По дисциплине инженерная геология

Контрольная работа

Выполнил: Орловская Наталья

ПГС-08-232

Проверил: Кучуков Эдуард Захарович

Сергиев Посад 2009

Задание 1

Составить характеристики свойств горных пород, взятых из табл.1 и их породообразующих минералов в соответствии с номером варианта. Характеристики горных пород представляют в виде таблицы, составленной по форме 1, а характеристики минералов - в виде таблицы, составленной по форме 2.

Минерал - природное химическое соединение или самородный элемент, имеющий кристаллическое или аморфное строение, образовавшийся в результате естественных физико-химических процессов в земной коре, на поверхности Земли или прилегающих к ней оболочках; составная часть любых горных пород.

Горные породы - естественные соединения (ассоциации) и скопления минералов, возникшие в земной коре или на ее поверхности в результате затвердевания природных силикатных расплавов (магма, лава), накопления осадков или преобразования ранее существовавших.

Таблица 1

Источник -- «http://wikipedia.org/» Категория: Горные породы.

Таблица 1.1.

Таблица 1.2

горная порода элювиальный грунтовая вода

Таблица 1.3

Таблица 2

Таблица 2.1

Таблица 3

Таблица 3.1

Таблица 3.2

Таблица 3.3

Структура - особенности внутреннего строения породы, обусловленные формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей - минералов.

Текстура (сложение) - пространственное расположение частей породы в ее объеме «рисунок» породы.

Твердость - способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса.

Спайность - способность минералов раскалываться по определенным направлениям (плоскостям). Блестящий, ровный и параллельный скол.

Излом - характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов.

Эндогенный процесс связан с внутренний силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы - силикатного огненно-жидкого расплава.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т. е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры. Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов.

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах; минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность.

Вопросы:

1. К какой группе (по происхождению) горных пород относится липарит?

a. Эффузивная

b. Органическая

c. Элювиальная

d. Морская

2. Какой из минералов образует горную породу известняк-ракушечник?

a. Кварц

b. Кальцит

c. Каолинит

d. Биотит

3. К какому классу минералов относится кварц?

a. Карбонаты

b. Силикаты

c. Сульфаты

d. Окислы

4. Какой из перечисленных минералов реагирует с соляной кислотой?

a. Ортоклаз

b. Монтмориллонит

c. Кальцит

d. Кварц

5. Какова твердость по шкале Мооса у каолинита?

a. 1

b. 2,5

c. 6

d. 7

Задание 2

1. Объяснить условия образования отложений, взятых в соответствии с номером варианта из табл.2. 2. Составить инженерно-геологическую характеристику грунтов, наиболее часто встречающихся среди этих отложений. 3. Оценить возможность их использования в качестве оснований промышленных и гражданский сооружений с учетом изменения состава и свойств под влиянием техногенных процессов.

Условия образования элювиальных отложений

Элювием называются уцелевшие на месте своего формирования продукты выветривания горных пород. Это понятие тесно связано с понятием «кора выветривания» и между ними нет четкой разницы. Под «элювием» будем понимать все вообще продукты выветривания, оставшиеся на месте своего формирования, а под корой выветривания - сложно построенный элювиальный профиль, обладающий рядом характерных признаков (рис.1). Среди элювиальных отложений по Шанцеру выделяются группы собственно элювиальных отложений и почв. Л.Н. Ботвинкиной выделяются три генетических типа элювиальных отложений: 1) обломочный или кластогенный элювий - щебнистые и глыбовые скопления преимущественно механического разрушения пород; 2) собственно кора выветривания (хемогенный элювий); 3) почвы биогенный элювий.

Рис. 1. Элювиальный профиль. Фото 1. Элювиальные образования, вскрытые экскаватором. Видна первичная слоистость каменноугольных пород. Вверху отмечается слаборазвитый почвенно-растительный слой.

В поверхностных и приповерхностных условиях породы испытывают влияние иных физико-химических условий; по сути, выветривание - это преобразование вещества пород в поверхностных условиях. Различают физическое, химическое и биологическое выветривание. Физическое выветривание - механическое разрушение пород без изменения химического состава. Химическое выветривание - объединяет комплекс процессов окисления, гидратации, выноса катионов, накопление окислов алюминия, кремния и железа. Биологическое выветривание производят живые организмы (бактерии, грибки, вирусы, роющие животные, низшие и высшие растения и т. д.)

Чисто физические (механические) явления приводят к дезинтеграции горных пород: к механическому их измельчению без изменения минералогического и, следовательно, химического состава. Механическая дезинтеграция пород происходит в результате неодинакового объёма и линейного расширения породообразующих минералов под влиянием сезонного и суточного колебания температуры. Порода рассекается густой сетью тонких и тончайших трещин. В эти трещины поступает вода, вследствие чего в них возникает капиллярное давление. Его величина достигает значительной величины. Например, в трещины шириной 0,001мм капиллярное давление составляет около 1,5кг/см (при обычной температуре), а в трещинах толщиной в тысячу раз более тонких(1*10мм)- около 1500кг/см. При расширении трещин начинают действовать явления замерзания - размерзания воды с изменением объёма. В итоге массивная кристаллическая порода, сохраняя свой исходный состав, теряет монолитность и начинает разрушаться. В первую очередь проявляются скрытые напряжение, возникшие при образовании разрушающейся породы, и проявляются отдельности - участки породы, ограниченные трещинами и обладающие определённой формой. Особенно эффективно проявляются округлые концентрически-скорлуповатые отдельности, образующиеся при выветривании некоторых эффузивных и гипабиссальных пород. Механическая дезинтеграция плотных горных пород приводит к образованию обширных развалов, глыб и россыпей щебня.

Химическое выветривание -- это совокупность различных химических процессов, в результате которых происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественного изменения их химического состава с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода - энергичный растворитель горных пород и минералов. Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород -- гидролиз, приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссооциированных молекул воды:

K(AlSi3O8) + H2O>HAlSi3O8 + KOH

Образующееся основание (KOH) создает в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решетки ортоклаза. При наличии CO2 KOH переходит в форму карбоната:

2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O

Взаимодействие воды с минералами горных порода приводит так же и к гидратации -- присоединению частиц воды к частицам минералов. Например:

2Fe2O3 + 3H2O = 2Fe2O·3H2O

В зоне химического выветривания также широко распространена реакция окисления, которой подвергаются многие минералы, содержащие способные к окислению минералы. Ярким примером окислительных реакций при химическом выветривании является взаимодействие молекулярного кислорода с сульфидами в водной среде. Так, при окислении нитрита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов:

2FeS2 + 7O2 + H2O = 2FeSO4 + H2SO4;

12FeSO4 + 6H2O + 3O2 = 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3;

2Fe2(SO4)3 + 9H2O = 2Fe2O3·3H2O + 6H2SO4

Биологическое выветривание -- перераспределение химических элементов по типу биогенной аккумуляции. В результате физико-химического взаимодействия элементы питания переходят в раствор и становятся доступными для растений. Схема большого геологического круговорота: осадки -- растворение -- вынос в море -- выход на поверхность осадочных отложений. Отсутствие биологического выветривания не допускает существования живых организмов. Химическое и физическое выветривание готовит почву для биологического выветривания. С момента действия биологического выветривания начинается малый биологический круговорот веществ: поступление из горной породы и атмосферы питательных элементов в живые организмы, малый биокруговорот синтезирует органику, возвращение химических элементов в почву с ежегодным опадом органического вещества. Биокруговорот связан с минерализацией мёртвого органического вещества в почве, в результате происходит накопление гумуса и минеральных макро- и микроэлементов, которые служат для формирования живых организмов. Биокруговорот веществ связан с развитием специфического почвообразовательного процесса, который носит название дёрнового процесса. Растительность, как лесная, так и травянистая, ежегодно частично или полностью отмирает к концу вегетации. Мёртвая органика частично или полностью минерализуется, высвобождая гумус и минеральные элементы. Они служат питанием для других растений, которые, закончив свой цикл, тоже станут кормом. За счёт дёрнового процесса существует жизнь на Земле.

Все перечисленные процессы действуют на исходные породы вместе и одновременно, так что действие одного из них невозможно отделить от действия остальных. Поэтому неправильно расчленять сложный, но единый процесс выветривания на химическое, физическое выветривание и т.п. Можно лишь говорить о химических, физических и других частных процессах, происходящих при выветривании, и о преобладании одних из них в конкретных условиях тех или иных участков земной поверхности.

Источник - «http://science.viniti.ru/» Г.Д.Добровольский «Структурно функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере». М.: Наука. 2003.

Инженерно-геологическая характеристика грунтов.

Элювиальные крупнообломочные грунты формируются под влиянием факторов физического выветривания и образуют скопление крупных обломков горных пород на месте их разрушения. Он обычно состоит из угловатых остроугольных глыб, форма и размер которых в основном зависят от структурно - текстурных особенностей выветривающихся пород. Плотные мелкозернистые и скрытокристаллические породы дают неправильные угловатые осколки, их размер и форма зависят главным образом, от пространственного расположения тончайших трещинок, пронизывающих массив выветривающихся пород. Крупнозернистые породы чаще всего рассыпаются в дресву, доя них характерна минеральная дезинтеграция. Метаморфические сланцеватые породы (различные сланцы, мелкозернистые гнейсы) распадаются на тонкие пластинки.

По петрографическому составу обломочный элювий мало отличается от материнской породы, на которой залегает. Однако по своим свойствам он качественно иной.

В том случае, когда выветриванию подвержены породы, залегающие на крутых склонах, в разрушении их играет огромную роль такой мощный фактор, как сила гравитации. Под ее влиянием обломки горных пород скатываются вниз, падают и от ударов, получаемых ими при скатывании и падении, еще больше размельчаются. Скопление таких масс представляют собой своеобразные гравитационные образования крупнообломочных грунтов. Одним из видов гравитационных отложений является осыпь, представляющая собой скопления скатившихся, совершенно не обработанных различных по размеру обломков у подножия склонов. В отличие от чисто элювиальных крупнообломочных грунтов для осыпи характерно наличие слабой сортировки продуктов выветривания по их крупности: более крупные камни и щебень скатываются к подножию склона - к основанию осыпи. Крутизна осыпи отвечает углу естественного откоса слагающего ее крупнообломочного материала. Этот материал, как правило, имеет рыхлое сложение в верхних частях разреза осыпи, в нем отсутствует какой-либо заполнитель, водопроницаемость осыпи чрезвычайно высока.

Образование не отсортированных щебенистых и каменистых (глыбовых) осыпей на склонах и у подножия гор может происходить также путем обвалов, когда скапливается большая масса беспорядочно нагроможденного материала различного размера. Мощность таких отложений зависит от высоты гор, крутизны склонов, частоты и силы обвалов и других причин.

Элювиальные пески являются характерным продуктом выветривания и формируются на месте разрушении горных пород. Они характеризуются неоднородностью в гранулометрическом составе, необработанной угловатой формой зерен, рыхлым сложением и сильно выветрелой неровной, «кавернозной» поверхностью частиц, нередко покрытой железистой пленкой. Неоднородность гранулометрического состава элювиальных песков свойственна, по существу, всей их толще, за исключением самой верхней ее части, из которой выдуваются ветром пылеватые и глинистые частицы. Эта неоднородность связана, прежде всего, с отсутствием сортировки материала. Вниз по разрезу неоднородность возрастает, с одной стороны, за счет увеличения количества крупнозернистого материала, а с другой стороны - за счет кольматации мелкими частицами из верхних слоев при просачивании влаги. Степень неоднородности зависит также и от состава исходных материнских пород, интенсивности и продолжительности выветривания. Например, разрушение песчаников приводит к образованию толщ сравнительно однородных песков с достаточно обработанными зернами. Сложение элювиальных песков обычно рыхлое, причем наиболее рыхлые песчаные частицы расположены в верхней части песчаной толщи. В нижних ее частях расположение песчинок становится более плотным, однако и здесь оно достаточно неоднородное. Вследствие этого элювиальные пески обладают достаточно высокой уплотняемостью. В силу ограниченности и специфики своего распространения элювиальные пески в инженерно-геологическом отношении изучаются конкретно в районе строительства проектируемого сооружения.

Элювиальные лессы могут быть продуктом выветривания в условиях сухого климата. По условиям залегания лессы занимают покровное положение: отсутствует слоистость; изменяется окраска от светло-палевой до шоколадной вниз по разрезу; присутствуют погребенные почвы и гумусированные прослои; прослои песка и гравийно-галечные образования. По гранулометрическому составу лессовые породы характеризуются значительным разнообразием. Они включают различные разности по крупности, начиная от пылеватых песков до лессовидных глин. Но для всех гранулометрических разностей отмечено наличие практически всегда пылеватых частиц, содержание которых превышает 50 % по отношению к другим фракциям. Наиболее однородными являются собственно лессы (в них содержится не более 15--16% глинистых частиц и практически отсутствуют частицы размером более 0,25мм).

Лессовые породы - это полиминеральные образования. В состав крупных фракций входит до 50 наименований минералов. Наряду с минеральными частицами в лессах присутствует гумус. Прочность лессовых пород во многом обусловлена количественным содержанием карбонатов, так как высокодисперсные карбонаты способны к созданию достаточно прочных слаборастворимых кристаллизационных связей между отдельными частицами породы. Кроме того, наличие ионов кальция способствует агрегации глинистой и коллоидной фракций.

В природных условиях лессовые породы отличаются тем, что частицы в них находятся в агрегированном состоянии. Высокая истинная дисперсность, выраженная в преимущественном преобладании пылеватых частиц, сильная агрегированность глинистых и коллоидных частиц, наличие кальцита в значительных количествах создают благоприятные условия для развития в лессовых породах просадочных явлений.

Элювиальные глинистые грунты образуются в результате разложения различных пород и накопления на месте разрушения -- в коре выветривания -- глинистых продуктов указанного разложения (разрушения). По гранулометрическому составу среди этих отложений встречаются разновидности от высокодисперсных глин до неравномерно зернистых супесей, содержащих различное количество грубообломочных включений.

Для толщ элювиальных глинистых фунтов в вертикальном разрезе характерен постепенный переход к материнским породам. Формы залегания весьма разнообразны и своеобразны: гнездовые, карманообразные, плащеобразные и др.

Протяженность указанных форм очень изменчива, иногда носит прерывистый характер. Мощность колеблется от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Толщи элювиальных глинистых грунтов обычно лишены слоистости, которая может наблюдаться только, как реликт слоистой текстуры материнской породы. Окраска глин весьма разнообразна: от белой, желтоватой, зеленоватой до красной и пестрой. Растительные остатки и органическое вещество практически не встречаются. Минералогический состав элювиальных глин различен, он определяется главным образом тем составом, которым обладали исходные материнские породы, а также характером и степенью развития процессов их выветривания. В результате в зависимости от длительности выветривания формируются различной, иногда значительной, мощности глинистые толщи соответствующего состава -- каолинитовые, галлуазит-каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые или смешанного состава. Именно среди глин этого генетического типа достаточно часто встречаются обычно редкие мономинеральные разности. Элювиальные глины характеризуются различными инженерно-геологическими свойствами. Еще большим разнообразием отличаются такие петрографические разности элювиальных глинистых отложений как суглинки и супеси в силу чрезвычайной изменчивости, а также количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно ярко это проявляется в таком их свойстве как пластичность. Покажем это на примере «чистых» элювиальных глин: наиболее пластичные их разности формируются при разложении осадочных глинистых и основных изверженных, чаще эффузивных, пород. При разложении кислых пород обычно образуются слабопластичные глины, главным образом, каолинитового состава. Пластичность других петрографических разностей элювиальных глинистых пород обусловлена также наличием и количеством песчаной, пылеватой и грубообломочной фракций. Прочность элювиальных глинистых пород во много раз меньше, чем в исходных материнских породах.

Элювиальные образования - почвы. В современном почвоведении под почвой понимается поверхностный слой земной коры, несущий растительность суши и обладающий плодородием. Почвы развиваются иногда в верхней части коры выветривания, но чаще в областях умеренного влажного климата почвенный покров отождествляется с маломощной корой выветривания. Почвы характеризуются тремя отличительными признаками:

Ч следы корневой деятельности

Ч зональность (почвенные горизонты)

Ч почвенные текстуры (макро- и микро-)

Следы корневой деятельности объединяют собственно корневые остатки и прикорневые образования (ризоконкреции). Однако сохранность корневых структур во многих типах почв невысокая. Более того можно отметить, что большинство палеопочв не содержит очевидных корневых остатков. Элювиальный горизонт (до 50см) светло-серый белесый сложен тонкодисперсным кремнеземом, многие компоненты из которого вынесены.

Литература: Ананьев В.П., Потапов А.Л. Инженерная геология. - М.: Высшая школа, 2000, стр.180-181; 186-187; 201-202.

Оценка возможности использования элювиальных грунтов в качестве оснований промышленных и гражданских сооружений.

Крупнообломочные грунты являются хорошим основанием для зданий и сооружений, при плотном сложении под нагрузкой не уплотняются, но при большом содержании глинистого материала появляется тенденция к сжимаемости. При сильных землетрясениях водонасыщенные крупнообломочные грунты могут разжижаться и терять устойчивость, что сказывается на устойчивости объектов.

Пески являются надежным основанием, служат хорошим материалом для изготовления различных строительных изделий, цементных растворов и т. д. Однако проходка строительных котлованов в песках сопряжена с известными трудностями. В рыхлых сухих песках приходится делать очень пологие откосы, что ведет к большим объемам земляных работ.

Лессы после увлажнения под давлением собственного веса или веса сооружений часто уплотняется, происходят просадки грунта, что может вызывать аварии сооружений.

Глинистые грунты, особенно в условиях влажного состояния, под нагрузками способны сжиматься, т. е. уплотняться. Если структура грунта не была разрушена, то после снятия нагрузки объем грунта может несколько увеличиться. При соприкосновении с водой глинистые грунты проявляют способность увеличивать свой объем в результате увлажнения. Если грунты признаны набухающими, то при проектировании объектов необходимо предусматривать определенные мероприятия: в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и в грунтовом основании.

Почвы необходимы сельскому хозяйству и поэтому их следует сохранять. Перед производством строительных работ слой почвы необходимо срезать, складировать и использовать по своему назначению в местах, где почвенный слой отсутствует.

Основания, сложенные элювиальными грунтами должны проектироваться с учетом:

· их значительной неоднородности по глубине и в плане из-за наличия грунтов с большим различием их прочностных и деформационных характеристик - скальных разной степени выветрелости и различных типов нескальных грунтов;

· склонности к снижению прочности элювиальных грунтов (особенно крупнообломочных и сильно выветрелых скальных) во время их преобразования в открытых котлованах;

· возможности перехода в плывунное состояние элювиальных супесей и пылеватых песков в случае их водонасыщения в период устройства котлованов и фундаментов;

· возможным наличием просадочных свойств у элювиальных пылеватых песков с коэффициентом пористости > 0,6 и степенью влажности < 0,7.

Возможность и степень снижения прочности элювиальных грунтов основания во время пребывания их открытыми в котловане должны устанавливаться опытным путем в полевых условиях. Допускается проводить определения в лабораторных условиях на специально отобранных образцах (монолитах) грунта.

При расчетных деформациях основания, сложенного элювиальными грунтами, больше предельных или недостаточной несущей способности основания должны предусматриваться следующие мероприятия:

· устройство уплотненных грунтовых распределительных подушек из песка, гравия, щебня или крупнообломочных грунтов с обломками исходных горных пород, в частности при неровной поверхности скальных грунтов;

· удаление из верхней зоны основания включений скальных грунтов, полную или частичную замену рыхлого заполнения «карманов» и «гнезд» выветривания в скальных грунтах щебнем, гравием или песком с уплотнением.

· В проекте оснований и фундаментов должна предусматриваться защита элювиальных грунтов от разрушения атмосферными воздействиями и водой в период устройства котлованов. Для этой цели следует применять водозащитные мероприятия, не допускать перерывы в устройстве оснований и последующем возведении фундаментов; предусматривать недобор грунта в котловане; применять взрывной способ разработки скальных грунтов лишь при условии мелкошпуровой отпалки.

Вопросы:

1. Продуктом выветривания горных пород, оставшимся на своем месте, считают?

a. элювий

b. делювий

c. пролювий

d. аллювий

2. Верхним слоем коры выветривания принято считать?

a. почвы

b. лесс

c. глины

d. пески

3. К какому классу грунтов относится элювий?

a. мерзлые

b. техногенные

c. скальные

d. дисперсные

4. Какие из элювиальных грунтов являются наиболее опасными для строительства?

a. крупнообломочные

b. пески

c. лессы

d. почвы

Задание 3

1. Зная период Т и амплитуду А колебаний сейсмической волны (табл.3), вычислить сейсмическое ускорение а и коэффициент сейсмичности Кs.

2. Подсчитать сейсмическую инерционную силу S (в тоннах), воздействующую на сооружение при землетрясении. Массу сооружения Р принимают равной 5500т.

3. Используя величину сейсмического ускорения, определить силу землетрясения в баллах. Все эти данные внести в табл.3.

4. По данным о силе землетрясения уточнить расчетную балльность строительной площадки в районах, сложенных:

а) рыхлыми осадочными породами с глубиной залегания грунтовых вод до 5м от поверхности земли;

б) скальными породами (гранитами, гнейсами), прикрытыми маломощным слоем сухого элювия.

Согласно полученным результатам дать заключение о возможности и экономической целесообразности строительства на одном из указанных участков.

Таблица 4

Землетрясение - колебание земной коры или ее участка, вызванные прохождением сейсмических волн, возникающих в результате кратковременного выделения из какого-либо источника большого количества упругой энергии.

Период - физические промежутки времени, через которые система, совершающая колебания, возвращается в начальное состояние.

Амплитуда - размах колебаний, наибольшее отклонение изменяющейся физической величины от «нулевого» значения.

Таблица 5.

Сейсмическое воздействие - колебательное движение грунта при землетрясении, создающее кинематическое возбуждение колебаний исследуемого объекта. Переносное ускорение колеблющегося основания (единой опорной платформы) сообщает объекту инерционные нагрузки, вызывая в нём ответные колебания. При этом сейсмическое воздействие в общем случае представляется трехкомпонентными акселерограммами (записями ускорения во времени) для двух горизонтальных и вертикального направлений.

Сейсмическое ускорение - величина, с помощью которой может быть измерена сила землетрясения значением б (мм/с2) и определяется по формуле:

б =4р2А/Т2,

где А - амплитуда колебаний поверхностных слоев земли, измеряемая сейсмографами, мм;

Т - период колебаний сейсмической волны по показаниям сейсмографа, с.

Сила землетрясения - динамическое воздействие на конструкции здания, характерное относительно кратковременным действием, большой интенсивностью и неопределенным направлением. Измеряется в баллах.

Коэффициент сейсмичности - характеристика интенсивности землетрясения, определяемая отношением ускорения основания сооружения, вызванного сейсмическими воздействиями, к ускорению силы тяжести.

Инерционная сила - произведение коэффициента сейсмичности на массу вовлеченного в движение тела.

а) Учитывая, что грунт состоит из рыхлых осадочных пород и уровень грунтовых вод находится близко от поверхности земли, никакой экономической целесообразности строительства в данном районе нет. На рыхлых грунтах добавляем один балл к расчетному - получается 11 баллов. При такой силе землетрясения произойдет интенсивное доуплотнение грунта, что вызовет разрушение зданий и сооружений.

б) Учитывая, что строительная площадка, сложена скальными породами (гранитами, гнейсами), прикрытая маломощным слоем сухого элювия, что говорит о слабом выветривании данных пород, в данном районе строительство зданий и сооружений возможно. Уточненный балл для данной строительной площадки составит 9 баллов.

Вопросы:

1. Как называется очаг зарождения сейсмических волн?

a. гипоцентр

b. эпицентр

c. магнитуда

d. вулкан

2. Какая глубина является наиболее сейсмичной?

a. поверхность земли

b. 1-10км

c. 30-60км

d. 100-700км

3. Какие сейсмические волны приходят к поверхности земли первыми?

a. Р-волны

b. волны Лява

c. волны Рэлея

d. S-волны

4. В чем измеряется сила землетрясения?

a. в баллах

b. в километрах

c. в классах

d. в секундах

5. На сколько баллов корректируют район строительства при расчетной балльности данного района в 10 баллов на рыхлых грунтах?

a. увеличивают на 2 балла

b. увеличивают на 1 балл

c. уменьшают на 1 балл

d. уменьшают на 2 балла

Задание 4

1. Описать подземные воды, указанные в табл.4 для соответствующего варианта, описать особенности их существования и движения. 2. Охарактеризовать водоносный горизонт, заключающий эти воды, особенности его питания и разгрузки, его значение для целей водоснабжения. Описание проиллюстрировать схематическими рисунками.

Подземные воды - воды, находящиеся в верхней части земной коры. Гидрогеология - наука о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами.

Подземные воды образуются преимущественно путем инфильтрации. Атмосферные осадки, речные и другие воды под действием гравитации просачиваются по крупным порам и трещинам пород. На глубине они встречают водонепроницаемые слои гарных пород. Вода задерживается и заполняет пустоты пород. Так создаются горизонты подземных вод. Количество воды, инфильтрующейся с поверхности, определяется действием многих факторов: характером рельефа, составом и фильтрующей способностью пород, климатом, растительным покровом, деятельностью человека и т. д.

Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре. В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды (рис. 2), а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку - безнапорные и напорные.

Рис. 2. Схема залегания подземных вод: 1 - почвенная вода; 2 - верховодка; 3 - зона аэрации; 4 - капиллярная кайма; 5 - грунтовая вода (первый водоносный горизонт); 6, 8 - водоупоры; 7 - межпластовая вода (второй водоносный горизонт).

Грунтовые воды

1. Описать особенности существования и движения грунтовых вод.

Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Они характеризуются рядом признаков:

· грунтовые воды имеют свободную поверхность, т.е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверхность грунтовых вод называется зеркалом. Положение зеркала в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Глубина залегания уровня от поверхности различна - от 1 до 50м и более. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют ложем, а расстояние от водоупора до уровня подземных вод - мощностью водоносного слоя (рис. 3). Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорны. Иногда они могут проявлять так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины на уровне зеркала (рис. 4).

Рис. 3. Грунтовая вода: 1 - уровень грунтовой воды (УГВ); 2 - мощность грунтовой воды; 3 - ложе (водоупор).

Рис. 4. Схема возникновения местного напора: 1 - грунтовая вода; 2 - линза глины; 3 - зеркало грунтовой воды (уровень); 4 - водоупор; Н - высота местного напора

· питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также поступления воды из поверхностных водоемов и рек. Территория, на которой происходит питание, ориентировочно совпадает с площадью распространения грунтовых вод. Грунтовая вода открыта для проникновения в нее поверхностных вод, что приводит к изменению ее состава во времени и нередко к загрязнению различными вредными примесями.

· грунтовые воды находятся в непрерывном движении и, как правило, образуют потоки, которые направлены в сторону общего уклона водоупора. В отдельных случая их залегание имеет форму грунтовых бассейнов (рис. 5), т.е. вода находится в неподвижном состоянии. Грунтовые потоки нередко выходят на поверхность, образуя родники или создавая локальную по площади заболоченность.

Рис. 5. Форма залегания грунтовых вод: 1 - грунтовый поток; 2 - грунтовый бассейн; 3 - водоупоры

· количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят от геологических условий местности и климатических факторов. Зеркало грунтовых вод в целом копирует рельеф земной поверхности в пределах их расположения. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатно-кальциевый, сульфатный и сульфатно-хлоридный.

Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Подземные воды могут передвигаться в горных породах, как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток.

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем) (рис. 6).

Рис. 6. Схема безнапорной фильтрации грунтовой воды

Разность напоров?Н = H1 --Н2 и сечениях I и II обусловливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше?Н, тем больше скорость) и длины пути фильтрации l.

Отношение разности напора?Н к длине пути фильтрации l называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I =?Н / l.

Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси:

Q = kф F?Н / l = kф F I,

где Q - расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м3/сут;

kф - коэффициент фильтрации, м/сут;

F - площадь поперечного сечения потока воды, м2;

?Н - разность напоров, м;

l - длина пути фильтрации, м.

Скорость фильтрации:

v = Q/F или v = kф I.

Скорость движения воды (фильтрации) измеряется в м/сут или см/с. Эти формулы требуют уточнения в связи с тем, что в них входит величина F, отражающая все сечение фильтрующейся воды, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина v является кажущейся. Действительную скорость воды vд определяют с учетом пористости породы:

vд = Q/Fn,

где n -- пористость, выраженная в долях единицы.

Сопоставив формулы v = kф I и vд = Q/Fn, можно установить, что vд = v/n. Формула скорости воды vд = Q/Fn в этом виде свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не n, а nакт (активную пористость), т. е. пористости, через которые проходит вода. Также следует помнить, что движение воды в породах происходит обычно с разной скоростью, поэтому при рассмотрении вопроса о движении воды в данной породе можно говорить лишь об ее средней скорости движения.

Форма движения потоков грунтовых вод. На строительных или хозяйственных площадках при решении практических задач по водоснабжению или устройству дренажей почти всегда необходимо знать направление движения потоков воды. Грунтовые воды совершают сложные движения в зависимости от местных геологических условий, рельефа местности и других факторов. Различают потоки плоские, радиальные (сходящиеся и расходящиеся) и криволинейные (рис. 7).

Рис. 7. Форма потоков грунтовых вод: а - плоский; б - радиальный расходящийся; в- радиальный сходящийся; г - криволинейный.

При определении направления потоков следует помнить, что установленное направление может быть справедливо лишь для сравнительно ограниченной территории (участка).

2. Охарактеризовать водоносный горизонт, заключающий эти воды, особенности его питания и разгрузки, его значение для целей водоснабжения.

Водоносный горизонт - подземные воды, приуроченные к одному или нескольким регионально выдержанным водоносным породам гидродинамически связанным между собой и имеющим единую гидравлическую (при безнапорных водах) или пьезометрическую (при напорных водах) поверхность.

Площадь, в пределах которой распространен водоносный горизонт, называется областью, или площадью, их распространения, а площадь, где происходит питание водоносного горизонта, - областью питания. Площадь, где подземные воды вытекают из водоносного горизонта, называется областью разгрузки, или дренажа.

Под источниками (ключами, родниками) подразумеваются места естественных выходов воды на дневную поверхность. Наиболее часто это происходит при прорезании грунтовой воды эрозионной сетью. Это дает нисходящие источники.

По своему характеру источники бывают сосредоточенные, т. е. выходящие в одном месте, в виде потока, и рассредоточенные, когда грунтовая вода просачивается на склоне оврага или речной долины через слой глинистого грунта. После расчистки этого слоя источник может стать сосредоточенным.

Интенсивность выхода воды в единицу времени оценивается дебитом источника (л/с или м3/сут). Источник, выход вод которого улучшен человеком, называется каптированным. Напорные воды могут давать фонтанирующие (восходящие) источники.

Грунтовые воды имеют повсеместное распространение. Различают следующие зоны:

Грунтовые воды речных долин. Имеют большое народнохозяйственное значение; широко используются для водоснабжения населенных пунктов. Речные долины обычно выполнены песчано-глинистыми образованиями, причем верхняя часть их сложена суглинками и глинами, а нижняя песками и нередко гравием и галькой. Вследствие этого наиболее водообильной является нижняя часть аллювиальных отложений. Глубина залегания от 1см до 10-15м. По химическому составу воды аллювиальных отложений в большинстве маломинерализованы, относятся к гидрокарбогатным кальциевым. Эксплуатируются грунтовые воды речных долин колодцами.

Грунтовые воды ледниковых отложений. Представлены они неотсортированными валунными глинами и суглинками, а также песками и галечниками, к которым приурочены мощные потоки грунтовых вод, широко используемые для водоснабжения даже крупных городов. Вода обильная, слабо минерализована.

Грунтовые воды степей, полупустынь и пустынь. Степи и особенно пустыни и полупустыни характеризуются малым количеством осадков (около 150-200мм) и значительным испарением (до 250мм). Речная сеть здесь развита слабо, а протекающие реки относятся к «транзитным»; они не получают питания по пути движения. На поверхности залегают на значительных площадях лессовидные и глинистые породы, слабо пропускающие осадки, которые в основном тратятся на испарение, частично на сток и в незначительной степени на инфильтрацию. Общие физико-географические и особенно климатические условия для накопления грунтовых вод в степях, пустынях и полупустынях крайне неблагоприятны. Этим и объясняется то, что в этих районах вопросы водоснабжения весьма сложны, так как имеющиеся здесь грунтовые воды, наиболее вододоступные для водоснабжения, как правило, сильно минерализованы. В степях, на возвышенных участках грунтовые воды к тому же обычно находятся на большой глубине и тоже сильно минерализованы. В последние годы в пустынных районах выявлены линзы пресных вод, залегающих на соленых; площадь линз пресных вод иногда достигает нескольких тысяч квадратных километров, а мощность - десятков метров. Минерализация воды в пресных линзах обычно не превышает 1 г/л, достигая иногда 2 г/л. Запасы пресных вод в подобных линзах нередко достигают нескольких кубических километров. Вода в этих линзах широко используется для водоснабжения.

Грунтовые воды предгорных и горных областей. В этих районах количество осадков наиболее высокое, хотя большая их часть и стекает в результате изрезанности рельефа. Тем не менее, в результате наличия пролювиальных образований, а также в следствие выветрелости и трещиноватости горных пород часть атмосферных осадков не фильтруется, что и обусловливает выход по склонам горных рек и многочисленных родников, нередко в десятки и сотни литров в секунду и больше. Режим подобных родников резко изменяется по сезонам, а так же по годам, в зависимости от количества и характера выпадающих осадков. Горные реки вносят в прилегающие равнины огромное количество продуктов разрушения горных пород, которые отлагаются в виде конусов выносов. Состоят последние из грубообломочного материала. Конуса выносов отдельных рек в предгорных районах сливаются, образуя огромные предгорные равнины, так называемые адыры, песчанно-галечниковые отложения которых включают мощные потоки грунтовых вод, обычно маломинерализованных. Это и позволяет широко использовать грунтовые воды предгорных наклонных равнин для целей водоснабжения и орошения.

Грунтовые воды морских побережий. Пологие морские побережья состоят из песчаных образований, часто представленными дюнами. В области развития дюн зеркало грунтовых вод образует волнистую поверхность, в сглаженном виде повторяющую дюнную поверхность. Грунтовые воды в дюнных песках пресные, но на некоторой глубине пресная вода сменяется минерализованной, морской.

Существуют и незональные грунтовые воды, например, болотные, карстовые и др. Большими аккумуляторами атмосферных осадков, паводковых и других вод являются болота. Уровень грунтовых вод в болотах всегда совпадает с поверхностью земли, что собственно и обуславливает заболоченность местности.

Вопросы:

6. Какая зона находится между поверхностью и капиллярной каймой?

a. зона аэрации

b. водоносный слой

c. первый водоупор

d. второй водоупор

7. Для чего, в большинстве случаев, используются грунтовые воды?

a. как хозяйственно-питьевые воды

b. для технических нужд

c. для промышленных нужд

d. являются минеральными

8. Где залегают грунтовые воды?

a. на поверхности

b. в зоне аэрации

c. на первом от поверхности водоупоре

d. на втором от поверхности водоупоре

9. Основное питание грунтовых вод происходит?

a. с помощью атмосферных осадков

b. с помощью верховодки

c. водой рек

d. водой озер

Задание 5

Определить коэффициент фильтрации массива водоносных песков по результатам откачки из одиночной совершенной скважины. Водоносный горизонт - грунтовый. Данные для расчета приведены в табл. 6. Схему проведения опыта показать на рисунке (рис. 7).

Таблица 6

Коэффициент фильтрации определим по формуле Дюпюи, так как из условия задачи скважина совершенная, а это значит, что она достигает водоупора. Водоносный горизонт грунтовый, значит что вода в водоносном горизонте ненапорная.

Q= рkф (Н2 - h2)/(lnR-lnr)

Откуда:

kф= Q*(lnR - lnr)/ р*(Н2 - h2), где h=H - S

Подставляя данные задачи, получаем:

kф=809*(ln 114 - ln 0,3)/3,14*[182 - (18 - 4)2]=4,69 м3/сут.

Значение коэффициента фильтрации соответствует проницаемым галечникам и гравию, засоренными мелким песком и частично глиной; среднезернистым пескам и мелкозернистым, слабозакарстованным, малотрещиноватым породам.

Рис. 7. Схема проведения опыта.

Н - мощность водоносного горизонта, м; Q - дебит скважины, м/сут; S - понижение уровня воды в скважине, м; R - радиус влияния скважины, м; r - радиус скважины, м; h - уровень воды в скважине, м; УГВ - зеркало грунтовых вод.

Совершенными называют скважины, дно которых достигает водоупоров.

Несовершенными называют скважины, дно которых располагается выше водоупоров.

Коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при напорном (гидравлическом) градиенте, равном единице.

Мощность водоносного горизонта - расстояние от водоупора до уровня подземных вод.

Дебит скважины - объем воды, поступающий из естественного источника или водозабора в единицу времени при откачке или самоизливе.

Радиус влияния скважины - радиус депрессионной воронки. Депрессионная воронка - объем, ограниченный поверхностью вращения депрессионной кривой и естественной поверхностью безнапорных или пьезометрической поверхностью напорных вод. При откачке воды из безнапорного водоносного горизонта депрессионная воронка - объем осушенного грунта.

Вопросы:

1. Совершенными скважины называют?

a. дно которых достигает водоупора

b. дно которых располагается выше водоупора

c. дно которых располагается ниже водоупора

d. дно которых находится на уровне зеркала грунтовых вод

2. У каких горных пород радиус влияния скважины будет наибольшим?

a. глина

b. песок

c. супесь

d. галечник

3. Что такое радиус влияния?

a. радиус депрессионной воронки

b. радиус скважины

c. дебит скважины

d. гидравлический градиент

Задание 6

Определить приток воды к совершенной дренажной канаве, отводящей подземные воды грунтового горизонта (приток воды к канаве происходит с двух сторон). Исходные данные для расчета приведены для соответствующего варианта в табл. 7. Расчет проиллюстрировать схематическим рисунком (рис. 8).

Таблица 7