РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(РГУПС)

,

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

Учебно-методическое пособие

к контрольной работе

Ростов-на-Дону

2011

УДК 624.131.1(07) + 06

Кафитин, Л. И.

Инженерная геология: учебно-методическое пособие к контрольной работе / , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2011. – 23 с. – Библиогр. : 16 назв.

В учебно-методическом пособии дается необходимая информация по общей геологии, гидрологии, инженерно-геологическим исследованиям, а также справочная литература.

Содержатся методические указания и задание к выполнению контрольной работы для студентов заочной формы обучения по специальностям: «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство», «Мосты и транспортные тоннели», «Промышленное и гражданское строительство».

Рецензент д-р техн. наук, проф. (РГУПС)

путей сообщения, 2011

1 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЗАДАНИЮ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

1.1 ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА

Курс «Инженерная геология» позволяет студенту оцепить строительную площадку, обосновать возможность выбора на ней конструкции сооружения и способа производства работ.

Инженерная геология изучает процессы, вызванные строительством, и все эти процессы имеют природные аналоги. Среди задач, решаемых инженерной геологией, большое значение имеют следующие: обоснование расположения строительной площадки, геологическое строение и литологический состав толщ пород, их мощности и условия залегания, строительные свойства (особенно прочностные и деформационные), гидрогеологические условия (классификация подземных вод, взаимное расположение водоносных и водовмещающих пород, амплитуды колебаний уровней подземных вод, сведения об агрессивности и др.), сейсмические условия (проявляющиеся в районе строительства), процессы внешней динамики (экзогенные процессы) – выветривание, склоновый снос, сель, карст, оползни, просадки и набухание грунтов и т. п., прогноз развития экзогенных процессов.

Изучение курса предусматривает выполнение студентом контрольной работы, в которой он освещает: основные сведения о Земле, минералы и горные породы, геологическую историю, процессы внутренней и внешней динамики Земли, гидрогеологические условия и методы инженерно-геологических исследований.

1.2 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ

Основные сведения о Земле включают:

1 Современные гипотезы образования Земли.

2 Оболочки Земли и их взаимодействие.

3 Температурный режим Земли. Понятия «геотермическая ступень» и

«геотермический градиент».

4 Средний химический состав Земли.

1.3 МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Строительные свойства горных пород существенно зависят от свойств входящих в их состав минералов. Студент должен знать и уметь определять главнейшие породообразующие минералы по внешним признакам, обусловленным физическими, оптическими и механическими свойствами, классы минералов и их породообразующее значение.

К физическим свойствам минералов относятся: форма нахождения минералов в природе (одиночные, двойные, друзы, зернистые агрегаты, секреции, конкреции и натечные образования); форма кристаллов или сингония (кубическая, тетрагональная, ромбическая, моноклинная и триклинная.)

Оптические свойства – цвет и цвет черты; прозрачность (непрозрачные, прозрачные, полупрозрачные или просвечивающие); блеск (металлический, стеклянный, алмазный, перламутровый и т. д.)

К механическим свойствам относятся: излом (ровный, неровный или раковистый, зернистый, занозистый или игольчатый, землистый); спайность (весьма совершенная, совершенная, средняя, несовершенная, весьма несовершенная); твердость (шкала относительной твердости Мооса.

В основе принятой в настоящее время классификации минералов лежат химический состав и структура. Она включает классы: самородных элементов, сульфидов, галоидных соединений, оксидов и гидрооксидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов и силикатов.

Студент должен знать: происхождение горной породы, минералогический состав, строение (структуру и текстуру), формы залегания, место той или иной пароды в инженерно - геологической классификации, физико-механические свойства, практическую значимость.

По происхождению (генезису) горные породы подразделяются на три класса: магматические, осадочные и метаморфические.

Среди магматических пород выделяются интрузивные, т. е. застывшие на глубине, и эффузивные или вулканические, т. е. застывшие на поверхности в результате вулканической деятельности.

Осадочные горные породы подразделяются:

по способу образования (осадконакопления) на элювиальные, делювиальные, аллювиальные, ледниковые, озерные, морские и техногенные; по степени цементизации – рыхлые (несцементированные) и сцементированные; по гранулометрическому составу – крупно-, средне-, и мелкообломочные и глинистые.

Среди осадочных пород выделяются три группы:

Обломочные породы, возникающие в результате механического разрушения и накопления образовавшихся обломков (зерен). Глинистые породы – продукт преимущественно химического разрушения пород и накопления глинистых минералов. Химические (хемогенные) и органогенные породы, образовавшиеся в результате химических и биологических процессов.

Метаморфические горные породы являются результатом преобразования пород разного генезиса под воздействием температуры, давления и флюидов, т. е. метаморфических процессов.

Существует следующая классификация типов метаморфизма: динамометаморфизм, автометаморфизм, контактовый и региональный.

1.4 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД

В строительной практике горные породы называют грунтами. Грунты (породы) являются многокомпонентными системами, и их строительные свойства от соотношения различных компонентов сильно меняются. По видам связей в грунтах выделяют грунты с жесткими связями между частицами (скальные и полускальные) и грунты без жестких связей (нескальные). Для скальных грунтов на первое место выступает определение трещиноватости, для нескальных – физико-механические свойства. В инженерных расчетах используют многие параметры и числовые значения свойств грунтов. Среди этого множества особое значение имеют сжимаемость и прочность. Сжимаемость грунтов определяет возможную осадку сооружения, а прочность лимитирует величину нагрузки на основание. Устойчивость склонов тесно связана с прочностью слагающих пород. Сжимаемость грунтов определяется экспериментально коэффициентом уплотнения или величиной модуля общей деформации «Е». Прочность пород определяют испытанием на сдвиг или одноосное сжатие. В массиве пород наиболее слабые разности будут определять прочность всего массива, даже если их толщина составляет несколько миллиметров.

1.5 ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ И ВОЗРАСТ ГОРНЫХ ПОРОД

Знание возраста горных пород необходимо для прогнозирования инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации сооружений различного типа и назначения на основе построения графических материалов-колонок скважин, разверток шурфов и канав, инженерно-геологических разрезов и карт.

Для выражения времени в истории Земли пользуются относительной и абсолютной геохронологией.

Установление относительного возраста отложений заключается в выяснении последовательности формирования толщ горных пород с заключенными в них органическими остатками. При этом следует руководствоваться правилом, что каждый вышележащий слой горных пород моложе подстилающего. Такая закономерность позволяет говорить о последовательности слоев пород и об их относительном возрасте.

Для определения относительного возраста применяются следующие методы: литологический, палеонтологический, микропалеонтологический, споропыльцевой и палеомагнитный.

Под абсолютной геохронологией понимается возраст образования пород в астрономических единицах – годах, продолжительность которых признается абсолютной, неизменной в масштабе времени. Определение абсолютного возраста горных пород стало возможным в связи с открытием процесса радиактивного распада неустойчивых изотопов целого ряда химических элементов, который идет с постоянной скоростью и не зависит от внешних воздействий.

Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в различных временных диапазонах.

Студент должен знать сущность методов определения относительного и абсолютного возраста толщ горных пород, названия возрастных единиц (эр, периодов, эпох) и их обозначения (индексы) международной геохронологической шкалы, иметь представление об основных этапах истории развития Земли.

1.6 ПРОЦЕССЫ ВНУТРЕННЕЙ ДИНАМИКИ

(ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ)

От внутренних оболочек Земли поступают виды энергий: термодинамическая, механическая и ядерного распада. Эта энергия вызывает процессы внутренней динамики, основанные на действии тектонических сил. Землетрясения, вулканы, дрейф континентов, подъемы и. опускания значительных участков поверхности складкообразования – всё это процессы внутренней динамики. С ними связаны формы рельефа земной поверхности, различные нарушения залегания пород. В связи с этим студент должен знать:

1) виды разрывных нарушений залегания пород;

2) виды складчатых нарушений залеганий пород;

3) зависимость интенсивности землетрясений от геоморфологического строения местности, состава и обводненности пород;

4) особенности строительства в сейсмических районах.

1.7 ПРОЦЕССЫ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ (ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ)

Экзогенные процессы происходят в результате воздействия внешних оболочек Земли. Сюда относится целый спектр процессов, среди которых различают физико-химические и биохимические процессы, связанные с изменением температурного с деятельностью поверхностных и подземных вод. Следует четко представлять, что выветривание, эоловые процессы, плоскостной смыв, оврагообразование, речная эрозия, абразия – укладываются в геологическое время и условия их возникновения предопределены процессами историко-геологического характера (например, тектоническими процессами). Эти процессы развиваются на контакте с взаимодействующей средой.

К основным экзогенным процессам, предопределяющим формирование современного рельефа, накопление отложений различного генезиса, относятся: выветривание, денудация, эрозия, аккумуляция.

Выветривание – разрушение горных пород на месте их залегания под действием солнечной радиации, ее изменения, колебания температур на поверхности почвы.

Денудация – это совокупность процессов выветривания, плоскостного смыва, гравитация, накопления делювия, т. е. процессы разрушения земной поверхности под влиянием поверхностных вод, льда, ветра, и т. д., перенос и отложение продуктов разрушения.

Эрозия – разрушительная деятельность ледников и ветра, имеющих линейную направленность и обусловивших формирование глубоко врезанных форм эрозионного рельефа.

Аккумуляция – формирование отложений различного происхождения в зависимости от способа накопления осадков (аллювиальный, озерный, морской, ледниковый, эоловый, гравитационный, элювиальный).

К экзогенным относятся физико-геологические процессы и явления – оползневые, карстовые, селевые, суффозийные, просадочные, плывунные и мерзлотные.

При изучении оползневых явлений необходимо знать механизм образования оползней, их стадийность, определить строение и состав оползневого тела, устойчивость пород на склонах, общую и местную потерю устойчивости, типы оползней и наметить противооползневые мероприятия.

Изучение карстовых процессов включает знание пород, с которыми связано образование карстов, формы карстового рельефа и противокарстовые мероприятия.

Сели, наряду с оползнями, являются наиболее опасными и разрушительными для инженерных сооружений. При их изучении необходимо установить причину селеобразования, знать состав селевых масс, комплекс противоселевых мероприятий.

1.8 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Знание гидрологических условий связано со многими инженерными решениями: выбор дренажных устройств, тип гидроизоляции, расположение водозаборов.

Подземные воды классифицируются по взаимоотношению вода – порода, состоянию, происхождению, условиям залегания, по химическому составу и практическому использованию.

По взаимоотношению «вода – природа» подземные воды подразделяются на кристаллизационную пленочную, гравитационную, капиллярную и т. д.; по состоянию – твердую (лед), жидкую, парообразную; по происхождению – ювенильную, инфильтрационную, реликтовую; по практическому использованию – питьевая, в сельском хозяйстве, промышленная, лечебная; по условиям залегания – почвенная влага, верховодка, грунтовая, напорная (артозианская), трещинная и т. д.

Студент должен знать следующие основные сведения о подземных водах:

Химический состав подземных вод. Агрессивность подземных вод. Основной закон фильтрации. Способы определения коэффициента фильтрации. Санитарные требования к питьевой воде. Плоские и радиальные потоки подземных вод. Радиус влияния колодца (скважины). Влияние верховодки и капиллярного поднятия на условия строительства. Стационарные наблюдения за уровнем подземных вод.

1.9 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Инженерные исследования обычно представляют комплекс различных методов. Объем и содержание исследований прямо зависят от сложности геологического строения, гидрогеологических условий, степени изученности района и конструктивных особенностей сооружения.

В последние годы производственная деятельность человека привела к загрязнению воздуха и водных источников промышленными отходами. Человек становится геологическим фактором. Растут объемы земляных работ, в частности на строительстве железных дорог. Перемещаются огромные объемы грунтов. Нарушаются геологические гидрогеологические и биологические взаимосвязи. Все это приводит к изменению не только местных, но и региональных природных условий.

Студент должен знать:

Задачи и объемы инженерно-геологических исследований. Геофизические методы (площадные и пенетрационные). Космические методы. Буровые и горные работы. Методы инженерно-геологических исследований для строительства железных дорог.

2 ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Контрольная работа закрепляет теоретические знания и заключается в письменных иллюстрированных схемами-ответах на 8 контрольных вопросов. Требования к оформлению – стандартные. Номер варианта определяется двумя последними цифрами учебного шифра: числом десятков и единиц. Исходные данные помещены в табл. 1–9. Общие указания к решению задачи устойчивости склона излагаются в приложении. Решение задачи не входит в задание контрольной работы, и вопрос о выполнении расчета определяется преподавателем.

СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Введение.

1 Минералы (табл. 1) и породы (табл. 2), отвечая на вопросы, помещенные в примечаниях к этим таблицам, основные физико - механические свойства горных пород.

2 Абсолютный и относительный возраст пород. Пользуясь данными табл.3 и 4, назовите эры и периоды геологической истории Земли.

3 Сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Схемы нарушений форм залегания пород (табл. 5), зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участка, состава и обводнённости пород.

4 Сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите процессы (табл. 6) и возможные защитные мероприятия.

5 Условия образования и строительные свойства грунтовых отложений (табл. 7).

6 Классификации подземных вод. Разные фазовые состояния воды в породах, а также условия залегания и движения подземных вод (табл. 8).

7 Методы инженерно-геологических исследований (табл. 9).

8 Расчет устойчивости склона.

Таблица 1 Исходные данные к описанию минералов

Число

единиц

шифра

Минерал

Примечание

Авгит

Биотит

Гипс

Кальцит

Каолинит

Кварц

Ортоклаз

Полевой шпат

Мусковит

Ортоклаз

При описании минералов следует назвать:

класс, химический состав, цвет, цвет черты, блеск, спайность, излом, твердость, реакция с НС1 и указать породы, в которые входит этот минерал

Таблица 2

Исходные данные к описанию пород
Число	Число
десятков	Породы	единиц	Породы
шифра	шифра
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	Гранит, мергель Габбро, песок Диорит, суглинок Андезит, глина Базальт, торф Дунит, лёсс Опока, мергель Известняк, песчаник Сиенит, супесь Брекчия	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	Глинистый сланец Мрамор Гнейс Кварцит Слюдяной сланец Мраморизованный известняк Аргиллит Конгломерат Мел Торф

Примечание к табл. 2. В описании пород указать происхождение, минералогический состав, структуру, текстуру, цвет, реакцию с НО, практическое применение

Таблица 3
Исходные данные к вопросу определения возраста пород

Число десятков	Индексы	Число единиц	Индексы
шифра	шифра
0	QIV, E	0	QIII, O1
1	N2, J1	1	N1, C3
2	QII, С2	2	Q1, QIII
3	К2, O1	3	К1, С2
4	J3, QIV	4	J2, QIII
5	T3, S1	5	T1,Q1
6	T2, O1	6	C3, O2
7	C1, N1	7	С2, N1
8	D3, QIII	8	S2, D1
9	O3, N2	9	C2, T1

Таблица 4

Геохронологическая таблица

Эра	Период	Отдел
Кайнозойская KZ	Четвертичный (антропогеновый) – Q	Современный (голоцен) – QIII Верхнечетвертичный – QIII Среднечетвертичный – QII Нижнечетвертичный – QI
Неогеновый – N	Плиоцен – N2 Миоцен – N1
Палеогеновый – Р	Олигоцен – Р3 Эоцен – Р2 Палеоцен – P1
Мезозойская MZ	Меловой – К	Верхнемеловой – К2 Среднемеловой – К1
Юрский – J	Верхнеюрский – J3 Среднеюрский – J2 Нижнеюрский – J1
Триасовый – Т	Верхнетриасовый – Т3 Среднетриасовый – Т2 Нижнетриасовый – T1
Палеозойская PZ	Пермский – Р	Верхнеюрский – Р2 Среднеюрский – P1
Каменноугольный – С	Верхнекаменноуг. – С3 Среднекаменноуг. – С2 Нижнекаменноуг. – C1
Девонский – D	Верхнедевонский. – D3 Среднедевонский. – D2 Нижнедевонский. – D1
Силурийский – S	Верхнесилурийск. – S2 Среднесилурийск. – S1
Ордовикский – О	Верхнеордовик. – О3 Сред неордовик. – O2 Нижнеордовик. – O1
Кембрийский – E	Верхнекембрийск. – E3 Среднекембрийск. – E2 Нижнекембрийск. – E1
Протерозойская PR	Местные подразделения	–
Архейская AR	Местные подразделения	–

Таблица 5 Исходные данные к описанию форм дислокаций пород

Число

единиц шифра

Формы дислокации

десятков шифра

Формы дислокации

5678

Сброс Сдвиг

Складка

Моноклиналь

Флексура

Горст

Грабен

Взброс

Ступенчатый сброс

Сдвиг

2 3

Надвиг

Моноклиналь

Грабен Взброс

Ступенчатый сброс

Флексура

Горст

Складка

Надвиг

Сброс

Таблица 6 Исходные данные к описанию процессов внешней динамики

Число единиц шифра	Процессы	Число десятков шифра	Процессы
0	Выветривание	0	Сели
1	Эрозия	1	Процессы в многолетн. мерзлоте
2	Курумы	2	Плывуны
3	Плоскостной смыв	3	Абразия
4	Почвообразование	4	Процессы увлажнения от строительства плотин
5	Заболачиваемость	5	Суффозия
6	Карст	6	Химическая суффозия
7	Оползни	7	Процессы, вызванные динамическими воздействиями
8	Просадки лёссов	8	Обвалы
9	Просадки лёссовидных суглинков	9	Процессы, вызванные строительством железных дорог

Таблица 7

Исходные данные к описанию условий образования грунтовых отложений

Число	Число
единиц	Отложения	единиц	Отложения
шифра	шифра
0	эоловые	1	морские
2	элювиальные	3	делювиальные
4	аллювиальные	5	пролювиальные
6	озерные	7	болотные
8	техногенные	9	ледниковые

Таблица 8

Исходные данные к вопросу о состоянии и условиях залегания воды в горных породах

Число	Число
единиц	Состояние воды	десятков	Состояние воды
шифра	шифра
0	Гравитационная	0	Грунтовая
1	Гигроскопическая	1	Верховодка
2	Парообразная	2	Грунтовая
3	Пленочная	3	Межпластовая напорная
4	В твердом состоянии	4	Трещинно-карстовая
5	Пленочная	5	Межпластовая безнапорная
6	Гигроскопическая	6	Трещинная
7	Гравитационная	7	Верховодка
8	Парообразная	8	Межпластовая безнапоная
9	Пленочная	9	Верховодка

Таблица 9 Исходные данные к описанию методов инженерно-геологических изысканий

Число единиц шифра	Методы	Число десятков шифра	Методы
0	Инж.-геол. съемка	0	Космические методы
1	Бурение скважин	1	Определить, коэф. фильтрации
2	Проходка шурфов	2	Динамич. зондирование пород
3	Лаборат. исследования физ.-мех. свойств пород	3	Полевые методы исследования сжимаемости пород
4	Статическое зондирование грунтов	4	Определение возраста пород
5	Определение просадочности пород	5	Определение прочности пород
6	Динамическое зондирование пород	6	Определение устойчивости склонов
7	Геофизические методы	7	Определение динамических свойств пород
8	Определение прочности пород	8	Определение газопроницаемости пород
9	Аэрофотометоды	9	Сейсморазведка

Приложение

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К РАСЧЕТУ УСТОЙЧИВОСТИ СКЛОНА

Наиболее часто применяемые методы расчета устойчивости склонов основаны на схеме вертикальных элементов-отсеков (см. рисунок).

Часть склона, ограниченную дневной поверхностью y=y(x) и возможной или действительной поверхностью скольжения y=y(x), аппроксимируют системой отсеков 1,2, ...,i, ..., п – 1, п.

Для i-го отсека (i=1, 2, 3, .., п) даны геометрические параметры (yi, yi; уi-1, уi-1 – ординаты вершин, bi, – ширина отсека) и геотехнические параметры (гi, – объемная масса грунта, сi, tgцi – коэффициенты сцепления и трения на поверхности скольжения).

Устойчивость склона оценивают числом к, называемым коэффициентом устойчивости. Считаем, что склон устойчив, если к≥1,3. Если это условие не выполнено, то должны быть осуществлены инженерные мероприятия, повышающие устойчивость склона (террасирование, устройство удерживающих сооружений и т. д.).

В задачу студента входит вычисление коэффициента устойчивости склона и выяснение вопроса о целесообразности соответствующих инженерных мероприятий.

Численный пример

Дан склон с геометрическими параметрами, приведенными в табл. 10

Таблица 10

i	0	1,0	2,0	3
ŷi	9	8,8	6,3	0
yi	9	1,5	-1,0	0
bi	0	6,0	6,0	7

Пользуясь формулой 5 (табл. 11) и принимая г=1,8 т/м3 , с=0,6 т/м2 tgц=0,20, получим, как легко проверить, k=0,757. В данном случае, очевидно, требуются мероприятия, повышающие устойчивость склона.