Инженерная геология

1.Этапы развития инженерной геологии как науки

инженерный геология строительство

Возникновение инженерной геологии и развитие ее на первых этапах были связаны со строительством. При решении вопросов, связанных со строительством, мало знать особенности горных пород, изучаемые грунтоведением и механикой грунтов. До начала строительство, на стадии выбора наилучшего варианта участка, необходимы сведения о геологическом строении территории, геологических процессах, которые уже протекают или могут возникать в результате строительства, о гидрогеологических условиях и т. д. Изучением этих вопросов и занимается новая наука — инженерная геология. Количество примеров, показывающих масштабы воздействия человека на поверхностную часть литосферы, очень много.

Вся инженерно-хозяйственная деятельность людей тесно связана между собой. Интенсивное воздействие человека на поверхностную часть земной коры требует изучения инженерно-геологических условий крупных территорий и прогноза их изменения под влиянием деятельности человека на длительное время.

Современная инженерная геология базируется на знаниях в области как естественных наук, как физика, химия, высшая математика, биология, экология, география, астрономия, так и прикладных — гидравлика, геодезия, климатология, информатика и др.

2.Этапы развития инженерной геологии

Становление инженерной геологии, как самостоятельной науки, проходило в несколько этапов:

1 этап. Конец XIX и первой треть XX века. Данный этап характеризуется накоплением опыта использования геологических данных для строительства различных объектов, но особую роль при этом сыграло строительство железных дорог в промышленно развитых странах мира. В России, например, в то время прокладывали железнодорожные пути через Кавказский хребет, строилась Транссибирская магистраль. Все это позволило строителям познакомиться с различными геологическими условиями на обширных территориях.

2 этап. Вторая треть XX века. Инженерная геология утвердилась как самостоятельная наука и стала необходимой и неотъемлемой частью строительного производства. Инженеры-геологи приобрели необходимый опыт и разработали методики оценки свойств горных пород (грунтов) не только качественно, но и, для проектирования объектов, количественно. Появились нормы и технические условия на строительство в различных и сложных геолого-климатических условиях и при развитии опасных природных процессов. Также на этом этапе появились первые научные монографии по инженерной геологии. Особенную роль в становлении инженерной геологии сыграл труд Ф. П. Саваренского «Инженерная геология», в котором были обоснованы главные закономерности, определены методы и задачи инженерной геологии. Также на развитие инженерной геологии оказали влияние российские ученые — И. В. Попов, В. А. Приклонский, Н. Я. Денисов, Н. В. Коломенский, Е. М. Сергеев, В. Д. Ломтадзе, Л. Д. Белый и др.

3 этап. Последняя треть XX века. Важнейший этап в развитии инженерной геологии. Она превратилась в самостоятельный раздел комплекса наук о Земле, способный решать сложнейше задачи, обеспечивая строительство объектов в различных геологических условиях. Значительную роль в развитии инженерной геологии на данном этапе играют работы В. И. Осипова, В. П. Ананьева, В. Т. Трофимова, Г. К. Бондарика, И. С. Комарова, Г. С. Золотарева и других современных ученых.

В настоящее время инженерная геология не только обеспечивает необходимыми данными проектировщиков и строителей, но и решает сложные научные проблемы, возникающие при изучении поверхностной части земной коры как объекта воздействия человека на литосферу. Инженерная геология все в большей степени становится наукой о ноосфере. Сейчас инженерную геологию можно определить как науку и геологической среде, ее рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Под геологической средой понимают любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека.

3.Определение абсолютного возраста древних и молодых горных пород

История развития методов определения абсолютного возраста Земли и отдельных этапов в истории ее становления Относительная геохронология, как бы детально ни была она разработана, не дает реального представления об истинной продолжительности отдельных периодов и эпох, а также о геологическом возрасте Земли в целом. Вопросы об истинной продолжительности (в тысячах и миллионах лет) решает только абсолютная геохронология.

Начиная с XVIII в. ученые пытались использовать различные химические, физические, геологические и даже биологические явления для определения абсолютного возраста Земли и отдельных этапов в истории ее развития (подсчет накопления солей в океане, скорость образования осадков и их мощность, быстрота эволюции органического мира на Земле и др.). Однако эти попытки не принесли положительных результатов. Лишь в начале XIX в. геологи нашли способ определения абсолютного возраста горных пород, основанный на изучении процесса радиоактивного распада атомов некоторых элементов.

Процессы радиоактивного распада протекают самопроизвольно с постоянной скоростью, различной у разных элементов, причем эта скорость не зависит ни от температуры, ни от давления. Для каждого радиоактивного элемента экспериментальным путем точно определена скорость распада (период полураспада). Зная количество исходного радиоактивного элемента и продуктов его распада в горной породе, а также период полураспада, можно выяснить возраст этой горной породы. Расчет производят по специальным формулам. В настоящее время для определения абсолютного возраста горных пород используют данные, полученные в результате радиоактивного распада урана, тория, калия, рубидия, углерода и некоторых других элементов. Все эти элементы, кроме радиоактивного углерода, имеют длительные периоды полураспада — в сотни миллионов и миллиарды лет. В зависимости от конечных продуктов распада различают свинцовый, гелиевый, аргоновый и стронциевый методы.

Свинцовый и гелиевый методы начали применять раньше, чем другие. В их основе лежит процесс превращения радиоактивного урана и тория в инертный газ гелий и свинец

(U₂₃₈ >8Не₄ + Pb₂₀₆; U₂₃₅>7Не₄ + РЬ₂₀₇;

Th₂₃₂>6He₄ + Pb₂₀₈).

Для определения абсолютного возраста используют минералы, содержащие более 1% урана или тория, встречающиеся в магматических породах. Свинцовый метод употребляют чаще, чем гелиевый, так как он точнее.

Аргоновый метод основан на распаде радиоактивного калия и превращения его в инертный газ аргон (К₄₀>Аг₄₀). Он был разработан советскими учеными в 1949 г. и в настоящее время является основным. Этот метод можно применять для определения возраста магматических и осадочных пород, так как первичные калиевые минералы в большом количестве распространены в магматических (полевые шпаты, слюды) и осадочных породах (глауконит). В отличие от гелия аргон лучше сохраняется в кристаллической решетке минералов.

Стронциевый метод основан на радиоактивном распаде рубидия (Rb₈₇>Sr₈₇). Этот метод применим только для определения возраста древних, докембрийских пород, так как период полураспада Rb₈₇ очень велик (50 млрд. лет).

Радиоуглеродный метод основан на изучении радиоактивного изотопа углерода С₁₄ в растительной ткани (обычно в древесине). Этот изотоп образуется в атмосфере из азота N₁₄ под воздействием космических лучей и усваивается живыми организмами. После отмирания организма происходит распад С₁₄ с определенной скоростью, что и позволяет определить абсолютный возраст захоронения организма и вмещающих его пород. Период полураспада С₁₄ приблизительно равен 5,5—6 тыс. лет, поэтому этот метод используют для определения возраста молодых четвертичных отложений и в археологии (когда возраст объектов исследования не превышает 50—70 тыс. лет).

Радиометрические методы определения абсолютного возраста горных пород быстро развиваются и совершенствуются, область их применения непрерывно расширяется. Наибольшую ценность они имеют для изучения древних, докембрийских отложений. В последние годы широкое применение радиометрических методов привело к полному пересмотру стратиграфии докембрия. Несмотря на большое значение, радиометрические методы все еще являются вспомогательными по ряду причин. Во-первых, невелика еще точность определения (ошибки составляют 3—5%); во-вторых, далеко не во всякой горной породе можно найти минералы с радиоактивными элементами; в-третьих, радиометрические методы весьма сложны и дорогостоящи.

Указанные недостатки снимают ценность этих методов и пока не позволяют сделать их универсальными рабочими методами геохронологии.

4.Минералогический состав осадочных пород

Породы:

— осадочные, образованные на поверхности Земли в результате накопления и преобразования продуктов разрушения ранее возникших горных пород, остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности;

— метаморфические, образованные на больших глубинах за счет изменения осадочных и магматических пород под действием высокой температуры и большого давления, под влиянием газообразных веществ, выделяющихся из магмы, и т. д.

Осадочные породы состоят из разных по минеральному составу и происхождению составных частей — компонентов. Это отражает множественность источников осадконакопления и полистадийность породообразования. По М. С. Швецову порода — это сложное единство разнородных и образовавшихся в разное время составных частей. К ним относятся реликтовые (обломочные) минералы, неизменные обломки материнской породы, продукты разложения первичных минералов (из группы глин, слюд и др.), экзогенные новообразования, возникшие за счет осаждения соединений из истинных и коллоидных растворов, продукты диагенеза (фосфориты, сульфиды металлов, карбонатные стяжения и пр.), катагенеза (окислы, самородные элементы, сульфиды), метагенеза (кварц, гидрослюда и пр.). В составе осадочных пород выделяются терригенные, хемогенные, вулканогенные, космогенные, и биогенные вещественно-генетические составляющие. Они главным образом объединяются в 2 большие группы — аллотигенные и аутигенные компоненты.

К аллотигенным компонентам относятся материал, привнесенный из других областей, поставляемый в бассейн осадконакопления источником питания. После переноса путем волочения или в виде механической взвеси в результате осаждения переходит в осадок. Это, в основном, обломочный или терригенный материал, а также вулканогенные, или пирокластические, космогенные компоненты. Аллотигенный материал поступает с суши и частично — за счет продуктов перемыва осадков дна бассейна. Известно более 200 аллотигенных минералов и значительное число обломков разных пород. Аллотигенными обычно являются наиболее устойчивые к гипергенному воздействию минералы: кварц, каолинит, ставролит, полевые шпаты, дистен, силлиманит, циркон, а также обломки горных пород и др. В зависимости от степени механической обработки аллотигенные минералы присутствуют в породе в виде окатанных до почти сферических, угловато-окатанных (со сглаженными углами) и неокатанных обломков. Форма и степень окатанности, а также размеры и состав зерен, их сортированность по размерам и составу — важный источник информации об области сноса, ее близости, удаленности, ландшафтно-климатических особенностях, вещественном составе материнских пород. К группе аллотигенных компонентов относится вулканогенный, или пирокластический, материал: частицы пепла, обломки лавы и другие продукты вулканических извержений, а также частицы космической пыли, в частности глобули никелистого железа, присутствующие в глубоководных океанических осадках.

Аутигенные компоненты возникают на месте в осадках или в породе на разных стадиях образования, изменения, или разрушения осадочных пород. Отражают физико-химические условия осадконакопления. В осадочных образованиях описано свыше 200 аутигенных минералов: сульфаты, соли, хлориты, глауконит, гидроксиды и оксиды железа, марганца, алюминия и др.; минералы кремнезема, глин, фосфаты, карбонаты, сульфиды железа, свинца, цинка, меди, самородные элементы и др.

Аутигенная природа минералов определяется по ряду признаков:

— идиоморфности кристаллов в порах и пустотах;

— гипидоморфной структуре зерен и малым размерам в случае их присутствия в основной массе хемогенных и в цементе обломочных пород;

— сферолитовому, оолитовому строению;

— наличию коллоидных и метаколлоидных структур;

— выполнению и выстиланию пор и пустот;

— перемежаемости с другими аутигенными минералами;

— замещению обломочных зерен.

В зависимости от того, с какой стадией образования, либо изменения породы, связаны аутигенные минералы, они подразделяются на ряд групп: седиментационные, элювиальные, диагенетические, катагенетические и метагенетические.

Седиментационные аутигенные минералы слагают кальцитовые, опаловые, фосфатные раковинки и другие скелетные части различных организмов образуют пласты гипса, ангидрита, солей, кремнистых, карбонатных пород, фосфоритов, оксидов и гидроксидов железа, марганца.

Наиболее значим в отношении аутигенного минералообразования формированием рудных скоплений химический элювий, включающий новообразования кор выветривания, в частности латеритных, с гидратами окислов марганца, железа, алюминия, карбонатов, кремневого вещества, глинистых минералов — смектитов, гидрослюд, хлоритов, солей. Аутигенная минерализация представляет собой результат физико-химических процессов, лежащих в основе взаимодействия выветривающей породы с газами атмосферы, просачивающимися дождевыми водами, капиллярного поднятия жидкости (инсоляция).

В эту же группу В. Т. Фролов относит продукты гальмиролиза — шамозиты, цеолиты, смектиты, фосфориты и др. и биоэллювий почв — гидрослюд, каолина, окислов железа, сидериты, карбонаты.

Диагенетические минералы образуются в стадии диагенеза, т. е. в период уплотнения осадка и превращения его в породу. Это разнообразные карбонаты, сульфиды, дисульфиды, фосфаты, хлориты, углефицированная растительная органика. Образуют конкреции, стяжения различной формы и размеров, цемент осадочных пород.

Катагенетические и метагенетические аутигенные минералы образуются в течение всего времени существования и изменения осадочных пород в литосфере, до превращения их в породы метаморфические. Неоднозначность трактовки терминов катагенез и метагенез не позволяет рассмотреть эти группы аутигенных минеральных новообразований более подробно. Тем не менее, у них есть существенные отличия.

Минералы катагенетической группы возникают в условиях более интенсивной динамики вод, нежели это характерно для области преобразований стадии метагенеза. Поэтому к катагенетическим можно отнести большую группу минералов, связанных с действием гидрогенного фактора, с различными видами движения вод. Это оксиды, гидрооксиды железа, марганца, ванадия, карбонаты разного состава, силикаты, в первую очередь сам кремнезем, сульфиды и дисульфиды железа, свинца, цинка, меди и других металлов, силикаты группы глин.

Для метагенетической группы наиболее характерны барит, силикаты, слюды, хлориты, кварц, смешаннослойные и другие минералы, испытавшие обезвоживание и некоторую перестройку кристаллической структуры.

Аутигенные минералы служат индикатором физико-химических условий среды минералообразования. Известно, что эти условия определяются такими показателями как окислительно-восстановительный потенциал Eh, величина кислотности-щелочности pH, соленость, температура, давление. Так гидраты окислов железа устойчивы при pH < 2,3−3. Опал SiO₂, выпадает из кислых, слабокислых и нейтральных растворов, в щелочной среде он растворим. Карбонаты кальция и магния (кальцит, доломит) осаждаются из щелочных растворов при pH > 7,4. Сидерит образуется при pH = 7−7,2. Минералы группы каолинита образуются в кислой среде, монтмориллонит — в щелочной. Гидрослюдистые компоненты глин возникают и устойчивы в слабощелочной и щелочной средах.

Минералы элементов с переменной валентностью — железа, марганца, такие как оксиды, гидроксиды, карбонаты, силикаты, сульфиды: гётит, гидрогётит, пиролюзит, манганит, псиломелан, анкерит и др., являются показателями окислительно-восстановительных условиях при положительных значениях Eh. Сидерит указывает на слабо восстановительные условия, а сульфиды различных металлов, в первую очередь наиболее распространенные в осадочных породах пирит и марказит, характеризуют резко восстановительную обстановку и отрицательные значения Eh.

Показателями солености воды, вернее концентрации растворов, являются карбонаты, сульфаты, хлориды. В интервале солености 4−15% осаждаются карбонаты кальция и магния с последующим образованием известняка и доломита. Вода с соленостью более 12−15% является источником сульфатов — гипса, ангидрита. Из рассолов с соленостью 25−27% высаживается галит, а при концентрации 30−32% - калийно-магнезиальные соли.

Относительно аутигенных минералов применимо понятие парагенетические ассоциации, объединяющие минералы, образованные генетически единым процессом. Примером такой ассоциации может служить ряд последовательного осаждения минеральных образований в соленосных лагунах: гипс, затем совместное осаждение каменой соли, гипса, полигалита.

К числу аутигенных образований осадочных пород часто органические остатки, в том числе растительные, скопления которых могут сформировать осадочную породу. К породообразующим организмам принадлежат:

— организмы с кремневой раковиной, или скелетом (радиолярии, губки, диатомеи). Например: радиолярии слагают породы, состоящие из морских одноклеточных микроорганизмов с опаловым скелетом;

— организмы с известковой раковиной или скелетом (фораминиферы, губки, кораллы, мшанки и др.), сине-зеленые, зеленые, багряные водоросли.

5.Первичный и вторичный минеральный состав осадочных пород

Комплекс минералов, образованных при конкретных условиях литогенеза, характерный для осадочной породы определенного происхождения, является первичным. Вещества, участвующие в формировании первичного состава породы, поступают в осадок при седиментации с перераспределением в составе осадка в стадию диагенеза.

Преобразования горной породы по завершению литогенеза (стадии катагенеза, метагенеза, гипергенеза) с изменением ее минерального, химического состава, текстуры, структуры называются наложенными или вторичными. Они происходят в результате смены давления, температуры, кислотности-щелочности, окислительно-восстановительного потенциала, условий залегания, соотношения с водной составляющей и идут с привносом, выносом, либо перераспределением вещества, проявленными в различной степени. Возникшие при этом минералы и минеральные ассоциации называются вторичными. Эти вопросы рассмотрены на примере отложений различного возраста, различных климатических зон, тектонических структур. Процессы вторичного изменения осадочных пород (образования минералов), идущие с привносом-выносом вещества, называются эпигенетическими или эпигенезом. Термин в такой трактовке применяется в учении о полезных ископаемых. Его использование в литологии для обозначения стадии литогенеза не рекомендуется.

6.Условия залегания горных пород

Условия залегания горных пород характеризуются несколькими признаками — формой залегания геологических тел, элементами залегания поверхностей напластования, плоскостями контактов, структурными элементами складок, тектоническими нарушениями и их элементами.

Форма залегания горных пород может быть определена как в отдельном обнажении, так и по серии обнажений, или только на основании данных по большой территории и с привлечением массы дополнительных признаков. Форма залегания интрузивных магматических тел определяется по соотношению их с вмещающими породами. Она может быть согласной (конкордантной) или секущей (дискордантной). Согласные контакты имеют чаще всего силлы, факолиты и лополиты. И залегают метаморфических пород наклонно или складчато. Характер залегания секущих интрузий зависит от расположения той полости или трещины, в которую внедрялся магматический расплав. Форма залегания слоистых осадочных, вулканогенных и метаморфических образований может быть первичной (ненарушенной) и вторичной (нарушенной), горизонтальной, наклонной или складчатой. Горизонтальное положение образований может наблюдаться при нормальном залегании, при опрокинутом и в пакетах изоклинальных складок с горизонтальными осевыми поверхностями. При нормальном горизонтальном залегании в районах с пересеченной местностью наиболее древние пласты лежат в пониженных частях рельефа, а более молодые — в повышенных. При наклонном нормальном залегании — возможны три варианта их положения:

1 — вверх по склону располагаются более молодые пласты, если плоскости напластования падают в сторону противоположную наклону склона;

2 — вверх по склону лежат более древние породы, если поверхность склона и поверхности напластования падают в одну сторону и падение пород круче, чем падение склона;

3 — если поверхности склона и напластования совпадают, то вверх по склону будет простираться один уровень пород.

Для выявления истинной последовательности напластования важное значение приобретает определение «низа-верха», т. е. подошвы и кровли слоев. При хорошей сохранности первичных текстурных признаков пород это можно сделать, изучая:

а) текстурные особенности поверхностей напластования (в породах осадочного происхождения выявление на них знаков ряби, иероглифов, трещин усыхания и других признаков, а в пирокластических отложениях — вмятин от бомб и крупных обломков);

б) градационную слоистость — т. е. распределение обломочного материала по степени сортированности в слоистых сериях аквального (в водных условиях) происхождения;

в) поведение косой слоистости, которая при нормальном залегании плавно причленяется в основании слоя и резко выклинивается у его кровли;

г) мощность зон закалки у застывших лав (в кровле она больше в несколько раз, чем у подошвы) и наличие миндалекаменных (амигдалоидных) текстур, которые концентрируются в основном у кровли потока;

д) комплексы ископаемых органических остатков.

Описание условий залегания пород должно сопровождаться замерами или определениями истинных мощностей пластовых тел.

При неизменной истинной мощности слоя ширина его в обнажениях зависит от угла наклона слоя и формы земной поверхности (характера рельефа). Эти зависимости исчерпываются шестью вариантами и процедура вычисления истинной мощности несколько сложнее, чем при горизонтальном залегании слоев. Все необходимые формулы приведены в первой главе. На карте мощность слоя может быть определена с применением метода заложения по стратоизогипсам. В обнажениях и участках, сложенных смятыми в складки образованиями, после характеристики пород нужно сделать описание складок и определить: морфологический тип складок; высоту и ширину (размах крыльев) складок; наличие осложняющей дополнительной складчатости; строение замка и крыльев складок с указанием углов и азимутов их наклона; направление и угол погружения или воздымания шарнира; положение и пространственную ориентировку осевой плоскости; кливаж и его соотношение со структурными элементами складок; сланцеватость, линейность и бороздчатость. В тех случаях, когда невозможно сделать непосредственные замеры пространственного положения шарнира (Ш), осевой поверхности (ОП) или следа осевой поверхности (СОП) и линейности (Л), их можно определить путем нанесения дополнительных замеров на сетку Вульфа, Ламберта или Шмидта. Для определения положения шарнира нужно делать замеры положения крыльев складок, для определения ОП складки — замеры следов осевой поверхности (СОП) в двух проекциях, для определения положения линейности — замеры сланцеватости (СЦ) и полосчатости (ПС) и угла падения линейности (Л) и т. д.

7.Строительство при наличии разрывных дислокаций

Разрывные дислокации образуются в результате интенсивных тектонических движений, сопровождающиеся разрывом сплошности пород и смещением слоев относительно друг друга. Амплитуда смещения может быть от нескольких сантиметров до километров при ширине трещин до нескольких метров. К разрывным дислокациям относятся сбросы, взбросы, грабены, горсты, сдвиги и надвиги (рис. 1: а — неподвижная часть земной коры, б — подвижная часть).

Рис. 1. Разрывные типы дислокаций

Сбросы — разрывные нарушения, когда подвижная часть земной коры опустилась вниз по отношению к неподвижной.

Взброс — разрывное нарушение, когда подвижная часть земной коры поднялась в результате тектонического движения по отношению к неподвижной.

Грабен — когда подвижный участок земной коры опустился по отношению к двум неподвижным участкам в результате тектонического движения.

Горст — обратное грабену движение.

Сдвиг — представляет собой разрывное нарушение, в котором происходит горизонтальное смещение горных пород по простиранию.

Надвиг — обратное сдвигу перемещение.

С инженерно-геологической точки зрения наиболее благоприятными местами строительства являются горизонтальное залегание горных пород, где присутствует большая их мощность, однородность состава. Фундаменты зданий и сооружений располагаются в однородной грунтовой среде, при этом создается равномерная сжимаемость слоев под весом сооружения и создается наибольшая их устойчивость (рис. 2).

Наличие дислокации резко изменяет и усложняет инженерно-геологические условия строительства — нарушается однородность грунтов основания фундамента сооружений, образуются зоны дробления (разрывы), снижается прочность пород, по трещинам разрывов происходят смещения, нарушается режим подземных вод. Это вызывает неравномерную сжимаемость грунтов и деформацию самого сооружения вследствие неравномерной осадки различных его частей (рис. 2).

Рис. 2. Неблагоприятные (а) и благоприятные (б) условия строительства.

8. Подвижные пески, методы борьбы с ними

Поверхностные отложения чистых песков средней крупности в виде разнообразной формы холмов (дюны, барханы), передвигающихся под влиянием ветров. Передвигаясь, песчаные отложения нередко заносят поселки, реки и пр., почему всякое строительство в них сопряжено со значительными трудностями и требует специальных мероприятий по закреплению. Подземные насыщенные водой слои песков типа плывунов, обладающие способностью образовывать песчаные подземные потоки в случаях нарушения равновесия и открытия выхода для их движения. Строительство на таких песках требует особых предосторожностей, тем более что возможность подвижек обычно трудно предугадать, распространяться же они могут на расстояния до 100 м и более.

9.Закрепление подвижных песков

Мероприятия с подвижными песками подразделяют на предупредительные, устраняющие причины их развеивания, и активные, направленные на закрепление песков. 3акрепление подвижных песков проводят механическими, химическими, биологическими или комбинированными способами. Механический способ применяют в том случае, когда необходимо срочно закрепить пески. Для этого используют стоячие рядовые и клеточные, устилочные рядовые и клеточные, прижимные и комбинированные защиты из пучков высокостебельных трав, валиков соломы, мелких ветвей и др. материалов. При химической защите используют полимеры, битумные смеси, арланскую нефть, т. е. вещества, которые образуют на поверхности пленку"склеенных" песчинок. Химикаты наносят на поверхность лентами шириной 0,7−1,0 м с расстоянием между ними 4−6 м. Биологический способ закрепления песков заключается в посадке (посеве) древесных пород, включая кустарники, или трав на подвижных песках. В лесостепной, степной и полупустынной зонах используют шелюгу (красную, желтую, каспийскую), в полупустынях — гребенщики (тамариксы) и лох узколистный, а в пустынях — джузгун (кандым), черкез, песчаную акацию.

В степной и полупустынной зонах европейской части России применяют, в основном, шелюгу красную. Для закрепления песков с помощью шелюги (шелюгование песков) используют свежесрезанные 2−3-летниепрутья длиной до 2 м или черенки. Прутья высаживают в борозды непрерывными рядами с таким расчетом, чтобы их комлевая часть находилась на глубине 30−35 см, а вершинка — над поверхностью песка. Борозды нарезают перпендикулярно направлению господствующих ветров нарасстоянии 3 -8 м друг от друга. Шелюгу можно высаживать кулисами, состоящими из 2−5 рядов. Ширина междурядий в кулисе — 1,0−1,5 м, расстояние между кулисами- 10−30 м. В кулисах при сложном рельефе, где невозможна механизированная посадка прутьев, а также в случае быстрого весенне-летнего пересыхания песков или их интенсивной перевеиваемости, при которой происходит выдувание прутьев, черенки высаживают на глубину 40−80 см, вровень с поверхностью песка, а в полупустынной зоне — на 2−3 см глубже. Ряды располагают перпендикулярно вредоносным ветрам на расстоянии 3−8 м пришаге посадки 0,4−0,5 м. Шелюгу высаживают ранней весной или осенью во влажный песок. Через год после посадки для большего кущения удаляют 50% побегов, а еще через год — все остальные. После закрепления песков между рядами шелюги высаживают древесные породы — чаще всего сосну. Корневая система шелюги располагается в поверхностных слоях песка в радиусе до 10 м и сильно иссушает его. Для предотвращения иссушения через 1−2 года после посадки следует подрезать корни параллельно направлению ряда на расстоянии 0,5−0,7 м от растений. Шелюга, достигая высоты 5−8 м, образует защитную зону шириной 25−40 м.

Подвижные пески закрепляют посевом или посадкой трав (фитомелиорация песков). В сухих степях и полупустыне для восстановления пастбищ используют житняк, люцерну, эспарцет и др. Сыпучие пески закрепляют с помощью песчаного овса (кияк) — многолетнего корневищного растения, устойчивого к засыпанию и выдуванию.

Хорошие результаты дает посев песчаного овса в межбарханных понижениях и котловинах выдувания. Семена высеивают осенью в лунку или вразброс. Норма расхода семян — 10−15 кг/га. На 2−3-й год созревшие семена разносятся ветром и выросшие из них растения постепенно закрепляют пески на прилегающих территориях. Разбитые бугристые пески успешно закрепляют полынью песчаной, высаживая ее на ровных участках лесопосадочными машинами или под плуг на расстоянии 0,5 м в ряду и 4 м между рядами, на буграх — под лопату или меч Колесова. Одновременно или на 2−3-й год в междурядья высаживают тамарикс, тополь и др. породы. Если закрепленные пески в дальнейшем предназначены для создания кормовых угодий, то в междурядьях выращивают ценные травы — житняк, люцерну и др. Как правило, подвижные пески закрепляются комбинированным способом, сочетающим посадку или посев кустарников с механической (или химической, или посевом травы) защитой.

10. Строительство в районе вечной мерзлоты

Строительство зданий и сооружений в Сибири.

Здесь надо учитывать множество различных факторов. Здания, сооруженные без учета многолетней мерзлоты, могут через некоторое время прийти в негодность. Происходит это потому, что летом земля прогревается неравномерно на несколько десятков сантиметров. При таянии грунт становится влажным, подчас текучим. Он оседает, расползается. Та часть здания, под которой грунт размяк, оседает. Зимой почва снова замерзает, влажный грунт вспучивается и здание перекашивается, а иногда и разрушается. Наличие многолетней мерзлоты в отдельных районах нашей страны ставит перед учеными много задач, решение которых имеет большое практическое значение. Большая часть этих задач учеными уже решена. За последние годы на севере и востоке нашей страны построены сотни городов и поселков. Многие из них стоят на многолетней мерзлоте, стоят прочно, на века. Вспомним хотя бы такой город, как Норильск, построенный за Полярным кругом. Улицы Норильска застроены многоэтажными зданиями. В городе сооружены заводы, школы, больницы, кинотеатры, жилые дома. Здания эти стоят уже многие годы. Правда, приезжий заметит у всех зданий Норильска одну особенность. Они стоят как бы на курьих ножках. Но ножки эти железобетонные. Нижняя часть их уходит вглубь, в слой вечной мерзлоты, а над поверхностью земли они возвышаются не более чем на метр. Воздух свободно проходит под зданием. Грунт зимой замерзает, летом оттаивает, но на здании это не отражается, так как железобетонные сваи прочно вмерзли своими основаниями в слой многолетней мерзлоты, и она держит их, как клещами. Город Норильск соединен железной дорогой с портовым городом Дудинкой, выросшим на берегах сибирской реки Енисей. Эта железная дорога самая северная на земном шаре. В зоне многолетней мерзлоты построены сотни рудников, дающих нашей стране уголь, полиметаллические руды, олово, золото, алмазы и много других ценных полезных ископаемых. Север — громадный край, скованный многолетней мерзлотой, — преображается, раскрывает свои богатства.

11.Что такое " деятельный" слой вечной мерзлоты и ее значение в строительстве

Деятельный слой — это слой, который в течение года периодически оттаивает и замерзает. Деятельный слой колеблется от широтного расположения местности и грунта. Так, в песках он от 1,2 м до 3−4 м, а в глинистых грунтах 0,4−2,5 м.

Строительство и эксплуатация объектов на территории вечной мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется по специальным нормативам. При земляных работах строителям приходится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при строительстве стремятся не делать выемок. Деформация зданий и сооружений связана с оттаиванием вечномерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечномерзлых грунтов осуществляется по трем принципам:

— без учета мерзлого состояния мерзлых грунтов, например, при наличии скального основания;

— при сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации объектов;

— с предварительным (до строительства) оттаиванием мерзлых грунтов и последующим их укреплением или заменой на другие грунты, например, глинистые грунты на щебеночные.

Выбор варианта или их комплексное применение зависит от геологии строительной площадки, состава и состояния мерзлых грунтов, технических возможностей строительной организации. Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов оснований, постоянных профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Мерзлотные процессы также связаны с сезонными замораживаниями и оттаиваниями. Зимнее промерзание глинистых грунтов приводит к их пучению, т. е. увеличению их объема. При этом развивается давление до 100−200 кПа. Если давление пучения превышает давление от собственного веса грунтов и веса зданий (сооружений), происходит подъем поверхности грунта вместе со зданиями и сооружениями. Наиболее подвержены зимнему пучению пылеватые суглинки и супеси. В грунтах вида галечник, гравий и крупный песок, морозное пучение не наступает. Влияние зимнего пучения на устойчивость зданий предотвращают закладкой фундамента на глубину, превышающую зимнее промерзание грунта, которое принимается в расчетах, как среднее значение за последние 10 лет.

12.Влагоемкость , влажность, водоотдача горных пород

Горные породы по отношению к воде характеризуются следующими показателями: влагоемкостью, водоотдачей и водопроницаемостью. Показатели этих свойств используются при различных гидрогеологических расчетах.

Влагоемкостъ — способность породы вмещать и удерживать в себе воду. В том случае, когда все поры заполнены водой, порода будет находиться в состоянии полного насыщения. Влажность, отвечающая этому состоянию, называют полной влагоемкостью W_п.в.:

W_п.в. = n/с_ск,

где n — пористость; с_ск плотность скелета породы.

Наибольшее значение W_п.в. в совпадает с величиной пористости породы. По степени влагоемкости породы подразделяют на весьма влагоемкие (торф, суглинки, глины), слабовлагоемкие (мергель, мел, рыхлые песчаники, мелкие пески, лёсс) и невлагоемкие, не удерживающие в себе воду (галечник, гравий, песок).

Водоотдача W_в — способность пород, насыщенных водой, отдавать гравитационную воду в виде свободного стока. При этом считают, что физически связанная вода из пор породы не вытекает, поэтому принимают

W_в = W_п.в. — W_ммв.

Величина водоотдачи может быть выражена процентным отношением объема свободно вытекающей из породы воды к объему породы или количеством воды, вытекающей из 1 м³ породы (удельная водоотдача). Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, а также пески и супеси, в которых величина W_в колеблется от 25 до 43%. Эти породы под влиянием гравитации способны отдавать почти всю имеющуюся в их порах воду. В глинах водоотдача близка к нулю.

Водопроницаемость — способность пород пропускать гравитационную воду через поры (рыхлые породы) и трещины (плотные породы). Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород. Не всякая порода, которой присуща пористость, способна пропускать воду, например, глина с пористостью 50—60% воду практически не пропускает. Водопроницаемость пород (или их фильтрационные свойства) характеризуется коэффициентом фильтрации k_ф (см/с, м/ч или м/сут), представляющим собой скорость движения подземной воды при гидравлическом градиенте, равном 1.

По величине k_ф породы разделяют на три группы:

1) водопроницаемые — k_ф > 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы);

2) полупроницаемые — k_ф = 1…0,001 м/сут (глинистые пески, лесс, торф, рыхлые разности песчаников, реже пористые известняки, мергели);

3) непроницаемые — кф < 0,001 м/сут (массивные породы, глины). Непроницаемые породы принято называть водоупорами, а полупроницаемые и водопроницаемые — единым термином водопроницаемые, или водоносными, горизонтами.

В фильтрации может принимать участие вода в связанном состоянии. Так, в глинах ее приводят в состояние движения увеличением разности напоров (градиента фильтрации), действием электрои термоосмотических сил.

13.Определение притока воды к водозаборам (котлованы, колодцы, траншеи)

Приток грунтовых вод к водозаборным сооружениям. Водозаборы — это сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территорий строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят буровые скважины и шахтовые колодцы, к горизонтальным — траншеи, галереи, штольни, к лучевым — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. Тип сооружения для забора подземной воды выбирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водоносного слоя, его мощности, литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

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

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность, являются совершенными, а не на полную — несовершенными.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уровня) называют строительным водозабором, а во втором случае — дренажами.

Депрессионные воронки. При откачке воды вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми депрессии, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки (рис. 3).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними водозаборами и т. д.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния R. Размер депрессионной воронки, а, следовательно, и R, а также крутизна кривых депрессий зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водопроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуются широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабо водопроницаемых суглинков свойственны более узкие воронки с небольшим значением R.

Величина R входит во многие расчетные формулы при проектировании водозаборов строительных или дренажных сооружений. Величину R можно определять:

1) по формулам,

2) бурением скважин

3) по аналогии с действующими водозаборами.

Из формул используют расчет Кусакина (для ненапорной воды):

где S — понижение уровня при откачке по центру воронки, м; Н — мощность слоя грунтовой воды, м.

Рис. 3 Депрессионная воронка

1 — точка откачки; 2 — нормальный уровень;

S — понижение уровня в центре воронки; R — радиус воронки Можно также определить по формуле где Q — дебит, м³/сут; I — гидравлический уклон.

Бурение скважин дает точные значения R, но это работа трудоемкая (рис. 4). Ориентировочные значения R приведены в табл.1 и на рис. 5.

В песках уклоны кривых депрессий составляют 0,02—0,006, а в суглинках 0,1—0,05.

Рис. 4. Определение радиуса влияния откачки R по буровым скважинам: 1 — скважина, из которой производится откачка; 2−6 — скважины для замера уровней грунтовой воды Водозаборные сооружения. Для водоснабжения и водопонижения чаще всего используют колодцы и буровые скважины. Принцип их работы практически одинаковый. Они являются наиболее распространенным типом водозаборных сооружений. Движение подземных вод к ним в период откачки происходит в форме радиального потока.

Прогноз возможного притока грунтовых вод к водозаборным колодцам имеет большое практическое значение, так как позволяет спроектировать наиболее рациональную систему водозабора или мероприятия по понижению уровня грунтовых вод.

В зависимости от конфигурации строительные котлованы (карьеры и др.) можно разделить на квадратные и прямоугольные. Первые можно рассматривать как колодцы, т. е. вертикальные выработки определенного диаметра; вторые больше отвечают горизонтальным выработкам типа траншеи (канавы).

Рис. 5. Формы депрессионных воронок в разных породах (при одинаковых значениях понижения S): 1 — гравий; 2 — песок; 3 — суспесь В связи с этим ниже будет рассмотрено два вида водосборов — колодцы и траншеи.

Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными; если дно располагается выше водоупора — несовершенными (рис. 6). Уровень воды в колодце до откачки называют статическим, а уровень, пониженный в процессе откачки, — динамическим.

Водозаборные колодцы. Если из колодца вода не откачивается, то ее уровень находится в одном положении с поверхностью фунтового потока. При откачке воды возникает депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определяется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают максимальное количество воды, которое он может дать в единицу времени при постоянстве уровня воды в колодце (Q, м³/сут). При откачке воды в количестве большем, чем величина дебита, т. е. больше того, что притекает к колодцу из водоносного слоя в единицу времени, уровень резко понижается. На некоторое время колодец может остаться без воды.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют по формуле где r — радиус колодца, м.

Рис. 6. Водозаборные колодцы совершенного (1) и несовершенного (2) видов.

В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Это усложняет расчет притока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных колодцев. При откачке вода поступает в колодец только из части водоносного слоя, которую называют активной зоной H₀. Глубину активной зоны принимают % высоты столба воды в колодце до откачки. Эти положения позволяют для несовершенного колодца расход рассчитывать по формуле Дюпюи, в интерпретации Паркера:

Колодец отдает воду в объеме своего дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Поглощающий колодец (скважины, шурфы) предназначается для сброса с поверхности земли сточных вод, для пополнения запасов подземных вод путем закачки в него воды, а также для оценки водопоглощения неводоносных пород, например на полях фильтрации.

Опытами установлено, что поглощать воду могут не только безводные (сухие) водопроницаемые слои, но и водоносные горизонты (безнапорные). При поглощении воды колодцем вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обращенная выпуклостью вверх (рис. 83).

Дебит поглощающих колодцев можно определить по известным формулам Дюпюи, заменив в них величину понижения уровня на величину повышения уровня воды и поставив перед ними отрицательный знак. После этого формула Дюпюи примет такой вид (для безнапорных вод):

где h — высота столба воды в колодце, отсчитываемая от подошвы водоносного слоя, остальные обозначения прежние и показаны на рис. 84. В безводных породах принимают H = 0.

Приведенные выше формулы Дюпюи могут быть использованы для определения потерь на фильтрацию сточных вод на полях орошения и других бассейнах.

Траншеи (канавы) предназначены для понижения уровня грунтовых вод. Они входят в систему дренажных устройств. При расчете притока воды следует учитывать, что канавы могут быть совершенного и несовершенного вида и приток воды к ним может быть с одной или двух сторон. Расход воды Q, м³/сут.

В случаях, когда расстояние между водозаборными колодцами (скважинами) будет больше двух депрессионных радиусов (больше 2R), каждый колодец может давать воду на уровне своего дебита. Иначе должно обстоять дело при решении вопросов понижения уровня грунтовых вод. Расстояния между точками водопонижения (траншей, скважин и т. д.) не может превышать 2R Депрессионные воронки должны пересекаться. Это обеспечивает понижение уровней на всей строительной площадке.

1. Справочник агролесомелиоратора / Г. Я. Мат-тис [и др.]. — М., 1984; Лесные культуры: учеб. /АР. Родин [и др.]. -М., 2001.

2. Гангнус А. Через горы времени. — М., 1993

3. Музафаров В. Г. Основы геологии. — М., 1989

4. Кэлдер Н. Беспокойная Земля. — М., 1995

5. Ларионов А. К. Занимательная инженерная геология. — М., 1988

6. Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. — М., 2002

7. Ананьев В. П. Потапов А.Д. Инженерная геология.-М., 2005