Контрольная работа по теме "Геология"

ОБЩАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

ВОПРОС 1

Инженерная геология – наука геологического цикла, изучающая морфологию, динамику и региональные особенности верхних горизонтов земной коры (литосферы) и их взаимодействие с инженерными сооружениями (элементами техносферы) в связи с осуществленной, текущей или планируемой инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной, деятельностью человека 

Объект исследования инженерной геологии – верхние горизонты земной коры (часто называемые геологической средой), исследуемые в специальном инженерно-геологическом отношении (Трофимов, 1996). 

Предмет изучения инженерной геологии – знания о морфологии, динамике и региональных особенностях верхних горизонтов земной коры (литосферы) и их взаимодействии с инженерными сооружениями (элементами техносферы) в связи с осуществленной, текущей или планируемой инженерно-хозяйственной деятельностью человека 

Структура инженерной геологии

Современная инженерная геология состоит из трёх научных направлений: 1) грунтоведения; 2) инженерной геодинамики  и 3) региональной инженерной геологии. Каждое из этих научных направлений  представляет собой определенную систему научных инженерно-геологических понятий и знаний, характеризующихся своим предметом и объектом исследования.

Структура современной инженерной геологии и её основные научные направления: 1 – грунтоведение; 2 – инженерная геодинамика; 3 – региональная инженерная геология; а – общее грунтоведение; б – общая инженерная геодинамика; в – общая региональная инженерная геология; г – геодинамическое  грунтоведение; д – региональная инженерная геодинамика; е – региональное грунтоведение.

ВОПРОС 2

Грунт  — любые горные породы, почвы, осадки, техногенные (антропогенные) образования, представляющие собой многокомпонентные, динамичные системы, являющиеся компонентами геологической среды и объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Различают:

• скальные и полускальные грунты — монолитные грунты с жесткими структурными связями;
• дисперсные грунты — раздельнозернистые грунты без жестких структурных связей: связные - глинистые, и несвязные - песчаные и крупнообломочные.

Грунты могут быть использованы в качестве оснований зданий и  различных инженерных сооружений, материала  для сооружений (дорог, насыпей, плотин), среды для размещения подземных  сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

Грунты изучаются в грунтоведении.

Фазы почвы - это составляющие компоненты почвенного тела: твердая фаза - минералы и органическое вещество; жидкая фаза - растворенные соли, кислоты и органоминеральные комплексы; газообразная фаза - доминирует углекислый газ (СО₂), кислород (О₂), метан (СН₄), аргон (Ar), сероводород (H₂S) и другие; живая фаза или биота - совокупность растений, зоо- и микроорганизмов.

Грунт дисперсный — грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.

При значительном увлажнении поры грунта полностью заполняются водой  и представляют собой дисперсную систему, где дисперсной средой является вода, в объеме ее  распределены твердые минеральные частицы грунта – дисперсная фаза. В мелких песчаных грунтах и особенно в глинистых грунтах благодаря наличию большого количества частиц в единице объема дисперсного грунта общая поверхность раздела между твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсной средой может быть очень велика. Дисперсность вызывает у вещества, которому она присуща, ряд новых важных свойств. Эти свойства бывают выражены тем сильнее, чем больше дисперсность вещества, т.е. чем мельче частицы, из которых оно состоит.

Дисперсный грунт, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух (реже смесь газов), представляет собой  многофазную (трехфазную или двухфазную) систему. Для свойств  многофазной  дисперсной системы большое значение имеет степень дисперсности, т.е. степень раздробленности твердой фазы.

Фазовый состав: если грунт распределить на 3 фазы, получается: нижняя часть минеральный состав(сам грунт), средняя часть – поры, верхняя часть – влажность. Определяем для каждой фазы свои значения: см. рисунок.

Рис.

 

 

 

 

 

 

ВОПРОС3

Твердые — минеральные частицы взаимодействуют с имеющейся в грунтах жидкой фазой — водой. Молекулы воды адсорбируются на поверхностях частиц и образуют прочно удерживаемые на них пленки, которые, в отличие от свойств воды остального объема, обладают прочностью на сдвиг и пределом текучести. Воду этих пленок принято называть прочно связанной водой. В непосредственной близости от этих пленок располагается вода, удерживаемая уже меньшими силами, которую называют рыхло связанной. Далее размещается вода, на которую уже не оказывают влияние исходящие от поверхностей минеральных частиц силы. Эта вода находится под воздействием только силы тяжести и называется свободной.

Если в каком-либо грунте содержание пылеватых частиц превышает содержание песчаных, то к наименованию грунта прибавляется слово «пылеватый», например, супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый и т. п.

В результате взаимодействия частиц друг с другом и с водой грунты обладают связностью, что увеличивает  необходимые для их деформирования или разрушения усилия. Ввиду этого  мелкие частицы грунта образуют достаточно прочные грунтовые агрегаты. Связность  грунта зависит главным образом  от гранулометрического состава  и от влажности. В песках, даже влажных, связность проявляется в незначительной степени, и потому эти грунты относят  к несвязным. Супеси можно отнести к малосвязным грунтам. Связность особенно становится заметной в случаях суглинков и глин, поэтому последние относят к грунтам связным. Такое разделение грунтов удобно при рассмотрении многих процессов, связанных с их обработкой.

На физико-механические свойства грунтов  большое влияние оказывает их состояние, которое в основном определяется влажностью и плотностью.

За счет пор, занятых водой и  воздухом, плотность грунта всегда меньше удельного веса минеральных  частиц и обычно находится в пределах от 1,4 до 2 г/см3, тогда как удельный вес большинства грунтовых минералов  колеблется от 2,4 до 2,8 г/см3.

Особенное влияние влажность оказывает  на свойства связных грунтов, которые  в зависимости от влажности могут  находиться в твердом, пластичном или  текучем состоянии. Пластичность есть способность грунтов под действием  внешних сил изменять свою форму без разрушения и 
изменения объема.

Связный грунт находится в пластичном состоянии в определенном, характерном  для данного грунта интервале  влажностей. Верхний предел этого  интервала ограничен пределом текучести WT, а нижний — пределом пластичности Wp.

Предел текучести соответствует  такой влажности грунта, выраженной в процентах, при которой стандартный  прибор — балансирный конус с  углом при вершине в 30° и  весом в 76 г — под действием  собственного веса за 5 сек погружается в грунт на глубину в 10 мм. Предел пластичности (граница раскатывания) соответствует такой выраженной в процентах влажности, при которой изготовленное из грунта и воды тесто, раскатываемое в шнур толщиной 3 мм, начинает крошиться. Разность между пределами текучести и пластичности называется числом пластичности.

rn=Wl-Wp.

Число пластичности является важной характеристикой грунтов, так как  определяет интервал влажностей, при  котором они находятся в пластичном состоянии. Предел пластичности часто  служит критерием для разделения грунтов на виды.

Грунт при влажности большей  предела текучести представляет собой вязкую жидкость. Если влажность  грунта находится между пределами  текучести и пластичности, то он пастообразен. Наконец, при влажности  меньшей предела пластичности грунт  находится в твердом состоянии.

Различают следующие консистенции грунтов в зависимости от значения их показателя:

Твердая 0 
Полутвердая 0—0,25 
Тугопластичная 0,25—0,5 
Мягкопластичная 0,50—0,75 
Текучепластичная 0,75—1 
Текучая 1

Получаемая в результате уплотнения грунтов плотность в значительной степени зависит от их влажности. Установлено, что каждой нагрузке на грунт соответствует такая оптимальная  влажность, при которой достигаемая  плотность является максимальной. Таким  образом, оптимальная влажность  грунта будет зависеть от нагрузки на него. При более низких или  высоких влажностях получаемая плотность  будет снижаться, и тем значительнее, чем больше влажность грунта отличается от оптимальной.

Для оценки степени уплотнения грунты испытывают в приборе стандартного уплотнения. Сущность этого метода состоит в том, что помещенный в стальной стакан грунт в три  слоя при разных влажностях уплотняют  последовательными ударами падающей гири. Размеры стакана, вес и высота падения гири, а также число  ударов стандартизированы. Получаемая в результате такого уплотнения наибольшая плотность называется максимальной стандартной плотностью Smax, а соответствующая ей влажность — оптимальной влажность ю W0.

При разработке грунты разрыхляются, что приводит к увеличению их объема. Это свойство характеризуется коэффициентом  разрыхления kp, который представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к тому объему, который грунт занимал в естественном залегании. Для большинства видов грунтов коэффициент разрыхления находится в пределах 1,1—1,3. При этом чем большей связностью обладает грунт, тем выше коэффициент разрыхления. Коэффициент разрыхления мерзлых грунтов примерно равен 1,5—1,6.

При отсыпке разрыхленного грунта с некоторой высоты он откладывается  в виде конуса. Угол образующей этого  конуса с его основанием называется углом естественного откоса ф. Величина угла естественного откоса зависит  от вида грунта и его влажности. Примерные  значения этого угла даны в табл. 2. 
Сопротивляемость грунта нагрузкам до некоторой степени может быть охарактеризована модулем деформации.

 

 

ВОПРОС 4 и ВОПРОС 5 (грансостав глинистых грунтов песчаных грунтов)

Глинистые частицы (менее 0,001мм в диаметре) являются наиболее активной тонкодисперсной частью грунтов и представляют собой в большинстве случаев смесь минералов каолинита, гидрослюд, гидратов окисей железа и марганца, кварца, а так же тонких частичек гумусированных веществ. Глинистые частицы практически водонепроницаемы, обладают большой влагоемкостью и сильно набухают в воде. В отличие от более крупных фракций глинистые частицы в сухом состоянии обладают свойством связности. Пластичность, липкость, набухание и водоудерживающая способность глинистых частиц проявляются в очень сильной степени. Под действием растворов различных солей глинистые частицы свертываются в хлопья различной величины. Глинистые грунты способны к поглощению различных веществ, в том числе и коллоидных веществ. Эти свойства в различных грунтах проявляются по-разному в связи с различным минералогическим составом и содержанием глинистых частиц, что обусловливает крайнее разнообразие свойств грунтов в природной обстановке.

Гранулометрическим составом грунта называют относительное содержание по весу частиц грунта различной крупности (гранулометрических фракций), выраженное в процентах к общему весу сухого грунта.

В зависимости от размеров частицы  грунта разделяются на отдельные  группы, называемые гранулометрическими фракциями. Каждая гранулометрическая фракция включает частицы, размер которых изменяется в определенных пределах, например от 2 до 1мм, от 0,25 до 0,05 мм и т.д. Для определения гранулометрического состава грунтов производят гранулометрический анализ.

Гранулометрический анализ состоит в расчленении навески грунта на составляющие первичные гранулометрические элементы – от самых крупных до очень малых и последующем весовом определении содержания отдельных групп частиц, т.е. гранулометрических фракций. Затем определяется процентное отношение каждой гранулометрической фракции к общей величине навески.

Песчаные частицы – (размером 2,0 – 0,05 мм) представляют собой обычно окатанные обломки минералов и реже обломки пород. Такие частицы легко обнаруживаются в породе при визуальном осмотре. Песчаные частицы не обладают связностью в сухом состоянии и не набухают в воде. Водонепроницаемость их значительна, капиллярное поднятие невелико. Усадка, пластичность и липкость отсутствуют.

Основные методы и принципы определения  гранулометрического состава грунтов:

Гранулометрический состав показывает, какого размера и в каком количестве содержатся те или иные фракции в  грунте, что дает возможность правильно  классифицировать грунты и получать ориентировочное представление  об их свойствах.

1. Метод просеивания на ситах. По этому методу непосредственное разделение частиц грунта по крупности производится путем просеивания его через набор сит с отверстиями разного диаметра – 25; 20; 15; 10; 5; 2; 5; 1,25;0,63; 0,515; 0,14 и 0,07 мм. Остатки на ситах взвешивают и относят к общей навеске грунта. Ситовой метод применяют в основном для определения содержания частиц разной величины в крупнообломочных, песчаных и реже супесчаных грунтах.
2. Метод отмучивания основан на учете скорости падения частиц в спокойной воде или другой жидкости после ее взмучивания. Чем больше диаметр частиц, тем быстрее они осаждаются в воде. Так, например, частицы размером 0,05 мм осаждаются в воде со скоростью 1 см в 5секунд, тогда как время падения частиц размером 0,001 мм на глубину 1см составляет 3ч.28 мин. Методами отмучивания частиц в спокойной воде наиболее целесообразно пользоваться для определения гранулометрического состава мелких песчаных, супесчаных и легкосуглинистых грунтов. При этом обычно производят определение содержания следующих фракций частиц: 0,25-0,05; 0,05-0,01 и меньше 0,01 мм. Для грунтов, содержащих значительное количество глинистых частиц (меньше 0,01 мм), методы отмучивания применяют очень редко ввиду ничтожно малой скорости оседания частиц этого размера, а следовательно длительного времени, потребного на проведение одного анализа.
3. Метод отбора проб суспензии пипеткой (пипеточный метод). Основан на учете скорости падения частиц в спокойной воде. Для производства анализа взмучивают грунтовую суспензию и оставляют ее в покое на некоторое время, после чего пипеткой (емкостью 20-30 см3) с определенной глубины отбирают пробу суспензии. Такая проба содержит только те частицы, которые не успели осесть за указанное время отстаивания. При следующих пробах, взятых пипеткой через большие промежутки времени от начала отстаивания суспензии, получают более мелкие частицы. Определяя вес высушенных проб и зная размер отобранных частиц, после пересчета получают данные о содержании частиц этого размера во всем объеме суспензии.
4. Ареометрический метод. При этом методе производят замеры плотности отстаиваемой суспензии при помощи специального прибора – ареометра – через определенные промежутки времени. Плотность, замеренная ареометром, зависит от содержания в суспензии взвешенных твердых частиц. Получив значения убывающей плотности через определенные промежутки времени, с помощью расчетных формул или графиков (номограмм) определяют количество содержащихся в грунте частиц определенной крупности.