Лекция 6. Основы геодинамики. Инженерно-геологические изыскания

Раздел геологии, изучающий изменения Земной коры (ЗК) называется геодинамика.

Изменения в составе, структуре, рельефе ЗК называются геологическими процессами. Они развиваются непрерывно под влиянием факторов эндогенной и экзогенной природы.

Геологические процессы совершают гигантскую работу по преобразованию рельефа и вещества ЗК. Согласно расчетам, при средней высоте суши над морем 750м, твердое вещество суши может быть снесено в океан в результате водной эрозии за 8,3 млн лет., но эндогенные процессы рождают новые формы рельефа земной коры. Историческая геология свидетельствует о неоднократном разрушении грандиозных горных систем. Континентальный же рельеф существует, поскольку действуют силы, непрерывно созидающие сушу.

Инженерная деятельность человека концентрируется в самых верхних частях Земной коры. Геологические процессы развивающиеся при участии человека называют инженерно-геологическими (ИГ) или техногенными.

Дисциплина инженерная геодинамика изучает изменения в поверхностной части земной коры в связи с инженерной деятельностью человека.

Основой формирования геологического процесса является горная порода (грунт). Каждая порода по-разному меняется под влиянием геологических факторов.

Другой аспект формирования ИГ-процессов – обязательные факторы. Без них процессы возникнуть не могут.

Важное в исследовании геологических процессов

1.Выделение главных (обязательных) факторов, управляющих геологическими процессами, означает понимание их природы.

2.Прогноз развития геол. процессов, учет влияния инженерной деятельности человека.

3.Принятие решения о способах предотвращения или устранения негативного влияния процесса на жизнедеятельность человека.

Инженерная геодинамика исследует около двух десятков ИГ-процессов, важных для хозяйственной деятельности человека. Их можно объединить по общности происхождения и особенностям развития в группы.

I. Выветривание

II. Деятельность поверхностных вод

- водная эрозия –образование оврагов, балок…

- геологическая деятельность рек

- переработка берегов морями, водохранилищами

- сели – грязекаменные потоки

- снежные лавины

III. Деятельность подземных вод

-Карст

-Суффозия

-Плывуны

IV. Склоновые процессы

- обвалы

- осыпи

- ледники

- оползни

V. Деятельность ветра

-Дефляция -выдувание

- корразия -обтачивание горных пород

VI. Промерзание грунтов

- морозное пучение

- термокарст

- наледи

-солифлюкция

VII.Факторы эндогенной природы.

- землетрясения

- цунами

VIII.Техногенные процессы

- сдвижение грунтов над шахтами

- подтопление городов

- вулканическая деятельность

X.Процессы в специфических грунтах

- просадочные - набухающие

- органо-минеральные грунты - техногенные грунты

- элювиальные грунты - засоленные грунты

Рассмотрим некоторые процессы подробнее.

Деятельность подземных вод

Карст –образование пустот (каналов, пещер) в горных породах под влиянием растворения и выщелачивания с оседанием кровли, образованием озер воронок, впадин на поверхности Земли. 13% территории РФ поражено карстовыми явлениями в районах Урала, Крыма, З.Кавказа, Ср. Азии, Сибири.

Необходимые условия проявления карста:

- тектонические поднятия, обусловливающие большие скорости движения подземных вод;

- особые горные породы, поддающиеся растворению или выщелачиванию (известняк, доломит мергель, гипс, галит).

Типы карста и карстовые формы:

1. Открытый карст -- разрушенные ГП выходят на поверхность Земли, можно видеть борозды, желоба – кары, поверхностные воронки диаметром 1-50 м и глубиной десятки метров.

2. Закрытый карст покрыт мощным слоем элювия. Снос продуктов выветривания происходит медленнее, чем развитие карста. Образуются пещеры, поноры (трещины, расширенные водой).

3.Среднерусский карст перекрыт нерастворимыми осадочными породами: Центр Европейской части РФ, известняки.

Скорость развития карста зависит от факторов:

1) растворимости горных пород, состава и минерализации вод.

Выщелачивание - это извлечение одного или нескольких компонентов из твердых тел водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент. Обычно выщелачивание сопровождается химической реакцией с переводом компонента в растворимую в воде форму.

2) скорость движения подземных вод особенно возрастает в тектонически нарушенных зонах, расчлененном рельефе. Вблизи крутых склонов скорость движения подземных вод достигает 200—1000 м/сут; трещиноватость возрастает в замках антиклиналей, вблизи: сбросов и способствует быстрому движению воды.

3) рельеф местности:

- на водораздельных пространствах образуются колодцы и провалы, от них круто вглубь уходят карстовые ходы.

- у подножия склонов выходят наружу горизонтальные ходы в виде пещер, сформированных в системе трещин.

На развитие карста можно повлиять. Для этого нужно знать природные механизмы его угасания.

Случаи угасания карста:

а) повышение базиса эрозии;

б) замедление или прекращение поступления воды в карстовые полости при накоплении остатков нерастворившихся пород (пещерная глина), обрушении пород (карстовая брекчия), образовании на поверхности мощного слоя элювия, делювия и осадков карстовых озер;

в) залечивание карста при изменении температуры, давления и выпадении растворенных веществ в осадок с образованием СаСОз, SiO2*nH2O, CaSO4*2H2O, Fe2O3*nH2O.

Принцип инженерно-геологического изучения карста - комплексность.

Изыскания включают изучение:

а) климата, гидрологии, рельефа, растительности

б) геологии, гидрогеологии,

в) состояния инженерных сооружений (в связи с карстом).

Применение геофизических методов.

Меры сдерживания карста:

Активные: засыпка карстовых воронок на осваиваемой территории, тампонирование или обрушение полостей, отвод агрессивных подземных и поверхностных вод, блокирование потока водонепроницаемыми экранами, изменение водного баланса карста дренажем.

Пассивные: на опасных участках не строят, дороги укрепляют продольными и поперечными ж/б балками, в особо опасных участках устраивают сигнализацию светофорами.

Суффозией называют - механический вынос мельчайших частиц потоком подземных вод из массива грунтов с образованием воронок, оседания поверхности земли.

suffodio (лат.) - подкапывать. Растворение играет подчиненную роль, оно лишь освобождает зерна породы и разрыхляет ее, благодаря чему увеличиваются скорость фильтрации.

Суфффозия проявляется в мелких песках с зернами карбонатов или песчаниках со слабым карбонатным (глинистым) цементом.

Суффозияразвивается сравнительно медленно (годы, десятки лет) и отрицательно сказывается на устойчивости зданий и сооружений.

Условия возникновения механической суффозии:

1) определенный гранулометрический состав и структура песка соотношение диаметров частиц: D/d=20

2) при значительном гидравлическом градиенте, на крутом берегу реки, при быстром спаде паводкового уровня реки, в основании плотин, утечке ливневой канализации дороги.

3) контакте слоев например лесс/известняк, песок.

Пример контактной суффозии: г.Ростов-на-Дону, лёссовые грунты, залегающие на известняках, размываются проникающей с поверхности водой. Твердые частицы выносятся в пустоты известняков. Полости в лессовых грунтах достигают нескольких метров в диаметре, вызывают провалы поверхности земли с повреждением зданий и подземных коммуникаций.

Техногенная суффозия формируется в городах над трубопроводами в результате утечек воды из труб. Вынос грунта в плохо засыпанных траншей трубопроводов приводит к оседаниям и провалам дорог.

Борьба с суффозией:

- регулированием поверхностного стока атмосферных вод и

- гидроизоляцией поверхности земли;

- перекрытием места выхода подземных вод тампонированием;

- устройством дренажей для осушения пород

-уменьшением скорости фильтрации воды;

-упрочнением ослабленных суффозией грунтов методами цементации, глинизации и т.д.

К плывунам относят водонасыщенные рыхлые породы, преимущественно пылеватые и мелкие пески, которые при динамическом воздействии (вскрытии котлованами и горными выработками) разжижаются и ведут себя подобно вязкой жидкости.

Выделяют плывуны ложные и истинные. Ложные плывуны приходят в движение под действием высокого гидравлического напора потоков подземных вод на морских и речных побережьях. Формируются зыбучие пески. Ложные плывуны легко отдают воду и становятся плотными. Истинные плывуны - это пески водонасыщенные, мелкозернистые, почти пылеобразные с примесью 10-15% глинистой фракции (<1 мк). Вокруг глинистых частиц образуется связанная вода, ослабляющая структурные связи. Плывуны не отдают воду дренам и их невозможно уплотнить. При высыхании они упрочняются за счет глинистого цемента.

Техногенные плывуны возникают при намыве насыпей из тонкозернистого песка при недостаточно обеспеченном отводе воды. Плывуны приходят в движение в бортах и на дне котлованов при сотрясениях. Нередко полностью или частично заполняют выработку. Прорыв плывуна на поверхность возможен при интенсивном движении поездов на участке с плывунами. Плывуны могут быть вскрыты при подрезке склонов во время строительства дорог. Выходы плывунов приводят к образованию оползней и оседаний склонов.

Борьба с плывунами

По периферии будущих котлованов, до подошвы водоносного пласта погружают сплошной шпунт вокруг пространства работ; понижают УГВ (этот метод успешен в ложных плывунах, в истинных применяют иглофильтры и, часто, неуспешно); замораживают плывун, закрепляют его инъекциями цементных и др. реактивов.

Подтопление городов

Подтопление - подъем уровня подземных вод к поверхности земли за счет неуклонного повышения их запасов.

Около 30% количества атмосферных осадков питает грунтовые воды.

Вода в грунт поступает за счет утечек из водонесущих коммуникаций - водопровода, канализации, теплотрасс. В Москве - это свыше 20 тыс. Нарушение системы естественного дренажа. Эрозионная сеть в городах засыпается грунтом, что сокращает сток подземных вод.

Другая проблема - накопившаяся под асфальтом влага не может испаряться. Доля асфальта и застроенной земли в городах составляет 80-90%. Ему соответствует самый высокий уровень влажности почвы.

Последствия подтопления. Сырость в подвалах домов и погребах, плесень на стенах подъездов, разрушение подземных конструкций городских сооружений, проседание домов. Накопление внутрипочвенной влаги в подвалах зданий. На первых этажах зданий размножаются колонии микроскопических грибов, провоцирующие различные заболевания.

Себестоимость строительства на территориях с высоким уровнем грунтовых вод значительно повышается.

Ликвидация подтопления.

-- Устранение протечек в городской системе водоснабжения.

-- Восстановление природных дрен.

-- Переход к умеренному асфальтированию поверхности почвы в жилых кварталах.

-- В Европе стали внедрять пористый асфальт, который пропускает и испаряет излишки влаги.

Эндогенные процессы.

Землетрясение - мгновенное высвобождение энергии за счет разрыва горных пород в очаге. Причина – тектонические движения в литосфере.

Гипоцентр (фокус) землетрясения – это условное положение очага на глубине.

Эпицентр - проекция гипоцентра на поверхность Земли.

Гипоцентры: мелко-фокусные (0-70 км), средне-фокусные (70-300), глубоко -фокусные (300-700).

Характеристика сейсмического эффекта: в России - 12-балльная шкала Медведева-Шпонхойера- Карника (МSК-64). Магнитуда(Чарльз Ф. Рихтер): lg (максимальной амплитуды землетрясения) на расстоянии 100 км от эпицентра.

Энергияпри землетрясения пропорциональна скорости сейсмических волн, плотности слоев Земли, амплитуде смещения, частоте колебаний.

Типы упругих волн:

Р-продольные, они попеременно сжимают и растягивают ГП. Их скорость зависит от плотности и модуля сдвига породы.

S-поперечные волны – смещают грунт 90гр. к направлению движения волны. В жидкости не распространяются. Поверхностные- подобно ряби расходятся по поверхности Земли.

Регистрация землетрясений– сейсмографы регистрируют: тип волны, направление волны, время приходя волны. 40000 датчиков регистрируют несколько сот тысяч землетрясений в году, 100 из них - ужасные.

Локализация землетрясений закономерна. Землетрясения происходят в зонах контактов литосферных плит: рифты, ср.океанич. хребты, горные цепи.

Очаги лежат в зонах Х.Беньофа (погружение плит в мантию).

Цунами – землетрясения с эпицентром в океане. Во всей массе воды возникают подводные волны,V=800 км/ч. У берега скорость падает до нуля, но амплитуда волны растет и порождает катастрофы.

Методы прогнозовземлетрясения. Два направления:

1. Выявление их предвестников - сейсмических циклов, скопления колебаний земной коры у будущих очагов.

2.Контроль деформации и наклонов земной коры – изменения скорости сейсмических волн, изменения электрического сопротивления горных пород, изменения напряженности магнитного поля; колебания уровня грунтовых вод, содержания радона.

Срочность прогнозов: годы – недели – непосредственно перед землетрясением.

Сейсмическое районирование: выделение областей, в которых можно ожидать землетрясение определенной интенсивности. Районирование учитывает: геологические, тектонические, сейсмологические, физические факторы.

Уровни районирования: Страна, регион, город. При этом учитываются состав грунтов, уровень грунтовых вод, рельеф, кровли коренных скальных пород.

Неблагоприятные условия для строительства: обводненные грунты (гидравлический удар), рыхлые суглинки, просадочность и т.д.

Проектирование: Конструкция зданий должна быть прочная и гибкая, рассеивающая колебания грунта. В Токио построены здания высотой 60 этажей. Здания раскачиваются как деревья и таким образом рассеивают энергию землетрясений.

Инженерно-геологические изыскания в строительстве.

ИГ-изыскания - вид строительной деятельности, обеспечивающей:

1 Комплексное изучение природных и техногенных условий территории строительства,

2 Составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой,

3 Обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения.

ИГ-изыскания являются частью инженерных изысканий в строительстве.

Основанием для выполнения ИГ-изысканий является договор между заказчиком и исполнителем с неотъемлемыми приложениями:

– ТЗ (техническое задание)

–календарным планом

– сметой

– программой ИГ- изысканий.

Содержание технического задания для ИГ-изысканий

-вид и характеристика объектов ПГС, их ответственность;

-характеристика ожидаемого воздействия объектов ПГС на окружающую среду,

-требования к точности и достоверности данных,

-требования к прогнозу изменений природных и техногенных условий.

Состав программы ИГ-изысканий:

-характеристика степени изученности природных условий,

-характеристика природных и техногенных условий района,

-обоснование состава, методов, объема и детальности изысканий

Этапы проектирования (разработки строительной документации):

-предпроектная (обоснование инвестиций в строительство);

-проектирование;

-рабочая документация

Этапы ИГ-изысканийи их соответствие этапам проектирования:

ИГ-рекогносцировка-предпроектная;

ИГ-съемка- проектирование;

ИГ-разведка-рабочая документация

Цель ИГ-изыскан. (ИГ-рекогносцировки) для обоснования предпроектной документации: оценка ИГ-условий территории для выбора наилучших вариантов размещения строительных площадок.

Задача(1) - ее выполнение (2) - результа (3):

(1) - контролирует, уточняет, дополняет материалы изысканий прошлых лет.

(2) -Маршрутные наблюдения, отдельные горные выработки и геофизич. исследования.

(3) -Разработка рабочей гипотезы и схематической карты ИГ-условий района

Цель ИГ-изысканий (ИГ-съемки) для обоснования проектной документации: Изучение ИГ-условий площадки, необходимых для окончательной компоновки объектов; обоснование мероприятий по охране окружающей среды.

Задача(1) - ее выполнение (2) - результа (3):

(1) Выделение ИГ-элементов с оценкой расчетных параметров свойств грунтов.

Оценка ИГ-процессов и их влияния на объекты ПГС.

(2) Проходка скв.и шурфов, полевые и лабораторные исследования свойств грунтов

Геофизические исследования; стационарные наблюдения за изменением факторов ИГ- условий

(3) Специализированные ИГ-карты (1:5000,1:2000). Выделение в плане и по глубине

ИГ-элементов.

Цель ИГ-изысканий (ИГ-разведки) для обоснования рабочей документации: уточнение и детализация ИГ-условий под отдельными объектами ПГС

Задача(1) - ее выполнение (2) - результа (3):

(1) Оценка условий залегания и свойств грунтов под отдельными объектами ПГС

(2) Проходка скважин, полевые и лабораторные испытания свойств грунтов, геофизика.

(3) Параметры грунтов, необходимые для расчета фундаментов и конструкций

зданий, прогноза изменения грунтов при строительстве и эксплуатации объекта.

Цель ИГ-изысканий (ИГ-опробование) на период строительства и эксплуатации объектов: повышение надежности зданий и сооружений, охрана здоровья людей.

Задача (1) - ее выполнение (2) –результат (3):

(1) Уточнение ИГ-условий при вскрытии котлованов, выемок. Контроль за подготовкой оснований и водопонижением. Оценка состояния зданий и систем их инженерной защиты

(2) Проходка скважин, шурфов, испытания свойств грунтов, наблюдения за режимом

подземных вод и ИГ-процессами.

(3) Оценка ИГ- и ГГ-условий и их изменений в пространстве и во времени.