Мосин К.Ю. Инженерная геология. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.15. Нарушение со смещением слоев (сбросо-сдвиг).

§ 3. Значение тектоники и трещиноватости при строительстве

и эксплуатации гидротехнических сооружений

Наличие складчатых и разрывных нарушений (дислокаций)

вызывает: нарушение однородности геологического основания

сооружения и сплошности горных пород.

Нарушение однородности геологического основания

сооружения: наклон водопроницаемых пластов в основании

сооружения в сторону берега может привести к утечке воды из

водохранилища. Наклон пластов в берегах в сторону русла реки может

вызвать оползание или обрушение берегов.

Вообще, при строительстве гидротехнических сооружений,

наиболее благоприятным считается горизонтальное залегание пластов

в основании сооружения. Менее благоприятным является падение

пластов в основании в сторону верхнего бьефа, поскольку в основании

сооружения оказываются пласты с разными физико-механическими

свойствами, что может привести к неравномерным осадкам

сооружения. Самый неблагоприятный случай – падение пластов в

основании в сторону нижнего бьефа. Здесь, помимо опасности

неравномерных осадок, появляется опасность сдвига плотины вместе с

пластами основания по поверхностям напластования или по слабым

прослойкам, а также опасность утечки воды из водохранилища.

Нарушение сплошности горных пород из-за появления в

массиве (пластах) основания сооружения тектонических трещин.

Впрочем, необходимо учитывать и нетектонические трещины –

напластования, выветривания.

В целом, трещиноватость и раздробленность горных пород

основания в процессе строительства или эксплуатации

гидротехнического сооружения могут вызвать следующие явления:

- сдвиг и неравномерную осадку сооружения;

- утечку воды из водохранилища;

- обводнение (затопление) строительных котлованов и горных

выработок;

- вывалы объемов пород в котлованах и горных выработках;

- резкие изменения физико-механических свойств горных пород

на коротких расстояниях;

- возможность подтока воды к сооружениям по трещинам и

разломам;

- выщелачивание циркулирующими в трещинах водами

растворимых пород и минералов или бетона.

Глава 5. Землетрясения. Строительство в

сейсмических районах

Наиболее яркой формой проявления современных

тектонических движений являются землетрясения.

Землетрясение (сейсмическое явление) – особый вид движений

земной коры и астеносферы, выражающийся в волновых упругих

колебаниях и вызывающий устойчивые деформации земной коры.

Землетрясения бывают:

 обвальные (денудационные) – возникают в результате

толчка из-за обрушения массива горных пород;

 вулканические – при извержении вулкана;

 искусственные (технические, инженерные) – при

мощных взрывах, заполнении водохранилищ ГЭС;

 тектонические – вследствие тектонических процессов,

происходящих в недрах земной коры, в астеносфере, а иногда даже в

верхней мантии.

Первые три вида землетрясений, как правило, носят локальный

характер (проявляются на небольших территориях и с относительно

небольшой мощностью).

Тектонические землетрясения это сильное и внезапное

нарушение сплошности земной коры, связанное с ее разрывами и

разломами.

Очаг в недрах Земли, где происходит разрыв, называется

гипоцентром землетрясения. Глубина отдельных гипоцентров

составляет 700км. Участок на поверхности, по вертикали от

гипоцентра, называется эпицентром землетрясения.

Прямая связь землетрясений с тектоническими процессами

доказана тем фактом, что все землетрясения возникают в молодых (по

геологическому) возрасту складчатых горных системах и связаны с

процессом формирования горных систем. Наиболее сильные

землетрясения происходят в самых молодых горах (в том числе – и

подводных хребтах) – Кавказ, Тянь-Шань, Гималаи, Анды, подводные

хребты у берегов Японии. Когда эпицентр землетрясения находится на

дне океана, возникает разрушительная волна – цунами, высотой в

десятки метров, передвигающаяся со скоростью 1000км/час и более.

Продолжительность землетрясения обычно составляет

несколько секунд.

Непосредственно в эпицентре землетрясения толчок

(сотрясение) воспринимается как прямой удар снизу-вверх. При

удалении от эпицентра толчок (сотрясение) постепенно принимает

характер бокового удара, а сотрясательное движение постепенно

переходит в колебательное.

Сила землетрясений оценивается по 12-балльной шкале.

Строительство в районах, где имеют место сейсмические

явления, производится с учетом следующих факторов:

 максимальной силы возможного землетрясения;

 наличия на участке строительства тектонических

разломов;

 состава и физико-механических свойств пород;

 глубины залегания подземных вод;

 наличия физико-геологических явлений (оползней,

карста).

На всю территорию страны созданы карты сейсмического

районирования, на основании которых установлена нормативная

сейсмичность для каждого района. Кроме того, для оценки

стройплощадок крупных и особо ответственных сооружений (для

уточнения сейсмичности), дополнительно производятся специальные

работы – сейсмическое микрорайонирование. Например, г. Абакан

относится к 6(5)-балльной зоне, а участок расположения Саяно-

Шушенской ГЭС – к 8-балльной. Для 5-балльной зоны

никаких особых мероприятий при строительстве не производится. Для

сооружений, возводимых в 6-балльной зоне, применяются более

высококачественные строительные материалы, чем обычно. В 7-9-

балльных зонах на самых ранних стадиях проектирования и

изыскательских работ разрабатываются рекомендации по повышению

устойчивости и долговечности сооружения. Эти рекомендации

касаются и конструкции сооружения, и строительных материалов, и

условий эксплуатации сооружения после строительства.

Имеющиеся на участке строительства тектонические разломы, в

случае землетрясения, могут воспринять и передать толчок в

направлении своего простирания.

С точки зрения состава и физико-механических свойств пород,

наиболее благоприятными для строительства в сейсмоопасной зоне

являются скальные малопористые породы (магматические,

метаморфические), менее благоприятны пористые скальные породы

(осадочные), самыми неблагоприятными являются глинистые и

зернистые грунты, особенно водонасыщенные.

Вообще водонасыщение пород и грунтов, наличие и глубина

залегания подземных вод имеют важное значение. Вода является

практически несжимаемым телом, поэтому обводненные породы

передают толчок практически без потерь.

Наличие оползневых явлений или карста при толчке вызовет

возобновление движения оползневых массивов или появление новых

оползней, а также обрушение массивов закарстованных пород.

Гидротехнические сооружения, в свою очередь, также влияют на

сейсмичность территорий, на которых они построены: во-первых,

собственным весом плотины и водохранилища; во-вторых, могут

вызвать в бортах водохранилища при заполнении оползни и обвалы и

спровоцировать обвальное землетрясение.

ЧАСТЬ IV. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ

Геологическая история Земли, или, точнее, земной коры,

начинается с периода образования первых зачаточных материков из

первичного расплава и продолжается до сих пор. Раздел геологической

науки, в котором изучаются история и закономерности развития Земли,

называется исторической геологией.

Для целей проектирования и строительства сооружений

изучение истории развития земной коры позволяет по второстепенным

признакам устанавливать важнейшие показатели горных пород, как

основания сооружений, условия их залегания и распространения.

В число задач исторической геологии входит установление

абсолютного возраста горных пород, изучение последовательности их

образования, определение относительного возраста горных пород,

сопоставление их по вертикали (от древних к молодым) и

распространение выделенных возрастных единиц по земной

поверхности.

До первой трети ХХ века в геологии использовалось понятие

только об относительном возрасте горных пород (относительно друг

друга).

Для установления относительного возраста геологических

образований используют стратиграфический, петрографический,

тектонический и палеонтологический методы.

Стратиграфический метод основан на том, что слои горных

пород последовательно накладываются один на другой. Следовательно,

чем выше залегает слой, тем он моложе. Однако, это утверждение

справедливо только при ненарушенном залегании слоев. Там, где слои

горных пород образуют складки, где проявлялись разрывные

нарушения (сдвиги, сбросы и т.д.), применение метода затруднительно.

Кроме того, данный метод применим только для осадочных и

первичноосадочных метаморфических пород. Также, сложно

использовать данный метод при наличии перерывов в

осадконакоплении, связанных с колебательными тектоническими

движениями.

Петрографический метод основан на детальном изучении

вещественного состава горных пород. Он может с успехом

использоваться на сравнительно небольших территориях, где в течение

какого-то геологического времени сохранялись одинаковые физико-

географические условия, поэтому откладывались одинаковые по

составу пласты пород. Уверенное выделение хотя бы одного такого

пласта, позволяет геологу выделить данный горизонт во всех разрезах

района.

Кроме того, изучение состава горных пород позволяет

определить условия ее образования, например в морских отложениях

или континентальных, и даже на какой глубине.

Тектонический метод применяется, если имеется какое-либо

несогласие между подстилающими и покрывающими слоями. Характер

данного несогласия может свидетельствовать либо об эрозионных

процессах (размыв), либо о тектонических движениях.

Установление несогласий между отложениями позволяет судить

об их относительном возрасте. Например, в разных местах на одних и

тех же породах могут непосредственно лежать очень похожие между

собой породы. Однако наличие несогласия между отложениями в

каком-то месте свидетельствует о том, что данная покрывающая порода

имеет другой возраст и условия образования.

Палеонтологический метод изучения относительного возраста

геологических образований основан на том, что геологическая история

земной коры идет параллельно с историей развития органической

жизни. Следы органической жизни содержатся в горных породах в

виде так называемых ископаемых остатков или окаменелостей.

Различные группы организмов возникали и развивались в

различных природных условиях, и почти каждая из таких групп несет в

себе признаки той среды, в которой она развивалась. Очевидно, что в

более древних слоях пород погребены и более древние остатки

организмов. Установив типы этих организмов, можно их закрепить за

определенными комплексами горных пород, причем – повсеместно, на

любом континенте.

Следует отметить, что не все ископаемые остатки пригодны для

определения относительного геологического возраста горных пород.

Некоторые группы организмов жили очень долго (и даже живут

сейчас), очень мало изменились на протяжении своего существования,

были широко распространены и их остатки имеются в горных породах

самого различного возраста. Такие остатки называются устойчивыми

или долгоживущими. Другие, наоборот, жили сравнительно недолго, но

также имели широкое распространение, поэтому их остатки

встречаются повсеместно, но в ограниченных, сравнительно

небольших по мощности толщах пород. Такие организмы носят

название руководящих форм или руководящих окаменелостей. Толща

горных пород, содержащая руководящие окаменелости носит название

маркирующий горизонт и относительно нее можно устанавливать

относительный возраст других отложений, непосредственно

примыкающих к ней.

Уже в XVII веке было предложено, а в 1881г. – закреплено на

международном геологическом конгрессе, подразделение истории

Земли на три эры: палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую на

основе стратиграфических и палеонтологических исследований,

проводимых в разных странах. В дальнейшем, данные этих

исследований постоянно пополнялись и изменялись. На основании

этих данных составлены сводные стратиграфическая и

геохронологическая шкалы (см. табл. 4.1).

В результате применения всего комплекса методов исторической

геологии в пределах современных континентов все отложения горных

пород подразделяются на ряд крупных стратиграфических единиц,

носящих название групп. Группы подразделяются на более мелкие

единицы – системы; системы – на отделы; отделы – на ярусы; ярусы –

на зоны. Каждой стратиграфической единице соответствует время ее

образования: группе – эра, системе – период, отделу – эпоха, ярусу –

век, зоне – время. Создана довольно стройная, всеобъемлющая,

понятная и весьма полезная для практических целей система.

Как уже сказано выше, данные этой таблицы до первой трети

ХХ века показывали только относительный возраст различных

геологических образований и напрямую относились только к

осадочным и первичноосадочным горным породам. Возраст других

геологических образований (не осадочного происхождения)

определяли по их взаимоотношениям с осадочными породами.

С открытием в начале ХХ века явления радиоактивного распада

появилась возможность установления абсолютного возраста любых

геологических образований. Ядра радиоактивных элементов

неустойчивы и распадаются со строго определенной для каждого из

них скоростью, независимо от внешних условий. Поэтому, зная эту

скорость, относительное количество исходного радиоактивного

вещества и количество продуктов его распада, можно для конкретного

минерала или горной породы определить время, прошедшее с момента

образования этого минерала (породы).

Таблица 4.1.

Стратиграфическая и геохронологическая шкалы

Эра(группа)

Период

(система)

Эпоха

(отдел)

Продолжительность,млн. лет

Название

Обозначение

Название

Обозначение

Название

Обозначение

Кайнозойская

Антропогеновый

(четвертичный)

Неоген

Палеоген

Голоцен

(современный)

Плейстоцен

поздняя верхний)

средняя (средний)

ранняя (нижний)

Плиоценовая

(верхний)

Миоценовая (нижний)

Олигоценовая

(верхний)

Эоценовая (средний)

Палеоценовая

(нижний)

Мезозойская

Мел

Юра

Триас

Поздняя (верхний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Средняя (средний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Средняя (средний)

Ранняя (нижний)

55-

40-

продолжение табл.4.1.

Палеозойская

Пермь

Карбон

Девон

Силур

Ордовик

Кембрий

€

Поздняя (верхний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Средняя (средний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Средняя (средний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Средняя (средний)

Ранняя (нижний)

Поздняя (верхний)

Средняя (средний)

Ранняя (нижний)

€

45-

65-

50-

30-

60-

70-

Протерозойская

Поздний

Средний

Ранний

Венд

Рифей

110

400

Архейская

Верхний

Нижний

700

боле

1800

Существуют методики определения абсолютного возраста

геологических образований по изотопам различных радиоактивных

элементов: U, Th, Ra, Ar, K. Наиболее широко применяется метод,

основанный на распаде урана с образованием стабильных изотопов

свинца и гелия: U

235

→Pb

207

; U

238

→Pb

206

. Это связано с относительно

широким распространением урана по сравнению с другими

радиоактивными элементами и продолжительным по времени его

распадом.

В расчетах используется понятие полураспада радиоактивного

вещества, то есть распада половины всех бывших в начальный момент

атомов. Так, для урана период полураспада составляет около 7 х 10

лет. При тщательном анализе горной породы можно установить,

сколько в ней новообразованного свинца и сколько неразложившегося

еще урана, и вычислить ее возраст. Неточности данного метода связаны

с возможной утечкой первичного урана при выветривании породы, а

также – с возможной примесью нерадиогенного свинца в породе.

ЧАСТЬ V. ГРУНТОВЕДЕНИЕ

В инженерной геологии горные породы характеризуются по их

строительным свойствам, то есть по несущей способности (в качестве

оснований зданий и сооружений), по их пригодности в качестве

строительных материалов и т.д. Поэтому, инженерно-геологическая

характеристика существенно отличается от характеристики чисто

геологической. В самом деле, в инженерно-геологическом смысле нет

никакой разницы, например, между гранитом и диоритом или

песчаником и кварцитом. В здоровом, невыветрелом состоянии, все эти

породы могут служить надежным основанием под любые сооружения.

С другой стороны, из одной группы пород (в геологическом смысле) в

инженерной геологии иногда выделяют несколько групп по

специфическим свойствам – растворимости, размягчаемости в воде,

пористости и другим свойствам.

Глава 1. Инженерно-геологическая классификация

грунтов

В инженерной геологии все горные породы называют грунтами,

поэтому в дальнейшем изложении термины «порода» и «грунт»

следует воспринимать одинаково. Вместе с тем, иногда необходимо

различать грунты (или породы) по характеру их внутренних связей. В

этом случае нескальные, дисперсные грунты с прочностью внутренних

связей между частицами во много раз меньшей прочности самих