Шпаргалка к экзамену по Инженерной геологии

Подождите немного. Документ загружается.

1. Объект исслед. Инженерной геологии – геологическая среда

(инженерно-хоз. дейтельность ч-ка). Цель – изучение прир. геологической

обстановки до начала строительства, и прогноз изменений, к-е могут

произойти при строит-ве и эксплуатации. Задачи: 1) выбор наиболее

благоприятной в геол. Отношении места; 2) изучение геол.ср. и

происходящих в ней процессов с целью определения наиболее подход-х

конструкций фундамента. 3) выработка рекомендация по необход-м

мероприятиям и сооружение инженер-й защиты и охраны окруж-й среды.

Три раздела ИГ: 1) грунтоведение, 2) инж динамика, 3) региональная ИГ.

В настоящий период инженерная геология призвана решать самые сложные

задачи при любых условиях строительства.

Необходимость инженерно-геологического изучения нашей страны с

целью обоснования регионального размещения объектов народного

хозяйства и правильного освоения новых территорий дополняется также не

только требованиями изучения инженерно-геологических условий, а и

необходимостью разработки прогнозов развития современных

геологических процессов и явлений в целях предотвращения стихийных

бедствий.

Таким образом, в настоящее время инженерная геология не только

обеспечивает необходимыми данными проектировщиков и строителей при

возведении самых разнообразных сооружений (что само по себе имеет

большое практическое значение), но решает сложные научные проблемы,

возникающие при изучении поверхностной части земной коры как объекта

воздействия человека на литосферу. Инженерная геология из науки,

имеющей главным образом прикладное значение, все в большей и в

большей степени становится наукой о ноосфере. Сейчас инженерную

геологию можно определить как науку о геологической среде, ее

рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной

деятельностью человека.

Под геологической средой следует понимать горные породы и почвы,

слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как

многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-

хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению

природных геологических процессов и возникновению новых

антропогенных (инженерно-геологических) процессов, изменяющих

инженерно-геологические условия определенной территории.

При таком определении геологической среды каждый из современных

разделов инженерной геологии приобретает определенный аспект при

решении стоящих перед ним задач, к которым относятся: грунтоведение,

инженерная геодинамика, региональная инженерная геология, инженерная

геология месторождений полезных ископаемых, инженерная геология

массивов горных пород, инженерно-геологические исследования и

изыскания.

2. ЭТАПЫ Возникновение инженерной геологии и развитие ее на первых

этапах были связаны со строительством. Исследование горных пород в

строительных целях начали проводиться задолго до появления термина

«инженерная геология». Поэтому можно говорить о предыстории

инженерной геологии, которая, по существу, складывается из двух

этапов.

Первый этап - когда строители и горные инженеры самостоятельно изучали

горные породы, являющиеся основанием, средой и материалом для

различных сооружений. Вряд ли можно, хотя бы приблизительно, указать,

когда начали изучаться горные породы в связи со строительством.

Началом же научных исследований и обобщения накопленного материала

инженерно-геологического характера т.е. началом первого этапа

предыстории инженерной геологии, можно считать первые десятилетия

XIX в. Оно было, связано с развитием промышленного капитализма в

Европе, Америке и России. Строительство заводов, фабрик, плотин и

других сооружений требовало наиболее рациональных решений:

достаточной их надежности при наименьших затратах. Достигнуть этого

без изучения горных пород было нельзя, поэтому строители начали

уделять им гораздо Больше внимания, чем ранее. При этом в их работах

горные породы назывались грунтами. С целью обобщения накопившегося

опыта строительства и использования его в сходных условиях строителям

самим пришлось разрабатывать классификации грунтов, описывать их

особенности, характеризовать свойства грунтов, учитывать воздействие

геологических процессов на различные сооружения. Второй этап

предыстории инженерной геологии связан с привлечением геологов к

изысканиям под строительство (с начала XIX по 20-е годы XX в.). В это

время геологи начали привлекаться к решению вопросов в связи со

строительством железных дорог, каналов и других крупных сооружений.

Среди геологов, консультировавших строителей, было немало известных

ученых. В качестве примера можно назвать: В. Смита (Англия), Ч.

Беркли (США), И. В. Мушкетова, В. А. Обручева, А. П. Павлова и др.

При изысканиях под железные дороги большое внимание уделялось

геологическому строению полосы трассы и геологическим процессам в ее

пределах. B 1929 г. была открыта кафедра инженерной геологии в

Ленинградском горном институте, а в 1931 г. - в Московском

геологоразведочном институте. В 1937 г. вышли в свет книги:

«Инженерная геология» Ф. П. Саваренского и «Методика инженерно-

геологических исследований для гидротехнического строительства»,

написанная М. П. Семеновым, Н. И. Биндеманом и М. М. Гришиным,

которые окончательно закрепили представление об инженерной геологии

как новой отрасли геологической науки. В те же годы за рубежом

возникла «геотехника», которая получила широкое развитие в Швеции,

Норвегии, Германии, Англии США и ряде других стран. На первое место

в «геотехнике» выдвигались механико-математические методы анализа

геологических и инженерно-геологических явлений, влияющих на

устойчивость сооружения, а геологическим

исследованиям отводилась

второстепенная роль. В 1951 г. вышел учебник «Инженерная геология» И.

В. Попова. В нем автор пишет: «Инженерная геология как наука

является отраслью геологии, изучающей динамику верхних горизонтов

земной коры в связи с инженерной деятельностью человека».

Инженерная геология, подобно всей современной науке, развивалась под

влиянием процессов дифференциации и синтеза. В результате

дифференциации сформировались три основных раздела инженерной

геологии (три инженерно-геологические дисциплины): грунтоведение,

инженерная геодинамика и региональная инженерная геология. Процесс

синтеза в инженерной геологии выражается во взаимопроникновении

инженерно-геологических дисциплин и во взаимосвязи инженерной

геологии со смежными науками, в первую очередь с гидрогеологией и

мерзлотоведением, а также минералогией, астрографией,

литологией, почвоведением, геохимией и др.

5. Грунтоведение. Грунтоведение можно определить как науку,

изучающую любые горные породы и почвы как многокомпонентные

динамичные системы,изменяющиеся в связи с инженерно-хозяйственной

деятельностью человека. Горные породы изучаются петрографией и

литологией, но только грунтоведение подходит к ним как к

многокомпонентным динамичным системам. Основным положением

совершенного грунтоведения является положение о зависимости свойств

грунтов от их состава, структуры и текстуры. Состав, структура, текстура, а

отсюда и свойства горных пород формируются в процессе их генезиса и

изменяются под влиянием постгенетических процессов; диагенеза, эпигенеза

и гипергенеза. Поэтому при оценке пород в инженерно-геологическом

отношении состав, структура и текстура грунтов и их свойства изучаются в

зависимости от генезиса и постгенетических процессов.

Под грунтами следует понимать любые горные породы, почвы и

техногенные образования, которые залегают в верхней части земной коры,

представляют собой многокомпонентную динамичную систему и

используется в качестве основания зданий и инженерных сооружений,

материала для сооружений (насыпей, плотин) или среды для размещения

подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов и др). Грунты

подразделяются на три основных типа: магматические, осадочные и

метаморфические. Наиболее полные и достоверные данные при изучении

грунтов могут быть получены лишь при сочетании лабораторных и

полевых методов исследования. В лабораториях на отдельных образцах

можно изучать «микромир» грунтов, т. е . взаимосвязь между его

отдельными микрокомпонентами, в полевых условиях – свойства уже

самих массивов грунта.

В основе генетического изучения горных пород в инженерно-

геологических целях лежит подразделение их на три основные

общеизвестные группы: магматические, осадочные и метаморфические,

которые одновременно отражают их генезис и важнейшие

петрографические особенности. Дальнейшее более дробное подразделение

горных пород на генетические и петрографические типы дает еще большую

информацию об их особенностях, важных при решении различных

инженерно-геологических вопросов.

3. Динамич геол среды- способность изменяться во времени, подверг

воздействию. Геол и инж-геол процес и явления: сейсмотектон разрывные

смещения, сейсмодислокации, сейсмотектон поднятия, опускания блоков

земной коры; соврем дифференц движ земн коры, тектонич крип; остаточ

сейсмодеформации зем коры; землетряс (любого генезиса); изверж

вулкана; грязев вулканизм; оползни; обвалы и оползни-обвалы; сели;

лавины снежно-каменные и щебнисто-глыбовые; размывы берегов,

склонов, русел; оседания и провалы; размывы подзем, в том числе проявл

карста; мерзл-геол (криогенные) проц; деформ специфич грунтов (карст,

термокарст, разжижение, солифлюкция, суффозион проц). Факторы, созд

внеш воздейст техноген происх (техноген факторы): падение летат

аппарата и др летящих предмет; пожар по внеш причинам; взрыв на

объекте; выбросы взрывоопасн, воспламен, токсич паров, газов и аэрозолей

в атмос, взрыв дрейфующих облаков; коррозион жид сбросы в поверхн и

грунт воды; электромагн излуч; разлив масел и нефтепр на прибреж

поверхн рек, морей и океанов; прорыв естест или искусст водохран.

Устанав три степени опасности проц, явл-й и факторов прир и техног

происх по последст воздейст на окруж среду: I степень - особо опасн проц,

харак максимально возможн для данного вида проц значен параметров и

хар-к в задан интервале времени и сопровожд прир и/или техног катастр; II

степень - опасн проц , хар-ся достаточно высок (но не выше, чем известн

максим-ое знач для дан вида проц) значениями параметров и хар-к в задан

интервале времени и сопровожд ощутимыми последств для окруж среды;

III степень - не представл опасности проц , хар низк знач параметров и хар-

к в задан интервале времени и не сопровожд ощутим последств для окруж

среды.

Пример про Нефтегорск, еще надо что-нибудь придумать.

Стабильность геологической среды, например, применительно к объектам

ядерно-топливного цикла это наличие в ней таких свойств и процессов,

которые гарантируют сохранность изоляционных свойств массива и не

превышение предельно допустимых норм концентрации (ПДК)

радионуклидов за пределами санитарно-технической зоны в течение всего

времени эксплуатации объектов. Устойчивость геологической среды это ее

способность под влиянием возмущений природного и техногенного

характера изменять свои элементы таким образом, что это изменение не

выходит за рамки определенного диапазона, который гарантирует не

превышение ПДК радионуклидов на данной территории в течение всего

срока эксплуатации объектов.

Отсюда проблема прогнозирования и оценки устойчивости геологической

среды должна включать в себя решение трех задач:

1. Определение основных факторов, определяющих стабильность и

устойчивость геологической среды;

2. Установление критериев оценки и прогноза устойчивости;

3. Обоснование предельно допустимых норм критериев оценки и прогноза.

4. Инж-геол. условия - усл, обуславливающие место размещения

сооружения, его конструкцию, способы производства работ, а также выбор

мероприятий по борьбе с неблагоприятными явлениями.В процессе инже-

геол-ских исследований собирают сведения о физико-географической

обстановке, климате, растительности, животном мире, об опыте

строительства и эксплуатации сооружений, экономике и т. д. Эти данные о

свойствах сред, внешних по отношению к геологической (атмосферы,

поверхностной гидросферы, биосферы искусственной среды), являются

результатами исследований других наук. Инженерам-геологам они

необходимы для оценки набора, характера и интенсивности

взаимодействий других сред — систем с изучаемой литосистемой.

Взаимодействия геологической среды с другими средами проявляются в

форме экзогенных геологических процессов. Для изучения процессов

нужно знать, где, как, с какой интенсивностью и какие входы литосистемы

взаимодействуют с элементами других систем. Знание набора

взаимодействий, интенсивности и вклада каждого взаимодействия,

характера и скорости изменения отношений, свойств и структуры

геологической среды, обусловленных взаимодействиями с другими

средами, дает надежную основу для понимания экзогенных геологических

процессов и их количественного прогноза. Данные о свойствах других сред

используются также для решения ряда вопросов, возникающих при

планировании и проектировании сооружений (например, обоснование

возможности и целесообразности строительства сооружений на данной

территории с учетом экологического, экономического и других критериев

эффективности). В процессе геологических работ (или исследований)

изучают инженерно-геологические условия некоторой территории. В число

компонентов инженерно-геологических условий включают: характер

пород, условия их залегания и распространения в земной коре,

гидрогеологические условия, влияющие на состояние и устойчивость

пород, современные геологические процессы, как природные, так и

вызванные инженерной или вообще хозяйственной деятельностью

человека, влияющие на выбор места для строительства, конструкцию

сооружения и методы производства строительных работ.Для инженерной

геологии важнейшее значение имеет гидрогеологическое строение верхней

части геологической среды, включающей первый от поверхности

водоносный горизонт и приповерхностные слои горных пород,

обводняемые в результате строительства. В процессе инженерно-

геологических исследований помимо гидрогеологического строения

изучают и гидродинамические свойства литосферы: направление и

скорость движения подземных вод, области питания, транзита и разгрузки,

связи водоносных горизонтов. Кроме того, изучают состав, состояние и

свойства подземных вод и их взаимодействия с горными породами и

сооружениями.Инженерно-геологические условия — такие свойства

геологической среды и такие происходящие в ней процессы, которые

оказывают влияние на принятие тех или иных решений, определяющих

размещение сооружений, выбор их типов и конструкций, способов

строительства (методов ведения горных работ), методов эксплуатации,

способов оптимального управления геологической средой.Таким образом,

без знания инженерно-геологических условий невозможно решение

проблем, связанных с инженерным воздействием человека на

поверхностную часть земной коры.

6. Грунты — это любые г п и твердые отходы производства, залегающ на пов-ти

земной коры и входящие в сферу воздействия на них человека при строительстве

зданий, сооружений, дорог и др объектов. Хим и минералогич состав

грунтов.Хим состав грунтов явл одной из важн харак-тик, определящ их св-ва и

сост. При обычн исслед в составе инженерно-геологич изысканий для строит

обычно огранич оценкой общего хим состава по рез-там хим анализа по соляно-

кислой и водной вытяжкам, иногда опр валовый хим состав.Но гораздо более

важной хар-кой грунтов явл их минералогич состав, опред в конечном счете как

саму породу, так и ее сост и инженерно-геологические св-ва.Наиболее распр в г п

явл примерно 100 минералов.Содержание некот из них в породе сост несколько

десятков процентов.Эти минералы наз донорными или

породообразующими.Другие обычно содержатся в породе в весьма незнач кол-вах

(доли %) и их наз второстепенными или акцессорными минералами.Наконец,

встречаются так называемые случайные минералы или примеси, не явл

характерными для данной породы.К числу наиболее распр минералов магмат г п

(гранитов, диоритов, сиенитов…) относятся полевые шпаты, доля которых может

достигать 60 % от общего минералогического состава породы; содержание кварца

и пироксенов не превышает, как правило, 10—12%; слюд — 5 %; оливина — 3

%.Ост минералы встречаются значительно реже.Осадочные г п (песчаники,

алевролиты, глины, пески и др.) обычно содержат в наибольшем кол-ве кварц,

полевые шпаты, слюды; в качестве второстепенных встреч минералы групп

амфиболов и пироксенов, а такие минералы, как рутил, циркон, встречаются

весьма редко.Но очень важно отметить, что в осадочных г п очень широко распр

глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.), образ в

процессе выветривания магматических и метаморфических г п..Минералогич

состав метаморфических г п (гнейсов, кварцитов, сланцев, мраморов) во многом

отвечает составу исходных материнских пород. Почти все минералы г п имеют, за

редким исключением, кристаллич строение. Важным компонентом состава г п явл

органич вещ-во. Органическое вещ-во накапливается в земной коре в результате

жизнедеятельности и отмирания растительных и животных организмов.

Наибольшее распростр имеют растительные органические остатки, кот могут

встречаться как в виде неразложившихся отмерших растений, так и в виде

полностью разложившегося вещества — гумуса. Органич вещ-во имеет почти

повсеместное распростран в земной коре, особенно в ее верхней части, где оно

накапл в почвах, торфах, глинах и реже в песках. В виде различных углей может

слагать значит по мощности залежи. Для органич вещ-ва и особенно для его

наиболее разложивш части характерна высокая гидрофильность и связанные с

этим св-ва, такие как высокая влагоемкость, высокая пластичность, низкая

водопроницаемость, сильная сжимаемость и т. д. Присутствие в породах гумуса

даже в значительных количествах может коренным образом изменить их свойства,

например, только 3 % гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз,

придает ему плывунные свойства, водоустойчивость. Второй характерной

особенностью органич вещ-ва явл его высокая активность в ОВР и других физико-

химических процессах, имеющих место в г п. Обладая кислотными св-вами,

гумусовые вещ-ва явл активными агентами выветривания, разлагая силикаты и

другие минералы с образованием различных коллоидных гуминовых соединений.

Состав и строение органич вещ-ва явл сложными. При разложении исходных

растит остатков, состоящ из углеводов, белков, смол и жиров, в почвах и породах

могут возникать различные продукты распада, вплоть до образования углекислоты

в воде. Гранулометрич и микроагрегатный состав грунтов. Количественные

соотношения и размер слагающих грунты элементов имеет огромное знач при

оценке инженерно-геологич св-в грунтов. Большинство г п состоят из отдельных

кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. Все эти

элементы г п или связаны друг с другом прочными кристаллизационными связями

или же связи в породах отсутствуют. Размеры элементов, слагающ г п,

варьируются в значит пределах — от тысячных долей мм до нескольких десятков

см. Например, зернистость магматических горных пород во многом определяет их

прочность и устойчивость к выветриванию (мелкокристаллические граниты более

прочны и менее выветриваются, чем среднезернистые и тем более

крупнокристаллические того же минералогического состава). Количественные

соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах

являются одними из основных классификационных показателей.

7. В составе горных пород различают твердую (минеральную) и

подвижные (жидкую и газовую) фазы. Твердая фаза содержит частицы

различного размера и формы, которые по крупности разделяют на

глинистые (мельче 0,005 мм), пылеватые (0,05—0,005 мм) и песчаные (2—

0,05 мм). Глинистые частицы представляют собой тончайшие пластинки,

форма пылеватых частиц приближается к сферической, а песчаные

частицы (в зависимости от их происхождения) могут быть округлыми или

угловатыми. Свойства грунтов в значительной степени зависят от того, в

каком соотношении находятся эти частицы. Особенное влияние оказывает

наиболее мелкая фракция грунтов — глинистая. Количественное

содержание в грунтах твердых частиц того или иного размера называется

гранулометрическим или механическим составом. Гранулометрические

составы природных грунтов крайне разнообразны. Твердые —

минеральные частицы взаимодействуют с имеющейся в грунтах жидкой

фазой — водой. Молекулы воды адсорбируются на поверхностях частиц и

образуют прочно удерживаемые на них пленки, которые, в отличие от

свойств воды остального объема, обладают прочностью на сдвиг и

пределом текучести. Воду этих пленок принято называть прочно связанной

водой. В непосредственной близости от этих пленок располагается вода,

удерживаемая уже меньшими силами, которую называют рыхло связанной.

Далее размещается вода, на которую уже не оказывают влияние исходящие

от поверхностей минеральных частиц силы. Эта вода находится под

воздействием только силы тяжести и называется свободной.

Если в каком-либо грунте содержание пылеватых частиц превышает

содержание песчаных, то к наименованию грунта прибавляется слово

«пылеватый», например, супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий

пылеватый и т. п.

В результате взаимодействия частиц друг с другом и с водой грунты

обладают связностью, что увеличивает необходимые для их

деформирования или разрушения усилия. Ввиду этого мелкие частицы

грунта образуют достаточно прочные грунтовые агрегаты. Связность

грунта зависит главным образом от гранулометрического состава и от

влажности. В песках, даже влажных, связность проявляется в

незначительной степени, и потому эти грунты относят к несвязным. Супеси

можно отнести к малосвязным грунтам. Связность особенно становится

заметной в случаях суглинков и глин, поэтому последние относят к

грунтам связным. Такое разделение грунтов удобно при рассмотрении

многих процессов, связанных с их обработкой.

На физико-механические свойства грунтов большое влияние оказывает их

состояние, которое в основном определяется влажностью и плотностью.

За счет пор, занятых водой и воздухом, плотность грунта всегда меньше

удельного веса минеральных частиц и обычно находится в пределах от 1,4

до 2 г/см3, тогда как удельный вес большинства грунтовых минералов

колеблется от 2,4 до 2,8 г/см3.

Особенное влияние влажность оказывает на свойства связных грунтов,

которые в зависимости от влажности могут находиться в твердом,

пластичном или текучем состоянии. Пластичность есть способность

грунтов под действием внешних сил изменять свою форму без разрушения

и изменения объема.

8. Виды воды в грунтах. классификация видов воды в грунтах была

предложена Е.М.Сергеевым (1982): Вода в форме пара. Связанная вода: а)

прочносвязанная (гигроскопическая вода); б) слабосвязанная вода; в)

капиллярная вода; 3. Свободная (гравитационная) вода. 4. Вода в твердом

состоянии. 5. Кристаллизационная вода и химически связанная вода. Вода

в форме пара содержится в грунте в небольших количествах (не более

0,001% от всей массы грунта). Передвигаясь в порах грунтов от участков с

большей влажностью и температурой к участкам с их меньшими

значениями. Водяной пар конденсируется при понижении температуры и

может служить дополнительным источником питания подземных вод.

Связанная вода по своему строению и свойствам резко отличается от

свободной (гравитационной воды). Она не подчиняется действию сил

тяжести и удерживается на поверхности минералов силами молекулярных

связей, значительно превышающими силу тяжести. Одной из

разновидностей связной воды является прочносвязанная вода, которая

образуется за счет притяжения молекул воды к адсорбционным центрам

поверхности минеральных частиц. Эту воду еще называют

гигроскопической и адсорбционной, и содержится она в микропорах и

трещинах размером менее 0,001 мкм. Прочносвязанная вода обладает

большой вязкостью и упругостью, замерзает при температуре – 4 °С,

удаляется из грунта при t >100°С. Оказывает заметное влияние на

прочностные, деформационные и другие характеристики грунтов.

Наибольшее содержание прочносвязанной воды содержится в высокодисперсных

глинах монтмориллонитового состава. Слабосвязанная (пленочная)вода является

водой переходного типа (от связной к свободной). Не подчиняется закону тяжести,

имеет плотность более 1г/см³, замерзает при t < 0°С и обладает другими

признаками связной воды, однако при определенных условиях за счет менее

прочной связи с поверхностью минеральных частиц может переходить в

свободную воду. В зависимости от величины влажности, температуры,

концентрации солей и других факторов передвигается от частиц с большей

толщиной пленки к частицам с меньшей ее толщиной. Слабосвязанная вода во

многом определяет такие важные свойства глинистых грунтов такие как

пластичность, набухание, консистенция. Другим рас-м видом воды переходного

типа является капиллярная вода, которая удерживается в мелких порах и трещинах

силами поверхностного натяжения (менисковыми силами). В зависимости от того,

сообщается ли капиллярная вода с уровнем грунтовых вод или нет, различают

капиллярно – поднятую и капиллярно – подвешенную воду. Первая залегает

непосредственно выше уровня грунтовых вод, образуя капиллярную зону,

мощность которой зависит от радиуса капилляров и колеблется от 0 (гравий,

галька) до 3 – 4 м в суглинках и 6 – 8 м в опесчаненных глинах. Вторая –

образуется в тонко – и мелкозернистых песках при просачивании атмосферных

осадков с поверхностью земли в зону аэрации. Свободная (гравитационная) вода -

это подземная вода, обладающая всеми свойствами обычной жидкой воды. Она не

связана с поверхностью минеральных частиц и не удерживается менисковыми

силами, а передвигается по порам и трещинам под действием силы тяжести (так

называемая просачивающаяся вода). После встречи на своем пути водоупорного

слоя дальнейшее движение свободной воды происходит под влиянием напора

(вода грунтового потока). Свободная (гравитационная)вода широко используется

для целей питьевого снабжения. В то же время она существенно осложняет

условия строительства и эксплуатацию различных сооружений, в частности

вызывает подтопление территории и активизирует другие опасные геологические

процессы. Вода в твердом состоянии (лед) может содержаться в грунтах в виде

кристалликов, жил, прослоев, линз. Глубина промерзания различна — от долей

метра на юге до 3— 4 м на севере при оголенной от снега поверхности и зависит в

первую очередь от климата, а также от состава и состояния пород, характера

снежного покрова, ориентации и наклона местности, растительного покрова и т. д.

Наибольшее промерзание отмечено в рыхлых породах с открытыми порами, в

которые легко и глубоко проникает морозный воздух (галечники, гравий, пески).

Меньше промерзают глинистые породы. Лед скрепляет минеральные частицы

грунта и повышает его прочность. При оттаивании свойства мерзлых грунтов

резко изменяются и грунты теряют свою прочность. Кристаллизационная вода и

химически связанная (конституционная) вода входят в состав кристаллических

решеток различных минералов. Например, гипс – CaSO4 ∙ 2H2O содержит

кристаллизационную воду, а лимонит Fe2O3 nH2O – химически связанную воду,

для удаления которой необходимо нагреть образец до 200°С.

9. Состав газов в грунтах. Различие в составе атмосферного воздуха и газов в грунтах

прежде всего заключается в содержании СОг, Ог и N2. Если в атмосферном воздухе

углекислота составляет лишь сотые доли процента (~0,03%), то содержание ее в почвах и

горных породах достигает десятых и даже целых процентов, а в почвенном воздухе почти

10%. Кислород и азот в толще грунтов содержатся в различных количествах. В почвенной

части грунтовой толщи их, как правило, меньше, чем в атмосфере. Это объясняется тем, что

в почве происходят процессы поглощения кислорода и азота, выделение углекислоты. В

состав газообразной компоненты входит также вода в форме пара. Состояние газов в

грунтах. Газы в порах грунтов могут находиться в свободном, адсорбированном и

защемленном состояниях. Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых

частиц под воздействием молекулярных сил. Благодаря этим силам в сухом грунте на

поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые пленки. Количество

адсорбированных газов в грунтах зависит от их минерального состава, присутствия гумуса

и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов.

Значительной адсорбционной способностью обладают окиси железа и органические

вещества. Обычно содержание адсорбированных газов в почвах подзолистой полосы

колеблется от 2 до 7 см3 на 100 г почвы, а для черноземов — в пределах 8—15 см3 на 100 г

почвы. С ростом дисперсности грунта количество адсорбированных газов в нем

увеличивается. Для кварцевого мелкозернистого песка содержание адсорбированных газов

было определено в 1 см3 на 100 г, т. е. в несколько раз меньше его обычного содержания в

почвах. При увлажнении грунта происходит вытеснение адсорбированных газов водной

пленкой. У лёссовидного суглинка и глинистых грунтов количество адсорбированных газов

уменьшается с увеличением влажности и при WMr адсорбированные газы отсутствуют.

В отличие от адсорбир-ых газов, максимальное количество защемленных газов образуется

при какой-то оптимальной влажности грунта. В опытах П. Ф. Мельникова (1960) глинистые

и лёссовидные грунты, испытавшие одинаковое уплотнение, при небольшой влажности

содержат наименьшие объемы защемленных газов. Например, при влажности суглинка 6—

10% количество защемленных газов было 1—1,5% от объема образца. С увеличением

влажности до 25—30% объем защемленных газов увеличился до 5—6% от объема образца

или до 12—16% от объема пор. С дальнейшим увеличением влажности количество

защемленных газов будет уменьшаться. При полном заполнении пор водой и при нулевой

влажности защемленных газов в грунте не содержится. Защемленные газы могут занимать в

глинистых грунтах 20—25% от объема пор. Наличие в грунтах адсорбированных и

защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов,

деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов. Газы

могут содержаться в растворенном состоянии также в воде» заполняющей поры грунтов.

При этом изменяются ее свойства, и в частности фильтр-ая способность. Для определения

максимального значения Кф перед фильтрацией газ из воды должен быть удален.

Макро – и микр-змы составляют живую компоненту грунтов. Макроорг-змы живут в почве

и подпочвенной толще; их влияние на состав, строение и свойства грунтов ограничивается

несколькими метрами от дневной поверхности. Все микроорганизмы делятся на

гетеротрофные и автотрофные. Развитие автотрофиых микроорганизмов происходит за счет

световой энергии или энергии окисления ряда неорганических соединений (водорода, серы,

аммиака, железа и др.). Гетеротрофные микроорганизмы используют для своей жизнед-сти

различные орг-е в-ва, их отдельные представители очень разнообразные по своим

свойствам, могут развиваться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Многие

гетеротрофные микроорганизмы, обитающие в грунтах, способны развиваться в очень

бедных питательными элементами растворах (концентрация органических веществ в

растворе может составлять не больше 5 мг/л); это — олиготрофные микроор-мы, обычно

располаг-ся на поверхности минеральных частиц и получающие питание из омывающих их

растворов. аблюдения за состоянием водонасыщенных дисперсных грунтов в основании

бетонных плотин крупных ГЭС показывают их значительную загазованность. Это

обстоятельство тоже можно связать с деятельностью микр-змов. Так, в иле пресноводных

озер, находящихся на территории Марийской АССР, микробиологическое образование

метана составляет 0,04—8 см3/л в сутки; по подсчетам в горизонте ила 0—20 см при

площади озера 0,1 км2 за год бактериями образуется более 70 000 м3 метана. Механическая

прочность грунтов может уменьшаться также за счет выделения микроорганизмами

поверхностно-активных веществ. При известных условиях микроорганизмы способны,

наоборот, увеличивать механическую прочность грунтов. Примером может явиться деят-ь

железобактерий, в результате которой в сильногумифицированных водоемах и болотах

образуются ожелезненные прослои песчаников. В рез-те адсорбции микр-ов на глинистых

минералах образуются агрегаты размером до 50—100 мкм и более. Размер агрегатов

увеличивается вместе с количеством микр-змов. Например, при концентрации микробных

клеток в 1 млн/мл агрегаты монт-мориллонитовой глины получались размером 10—20 мкм,

а при концентрации 1000 млн/мл агрегаты достигали величины 100—200 мкм. Способность

микр-змов заполнять поры пород своей клеточной массой и продуктами своей жизн-сти, в

результате чего повышается связность пород и уменьшается их водопрониц-сть, находит

уже практическое применение при эксплуатации нефтяных скважин. В сша был разработан

метод борьбы с обводнением скважин, основанный на закачке в пласт

сульфатвосстанавливающих бактерий вместе с компонентами, образ-ми в порах породы

нерастворимый осадок сульфида железа. До наст-го времени микр-змы изучались в

геологии главным образом как фактор, влияющий на образование рудных (железа, цветных

металлов и др.) и нерудных (нефть, сера и др.) полезных ископаемых, как фактор, влияющ

на ход процессов диагенеза и гипергенеза, и очень мало внимания им уделялось при инж-

геол изучении горных пород и почв. ТО, живая компонента в грунтах, оказ знач влияние на

их св-ва, и поэтому изучение его в инженерно-геол-х целях можно считать перспективным.

10. Под строением грунтов понимаются их структура и текстура, которые

подразделяются: на макро-, мезо – и микроструктуру и соответственно на

макро-, мезо – и микротекстуру. Под структурой грунта понимается

размер, форма и количественное (процентное) соотношение слагающих

грунт частиц. Под текстурой грунта понимается пространственное

расположение элементов грунта с разными составом и свойствами.

Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте

залегания. Текстура бывает массивной, слоистой и сетчатой.

Макростроение горных пород и почв легко наблюдается визуально. К нему

относятся видимые глазом элементы почв и горных пород, трещиноватость

и пористость, отсутствие или наличие видимой слоистости и т. п.

Мезостроение горных пород и почв изучается под микроскопом при

сравнительно небольших увеличениях, например под поляризационным

микроскопом. К мезоструктуре и мезотекстуре относятся: 1) все

минеральные зерна, микроагрегаты и микроблоки размером больше 1 мк

(см. ниже), 2) ориентировка их в пространстве, 3) мезо-и микропористость

пород и трещины, видимые в поляризационном микроскопе.

Понятие микростроение (микроструктура и микротекстура) относится к

глинистым и лёссовым породам и почвам, содержащим глинистые

минералы и органическое вещество в виде гумуса, т. е. частицы размером

<l—5 мкм. Частицы такого размера редко существуют изолированно,

обычно они образуют ультрамикроагрегаты и ультрамикроблоки (см.

ниже). Их форму, размер и особенно пространственное расположение

невозможно изучить без электронного микроскопа и специальной

рентгеновской съемки. Между тем знать это при изучении указанных

грунтов очень важно, так как их микростроение во многом определяет

особенности мезо – и макростроания грунтов.

Важнейшими показателями строения грунтов на любом уровне его

изучения являются: размер элементов, слагающих горные породы и почвы,

пористость и трещиноватость.

Размер элементов, слагающих грунты, может изменяться от долей микрона

до десятков сантиметров. Изменение размеров слагающих грунты

элементов в столь широких пределах будет особенно сильно сказываться

на свойствах дисперсных грунтов. Это хорошо видно даже при сравнении

общеизвестных свойств песка и глины.

Песок непластичен, не набухает, легко водопроницаем, обладает

незначительным капиллярным поднятием, при высыхании не дает усадки.

Глина обладает значительной пластичностью, в воде сильно набухает,

трудно водопроницаема, имеет большое капиллярное поднятие, при

высыхании дает сильную усадку.

11. Гранулометрический состав, содержание в горной породе, почве или

искусственном продукте зерен различной крупности, выраженное в

процентах от массы или количества зерен исследованного образца.

Гранулометрический состав является важным показателем физических

свойств и структуры естественного или искусственного материала. В

зависимости от цели исследования Гранулометрический состав может быть

определен с различной степенью детальности. Общепринятой

классификации по данным Гранулометрический состав не существует, что

связано с различием целей и объектов, для которых производится

определение Гран-го состава В геологии (литологии), грунтоведении,

почвоведении, геологии моря и в технике (абразивы, обогащение полезных

ископаемых) имеются свои классификации и наименования

гранулометрических фракций. Так, в осадочных горных породах

различают: валуны крупные свыше 500 мм, средние 500—250 мм, мелкие

250—100 мм, галька 100—10 мм, гравий крупный 10—5 мм, мелкий 5—2

мм, грубый песок 2—1 мм, крупный песок 1—0,5 мм, средний песок 0,5—

0,25 мм, мелкий песок 0,25–0,10 мм, алеврит 0,10–0,05 мм, пыль 0,05–0,005

мм, глина — менее 0,005 мм. Гранулометрический состав определяется при

помощи гранулометрического анализа. Определение ГС обломочных

горных пород нужно для оценки их коллекторских свойств и для

расшифровки условий их образования. Гранулометрический состав грунтов

дает возможность судить об их технических свойствах для строительных

целей.

Гранулометрический состав – содержание в породе частиц различной

крупности (фракции), выраженное в процентах к массе абсолютно едкого

образца. Различают гранулометрический состав связанных пород

(глинистых и лессовых) и несвязанных пород (песчаных и

крупнообломочных). Размеры фракции подразделяются в соответствии с

классификацией В. В. Охотина. В соответствии с этой классификацией по

гранулометрическим элементам выделяются: А) валуны – более 200мм, Б)

галька и щебень – 40-200 мм, В) гравий – 2-40 мм, Г) песок – 0,05-2 мм, Д)

пыль – 0,001-0,05 мм, Е) глина – менее 0,001 мм. Плотность минеральной

части породы – отношение массы твердых частиц к их объему

12. Пористость и трещиноватость грунтов. Структурные элементы,

слагающие грунты, при неплотном прилегании друг к другу образуют

промежутки различной величины, которые называются порами.

Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их величины

и степени заполнения, называется общей пористостью пород. Пористость

неоднородных по гранулометрическому составу пород обычно меньше,

чем однородных, хорошо отсортированных, так как в неоднородных

породах более мелкие частицы располагаются среди более крупных и

общая плотность их упаковки их повышается. Коэффициент пористости

песчаных и глинистых пород – это одна из основных характеристик,

используемых при расчетах осадок сооружений.

От общей пористости и размера пор зависят свойства грунтов. По величине

пористости судят о степени уплотнения пород и их сжимаемости в

различных условиях. С величиной пористости тесно связаны водо – и

газопроницаемость пород, их термические и электрические свойства и др.

Значения общей пористости горных пород изменяются в очень широких

пределах — от долей процента до 90%. Наиболее низкую пористость (1—

3%) имеют большинство нетрещиноватых интрузивных и

метаморфических пород. Как видно, пористость имеют все грунты, но

наибольшая она у дисперсных грунтов; для них ее значение колеблется от

20 до 90%.

Трещиноватость тоже свойственна почти всем грунтам, но, в отличие от

пористости, она имеет наибольшее значение, для скальных грунтов.

Многие породы с кристаллизационными структурными связями (особенно

магматические и метаморфические) при пористости 1—5% могут иметь

трещинную пустотность, достигающую 10—20%, Разумеется, что

проницаемость, термические и механические свойства таких пород будут

определяться не столько их пористостью, сколько трещиноватостью.

При изучении горных пород бывает трудно разделить трещинную и

поровую пустотность, поскольку трещиноватость может рассматриваться

как линейная пористость. В этом случае приходится указывать общую

пустотность породы.

По ширине трещины подразделяются на тонкие (<1 мм), мелкие (1—5 мм),

средние (5—20 мм), крупные (20—100 м) и очень крупные (100 мм). При

изучении трещинной пустотности пород следует определять генетический

тип трещин, так как с этим связаны их глубина, протяженность, ширина и

т., д.

13. Структурные связи в грунтах. Все горные породы представляют

собой кристаллы или отдельные минеральные частицы, соединенные

структурными связями, возникающими в процессе геологического

формирования породы. По характеру этих связей выделяют породы с

жесткими цементационными связями, к которым относятся массивно-

кристаллические (магматические и метаморфические) породы, а также

сцементированные осадочные, и породы без жестких связей, к которым

относят рыхлые осадочные породы — связные (глинистые, лёссовые) и

несвязные (крупнообломочные, песчаные).

Существенной особенностью природных грунтов ненарушенной

(естественной) структуры является наличие так называемой структурной

прочности, которая проявляется при их компрессионных испытаниях (рис.

1.29). Благодаря наличию структурных и, в частности, цементационных

(кристаллизационных) связей между частицами при относительно малых

нагрузках на основной ветви компрессионной кривой до напряжений аСтр

наблюдается практически горизонтальный участок, т. е. отсутствие

уплотнения. В случае действия напряжений, несколько ббльших

структурной прочности аСтр/ в результате разрушения хрупких связей

между частицами происходит резкое нарастание деформаций (уменьшение

е). Величина сгСтр у некоторых грунтов может быть весьма малой (0,01 ...

0,05 МПа) и поэтому для того, чтобы ее обнару, жить, нужно тщательно

сохранять природную структуру при отборе и хранении образца грунта, а

нагрузку прикладывать очень плавно малыми ступенями.

Наиболее ярко наличие структурной прочности обнаруживается у илистых

грунтов и некоторых очень влажных глин, например иольдиевых и др.

Имея очень рыхлое сложение и, как следствие, в водонасыщенном

состоянии значительную влажность, иногда достигающую 1 ... 2, эти

грунты обладают структурной прочностью, после малейшего превышения

которой начинается «лавинное» разрушение связей между частицами и

значительное, обычно катастрофическое для возведенных на них

сооружений, стремление к уплотнению водонасыщенного грунта В

результате этого ранее относительно прочный грунт переходит

практически в состояние жидкости, поэтому такие грунты иногда относят к

категории «структурно неустойчивых». Одним из возможных путей

строительства на таких грунтах является максимальное сохранение в них

под нагрузкой структурных связей.

Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на

жесткие (кристаллизационные) связи и пластичные, вязкие связи

(водноколлоидные). Жесткие связи более характерны для скальных

грунтов, пластичные связи - главным образом для глинистых грунтов.

Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нерастворимыми. При

растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут

возникать водноколлоидные связи.

14. Классификация грунтов включает следующие таксономические

единицы, выделяемые по группам признаков:

— класс — по общему характеру структурных связей;

— группа — по характеру структурных связей (с учетом их прочности);

— подгруппа — по происхождению и условиям образования;

— тип — по вещественному составу;

— вид — по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и

показателей свойств);

— разновидности — по количественным показателям вещественного

состава, свойств и структуры грунтов.

Класс природных скальных грунтов — грунты с жесткими структурными

связями (кристаллизационными и цементационными) подразделяют на

группы, подгруппы, типы, виды и разновидности согласно таблице 1.

Класс природных дисперсных грунтов — грунты с водноколлоидными и

механическими структурными связями подразделяют на группы,

подгруппы, типы, виды и разновидности

Класс природных мерзлых грунтов* — грунты с криогенными

структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и

разновидности

Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов — грунты с

различными структурными связями, образованными в результате

деятельности человека, подразделяют на группы, подгруппы, типы и виды

Частные классификации по вещественному составу, свойствам и структуре

скальных, дисперсных и мерзлых грунтов (разновидности) представлены в

приложении Б.

По своему происхождению горные породы они подразделяются на:

- магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания

магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как

скальные грунты;

- осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания

горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и

нескальные грунты;

- метаморфические, которые образовались в результате действия на

метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших

давлений; они классифицируются как скальные грунты.

15. РАЗНОВИДНОСТИ ГРУНТОВ. Класс природных скальных грунтов -

грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и

цементационными). Класс природных дисперсных грунтов -- грунты с

водноколлоидными и механическими структурными. Класс природных

мерзлых грунтов - грунты с криогенными структурными связями. Класс

техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грун-тов - грунты с

различными структурными связями, образованными в результате

деятельности человека. Грунт скальный - грунт, состоящий из

кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие

структурные связи кристаллизационного типа. Грунт полускальный -

грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие

структурный связи цементационного типа. Условная граница между

скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на

одноосное сжатие (Rc 5 МПа - скальные грунты, Rc 5 МПа -- полускальные

грунты). Грунт дисперсный - грунт, состоящий из отдельных минеральных

частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется

в результате выветривания скальных грунтов с последующей

транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и

их отложения. Грунт глинистый - связный минеральный грунт,

обладающий числом пластичности Ip 1. Торф -- органический грунт,

образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного

разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при

недостатке кислорода и содержащий 50 % (по массе) и более органических

веществ.

Техногенные грунты -- естественные грунты, измененные и

перемещенные в ре-зультате производственной и хозяйственной

деятельности человека, и антропогенные образования.

Антропогенные образования -- твердые отходы производственной и

хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло

коренное изменение состава, структуры и текстуры природного

минерального или органического сырья.

Природные перемещенные образования -- природные грунты,

перемещенные с мест их естественного залегания, подвергнутые частично

производственной переработке в процессе их перемещения.

Природные образования, измененные в условиях естественного залегания,

-- приро-дные грунты, для которых средние значения показателей

химического состава измене-ны не менее чем на 15 %.

Грунты, измененные физическим воздействием, -- природные грунты, в

которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое

воздействие и т. д.) изменяет строение и фазовый состав.

Грунты, измененные химико-физическим воздействием, -- природные

грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный

состав, структуру и тек-стуру.

Насыпные грунты -- техногенные грунты, перемещение и укладка которых

осу-ществляются с использованием транспортных средств, взрыва.

Намывные грунты -- техногенные грунты, перемещение и укладка которых

осу-ществляются с помощью средств гидромеханизации.

Бытовые отходы -- твердые отходы, образованные в результате бытовой

деятель-ности человека.

Промышленные отходы -- твердые отходы производства, полученные в

результате химических и термических преобразований материалов

природного происхождения.

Шлаки -- продукты химических и термических преобразований горных

пород, образующиеся при сжигании.

Шламы -- высокодисперсные материалы, образующиеся в

горнообогатительном, химическом и некоторых других видах

производства. Золы -- продукт сжигания твердого топлива.

Золошлаки -- продукты комплексного термического преобразования

горных по-род и сжигания твердого топлива.

16. Под физическими свойствами грунтов мы понимаем свойства, которые

проявляютя под влиянием физических полей: гравитационного, теплового,

электрического и др. К числу физических свойств относятся плотность

грунтов, рассмотренная ранее, а также теплофизичес-кие, электрические и

магнитные свойства грунтов. Теплофизические свойства характеризуют

тепловой режим толщи грунтов. Это имеет большое значение как для

познания таких природных процессов, как выветривание и

почвообразование, так и для оценки устойчивости инженерных

сооружений, особенно в области развития многолетнемерзлотных пород.

Обычно определяются: удельная, или объемная, теплоемкость,

теплопроводность, температуропроводность н термическое расширение

грунтов. Значения этих свойств зависят от пористости, влажности и состава

твердого компонента.

К числу дополнительных характеристик глинистых пород относится их

консистенция, а песчанях – относительная плотность.

Гранулометрический состав – содержание в породе частиц различной крупности

(фракции), выраженное в процентах к массе абсолютно едкого образца. Различают

гранулометрический состав связанных пород (глинистых и лессовых) и

несвязанных пород (песчаных и крупнообломочных). Размеры фракции

подразделяются в соответствии с классификацией В. В. Охотина. В соответствии с

этой классификацией по гранулометрическим элементам выделяются: А) валуны –

более 200мм, Б) галька и щебень – 40-200 мм, В) гравий – 2-40 мм, Г) песок – 0,05-

2 мм, Д) пыль – 0,001-0,05 мм, Е) глина – менее 0,001 мм. Плотность минеральной

части породы – отношение массы твердых частиц к их объему. Плотность породы

не зависит от ее пористости и влажности, а определяется плотностью слагающих

пород минералов и присутствием органических веществ. Плотность минеральной

части горных пород выражает среднюю плотность слагающих их минералов.

Плотность главнейших породообразующих минералов песчаных и глинистых

пород изменяется в сравнительно небольших пределах, вследствие чего и

плотность минеральной части большинства этих пород изменяется мало, например

от 2,65 г/см3 (супеси, пески) до 2,75 г/см3 у тяжелых разностей глин.

Kоэффициент пористости (Е), равный отношению объема пор к объему твердой

части породы, остающемуся постоянным при уплотнении: Е=n/m=n/(1-n)=(γм -

γск)/ γск Пористость песчаных и глинистых пород изменяется в щироких пределах

в зависимости от формы и размера слагающих их частиц, т.е. от их дисперсности,

степени отсортированности и однородности, плотности сложения, степени и

характера цементации. У порода более тонкозернистых (тонкодисперсных),

обладающих большей удельной поверхностью, пористость, как правило выше, чем

у пород грубодисперсных с меньшей удельной поверхностью. В соответствии с

этим пористость глинистых пород обычно выше, чем пористость песков,

гравелистых и других обломочных пород, хотя поры и пустоты у последних

крупнее. Пористость неоднородных по гранулометрическому составу пород

обычно меньше, чем однородных, хорошо отсортированных, так как в

неоднородных породах более мелкие частицы располагаются среди более крупных

и общая плотность их упаковки их повышается. Коэффициент пористости

песчаных и глинистых пород – это одна из основных характеристик, используемых

при расчетах осадок сооружений. Влажность. Важнейшей характеристикой

физического состояния, хар-ет количество воды, заполняющей их поры. В

зависимости от степени влажности песчаные и глинистые породы могут находится

в различном физическом состоянии, в соответствии с которым (особенно у

глинистых пород) изменяется их прочность, деформируемость и устойчивость.

Влажностью называется отношении массы воды (g2) к массе абсолютно сухой

породы (массы скелета грунта) в данном объеме, выраженное в долях единицы или

процентах. Это весовая влажность: W=g2/g1=(γ- γcк)/ γcк. Если определяется по

образцам естественной влажности, то ее называют естественной. Влажность пород

может быть охарактеризована также через объемную влажность, под которой

понимается объем воды, содержащейся в единице объема сухой породы.

Влажность глинистой породы при этом будет соответствовать ее полной

влагоемкости, а у песчаных их полной влагоемкости. Влажность песчаных и

глинистых пород в естественных условиях может изменятся в широких пределах.

Например влажность песков в зоне аэрации нередко достигает 4-5%, в зоне

капилярного увлажнения и насыщения 27-30%, а влажность м/з и т/з песков в этой

зоне может достигать 35-40%.

17. Осн. физико-механ св-ва грунтов. Мех. свойства горных пород

определяют их поведение под воздействием внешних усилий – нагрузки. В

песчаных и др-х обломочных и глинистых породах при этом происходит

изменение внутреннего сложения и объема (уплотнение), т.е уменьшение

пористости и увеличение концентрации минер-х частиц в единице объема.

Чем значит. эти изменения пород под воздействием определенной

нагрузки, тем большей деф-стью они обладают. Когда под влиянием внеш.

усилий в породах возникают касательные силы, превышающие

сопротивление сдвига, порода начинают разрушаться, наступает потеря

прочности. Сл-но, мех-кие св-ва песчаных и глинистых пород как и любых

других, характеризуются их деформируемостью и прочностью. Их

выражают деформ-ми и прочн-ми показателями: дефор-сть –

показателями сжимаемости (деформ-сти), а прочность – сопротивлением

сдвигу. Они позволяют прогн-ть осадки сооружений, определять

устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов

предельно использовать несущие способность грунтов. Показателями,

выраж-щие сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать

заложение откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с

минимальным объемом земляных работ, определять устойчивость склонов

и оползней, определять рац-е сечение и устойчивость различных

сооружений в т.ч. бетонных плотин. Сжимаемостью породы называют ее

способность к уменьшению объема под воздействием нагрузки. При

сжатии породы вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового

расширения при одноосном сжатии относительной деформацией (е)

называют отношение величины абсолютного уменьшения нагруженного

образца (Δh) к его начальной высоте (h

) е=Δh/h

Зависимость между

напряжением (δ) и величиной относ-й деформации (е) при нагрузках

меньше предела пропор-сти определяется выражением: δ=Ее (Е – модуль

упругости).. Сопротивление сдвигу. Прочностные свойства пород

определяются рядом показателей, относящихся к категории прямых

расчетных показателей. Прочность пород характеризуется способностью

сопротивляться сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом

называется процесс деформации и разрушения породы вследствие

смещения одной ее части относительно другой. Сдвиг по данной площадке

вызывается касательным напряжением к ней. Сопротивление сдвигу

зависит от величины вертикальной нагрузки, приложенной к образцу.

Прочность пород оценивается в основном по теории Мора, согласно

которой разрушение тела происходит при определенном предельном

соотношении нормальных и касательных напряжений. Физ-мех св-ва

скальных и полускальных пород подразделяются также на физические,

водные и механические. Глав-ми физ-ми св-вами этих пород является

плотность и пористость, кроме того у полускальных пород имеет значение

влажность. Для хар-ки физ-го состояния скальных и полускальных пород

решающее значение имеют: степень их выветрелости, трещиноватости и

закарстованности. Водные св-ва главнейшие: водоустойчивость, влагоемкость и

водопроницаемость. Водоустойчивость хар-тся в первую очередь их

размягчаемостью. Любые горные породы, в том числе и кварцит, базальт и др. при

насыщении водой размягчаются и теряют свою прочность. Водопроницаемость.

Скальные породы проницаемы только по трещинам. В полускальных – движение

воды происходит как по трещинам, карстовым полостям и другим

сверхкапиллярным пустотам, так и отчасти при соответствующих напорах – по

микротрещинам и порам. Мех-кие св-ва скальных и полускальных пород

характеризуются также прочностью и деформируемостью. Прочность скальных и

полускальных пород принято выражать и оценивать временным сопротивлением

сжатия, растяжению, сдвигу (скалыванию) и реже изгибу. Полускальные породы

(песчаники и алевролиты с глинистым цементом, глинистые сланцы, аргиллиты,

глинистые известняки, доломиты и мергели и др.) отличаются от скальных пород

пониженными прочностью и сопр-ю деформациям. Деф-ции полуск-х пород в

обычных условиях до сравнительно небольшого значения нагрузки бывают

упругими, затем когда нагрузка превышает предел пропорциональности,

деформация растет быстрее нагрузки, получает развитие упруго-вязкие или

остаточные пластические деформации. Имеются допо-е хар-ки физико-мех-х св-в

скальных и полуск. пород. Такие как: крепость горных пород, твердость,

истираемость, износ, абразивность, буримость, морозоустойчивость и др.

18. Деформационные свойства скальных грунтов.

Скальные грунты относятся к группе твердых. Минеральные частицы

скальных грунтов сцементированы между собой веществом, которое

заполняет пустоты между частицами и образует твердое тело. Прочность

скальных грунтов зависит от минералогического состава частиц, их

твердости и растворимости, степени заполнения пор цементирующим

веществом и прочности вещества. Показатели механической прочности

скальных грунтов колеблются в больших пределах — от марки камня 1000

и более (граниты, базальты, песчаники и др. с однородной мелкозернистой

структурой и кремнистой цементацией) до марки камня 50 и менее

(ракушечник, туф и др.). Скальные грунты практически не сжимаемы под

влиянием давления на них веса сооружения.

Деформационные свойства скальных пород разделяют на упругие,

пластические и реологические. Вообще твердым горным породам присущи:

1. Упруго-линейные деформации, следующие почти мгновенно за

приложением нагрузки и носящие обратимый характер. 2. Нелинейно-

упругие деформации, особенностью которых является криволинейная

зависимость между напряжением и деформацией. Кривая медленной

разгрузки следует за кривой нагрузки в обратной последовательности и

возвращается в точку О. Это называется последействием (прямым — при

загрузке и обратил _при разгрузке). Особенностью упругого последействия

является его зависимость не только от величины нагрузки, но и от

длительности их действия. 3. Пластические деформации, происходящие

длительное время за приложением нагрузки и носящие необратимый

характер (остаточные деформации). Пластические деформации зависят от

продолжительности действия, величины и скорости возрастания

напряжений. Упругая часть деформаций связана с объемными

деформациями (сжатием, растяжением) кристаллических решеток

минералов. Природа неупругих деформаций значительно сложнее. Они

связаны с так называемой девиаторной частью напряжений, т. е.

напряжениями, изменяющими форму - тела. Неупругие (пластические)

деформации поликристаллических тел в основном являются результатом

следующих процессов: 1) сдвиговых деформаций минеральных зерен — явлений

трансляции (внутрикристаллического скольжения), двойникования, изгиба,

пластинообразования и некоторых других; 2) диффузионных процессов,

имеющих место при наличии «вакантных» (т. е. не занятых атомами) мест в узлах

кристаллических решеток минералов и других дефектов и происходящих в форме

переноса вещества (атомов, ионов) путем последовательного замещения

«вакантных» мест в направлении деформирующей силы; 3) пограничных

процессов — явлений относительного перемещения зерен и блоков по плоскостям

спайности, полигонизации (дробление зерен), рекристаллизации и некоторых

других. Если напряжение, вызывающее пластические деформации, по своей

величине не превышает предельного значения (предела прочности) и остается

постоянным, скорость пластического течения во времени падает, т. е. наблюдается

упрочнение породы в процессе пластической деформации. Оно происходит

вследствие роста удельной площади истинных контактов минеральных зерен в

процессе полигонизации и уплотнения. По мере упорядочения структуры при

пластическом течении, развитии микротрещин и т. д. сопротивление породы к

сдвигу постепенно ослабевает. Данное явление, имеющее место при напряжениях,

превышающих предел прочности, называется раз-Упрочнением в процессе

пластической деформации. Развитие Деформаций во времени в этом случае

приводит в конечном счете к разрушению породы. Реологические свойства

характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при

постоянном напряжении (явление ползучести), либо ослабление (уменьшение)

напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и

релаксация также как и пластические деформации, являются необратимыми,

остаточными, но если пластичность пород характеризует их поведение при

напряжениях, превышающих предел упругости, то ползучесть, представляющая

собой медленное нарастание необратимых деформаций, проявляется и при

напряжениях, меньших предела упругости, но при достаточно длительном

воздействии нагрузок. Явление, обратное ползучести, называют релаксацией

напряжений. При релаксации упругие деформации в породе с течением времени

постепенно переходят в необратимые, но общая деформация во времени не

изменяется. При этом происходит падение напряжений.

19. Деформационные свойства дисперсных грунтов

Как известно, под действием давления грунт деформируется. Характер и

величина деформации зависят от природы грунта, способа нагружения и

граничных условий деформирования грунта. Деформационные свойства

грунтов определяют следующие основные природные факторы: 1)

структура и текстура; 2) состав и концентрация порового раствора; 3)

химико-минералогический состав скелета грунта; 4) температура

окружающей среды. Влияние тех или иных природных факторов на

деформируемость грунтов зависит главным образом от структуры грунта,

т.е. от дисперсности, плотности и расположения частиц в пространстве и

связей между частицами. В зависимости от способа нагружения грунта

различают деформации при статическом (ступенчатом), ударном и

динамическом способах приложения давления. Наиболее часто

деформационные свойства грунтов оснований сооружений определяют при

статическом нагружении. В особых случаях деформационные свойства

грунтов определяют при действии ударной нагрузки (трамбование, взрыв и

т.п.), при вибрации, а также при воздействии гидростатического, главным

образом отрицательного (капиллярного) давления, возникающего при

водопонижении в дисперсных грунтах.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их

сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением частиц

относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор,

вследствие деформации частиц породы, воды, газа. При определении

сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие

зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации

грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой характеристике

показателей относятся коэффициент уплотнения, коэффициент

компрессии, модуль осадки , ко второй – коэффициент консолидации.

Деформационные свойства грунтов определяют как в лабораторных

условиях на образцах с нарушенными или ненарушенными структурными

связями, так и в полевых условиях. Лабораторные испытания до

настоящего времени являются основным методом изучения свойств

грунтов, так как позволяют сравнительно просто передавать различные

давления на грунт, исследовать поведение грунта в широких диапазонах

изменения физического состояния и условий окружающей среды,

моделировать сложные случаи работы грунта в основании или теле

сооружений. Полевые методы испытания позволяют более правильно

отразить влияние текстурных особенностей грунта на его

деформируемость.

Для исследования сжимаемости грунтов в полевых условиях применяют

прессиометр — прибор, основанный на обжатии и измерении деформации

грунта, находящегося в стенках необсаженной скважины, и определении

модуля сжимаемости.

20. К основным характеристикам прочностных свойств грунтов

относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям

смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол

внутреннего трения, эквивалентное сцепление.

Различают простое и сложное напряжённые состояния в грунте.

Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из

видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в

массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда

проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых

напряжённых состояний.

Они позволяют прогн-ть осадки сооружений, определять устойчивость

пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно

использовать несущие способность грунтов. Показателями, выраж-щие

сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать заложение

откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с минимальным объемом

земляных работ, определять устойчивость склонов и оползней, определять

рац-е сечение и устойчивость различных сооружений в т.ч. бетонных

плотин. Сжимаемостью породы называют ее способность к уменьшению

объема под воздействием нагрузки. При сжатии породы вертикальной

нагрузкой в условиях свободного бокового расширения при одноосном

сжатии относительной деформацией (е) называют отношение величины

абсолютного уменьшения нагруженного образца (Δh) к его начальной

высоте (h

) е=Δh/h

Зависимость между напряжением (δ) и величиной

относ-й деформации (е) при нагрузках меньше предела пропор-сти

определяется выражением: δ=Ее (Е – модуль упругости)..

Сопротивление сдвигу. Прочностные свойства пород определяются рядом

показателей, относящихся к категории прямых расчетных показателей.

Прочность пород характеризуется способностью сопротивляться

сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом называется

процесс деформации и разрушения породы вследствие смещения одной ее

части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается

касательным напряжением к ней. Сопротивление сдвигу зависит от

величины вертикальной нагрузки, приложенной к образцу. Прочность

пород оценивается в основном по теории Мора, согласно которой

разрушение тела происходит при определенном предельном соотношении

нормальных и касательных напряжений.

Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются

как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном

напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются:

одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное

трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное

трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра

с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных

направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем

режиме.

21. Реол. св-ва грунтов. При инженерно-геологической оценке пород эти

свойства имеют весьма важное значение. Однако роль каждого из них при

этом неодинакова, что зависит от состава пород.1) Водоустойчивость.

Определение водоустойчивости наиболее важно при оценке глинистых

пород, которые под воздействием воды теряют связность и изменяют

консистенцию или размокают и распадаются. Скорость и характер

размокания характеризуют водоустойчивость.Некоторые разности

глинистых пород при увлажнении сильно набухают, причем объем их

увеличивается на 25-30%. Изменение свойств глинистых пород происходит

не только при увлажнении. Высыхание влажных глинистых пород иногда

сопровождается их растрескиванием, изменением монолитности,

уменьшением объема (усадкой). Вода, воздействуя на породы, может также

растворять, выщелачивать водорастворимые части и тем самым изменять

их свойства. 2) Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимается ее

способность в вмещать и удерживать определенное количество воды. В

соответствии с этим различают породы: влагоемкие (глины, суглинки),

среденевлагоемкие (скпеси, пески м/з,с/з, пылеватые) и невлагоемкие

(пески с/з, к/з, гравий и т.д.). Применительно к породам невлагоемким

следует говорить об их водоемкости. У влагоемких пород различают

полную, капиллярную и молекулярную Влагоемкость. Полной

влагоемкости полное насыщение породы водой, т.е. заполнение всех ее

пор. Сравнивая естественную влажность породы с влажностью,

соответствующей полной влагоемкости судят о степени ее водонасыщения.

Капиллярной влагоемкости соответствует не полное насыщение породы

водой, а такое, когда водой заполнены только капиллярные поры. Под

молекулярной влагоемкостью понимается способность пород удерживать

определенное количество физически связанной воды. Максимальное

количество физически связанной воды, которое может удержать порода на

поверхности своих частиц называется максимальной молекулярной

влагоемкостью. Из песчаных пород насыщенных водой не вся вода может

вытекать свободно, а только та часть, которая подчиняется силе тяжести.

Способность песчаных и других обломочных пород, насыщенных водой,

отдавать ее путем свободного стекания, характеризует их водоотдачу.

Такой способностью обладают невлагоемкие породы. Водоотдача пород

примерно равна разности между полной их влагоемкостью (W

) и

максимальной молекулярной: W

отд

-W

Характеристика водоотдачи

пород имеет важное значение при решении многих практических вопросов,

например при проектировании дренажей, притоков воды в котлован и т.д.

3) Капиллярность. При значительном повышении влажности песчаных и

особенно глинистых пород понижаются их строительные качества.

Увлажнение воды может быть обусловлено инфильтрацией воды с поверхности

земли или поступлением ее снизу из какого-либо водоносного горизонта под

влиянием напора капиллярных сил. Капиллярные силы образуют капиллярную

зону над уровнем грунтовых вод, в пределах которой наблюдается повышенное

увлажнение или насыщение пород. При интенсивном испарении капиллярных вод

происходит засоление почв, образование солончаков. Известно, что максимальная

высота капиллярного поднятия в т/з и м/з песках может достигать 1,5-2,0 м, в

глинистых породах 3-4 м. В грубозернистых породах она мала и практического

значения не имеет. 4) Водопроницаемость. К числу основных водных свойств

пород относится водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду

под действием напора. Данные, характеризующие водопроницаемость рыхлых

обломочных и глинистых пород, имеет широкое применение в практике для

определения притоков в строительные котлованы, подземные выработки, способов

осушения и т.д. Водопроницаемость песков, галечников и др. рыхлых отложений

зависит от их пористости и скважности. Глинистые породы при небольших

напорах очень слабопроницаемы, т.к. размер пор в них мал. Движение воды и

других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией.

Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их

фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит

коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются

главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из

уравнения v=K

(k)

. Если I=1, то v=K

м/сут, см/сут.

В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей

пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере

занято физически связной водой.

22. Релаксация. При нагружении постоянной силой F возникают

деформации,

развивающиеся во времени . Для прекращения развития этих

деформаций необходимо уменьшать силу по некоторому закону

F(t).Уменьшение во времени напряжения, необходимого для поддержания

постоянной деформации называется релаксацией(расслаблением)

напряжений. С позиции статистической физики релаксацию можно

рассматривать как процесс установления статистического равновесия в

физической системе, когда микроскопические величины,

характеризующие состояние системы (напряжения),

асимптотически приближаются к своим равновесным значениям.

Характеристикой явления расслабления напряжений является время

релаксации, равное времени за которое напряжение уменьшается в e

раз, которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни»

молекул, т. е. определяет подвижность материала. Время релаксации

различно у разных тел. Для скальных грунтов время релаксации

изменяется сотнями и тысячами лет, ДЛЯ стекла — ОКОЛО ста лет, а для

воды — 10-11 с. Например, горные породы, формирующие земную

кору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями, у

воздуха 10-10, у воды 10-11, у льда сотни секунд. Если

продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации ,

то будут развиваться в основном упругие деформации.

Таким образом, в пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себя как упругое

тело (например, хрупко разрушается при ударе в условия большой

нагрузки). При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость.

Аналогичное поведение - хрупкое разрушение при быстром приложении

нагрузки и вязкое течение при длительном воздействии нагрузки–

отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.

Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации,

то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения.

Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко

времени релаксации тело будет вести себя как твердое или как жидкое.

Период релаксации является" основной константой, объединяющей

свойства твердых и жидких тел. Величина времени релаксации может

быть определена из отношения вязкости г| к модулю упругости (сдвига):

Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные

грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига Хк,

называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.

23-24. Основные физико-химические свойства грунтов. К этим

свойствам относятся свойства, которые проявляются в результате физико –

химического взаимодействия между компонентами грунтов. К ним

относятся коррозионные свойства грунтов, диффузионные, осмотические,

адсорбционные, а также липкость, пластичность, набухание, размокание,

усадка и другие свойства пород. Коррозионные свойства: коррозией

называется процесс разрушения материалов в следствие их химических,

электро – химических или био – химических взаимодействий с

окружающей средой. Подземная коррозия выражается в разрушении

строительных металлических материалов, сооружений и трубопроводов

при их взаимодействии с грунтами. Основными причинами подземной

коррозии являются: 1) воздействие грунтовой влаги на металлическую

конструкцию; 2) явление электролиза. Эти явления возникают вокруг

трубопровода, а также на участках, где используют трамвайное и железно –

дорожное движение. Подобное разрушение возникает в грунтах, в

результате воздействия блуждающих электрических токов на воду –

солевой раствор в порах грунта, который в следствии такого

взаимодействия станет агрессивным электролитом CISO4; 3) действия

находящихся в грунтах микроорганизмов, вызывающие биокоррозию. В

целом коррозия грунтов зависит от многих факторов. К основным

относятся химический состав грунтов и в первую очередь состав и

количество растворенных солей, а также влажность грунтов, содержание в

них газов, структуры грунтов, их электропроводность и наличие бактерий.

Диффузия (от лат. Diffusion - распространение, растекание, рассеивание),

движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию

концентраций или к установлению равновесного распределения

концентраций частиц данного сорта в среде. Осмос (от греч. Osmos –

толчок, давление), односторонний перенос растворителя через

полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от

чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Диффузия и

осмос ведет к перераспределению ионов вещества и молекул воды и

наиболее вещественно проявляются в глинистых грунтах. Осмос в глинах

может может вызвать деформации набухания или усадки. Например, если

поместить засоленный глинистый грунт в пресную воду, то произойдет

осмотическое всасывание воды и как результат набухание грунта. На

практике такое набухание может происходить в различных каналах,

проложенных в засоленных грунтах после их затопления пресной водой.

Если будет иметь место обратное соотношение концентраций, то есть

раствор в грунтах будет более пресный, чем в канале, то произойдет

осмотический отсос воды из грунтов в результате их усадки. Адсорбция

грунтов называется их способность поглощать из проходящих растворов

определенные частицы или элементы вещества. Существуют несколько

видов адсорбций: механическая (задерживание частицы за счет

конфигурации пор); физическая (за счет молекул взаимодействующих

между частицами из раствора и поверхностных пор); химическая (за счет

химических взаимодействий); биологическая (за счет действия растений и

различных микроорганизмов). Отдельные виды адсорбции могут

проявляться совместно (физико – химическая адсорбция).

25. Усадка грунта. Усадкой грунта называется уменьшение его объема в

результате удаления воды при высыхании или под влиянием физико-

химических процессов (осмос и др. ). В результате усадки грунт становится

плотнее и после высыхания — даже твердым. Уплотнение глинистого грунта

при усадке увеличивает его сопротивление деформациям, но наличие трещин,

обычно сопровождающих усадку, повышает водопроницаемость и уменьшает

устойчивость поверхностного слоя грунта в откосах. В условиях сухого и

жаркого климата усадочные трещины разбивают массив глинистого грунта

на глубину до 7—8 м и больше.В максимальной степени усадка проявляется в

глинах; другим связным породам она свойственна меньше.

Липкость грунта проявляется при влажности, большей, чем Wm;

наибольшего значения она достигает у глинистых грунтов. Липкость глин

растет с увеличением внешнего давления и уменьшением влажности, ее

максимальное значение в большинстве случаев достигается при

максимальной молекулярной влагоемкости. Липкость грунта зависит от

категорий воды, содержащейся в грунте, особенностей его химико-

минеральной части, площади контакта грунта с предметом и др. Величина

липкости глинистых грунтов при определенном соотношении их

особенностей с внешними факторами может достигать 0,02—0,05 МПа.

Поэтому липкость грунта является одним из факторов, определяющих

условия работы ковшов, дорожных и почвообрабатывающих машин.

Прилипание грунта к поверхности землеройных и транспортных машин и

механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении

вскрышных работ на карьерах, при разработке котлованов и т.д.

Водопрочность — это способность грунтов сохранять механическую

прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Взаимодействие

пород с водой может быть статическим и динамическим: воздействие

спокойной воды вызывает явления набухания и размокания,

гидродинамическое воздействие — процесс размыва.

Размокаемость — это способность глинистых пород при впитывании воды

терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной

потерей несущей способности. Интенсивность процесса размокания зависит

от характера структурных связей, состава и состояния грунтов. Скорость и

интенсивность размыва зависят как от характера водного воздействия, так и

от реакции породы на данное воздействие — размываемости. Резкое

изменение водопрочности (например, в результате выветривания) может

привести к значительному снижению несущей способности грунтов

оснований сооружений и к возникновению обвальных и оползневых явлений

в бортах строительных котлованов и глубоких карьеров.

Размываемость чаще всего оценивается коэффициентом сопротивляемости

горных пород размыву.

Пластичностью грунтов называется способность их изменять свою форму

(деформироваться) без разрыва сплошности в результате внешнего воздействия и

сохранять полученную при деформации новую форму после того, как внешнее

воздействие прекращается. Пластичные свойства грунтов тесно связаны с

влажностью и изменяются в зависимости от количества и качества находящейся в

грунте воды. Переход глинистой породы из одной формы консистенции в другую

совершается при определенных значениях влажности, которые получили название

характерных влажностей или пределов. В инженерно-геологической практике

наибольшее распространение получили верхний и нижний пределы пластичности.

Пределы пластичности и число пластичности широко используются при

классификации глинистых грунтов, определении расчетных сопротивлений грунтов и

приблизительной оценке устойчивости грунтов в котлованах, выемках и т. д.

Набуханием грунта называется увеличение его объема при взаимодействии с водой.

Набухание грунтов часто наблюдается при проходке котлованов и выемок и

приводит к деформации крепи, полотна дорог, фундаментов и пр. Для определения

набухания предложено несколько способов, которые могут быть объединены в пять

групп, основанных на оценке набухания: 1) по теплоте набухания; 2) по давлению

набухания; 3) по объему осадка, седиментированного в жид кости; 4) по количеству

(объему или весу) воды, вызвавшей набухание; 5) по приросту объема грунта при

набухании.

Наибольшее распространение в практике инженерно-геологических работ получил

способ изучения набухания по приросту объема грунта в процессе насыщения его

водой (в том виде, как он разработан А. М. Васильевым).

26. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы)

называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и

глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой

водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В

инженерно-геологической практике пользуются главным образом

скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения

v=K

(k)

. Если I=1, то v=K

м/сут, см/сут. Скорость движения воды через

пористые среды (горные породы) прямо пропорциональна

гидравлическому градиенту, т.е. отношению действующего напора к длине

пути фильтрации. Это важнейший закон водопроницаемости песчаных и

глинистых пород – закон ламинарной фильтрации.

Скорость движения воды определяется также уравнением: v=Q/F (Q –

количество фильтрующейся через породу воды, м

; F – площадь

поперечного сечения, м

, через которое фильтруется вода). Так как

движение воды происходит только по порам, то действительная скорость

фильтрации (исходя меньшей площади действительного сечения породы)

больше. Действительный коэффициент фильтрации: K

фд

/n (n –

пористость). Действительный коэфф-нт фильтр-и иногда называется коэф-

том скорости фильтрации. В песчаных породах К

фд

всегда больше

коэффициента фильтрации, опред-го непосредственно в лаб-ых усл-ях. В

глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше

общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в

значительной мере занято физически связной водой. В строительстве

фильтрационные свойства грунта (его водопроницаемость) связаны: 1. С

инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства

плотин). 2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод

(У.Г.В.) для осушения котлованов. Лабораторный прибор для

определения фильтрационных свойств грунтов представляет собой сосуд с

пористым днищем (см. схему), в который помещается песок. Сверху

заливается вода и измеряется ее расход (фильтрация через образец песка) с

различными интервалами времени. Если в глинистом грунте создается

гидравлический градиент меньше начальной величины, фильтрации в

грунте нет и такой грунт является водоупором. Фил-ные хар-ки грунтов

используются при: 1.Расчёте дренажа. 2.Определении дебита источника

подземного водоснабжения. 3.Расчёте осадок сооружений (оснований) во

времени. 4.Искусственном понижение У.Г.В. 5.Расчёте шпунтового

ограждения при откопке котлованов, траншей.

Отметим ряд особенностей, хар-х для вечномерзлых грунтов после их

оттаивания:

- Максимальные значения водопроницаемости отмечены в зонах

тектонического дробления, причем затухания с глубиной не наблюдается,

что объясняется большим содержанием льда, вызванного распучиванием

дисперсного заполнителя. После вытаивания льда образуются мощные

фильтрационные ходы.

- Водопрониц-ть вечномерзлых грунтов после их оттаивания обычно

переменна во времени, поскольку находится под воздействием двух

противоборств-х факторов. С одн стороны, пустоты, только что

образовавшиеся в распученном массиве после вытаивания льда, стремятся

к закрытию под действием веса вышележащих грунтов или нагрузок от

сооружений, вследствие чего водопрон-ть должна уменьшаться. С другой

стороны, тонкодисперсный заполнитель, который после вытаивания льда

не обладает структурой, обеспеч-й его фильтр-ю прочность, способен

размываться фил-ным потоком. Это влечет за собой увеличение водопр-сти

пород. Фильтр-ю способность вечномерзлых пород оценивают по рез-там

опытных работ на предварительно оттаянных участках или косвенными

методами. К косв-м методам оценки водопр-сти вечномерзлых грунтов

относятся: расчетные; сравнения зависимостей показателей водопрон-сти

от трещиноватости для талых и мерзлых грунтов; воздушного опробования

скважин; геофизические. Все эти методы носят оценочный характер.

27. Особенности строения и механики мерзлых грунтов.

Мёрзлыми грунтами, породами и почвами называют грунты, горные породы,

почвы и дисперсные материалы, имеющие отрицательную или

нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замёрзла, т.е.

превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы. Скальные грунты,

имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе

воды и льда, называются

морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие

отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не

обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая

мерзлота»). Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную

температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными

породами и грунтами. Мёрзлые грунты в зависимости от их температуры,

величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как

твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнее воздействие, тем в

большей мере

грунт проявляет пластичные свойства. Образование льда при

промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивления

деформируемости, что объясняется возникновением связей между

минеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности,

засолённости и температуры прочность структурных связей возрастает.

При длительном времени действия нагрузки роль льдоцементационного

сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойств

льда.

Характер изменения механических свойств грунтов различного состава

зависит от вида напряжённо-деформированного состояния и времени

действия нагрузки. При инженерных расчётах необходимо знать как

прочностные характеристики, так и деформационные: модули общей и

упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, коэффициент

Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.

Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными

образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов,

находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их

однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме

грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.

Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной

системы, содержащей: твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные

включения льда (лёд-цемент и лёд прослойков); воду в связанном и жидком

состояниях; газовые компоненты: пары и газы.

Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и

механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от

температуры.

Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства

мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы

минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их

минеральным составом и составом поглощённых катионов.

Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской

форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему

давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме - может достигать

огромной величины. И интенсивность протекания физико-химических

поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая

может достигать в глинистых грунтах 80 и более м2/г.

Лёд, являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность

твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную

криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами.

Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы,

например, углекислый натрий Na2Co3, хлористый магний MgCl2. Льдом называют

все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного

состояния.

Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых

пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в

мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но

видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также

заполняющий поры в породе (лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.

28 Сезонная мерзлота- промерзание почвогрунтов за холодный сезон года, в

том числе с образованием ледяных включений, которые оттаивают за лето. В

России находятся все зоны распространения многолетнемерзлых грунтов.

Длительность и мощность Сезонной мерзлоты постепенно уменьшаются в

южном из-за нарастания солнечной радиации и западном направлениях

благодаря адвекции теплых и влажных атлантических воздушных масс.

Примерно 47% территории России имеют вечномерзлые грунты, поэтому

строительство сооружений в подобных условиях является актуальной

проблемой.

Термин вечная мерзлота следует представлять во временном периоде

порядка нескольких сотен лет и более, а в общем случае, в соответствии со

временем существования мерзлоты, следует рассматривать следующие

структуры:

1. Вечномерзлые грунты, существующие века и тысячи лет.

2. Многолетнемёрзлые (м.м.), существование годы , десятки лет.

3. Сезонная мерзлота, существование часы, сутки.

Существует несколько видов вечномерзлых грунтов. Из инженерной

геологии известны следующие виды: сплошная мерзлота, слоистая мерзлота,

островная мерзлота и линзовая мерзлота.

Сплошная мерзлота. Данный вид мерзлоты встречается на крайнем севере

России. Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми

обозначениями, представлена ниже.

Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты). Данный вид мерзлоты

встречается в отдельных местах и не имеет чёткой теории происхождения.

Одной из теорий предполагается, что этот вид мерзлоты (см. схему)

произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

Островная мерзлота. Такой вид мерзлоты с размерами в плане от десятков

до нескольких сотен метров и глубиной до 10 и более метров, встречается в

районе Сибири (северная часть Красноярского края, Иркутской, Читинской

областей) (см. схему).

Линзовая мерзлота. Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в

южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме. Размеры такой

мерзлоты в плане могут составлять десятки метров, а мощность не

превышать нескольких метров. Такие линзы на фоне талого грунта опасны

тем, что их очень сложно определить. Если при постройке здания линза не

была определена, и здание хотя бы частично будет накрывать линзу, то в

процессе эксплуатации тепловые потоки от здания вызовут деградацию

(оттаивание) линзы, что спровоцирует непрогнозируемые неравномерные

осадки.

Промерзание деятельного слоя в зимний период может происходить не на всю

глубину, в этом случае говорят о несливающейся мерзлоте, так как между

деятельным слоем и многолетней мерзлотой будет находиться прослоек талого

грунта В процессе промерзания и оттаивания могут происходить деформации грунта,

которые достигают 20…30% и более. От чего это происходит? Из курса физики

известно, что вода при замерзании увеличивается всего на ≈ 9%, однако в природных

условиях данное явление объясняется миграцией влаги (перемещение грунтовой

воды из нижележащих талых слоёв к фронту промерзания), которая в большой

степени проявляется в глинистых грунтах. Это явление приводит к морозному

пучению грунтов

Пучение грунтов при промерзании очень важная проблема, с разрешением которой

строители очень часто встречаются не только в районах многолетнемёрзлого грунта,

но и в районах глубокого сезонного промерзания. Просадка при оттаивании слоя

вечномёрзлого грунта -это явление у строителей является своего рода бичом. При

оттаивании многолетнемерзлого грунта прочностные характеристики грунта резко

падают, это явление необходимо учитывать при строительстве зданий в подобных

местах.

29. Существуют два принципа проектирования сооружений на вечномёрзлых

грунтах. Первый принцип заключается в сохранении вечномёрзлого

состояния грунтов.

Данный принцип или метод целесообразно применять в тех районах, где:

 Многолетнемёрзлый грунт имеет значительную мощность;

 сооружения выделяют значительные количества тепла и не занимают

больших площадей в плане.

Расчётно-теоретическое и конструктивное обоснование этого принципа было

произведено в конце 20-х годов прошлого века. Однако по такому методу

строили здания ещё раньше (Чита, Иркутск, Хабаровск). В настоящее же

время этот метод является общепризнанным и универсальным, поскольку

позволяет наилучшим образом использовать высокие строительные качества

любых мёрзлых грунтов. По этому методу построено много промышленных

сооружений и целые города (Норильск).

Сущность данного принципа заключается в том, что фундаменты здания

прорезают деятельный слой и не менее метра заглубляются в слой

многолетнемёрзлого грунта. С боковой поверхности (обратная засыпка)

фундаменты засыпаются непучинистым грунтом, а между приподнятым над

поверхностью грунта полом первого этажа (примерно на 1 м) и грунтом, в

конструкции фундамента, устраиваются продухи

Стремясь как можно больше снизить влияния теплового выделения здания на

мёрзлые грунты, прибегают к проектированию зданий на столбчатых и

свайных фундаментах.

Второй принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах

заключается в допущении протаивания грунта под зданиям. Данный принцип

осуществляется двумя методами: конструктивным и методом

предпостроечного оттаивания. Рассмотрим эти методы подробнее.

Конструктивный метод заключается в приспособлении конструкций

фундаментов и самих строений к неравномерной осадке оттаивающих

грунтовых оснований.

Данный метод применяется в следующих случаях:

 температура вечномерзлой толщи грунтов близка к «0°C»;

 мёрзлый грунт при оттаивании становится относительно

малопросадочным основанием S ≤ Su (гравелистые, щебёночные или

песчаные грунты).

Следует подчеркнуть, что в этом случае под зданием с течением времени

эксплуатации в результате действия тепловых потоков здания, образуется чаша

оттаивания в многолетней мерзлоте (см. схему). Формирование чаши оттаивания

может продолжаться десятки лет, что подтверждается теплотехническими расчётами.

В результате построенное здание будет находиться в условиях неравномерной

осадки, возникает высокая вероятность развитие деформаций с образованием трещин

в надземных конструкциях.

Для того чтобы здание могло удовлетворительно эксплуатироваться в подобных

условиях должны быть выполнены условия по приспособлению его к неравномерным

деформациям (повышение жёсткости здания). В данном случае уменьшение осадки

оттаявших грунтов осуществляется путём предварительного уплотнения под

действием собственного веса (см. метод электроосмоса в механике грунтов). Метод

предпостроечного оттаивания применяется в следующих случаях:

 осн-ние сооружения имеет неоднородные по сжимаемости в мёрзлом и талом

состоянии грунты;

 проектируемое сооружение имеет сосредоточенные избытки тепла

(неравномерность оттаивания основания).

Необходимо помнить, что применение того или другого принципа строительства

зависит:

 от особенностей возводимых сооружений;

 геокриологических условий места постройки.

Следует иметь в виду, что строить сооружения надо одним из двух принципов.

Нельзя сочетать эти принципы, как для соседних зданий и сооружений, так и для

сооружений, расположенных в одном и том же районе. И особенно это относится для

отдельного сооружения. Не учет наличия вечномерзлых грунтов, часто приводит к

возникновению и развитию значительных (недопустимых) осадок сооружений и

появлению трещин в надземных конструкциях. Воспринять неравномерные осадки

оттаивающих оснований можно повышенной жесткостью надземных конструкций. В

этом случае, по периметру здания в уровне перекрытий устраивают металлические

пояса жесткости, воспринимающие неравномерные деформации конструкций стен.

30, 31. В инженерной геодинамике изучаются все современные

геологические процессы, имеющие значение при оценке отдельных

регионов в целях их народнохозяйственного освоения при строительстве

инженерных сооружений (гидротехнических и мелиоративных, дорог и

трубопроводов, промышленных объектов и населенных пунктов, шахт и

глубоких карьеров, подземных нефте-, газо- и водохранилищ и др.), а

также древние геологические процессы, оказавшие определенное влияние

на геологическое строение территории. Сведения о геологических про-

цессах необходимы для того, чтобы заранее предвидеть возможность их

появления в результате изменений, происходящих в природе под влиянием

естественных причин и многообразной деятельности человека, а также для

того, чтобы оценить возможное их воздействие па окружающую среду.

При оценке какого-либо региона в связи с его народнохозяйственным

освоением геолог, работающий (в области инженерной геологии, должен

заранее с какими геологическими процессами столкнутся на его

территории строители и другие специалисты и какие изменения в

характере геологических процессов будут происходить при освоении

данного региона в намеченном направлении. При разработке проектов

отдельных, как правило, крупных инженерных сооружении возникают

более конкретные задачи, которые па своей сложности не уступают

первой: надо дать прогноз неблагоприятного воздействия на

проектируемый объект геологических процессов, развитых в районе. При

этом прогноз должен даваться во времени и в пространстве и

предусматривать возможную интенсивность существующих и вновь

возникших геологических процессов. Лишь при наличии такого прогноза и

учета инженерно-геологических особенностей грунтов возможны правиль-

ное рациональное проектирование сооружений, их сохранность и нор-

мальная эксплуатация, безопасность людей. Далеко не всегда при решении

вопроса о возможности строительства или освоения месторождения

полезных ископаемых руководствуются инженерно-геологической

обстановкой. Часто превалируют экономические и другие соображения, и

в этих случаях приходится особенно тщательно приспосабливать

сооружение к природным условиям и заранее разрабатывать мероприятия,

ограждающие его от вредного воздействия геологических процессов. При

этом особого внимания заслуживают геологические процессы

катастрофического характера, возникающие неожиданно, быстро

развивающиеся и вызывающие значительные разрушения. В качестве

примера таких геологических процессов можно назвать землетрясения,

оползни и обвалы, сели и др. Однако было бы ошибкой считать, что

геологические процессы медленно развивающиеся во времени, не имеют

практического значения что ими можно пренебречь. Например,

современные тектонические движения земной коры при разной их

интенсивности по поперечному профилю долины реки могут явиться

труднопреодолимым препятствием при строительстве арочных плотин.

Идеальным является случай, когда возводимое инженерное сооружение так

вписывается в природную обстановку, что не нарушает сложившееся в ней

равновесие. Такие случаи бывают сравнительно редко. Чаще строительство

здания, канала, карьера, тоннеля и других сооружений или хозяйственное

освоение территории (вырубка лесов, распахивание целинных земель, орошение в

аридных областях и т.п.) порождает возникновение геологических процессов,

которые раньше отсутствовали на данном участке.

Процессы, возникшие в результате деятельности человека, получили название

инженерно-геологических (антропогенных) процессов - процессы и явления

понимаются процессы и явления, возникшие в результате взаимодействия

инженерных сооружений с геологической средой. Совокупность геологических и

инженерно-геологических процессов и порождаемых ими явлений характеризует

геодинамическую обстановку. Этот термин может быть применен в любой

территории независимо от се размеров: к целому региону, имеющему

народнохозяйственное значение, к району строительства крупного сооружения

или непосредственно к самой строительной площадке. Инженерно-геологические

процессы, так же как и геологические процессы, могут стать опасными и угрожать

сохранности сооружений, если они не были своевременно учтены или если их

прогноз выл дан неправильно.

32. Известно, что все геологические процессы изучаются одним из

разделов геологической науки — динамической геологией.

Геологической процессов изучаются инженерной геологией, точнее, одним

из ее разделов – инженерной геодинамикой. Это ни в какой мере не

противопоставляет инженерную геодинамику динамической геологии.

Каждая из этих дисциплин изучает геологические процессы в своем

аспекте. Динамическая геология изучает геологические процессы,

протекающие в природе независимо от человека, и делает это для решения

главным образом проблем общегеологического характера. Инженерная

геология изучает геологические процессы в связи с деятельностью

человека, в связи с изменением природных условий под влиянием этой

деятельности с тем, чтобы не допустить возникновение нежелательных для

человека геологических процессов, изменить ход существующих

геологических процессов в необходимом направлении, получить данные,

нужные для проектирования различных инженерных мероприятий. Так как

изучение геологических процессов проводится в инженерной геологии в

связи с деятельностью человека, то само понятие «геодинамическая

обстановка» в инженерной геологии приобретает несколько иной смысл,

чем в динамической геологии. Аспекты изучения геологических процессов

в динамической геологии и в инженерной геодинамике различны, но их

объединяет общий объект изучения — геологические процессы. Поэтому

между этими двумя разделами геологической науки нет и не должно быть

противоречий. Динамическая геология обогащает своими исследованиями

инженерную геодинамику и, наоборот, заимствует от нее новые ин-

тересные для себя данные и установленные инженерной геодинамикой

закономерности. Инженерной геологией изучаются как эндогенные, так и

экзогенные процессы. На начальном этапе развития инженерной геология

больше внимания уделялось экзогенным процессам и значительно меньше

— эндогенным. Эндогенные процессы привлекают к себе все большее

внимание, так как стали ясны три обстоятельства. Во-первых, эндогенные

процессы в значительной степени могут обусловливать инженерно-

геологические условия. О масштабах и интенсивности, например,

современных эпейрогенических движений можно судить по многим

районам мира. В стадии опускания находятся территория Голландии; на

протяжении нескольких веков борется голландский народ с наступающим

морем. Опускание суши в районе Севастополя привело к затоплению

древнегреческого города Херсонеса и к образованию Севастопольской

бухты. Наоборот, подъем суши в районе Баку составил за последние столетия 16

м. В сейсмически активных областях оценка сейсмичности территории является

важнейшей задачей при определении их инженерно-геологических условий. То же

можно сказать и в отношении вулканической деятельности применимо к районам

действующих вулканов. Во-вторых, эндогенные процессы могут способствовать

развитию экзогенных процессов. Например, землетрясения в горных областях

часто вызывают обвалы, а эпейрогенические движения, приводящие к поднятию

отдельных областей платформ, способствует интенсивному развитию процессов

эрозии, образованию оползней, переуглублению речных долин. Именно этим

можно объяснить развитие оползней в долине Волги от Ульяновска до Волгограда.

Указанная территория испытывала преимущественное поднятие на протяжении

всего четвертичного периода. Это обстоятельство усугублялось еще там, что

правый берег Волги, сложенный мощными толщами глин со слабоводоносными

горизонтами, постоянно испытывал боковую эрозию, что привело к развитию

здесь крупных оползней. В-третьих, эндогенные процессы могут быть вызваны

деятельностью человека, т. е. среди инженерно-геологических процессов (могут

быть процессы не только экзогенного характера {хотя они и преобладают), но и

процессы эндогенные. В качестве примера инженерно-геологических процессов

эндогенного характера можно указать на землетрясения, вызванные созданием

искусственных водохранилищ в сейсмоактивных областях, на смещение массивов

горных пород при больших взрывах и т.п. При оценке геодинамической

обстановки отдельных регионов необходимо учитывать климатические условия,

широтную и высотную зональность района, где протекают геологические

процессы. Для оценки инженерно-геологических условий большое значение имеет

изучение не только современных геологических процессов, но и древних

геологических процессов, создававших палеогеодинамическую обстановку,