 14С радиоактивен и имеет период полураспада более 5700 лет. В атмосфере

установилось равновесие между синтезом и распадом этого изотопа, вследствие чего

содержание 14С в воздухе постоянно. Растения и животные при их жизни всё время

обмениваются углеродом с атмосферой. Измеряя содержание 14С с помощью

высокочувствительной радиометрической аппаратуры, можно установить возраст

органических остатков.

Аргоновый метод основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых

минералах.

Стронциевый метод, основанный на радиоактивном распаде 87Rb и

превращении его в 87Sr.

Относительный возраст пород позволяет определять возраст пород

относительно друг друга, т.е. устанавливать, какие породы древнее, какие моложе. Для

установления относительного возраста пород используют два метода: стратиграфический

и палеонтологический.

Стратиграфический метод основан на том, что слои горных пород

откладываются последовательно, один на другом. Следовательно, чем выше залегает

слой – тем он моложе. Однако это справедливо только при ненарушенных залеганиях

горных пород. В сложно дислоцированных областях, т.е. там, где породы выведены из

горизонтального залегания и образуют складки, сдвиги, сбросы и т.д., непосредственное

применение принципа последовательности отложения слоев становится

затруднительным. Из рис. 2, а видно, что самым молодым является верхний слой 3,

самым древним – нижний 1. На рис. 2, б показан выход на склон рельефа слоев, смятых в

складки. Видно, что более древние слои (1 и 2) лежат на более молодом слое 3.

Рис. 2. Залегание слоев:

а - горизонтальное; б – в виде складок

Палеонтологический метод основан на том, что геологическая история Земли

шла параллельно с историей развития органической жизни. Следы органической жизни

на Земле содержатся в горных породах в виде так называемых ископаемых

окаменелостей.

При исследовании горных пород в них можно обнаружить различные формы

сохранности этих окаменелостей:

a. отпечатки внешней формы растения или животного на породе;

b. внутренние ядра, получающиеся при отгнивании мягкого тела животных и

заполнении образующихся при этом полостей каким либо минеральным

веществом;

c. наружные ядра, образующиеся в тех случаях, когда не только отгнивает

внутреннее мягкое тело, но растворяются и наружные части раковины; при

этом новые минеральные образования, заполняющие образовавшуюся пустоту,

полностью воспроизводят внешнюю форму раковины погибшего организма;

d. псевдоморфозы, т.е. скелетные остатки, в которых менее стойкие минеральные

и органические вещества замещены более стойкими, например, кремнеземом;

при этом полностью сохраняются формы этих остатков, а иногда и

особенности их анатомического строения (псевдоморфозы по дереву,

раковины морских животных и т.д.);

e. полная сохранность – когда захороняется цельный скелет и мягкие органы;

подобные находки очень редки, к ним относятся трупы мамонтов, найденные в

зоне вечной мерзлоты в северо-восточной Сибири, насекомые, попавшие

внутрь янтаря и т.д. Обычно полной сохранностью в палеонтологии принято

считать формы полностью (или почти полностью) сохранившие

прижизненную структуру только скелетных частей.

Изучая различные ископаемые остатки, можно проследить развитие животного и

растительного мира, по ним же можно проследить и геологическую историю Земли, так

как почти каждая из групп организмов несет в себе признаки той среды, в которой она

развивалась. Совершенно очевидно, что в более древних слоях погребены и более

древние организмы. Установив типы этих организмов, можно закрепить их во времени за

определенными комплексами пород. Таким образом, “датой”, закрепляющей возраст

пласта, всегда будут являться остатки организмов с характерными для каждого времени

формами.

– мезозойская эра, триасовый период, среднетриасовый отдел;

– палеозойская эра, ордовикский период, нижнеордовикский отдел;

– мезозойская эра, меловой период, нижнемеловой отдел;

– палеозойская эра, каменноугольный период, среднекаменноугольный отдел.