Лекция 5. Основы грунтоведения и гидрогеологии

Инженерная геология - отрасль геологии, изучающая Земную кору в связи с инженерной деятельностью человека.

Человек является геологической силой, преобразующей Земную кору. Масштабы инженерно-геологической деятельности человека. 15% суши занято промышленно-гражданскими сооружениями, 1 400 000 км железных дорог можно 25 раз обернуть вокруг

экватора Земли, протяженность автомобильных дорог (69 млн км) превышает расстояние между Землей и Марсом (55,8 млн км),длина прорытых каналов составляет три четверти расстояния до Луны, длина берегов водохранилищ равны длине экватора, 70% оползней провоцируются человеком.

Задачи инженерной геологии:

1.изучить геологическую среду

2.дать прогноз изменений геологической среды. Природные опасности и урон от них.

Плоскостная и овражная эрозии -24%, подтопление-14%, наводнение и переработка берегов -13%, оползни и обвалы-11%, землетрясения -8%. Предотвращение опасных инженерно-геологических процессов в 15-50 раз дешевле, чем борьба с их последствиями.

Гражданское строительство зародилось с первыми поселениями человека и инициировало изучение свойств геологической среды. Древние сооружения поражают своим масштабом и сложностью. Средняя Азия, Двуречье - 2000 до н.э.. Великая Китайская стена - 7000км -

IIIв до н.э., Римская империя (1 в. до н.э.) - 15000 км дорог, Помпеи (своршенная планировка городской среды). За 2500 лет в Иране построено 270000 км подземных водосборных галерей - «канатов», часть из них и сегодня обеспечивает 20% водопотребления страны.

В начале ХХ века геологические дисциплины развиваются особенно быстро. Увеличились масштабы инженерных сооружений, их стоимость и риск катастроф. Для обеспечения инженерных работ развивается теоретическая база инженерной геологии. Появляются дисциплины: грунтоведение, гидрогеология, региональная инженерная геология, инженерная геодинамика.

1936г. - первый учебник по инженерной геологии (В.Ф.Саваренский)

1937г. В МГУ, МГРИ начата плановая подготовка инженеров-геологов. Труды М.М.Филатова, В.А.Приклонского, И.В.Попова. В западной Европе в ХХ веке - теоретические работы в области грунтоведения, механики грунтов и геотехники: К.Терцаги, А.Скемптон, Д.Tейлор (K.Terzaghi, A.Skempton,D.Taylor). Они легли в основу расчета устойчивости сооружений, построенных на грунтах.

Грунтоведение - понятие о грунтах и их массивах.

Грунт – это любая горная порода (ГП), служащая основанием для сооружений или строительным материалом или сырьем для его производства.

Свойства грунта зависят от условий его залегания, а показатели свойств, определенные по испытаниям отдельных образцов, могут отличаться от свойств грунта в массиве. При проектировании и строительстве следует различать грунты как таковые и массивы грунтов.

Массив грунтов - «геологическое тело», образующее геологическую структуру или часть ее и характеризующееся присущими только ему составом, строением и инженерно геологическими закономерностями.

Грунт рассматривается как система, включающая компоненты—твердые, жидкие, газообразные.

Твердую компоненту грунта условно подразделяют на 5 групп, исходя из:

-преобладающих типов связи между атомами;

-физико-химических и физико-механических свойств.

Группы компонентов грунтов:

1) минералы класса первичных силикатов;

2) простые соли (галоиды, сульфаты, карбонаты);

3) глинистые минералы;

4) органическое вещество и органо-минеральные комплексы.;

5) лед.

Грунты обладают структурой и структурными связями между минералами. Структурные связи образуются при формировании грунта и зависят от его генезиса.

Связи могут быть:

-жесткими химическими; они имеют такую же природу, как внутрикристаллические связи минералов. Пример - скальные грунты.

-водно-коллоидными. Их действие определяется молекулярными, капиллярными силами и др. (глины, суглинки).

Пески, гравий, галечники, практически не обладают связностью.

Структура – размер, форма элементов и способ их расположения в пространстве.

Элемент структуры – кристаллический обломок или агрегат кристаллов.

Для магматических грунтов характерны структуры полнокристаллические, порфировые, скрытокристаллические. Их прочность зависит от прочности минералов.

Структуры глинистых грунтов бывают: ячеистые ---скелетные--- матричные.

Контакты в грунте – это места максимального сближения частиц. Частицы взаимодействуют лишь по контактам. Контакты могут разрушаться от напряжений.

Таким образом, сопротивление грунта разрушению определяется прочностью контактных связей и количеством контактов в единице объема структуры. Модель, разработанная под руководством П.А. Ребиндера применяется материаловедами. Она же позволяет приблизительно оценить свойства рыхлых однородных грунтов. Подобные модели необходимы для разработки обоснованных прогнозов поведения массивов грунтов: консолидации, оползней на склонах, просадочных деформаций и др.

Грунты испытывают многоплановое воздействие от зданий, например

-изменение,

-увлажнение и осушение,

-давление, вибрацию и др.

При инженерно-геологических (ИГ) изысканиях анализируют широкий спектр свойств грунтов: физико-химические, физико-механические.

Физико-химические свойства проявляют грунты под действием воды и других растворов за счет изменений в своем составе и структуре: растворимость, набухаемость, липкость, размокаемость, усадочность, адсорбционные и ионнообменные свойства и др.

Примеры. Водостойкость. Глинистые грунты, насыщенные водой размокают полностью,

частично или сохраняют свою целостность в течение длительного времени (дни,

месяцы). В зависимости от этого различают грунты неводостойкие, слабоводостойкие и относительно водостойкие. Примером неводостойких грунтов являются лессовидные суглинки. Морские глины в воде практически не распадаются. Липкость грунтов обусловлена вязкостью и «клейкостью» пленочной воды, количество которой зависит от содержания глинистой фракции. Супеси и пески липкостью не обладают.

Физико-механические свойства грунты проявляют сопротивляясь давлению (нагрузкам), например сжимаемость, прочность.

Ряд грунтов обладает специфическими свойствами. Но есть общие свойства, характерные для всех грунтов. К важнейшим из них относятся:

-минеральный и гранулометрический составы,

-влажность,

-плотность,

-пористость,

-консистенция,

-сжимаемость,

-просадочность,

-прочность.

Для определения каждого показателя свойств существуют специальные методы и формулы расчета.

По своему назначению все показатели свойств грунтов можно разделить на две группы — классификационные и расчетные.

Классификационные служат для отнесения грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности.

Пример. Характер и прочность структурных связей позволяет разделить грунты на классы и группы и отнести их к скальным и нескальным. По вещественному составу они разделяются на типы. Виды грунтов определяют с учетом размеров частиц и показателей свойств. Разновидности - по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

Расчетными называют показатели свойств, необходимые инженеру-проектировщику для расчета деформаций основания и устойчивости сооружения. К ним относятся: плотность, влажность, пористость, показатель консистенции, сопротивление сдвигу, модуль общей деформации, коэффициент поперечного расширения, коэффициент фильтрации, относительная просадочность, набухание и др.

Количественные значения показателей свойств подразделяют еще и по степени представительности - полноты отражения свойств грунтового массива, например пласта или его части. С этой целью выделяют два значения показателей: частное (индивидуальное), обобщенное (нормативное или среднее).

Частное значение получают как результат испытания одного образца. Оно характеризует свойства только в одной точке, а не отражает в целом свойства грунта из-за неоднородности его состава и структуры.

Некоторое множество частных значений из различных его точек обобщают и выводят статистически среднее значение показателя, которое обычно называют нормативным.

В большинстве случаев инженер-строитель вводит поправки на нормативные значения свойств, зависящие от ответственности ПГС и сложности ИГ-условий. С учетом этих поправок получают расчетные значения показателей, которые используют в расчетах фундаментов сооружения.

При расчете оснований зданий и сооружений используют инженерно- геологические, карты и разрезы данного массива грунтов, на которых выделяют основные структурные единицы массива — инженерно-геологические элементы (ИГЭ), под которыми понимают - объем однородного геол. тела (линза, пласт, зона разлома и т.д.), в пределах которого показатели состава, строения и свойств носят случайный характер.

В основе выделения ИГ-элементов лежит литологический метод. Дополнительно, методами математической статистики доказывают статистическую однородность

выделенных ИГ-элементов. ИГЭ может и не совпадать с литологическими границами. В одном литологически однородном пласте, например в суглинках большой мощности, может быть несколько ИГЭ.

Основы гидрогеологии.

Вода, испаряется с поверхности ЗК и возвращается на землю в виде осадков.

Подземные воды образуются

--путем инфильтрации дождевых, талых вод в горные породы.

---конденсации из воздуха, и инфильтрации в почву и горные породы.

---таяния инея, изморози и инфильтрации в ГП

---выдавливания из морских, лагун, лиманных и озерных илов,

---из магмы и лавы.

В ГП вода присутствует в разных состояниях:

1) пары воды движутся от большего парциального давления к меньшему;

2) конституционная вода - в составе минералов пород например в гипсе, лимоните, опале и других минералах, удаляется при 105оС.

З) связанная (пленочная) - образуется вокруг минералов слоем от нескольких до десятков молекул. Движется от толстых пленок к тонким под действием электрических сил;

4) капиллярная вода движется под действием сил поверхностного натяжения в порах и трещинах грунта;

5) свободная капельно-жидкая вода, передвигается под действием силы тяжести (гравитационная вода),

6)Лед.

Формирование состава подземных вод (п/в). Зональность: вертикальная и географическая.

Подземные растворяют минералы и продукты их разрушения и становятся минерализованными. Классификация подземных воды по минерализации: пресные, сл.солоноватые, солоноватые, соленые рассолы.

Грунтовые воды (первый от поверхности водносный горизонт, залегающий на постоянном водоупоре) закономерно меняют минерализацию, условия залегания, питания, режим, и химический состав. Они изменяют состав в меридиональном направлении и по высоте рельефа в связи с вариациями климата, ландшафта, характера выветривания.

Географическая зональность ≪Север => Юг≫

Вертикальная зональность состава п/в проявляется в арином (сухом жарком) климате:

-верхняя зона пресных вод

-средняя зона солоноватых вод

-нижняя зона соленых вод

Подземные воды залегают в водоносных структурах, которые имеют области питания (пополнения запасов), области распространения и области разгрузки (выхода п/в на поверхность земли.

Водоносный пласт – пласт горной породы, содержащий свободную (гравитационную) воду. Обладает однородным литологическим составом и постоянной водопроницаемостью.

Водоупор - водонепроницаемый пласт горной породы.

Водоупорная кровля, ложе – относительно водонепроницаемый пласт, покрывающий (подстилающий) водовмещающие породы.

Водоносные пласты могут объединяться в в/горизонты.

Водоносный горизонт – близкие по составу и фильтрационным свойствам пласты водонасыщенных ГП в пределах гидрогеологических бассейнов.

Мощность водоносного пласта - кратчайшее расстояние между верхней границей подземных вод и водоупорным ложем.

Область питания п/в - территория, на которой поверхностные воды инфильтруются (просачиваются) в землю.

Область распространения п/в - площадь, в пределах которой они залегают.

Область разгрузки п/в (дренажа или дренирования) - местность, где подземные воды выходят на поверхность земли.

Классификация подземных вод

По условиям залегания: грунтовые-верховодка-межпластовые;

по режиму движения - поток-бассейн;

по форме потока – плоско-параллельный, радиальный;

по напорному режиму- напорный-безнапорный, напорно-безнапорный.

Рассмотрим подробнее

По условиям залегания подземные воды делятся на верховые, грунтовые, межпластовые.

Верховые воды (почвенные) – залегают спорадически в виде линз на местных водоупорах или находятся в подвешенном состоянии в зоне аэрации. Верховые воды образуются в период дождей или активного снеготаяния. В сухое время года испаряются (эвапотранспирация) или инфильтруются, пополняя запасы грунтовых вод.

Зона аэрации - поверхностные слои пород, не содержащие свободных, капиллярных и гравитационных вод.

Грунтовые воды имеют свободную поверхность и накапливаются на первом от поверхности земли постоянном водоупоре. Они питаются атмосферными осадками, “верховодкой” и из др. источников. Площади питания и распространения грунтовых вод, как правило, совпадают. Грунтовые воды в отличие от верховодки существуют долго.

Зеркало или депрессионная поверхность – это свободная поверхность грунтовых вод.

Глубина залегания грунтовых вод - расстояние между поверхностью земли и зеркалом.

Межпластовые воды залегают между двумя водоупорными пластами.

В зависимости от условий залегания межпластовые воды могут быть безнапорными и напорными.

Основной закон движения подземных вод: В движении подземные воды испытывают трение о минеральные частицы. Поэтому скорость их меньше, чем поверхностных вод. С ростом водопроницаемости и уклона зеркала подземных вод возрастает скорость потока. Ее величина меняется от мм/сутки до десятков метров в сутки. Движение подземных вод происходит при наличии разности потенциальной энергии в сечениях потока.

Водозаборное сооружение производит захват (забор) подземных вод для водоснабжения и других целей. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят буровые скважины и шахтные колодцы,

Горизонтальные водозаборы — траншеи, галереи, штольни,

Лучевые водозаборы — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами.

Тип водозаборного сооружения выбирают, исходя из:

--глубины залегания водоносного пласта,

--его мощности, состава ГП

--производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми.

Интенсивный водозабор из скважин, колодцев, шурфов и т. д. называют откачкой.

Сток воды в пониженные участки и понижение уровня подземных вод называют дренажом. В природе, естественный дренаж осуществляется оврагами, балками, долинами рек, морями и т. д. В период строительства и эксплуатации сооружений уровень подземных вод снижают искусственными дренами. Рациональное водопонижение

обеспечивается разными системами дренажа, которые учитывают как техногенные, так и гидрогеологические условия.

Примеры систем дренажа:

– cистематический (для незначительного понижения уровня грунтовых вод (1-5 м) на больших территориях,

– кольцевой (применяют для отдельных сооружений, котлованов, карьеров),

– головной (перехватывает поток подземных вод и понижает его на небольшом участке),

– береговой (перехватывает и понижает поток подземных вод вблизи рек и водоемов),

– пластовый (сооружается в основаниях зданий и сооружений).