Инженерная геология, организация геодезических работ в строительстве (стр. 1 )

ёв,

2007

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Учебное пособие

I. Инженерная геология

Введение

Известно, что первоначально геологические исследования для строительства вели сами строители. Использование данных геологических наблюдений относится к 18в. M. B. Ломоносов в своей работе «О слоях земных» писал: «строитель внимает твердости земли во рвах для оснований». Затем русские инженеры и положили начало теории прочности и устойчивости грунтов как оснований сооружений. Так развилась наука - механика грунтов. В ней рассматривается только так называемая «напряженная зона», т. е. сравнительно ограниченный массив, в котором развиваются практически ощутимые дополнительные деформации и напряжения от передаваемых нагрузок. Как наука инженерная геология шире: она призвана выявить все условия, в которых происходит взаимодействие строящихся и выстроенных сооружений с окружающей их природной средой на всем пространстве, охваченном этим взаимодействием. Современная инженерная геология как наука ста­вит перед собой три основных задачи:

1) изучение состава, строения, состояния, свойств, условий распространения грунтов, определяющих их поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями (грунтоведение);

2) изучение геологических процессов с целью установления характера этих процессов и их влияния (динамика);

3) установление закономерностей пространственного распространения инженерно-геологических условий (региональная инженерная геология). Первый труд «Инженерная геология» создан в 30 годы . Продолжателями были , , и др. Тесна связь этой науки с гидрогеологией.

Ниже приводятся необходимые сведения о Земле.

Радиус земли 6370 км, средняя плотность пород на поверхности земли 2,7 кг/см, с глубиной плотность увеличивается до 5,52 кг/см и больше. Инженерная геология в основном связана с верхней оболочкой - литосферой. В ней выделяются осадочный, гранитный и базальтовый слои.

Здесь мы имеем дело с осадочным слоем (стратосферой – «стратум» - слой). Этот слой слагают различные по составу осадочные гор­ные породы: глины, суглинки, пески, галечники и т. д. Мощность стра­тосферы варьирует от 0 до 15км.

К водной оболочке Земли - гидросфере относятся воды мирового оке­ана, морей, озер, рек, подземные воды. Гидросфера обладает высокой подвижностью и живой силой перемещающейся воды во всех условиях ее существования. Вследствие этого она является мощным геологиче­ский фактором развития земной поверхности.

Под влиянием солнечной радиации происходят разнообразные гео­логические процессы, протекающие на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры; круговорот воды, разрушение водой и ветром, растрескивание горных пород и др. В течение 1 мин. солнцем каждому 1см поверхности Земли отдается 1.94 кал. тепла.

Основными элементами, слагающими вещество земной коры, явля­ются кислород (46,8%), кремний (27,3%), алюминий (8,7%), железо (5,1%), кальций (3,6%), натрий+калий (5,2%), магний (2,1%). Все остальные эле­менты встречаются редко и не оказывают существенного влияния на состав и свойства вещества земной коры.

Таким образом процессы, вызывающие изменения в строении и в составе земной коры, а также образование и разрушение горных пород, изменение их состава, структуры и условий залегания, протекают непрерывно и называются геологическими процессами. Внутренние - под действием энергии радиоактивного распада - эндогенные процессы, и внешние под действием тепловой энергии солнца - экзогенные процессы. В цикл экзо­генных процессов входит: 1) разрушение горных пород; 2) перенос про­дуктов разрушения; 3) отложение осадочных пород; 4) уплотнение и це­ментация осадочных пород или горных пород.

Горные породы могут состоять из частиц преимущественно одного минерала (мономинеральная г. п.), или это сочетание нескольких минера­лов (полиминеральная г. п.). В настоящее время известно около 7000 минералов, из них 2500 самостоятельные минералы, остальные относятся к их разновидностям или получены искусственным путем. Большая часть минералов встречается очень редко, и только около 50 из них широко распространены в природе и составляют основную массу горных пород. Эти минералы называют породообразующими. Наибольшее расп­ространение получили окислы, силикаты, алюмосиликаты (основа кис­лород, кремний, алюминий), т. е. соли кремневых и алюмокремниевых ки­слот, а также соли др. кислородных кислот - карбонатов, фосфатов, су­льфатов и др. Соответственно этому среди горных пород наибольшее распространение получили породы силикатного состава и алюмосиликатного, а также карбонатные (т.1).

Схема процесса образования минеральной массы следующая. По ис­точнику энергии, за счет которой они образовались, это эндогенные (внутри рожденные), экзогенные (извне рожденные) и метаморфические (преобразованные, рожденные при изменившихся условиях своего перво­начального существования).

В отличие от образованных в недрах Земли, где температура тысячи градусов и давление 3-8 тысяч атмосфер, минеральная масса поверхностного слоя Земли формируется в условиях низких температур и давлений и, в основном, происходит т. н. выветривание обнажившихся горных пород, формирование новых в водной среде, разрушение и перенос всей этой массы. Минералы и горные породы, образованные таким путем, образуют большую осадочную группу и подразделяются на химические и органогенные.

Большинство минералов это твердые тела. Жидкие - ртуть, вода, нефть и др. Газообразные - метан, сероводород и т. д. Твердые могут быть кристаллические и аморфные. Основным признаком кристалличе­ского вещества или кристалла является определенный порядок в пространственном расположении составляющих его элементарных частиц. Известны структуры атомные, ионные, радикал-ионные, молекулярные, в зависимости оттого, что находится в узлах пространственной решетки минерала-атомы, радикал-ионы, ионы или молекулы. Кристаллическое вещество всегда анизотропно-неравносвойственно, т. е. физические свойства одинаковы в направлениях параллельных и неодинаковы в непара­ллельных. В аморфных элементарные частички расположены хаотично и подобны жидкости, несмотря на твердую структуру (стекло). Это изотропные минералы (лимомонит, опал, оникс, халцедон и др.)

Таким образом, такие физические свойства, как теплопроводность, твердость, силы сцепления, светопреломление и т. д., во всех направлениях одинаковы. Одиночные кристаллы отдельных минералов в природе встречаются ре­дко. По большей части распространены различные минеральные срост­ки: друзы, щетки, секреции, конкреции и т. д.

Химический состав минералов выражен эмпирическими формулами (ортоклаз - К AL SI О) и структурными (К AL SI О).

Из физических свойств минералов отмечаются: твердость по т. н. шка­ле Мооса - от 1 (тальк) до 10 (алмаз); блеск ( металлический и не­металлический: стеклянный, алмазный, перламутровый, шелковистый, жирный, восковой; излом (раковистый, занозистый, землистый, ступен­чатый ); спайность; цвет; цвет черты; дополнительные признаки: вкус - различные соли, запах - сероводород, способность реагировать с слабым раствором соляной кислоты, магнитные качества.

Таблица 1

Классификация минералов

Класс Самородные Карбиды, нитриды Фосфиды Сульфиды Галогениды Оксиды (окислы и гидроокислы)	Подкласс - - - 1. Простые соединения 2. Сульфасоли 1. Фториды, 2. Хлориды, бромиды, иодиды 1. Окислы 2.Гидроокислы	Группа - - - - - -
Карбонаты и нитраты Йодаты Сульфаты, селениты и теллураты Хромата Молибдаты и вольфраматы Фосфаты, арсенаты и ванадаты Арсениты Бораты Силикаты	1. Карбонаты 2. Нитраты - 1. Сульфаты 2. Селенаты З. Теллураты - 1. Молибдаты 2. Вольфраматы 1. Фосфаты 2. Арсенаты 3. Ванадаты - - 1. Островные 2. Кольцевые 3. Цепочечные 4. Ленточные 5. Листовые 6. Каркасные	- - - - - - - - оливина, граната, силлиманита, мелинита берилла пироксенов амфибол или ро­говых обманок слюд хлоритов полевых шпатов фельдшпатоидов

1. Основные сведения о горных породах.

1.1. Магматические горные породы.

Это изверженные породы, которые образовались путем застывания и кристаллизации магмы. В зависимости от того, где происходит застывание магмы - на глубине (интрузивные), или на земной поверхности (эффузивные), т, е. излившиеся, образуются 2 большие группы пород: глубинные, полнокристаллические - граниты, гранодиориты, ди­ориты и пр., и излившиеся - близкие по составу к стеклу: липарит, кварцевый порфир, дацит, андезит и пр.

1.2. Осадочные горные породы.

Они прерывистым чехлом покрывают всю поверхность Земли и участвуют в следующем процессе: а) процесс выветривания; б) перенос этого материала с частичным осаждением; в) химическое осаждение в водных бассейнах; г) переход осадков в осадочные горные породы. Таким образом, первая стадия называется гипергенезом, вторая седиментацией, третья стадия диагенез. Изменение горных пород после диагенеза называется катагенезом. Породы при этом попадают на глубину от 100 до 5000м. Эта стадия характеризуется процессами уплотнения с увеличением объемного веса, уменьшения пористости, образованием новых минералов, перекристаллизацией и пр. Наблюдается характерный ряд превращений минералов: мусковит - серицит - гидрослюда - каолинит. Все это стадии литогенеза, происходящего в условиях аридного, гумидного и нивального (снегового) климата. В соответствии с условиями образования осадочные горные породы принято делить на четыре основные группы: обломочные, глинистые, химические и органогенные. Глинистые образования состоят из новообразований и продуктов химического выветривания с содержанием частиц обломочного происхождения. По величине зерен различают: грубообломочную (псефитовую), песчаную (псаммитовую), пылеватую (алевритовую) и глинистую (пелитовую) структуры.

Классификация геообразований

структура	несвязные неокат., окат.	связные	сцементированные
Псефиты	Глыбы валуны дресва галька щебень гравий		брекчия и конгломерат брекчия и конгломерат брекчия и гравелит
псаммиты	песок различной крупности		песчаник
алевриты		супесь лесс алеврит	алевролит
пелиты		суглинок глина каолин	аргиллит глинистый сланец

2.Инженерная геология

2.1. Цели и задачи инженерной геологии.

Все без исключения сооружения передают действующие на них нагрузки, включая собственный вес, на основание. Основание – это напластование грунтов, воспринимающее

давление от сооружения. Различают основания естественные и искусственно улучшенные. Сопряжение основания и сооружения осуществляется особыми подземными конструкциями-фундаментами. Их функции – передача давления на грунты основания.

Таким образом, инженерная геология – наука, изучающая основание и рекомендующая расчетные схемы для выбора типа фундаментов.

Грунты – это горные породы коры выветривания.

 

2.2. Физические свойства грунтов

В зависимости от условий образования различают грунты континентальные и морские. К континентальным относят элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, дельтовые, лагунные, эоловые и ледниковые отложения. Морские – все накопления из материала, приносимого в море, образующегося при переработке берегов и образованные непосредственно в море. В т. 1 собраны все типы грунтов коры выветривания. В различных регионах нашей страны они развиты неравномерно, каждому присущи свои группы. Отсюда специфика инженерно - геологических изысканий. В т. 2 и 3 дано полное и подробное описание этих грунтов, а в т. 4 и 5 их физические свойства.

Таблица 1

Классификация грунтов

Группа	Подгруппа	Тип	Вид	Разновидность
Скальные с жесткими связями, прочные	Магматические	Интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся)	Выделяются по петрографическому составу	Выделяются по прочности
Метаморфические	Регионально-контактово-динамо-метаморфические	То же	То же
Осадочные	Нерастворимые Растворимые	То же	То же
Полускальные с жесткими связями понижен­ной проч­ности	Химические и биохимические	Растворимые и размягчаемые	То же	То же
Обломочные	Размягчаемые неразмягчаемые	То же	То же
Нескальные без жестких связей	Крупнообломочные	Выделяются по размеру и заполнителю	Выделяются по составу заполнителя	Выделяются по составу заполни-теля
Песчаные	По грансоставу	По плотности сложения	по степени водонасыщения
Глинистые	По просадочности, набуха­нию засолённости, гумусу	По числу пластичности	По консистенции
Биогенные	По составу органики	По степени раз­ложения	По стенипени зольности
Искусственные грунты	Намывные, насыпные, культурный слой	По составу исходного материала	Выделяют ся по плотности сложения	По степени водонасыщения, консистенции

Таблица 2

Магматические и метаморфические грунты.

Подгруппа	Тип	Вид	Характерные признаки
Магматические	Интрузивные	Гранит	Кислая порода; полевые шпаты (б0-70%), кварц (15-40%), темноцветные минералы; светлая окраска
Диорит	Кислая порода; плагиоклазы 75%, темноцветные минералы 35%; серая темная окраска
Сиенит	Средняя порода: ортоклаз
Габбро	Основная порода: плагиоклазы 70%, темноцветные минералы; темная и черная окраска
	Эффузивные	Липарит	Аналогия гранита. Светлая окраска, при большем содержании стекла темная
Андезит (порфирит)	Аналог диорита - Серая, зеленовато - серая окраска
Трахит (ортофир)	Аналог сиенита. Окраска светлая (белая, серая, желтоватая, красноватая
Базальт (диабаз)	Аналог габбро. Окраска серая до черной
Гнейс	Полевые шпаты, кварц, темно-цветные минералы Окраска светлая
Кварцит	Кристаллическая порода. Кварц. Светлые тона. Полосчатая структура
Метаморфические	Регионально-метаморфические	Кристаллический сланец	Различный минеральный состав. Окраскаразнообразная, сланцеватая текстура

Таблица 3

Скальные грунты осадочного генезиса

Виды

Характерные признаки

Брекчия Конгломерат Песчаник Доломит Известняк

Прочносцеменгированная порода, состоящая из неокатанных обломков различного состава крупнее 2 мм Прочносцеметированный галечник Прочносцементированный песок различного мине­рального состава Цемент кремнистый Карбонатная порода, состоящая из минерала доломита, обычно с примесью кальцита. Структура от пелитоморфной до крупнозернистой, С HCL слабо. Карбонатная порода из минерала кальцита. Структу­ра как у доломита. Хорошо вскипает с HCL.

Полускальные грунты

Виды

Характерные признаки

Мергель Мел Известняк-ракушечник Известняк оолитовый Опока Диатомит Трепел Песчаник Алевролит Аргиллит

Известково-глинистая порода. Окраска разнообразная вскипает с HCL. Карбонатная порода из кальцита. Белого цвета. Бурно вскипает с HCL. Известняк из раковин моллюсков. Известняк, имеющий оолитовую структуру. Кремнистая порода из опала с примесью кремневых остатков организмов, мелких обломков кварца и полевых шпатов, зерен глауконита и глинистого вещества. Преобладает светло-серый цвет Кремнистая порода из створок диатомей, радиолярий, спикул губок, глинистого вещества, кварца и глауконита Кремнистая порода, аналогичная диатомиту, но лишенная органических остатков Слабосцементированный песок. Цемент глинистый, гли- нисто-известковистый, известковистый и железистый Сцементированный алеврит. Зерна размером од и.01мм Камнеподобная глинистая порода. Текстура микрослоистая.

Таблица 4