Предмет и задачи инженерной геологии

 

Q = 2,73*k_ф*m*S/ (lgR – lgr),

где m-мощность водонасыщенного напорного пласта

 

При интенсивной откачке динамический уровень, т. е. уровень воды в скважине, может опуститься ниже кровли водоносного  горизонта .

 

Подтопление подземными водами застроенных территорий.

 

 Основными причинами подтопления  городов являются:

-инфильтрация утечек технологических  вод, 

-промышленных и хозяйственно-бытовых  стоков,

-полив зеленых насаждений,   

-экранирующее влияние водонепроницаемых ГП,

- изменение тепло-влажностного  режима под зданиями, сооружениями , влияние барражного эффекта (задержка поверхностных и подземных вод зданиями и сооружениями).

 

Таким образом, подъем  УГВ происходит за счет изменения баланса ПВ.

 

Для ПГС подъем уровня опасен, поскольку  изменяет

-- влажностный режим грунтов  зоны аэрации, 

-- физико-механические и другие  свойства грунтов и –

-- химический состав подземных  вод.

 

Подъем уровня грунтовых вод  происходит обычно до критического уровня 2-3 м до поверхности земли.

 

Наиболее активно подтопление  развивается на территориях, сложенных  лессовыми породами, так как здесь к слабой водопроницаемости добавляется анизотропия К_ф. Соотношение вертикального и горизон-тального К_ф составляет 5-7.

 

Пример.

Ростсельмаш: грунтовые воды за 40 лет поднялись на 18—20 м. Глубина залегания зеркала ПВ от поверхности земли в ряде случаев составляет 3 м.

 В  Волгодонске в период интенсивной застройки (80-е годы), уровень ПВ на некоторых участках поднимался со скоростью 0,5 м в месяц, что привело к развитию просадочных явлений в лессовых грунтах,

 

Мероприятия по борьбе с подтоплением подразделяют на

 Профилактические

-организация стока грунтовых вод,     

-дренаж,

-предупреждение утечек из водонесущих коммуникаций и др.

 Защитные

--дренажные устройства у сооружений,

--гидроизоляция 

Последние мероприятия  осуществляются при эксплуатации сооружений.

 

Инженерная геодинамика.

Введение

 

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

 

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

 

Геологические процессы совершают  гигантскую работу по преобразованию рельефа и вещества ЗК. Согласно расчетам, средняя высота суши над  морем 750м.За 8,3 млн лет твердое вещество суши может быть снесено в океан в результате водной эрозии. Каждый год реками удаляется с суши 50 мрд т вещества . (Человек перерабатывает 100 мрд т грунта).

 

НО…эндогенные процессы рождают  новые формы  рельефа земной коры.

Историческая геология свидетельствует  о неоднократном разрушении грандиозных  горных систем. Но континентальный  рельеф существует, поскольку действуют  силы, непрерывно созидающие сушу.

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

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

Цель дисциплины : разработка рекомендаций по защите ПГС и территорий от негативного влияния ИГ-процессов.

Своей деятельностью человек способен изменить силу и направление геологических процессов, НАПРИМЕР:

- Укрепить берег и   остановить его разрушение;

- предотвратить  разрушение  вечной мерзлоты в городе;

-  остановить развитие  оползней.

-  предотвратить подтопление  городских территорий     и т.д.

 

В его силах совершить  и обратное.

 

ПРИЧИНЫ и  ФАКТОРЫ развития ИГ-процессев.

 

Основой формирования геологического процесса является горная порода (грунт). Каждая порода по-разному меняется на воздействие одного фактора.

ПРИМЕР. С подъемом УГВ песок пропускает воду почти не меняя свойств, лессы увлажняются и обнаруживают   провальную осадку, глина же водонепроницаема. 

 

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

 ПРИМЕР.   

1)- Карстовые пещеры формируются при

  проявлении трех факторов одновременно:

  -наличия растворимых  пород

  -наличия растворителя

  -наличия гидродинамического  режима.

  2) Подтопление города развивается только при смещении

   баланса  грунтовых   вод в сторону  пополнения  их запасов. 

 

Другие факторы развития ИГ-процессов не менее важны, но

 их влияние на развитие  процессов  не  является  решающим.

 

Важное в исследовании геологических процессов

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

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

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

 

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

 

I.  Выветривание

 

II.   Деятельность поверхностных вод

- водная эрозия –образование оврагов, балок…

- геологическая    деятельность      рек

- переработка берегов  морями, водохранилищами

- сели – грязекаменные  потоки

- снежные лавины 

 

 

III.   Деятельность подземных вод               

IV.   Склоновые процессы                                  

-Карст                                                                       - обвалы                                                            

-Суффозия                                                              - осыпи                                                              

-Плывуны                                                               - оползни                                                                      - ледники

VI.    Деятельность ветра                                

VII.   Промерзание грунтов

-Дефляция ->выдувание                                          - морозное пучение                                         

- корразия   ->обтачивание                                     - термокарст                                                     

- наледи                                                            

-солифлюкция

VIII.Факторы эндогенной природы.      

IX.Техногенные процессы

- землетрясения                                                           - сдвижение грунтов над шахтами

- цунами                                                                       - подтопление городов

- вулканическая деятельность

 

X.Процессы в специфических грунтах

- просадочные                                                            - набухающие

- органо-минеральные грунты                                 - техногенные грунты

- элювиальные грунты                                             - засоленные грунты

 

Выветривание

Это совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования ГП и минералов в приповерхностной части земной коры. Выветривание  зависит от климата, рельефа, органического мира. Наиболее важные агенты Выветривания – температура, кислород, вода..

 

Виды выветривания.

Выветривание  физическое (механическое) - происходит под воздействием колебания температуры, минералы с анизотропными свойствами быстро разрушаются.

Пример: Коэффициенты объемного расширения_. ортоклаза, кварца и альбита относятся как 1:2:3.   Коэффициенты линейного расширения у кристаллов кварца и СаСОз анизотропны. При изменении температуры возникают местные напряжения и разрушаются даже мономинеральные горные породы: мраморы, известняки. На микротрещинах пород адсорбируется вода, катионы и анионы. Они ослабляют химические связи.

Замерзание воды приводит к разрушению льдом (объем льда в трещинах на 9% больше объема воды).

При устройстве выемок, котлованов  давление на ГП уменьшается, они начинают разрушаться из-за напряжения между  кристаллами.

Пример: растрескивание базальта, мергеля.

 

Выветривание  химическое - происходит под воздействием Н₂О, О₂, СО_2. При химическом выветривании минералы разрушаются с образованием новых устойчивых минералов, остальные переходят в раствор и выносятся водами.

 

Наиболее устойчив к химическому  выветриванию в поверхностных условиях кварц, наименее, оливин, основные породы. Базальт, габбро  быстрее выветриваются, чем граниты, диориты.

Химическое  выветривание включает:

а) гидратацию минералов: Fe₂O₃ + nН₂0 => Fe₂О₃*nН₂О

б) гидролиз и растворение: К[AlSi₃O₈] + H₂O + CO₂ =>                   =>  Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ (каолинит)+ K₂CO₃ + SiO₂ (калиевый полевой шпат => каолинит)

в)окисление (при свобод-ном О₂):      Fe ²⁺=>Fe ³⁺

г) восстановление (при наличии погребенного органического вещества и деят-сти м/организмов в почвах и некот.водоемах); Fe₂O₃*nH₂O + С _орг. => Fе[СО₃] (гидроксиды железа => сидерит);

д) карбонатизацией :      гидролиз минералов в процессе выветривания обычно сопровождается: 4Mg₂[SiO₄](оливин) + 4H₂O +2CO₂ => Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈ (серпентин)+ 2Mg[CO₃]

Кристаллизации солей в микротрещинах  раздвигает их и механически разрушает  породы.

Выветривание  органическое - активное влияние растительных и животных организмов на литосферу, заключающееся в физическом и химическом разложении пород под воздействием выделяемых органических  кислот, СО₂ и O₂, Биохимических процессов от бактерий почвы, а также физической деятельностти животных и растений (сверление, рост корней и т. д.). Особенно интенсивно выветривание в тропиках.

Кора выветривании (элювий) – поверхностная часть массива горных пород, преобразованная под влиянием выветривания. Ее мощность (0,5-20,0  метров) зависит от  рельефа, климата, состава горных .

С глубиной кора выветривания угасает.

 

ОПОЛЗНИ

Это   смещение   массы  грунтов  вниз по склонам

 под  действием силы  тяжести без опрокидывания.

 

Оползневым процессам  подвержены

- склоны природные,  берега  водохранилищ и морей,  склоны  дорожных выемок и насыпей,  склоны, сложенные  моноклинальными  слоями …

  

Схема оползня:   Оползневое тело – поверхность скольжения– бровка срыва – оползневые террасы -  вал выпучивания - подошва оползня

 

БАЛАНС СИЛ

Вес оползневого тела раскладывается  на сдвигающую и удерживающую силы. Они определяют устойчивость склона.    Природы последней силы описывается  законом Кулона (сцепление частиц и трение).

 

Критические места оползневого  тела:

- подошва оползня –вал выпучивания (роль сдерживания)

- поверхность скольжения (силы трения)

 

Причины возникновения оползней:

- чрезмерное увлажнение  пород склонов  

   атмосферными и  грунтовыми водами

- подрезка склонов (стр-во дорог, подмыв рекой)

- перегрузка склонов сооружениями

- давление подземных вод  на слои делювия

- быстрый спад УГВ вблизи  подтопленного склона  (сработка водохранилищ – устранение взвешивающего влияния воды)

 

Оползни провоцируются 

- землетрясениями, 

- вибрацией от проходящего  поезда,

-забивки  свай

- штормами и ливнями

 

Пример: р-н Александровки  в г. Ростове-на-Дону:

-перегрузка

-УГВ

-подмыв рекой

-поезда - сейсмичность.

Меры cдерживания – понижение УГВ, укрепление  шпунтовыми стенками

 

УРОН

- при строительстве:     разрушение территорий 

- страдают дороги,  т.к.  проложены по склонам

  разрушаются сотни  метров и километры дорог

 

Для борьбы с оползнями  надо знать:

 

Геологическое строение склона

- положение поверхности  скольжения

- объем оползневого тела

- ГРУНТЫ:  состав, состояние,  С, f, Е_о, и др.

- причины, породившие  оползень

- рассчитать модель оползня;

- прогноз устойчивости  склонов 

            -- в природных условиях,

            -- при инженерном воздействии,