Раздел 6. Инженерная геология

Таблица 4. Разновидности дисперсных грунтов

Б.2.1 По размерам (ГОСТ 12536) слагающие грунт элементы

Слагающие грунт элементы	Фракции	Размер, мм
Валуны (глыбы)	Крупные Средние Мелкие	˃ 800 400 – 800 200 – 400
Галька (щебень)	Крупные Средние Мелкие	100 – 200 60 – 100 10 – 60
Гравий (дресва)	Крупные Мелкие	4 – 10 2 – 4
Песчаные частицы	Грубые Крупные Средние Мелкие Тонкие	1 – 2 0,5 – 1 0,25 – 0,5 0,10 – 0,25 0,05 – 0,10
Пылеватые частицы	Крупные Мелкие	0,01 – 0,05 0,002 – 0,01
Глинистые частицы		˂ 0,002

Б.2.1 По гранулометрическому составу (ГОСТ 12536) крупнообломочные грунты и пески подразделяются

Инженерно-геологическая оценка дисперсных и связных грунтов осуществляется по водно-физическим (водопроницаемость, набухание и усадка, размокание, пластичность, липкость) и механическим свойствам (деформация, прочность, степень плотности, выветрелость, гранулометрический состав, угол естественного откоса, сжимаемость, сопротивление сдвигу), почв (рыхлость, размокаемость, засоленность, набухание), мерзлых и техногенных грунтов.

Наиболее сложными по своим свойствам являются дисперсные (раздробленные) грунты. Обычно они содержат три составные части (фазы) – минеральную (твердые частицы), жидкую (вода) и газообразную (воздух, водяной пар, другие газы). Мерзлые грунты содержат также лед. Полностью водонасыщенный грунт считают двухфазной системой (грунтовая масса).

В дисперсных грунтах выделяют прочносвязанную (гигроскопическая), рыхлосвязанную (пленочная) и свободную (гравитационная и капиллярная) воду. Связанная вода существенно влияет на свойства глинистых грунтов и практически отсутствует в песчаных. Перемещение пленочной воды называется миграцией. Гравитационная вода перемещается (фильтрует) во всех грунтах под действием разности напоров. Для большинства грунтов выполняется закон ламинарной фильтрации Дарси в виде

, (1.1)

где J = H/ℓ - гидравлический градиент;

К_ф – коэффициент фильтрации .

Из (1.1) К_ф - это скорость фильтрации при J =1.

В плотных глинистых грунтах фильтрация затрудняется оболочками связанной воды; считают, что фильтрация в них начинается лишь по достижении некоторого начального градиента напора J_n. Уравнение (1.1) при этом принимает вид: , где J_n – начальный градиент.

Значения К_ф и J_n определяются экспериментально.

Капиллярная вода удерживается в порах грунта за счет сил поверхностного натяжения. Высота капиллярного поднятия в грунтах растет с дисперсностью, составляя от 3…5 см в крупных песках до нескольких метров в глинистых грунтах.

Под структурой понимаются размеры, форма, характер поверхности минеральных частиц грунта и характер связей между ними. Последние называются структурными связями и определяют прочность связных грунтов.

В пылевато-глинистых грунтах различают структурные связи:

1. Водно-коллоидные, зависящие от сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностями твердых частиц и их водными оболочками. Эти связи пластичны и обратимы.

2. Кристаллизационные связи, возникающие вследствие кристаллизации на поверхности частиц различных соединений из поровых растров. Это связи хрупкого типа и они практически необратимы.

Для глинистых грунтов наряду с влажностью важным является понятие консистенции, характеризующее степень подвижности грунта. Консистенция может быть твердой, пластичной и текучей. Влажности, соответствующие границам между этими состояниями, называются пределами пластичности или раскатывания W_P (граница между твердым и пластичным состояниями) и текучести W_L (между пластичным и текучим).

Разность этих пределов называется числом пластичности

Число пластичности тесно связано с содержанием в грунте глинистой фракции и поэтому используется в классификации:

J_P ≤ 0,07 - супесь, 0,07  J_P ≤ 0,17 - суглинок; J_P > 0,17 – глина.

Состояние грунта удобно характеризовать показателем текучести

Для песчаных грунтов очень важно состояние по плотности сложения: плотное, средней плотности, рыхлое. В последнем состоянии грунт дает большие деформации, особенно при динамических воздействиях.

Грунт крупнообломочный - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.

Песок - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % (I_p= 0).

Грунт глинистый - связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности I_p 1.

Ил - водонасыщенный современный осадок преимущественно морских аквато­рий, содержащий органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса. Обычно верхние слои ила имеют коэффициент пористости е 0,9, текучую консистенцию I_L > 1, содержание частиц меньше 0,01 мм составляет 30-50 % по массе.

Сапропель - пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов и содержащий более 10 % (по массе) органического вещества в виде гумуса и растительных остатков. Сапропель имеет коэффициент пористости е > 3, как правило, текучую консистенцию I_L > 1, высо­кую дисперсность-содержание частиц крупнее 0,25 мм обычно не превышает 5 % по массе.

Торф - органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмира­ния и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % (по массе) и более органических ве­ществ.

Грунт заторфованный - песок и глинистый грунт, содержащий в своем составе в сухой навеске от 10 до 50% (по массе) торфа.

Почва - поверхностный плодородный слой дисперсного грунта, образованный под влиянием биогенного и атмосферного факторов.

Крупнообломочные и песчаные грунты – продукты физического выветривания скальных пород. В крупнообломочных более 50% составляют обломки (частицы) размером > 2мм; в песчаных - их менее 50%. Содержание глинистой фракции для песчаных грунтов должно быть менее 3%.

Свойства указанных грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составами и состоянием по плотности сложения. Для некоторых разновидностей (мелкие и пылеватые пески) имеет значение также степень заполнения пор водой. Плотные крупнообломочные и песчаные грунты являются обычно надежным основанием сооружений. Однако рыхлые пески интенсивно уплотняются при динамических воздействиях.

Пылевато-глинистые грунты – продукт физического и химического выветривания горных пород. В зависимости от содержания глинистой фракции их подразделяют на супеси (3…10%), суглинки (10…30%) и глины (> 30 %). Свойства этих грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом и содержанием воды, т.е. влажностью. Для них характерны такие свойства, как способность принимать твердое, пластичное или текучее состояние в зависимости от влажности, набухание, размокание, липкость, усадка.

В группу особых выделяются: илы, торфы, заторфированные грунты, просадочные лессы и лессовидные грунты, мерзлые и вечномерзлые, засоленные грунты и др.

Определяющим свойством грунтов этой группы является их структурная неустойчивость. Это способность структурных связей быстро разрушаться при некоторых воздействиях, нехарактерных для обычных условий формирования и существования таких грунтов. При этом основание получает большие по величине и быстро протекающие осадки, называемые просадками. Соответственно грунты этой группы характеризуются как просадочные.

Б.1.7 По водопроницаемости

Разновидность дисперсных грунтов	Коэффициент фильтрации kф, м/сут
Водонепроницаемый Слабоводопроницаемый Среднерастворимый Легкорастворимый Сильно растворимый	kф ≤ 0,005 0,005 ˂ kф ≤ 0,3 0,3 ˂ kф ≤ 3 3 ˂ kф ≤ 30 kф ˃ 30

Класс мерзлых грунтов характеризуется криогенными и другими структурными связями (за счет льда): подкласс скальных – с криогенными и одновременно с кристаллизационными и цементационными структурными связями, подкласс дисперсных – с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями, подкласс ледяных грунтов – только с криогенными связями.

Тема 6.3. Основы инженерной геологии массивов горных пород: понятие о массиве, различие свойств пород в образце и массиве, определение свойств пород в массиве, инженерно-геологическая типизация массивов горных пород [16, 20, 23, 24, 25].

Массив горных пород - часть земной коры: - состоящая из совокупности горных пород, сформировавшихся в определенной геологической обстановке; - характеризующаяся присущими ей физическими, химическими и геологическими параметрами.

Тема 6.4. Геодинамическая обстановка производства горных работ; горно-геологические явления при разработке месторождений подземным и открытым способом [16, 20, 21].

Инженерная геология изучает все геологические процессы, которые могут оказывать то или иное влияние на инженерные сооружения, и , и в свою очередь, как эти сооружения повлияют на природную геологическую обстановку. Следует уяснить разницу между геологическими и инженерно-геологическими процессами.

Уплотнение лессов в процессе диагенеза и соответственно просадочные явления в лессах при утечках воды из водопроводов.

Наледи, термокарст – мерзлотные деформации пород в основаниях сооружений и пучины на дорогах.

Оползни, оплывины, обвалы, осыпи – деформации искусственных откосов.

Абразия по берегам морей, озер – переработка берегов водохранилищ.

Провалы над карстовыми пустотами – сдвижение горных пород при подземных разработках.

Геологические процессы следует изучать от причин их возникновения, развитие во времени, скорости развития, оценке характеристик, последствий на строительство и на работу зданий и сооружений.

С инженерно-геологической точки зрения – изменение физического состояния и физико-механических свойств горных пород, что снижает устойчивость горных пород в основаниях сооружений, естественных и искусственных откосах, горных выработках и т.д. Магматические породы на земной поверхности превращаются в рухляки различного состава. Механические свойства основных и ультраосновных ниже, чем кислых и средних пород (наличие прочного кварца). Характерной чертой крупнообломочных пород этого вида является более высокая прочность. Элювиальные глины склонны к набуханию (увеличение объема при увлажнении) и усадке (уменьшение объема при высыхании), что ухудшает условия эксплуатации зданий и сооружений.

Элювий метаморфических пород по физико-механическим свойствам ближе к дисперсным грунтам основных и ультраосновных пород.

Кора выветривания осадочных пород отличается разнообразием: хемо и органогенные породы большей частью растворяются. В сцементированных - в первую очередь разрушается цемент (кремнистый, железистый, карбонатный, глинистый).

Степень выветрелости определяется коэффициентом – отношением плотности выветрелой к плотности невыветрелой породы.

Меры борьбы с выветриванием. Сооружение фундамента зданий до невыветрелой породы. Крутизну откосов определяют с учетом прочности пород. Предотвращение выветривания: покрытие пород материалами (гудрон, бетон, синтетики), пропитывание пород (цемент, жид стекло и т.д), нейтрализация агентов выветривания (насыщение солями соленых вод, сооружение ливнестоков, канав), планировка территории и отвод воды.

Тема 6.5. Инженерно-геологические исследования на стадиях предварительной, детальной и эксплуатационной разведки; особенности инженерно-геологических исследований при подземной и открытой разработке месторождений [6, 7, 8, 9, 10,11, 13, 16, 20, 22].

Этапы инженерно-геологических изысканий.

Инженерно-геологические изыскания проводятся согласно технического задания, которое выдает инженер-строитель, занимающийся проектированием объекта.

Работы по изысканию выполняет специализированная организация.

Результаты работы – инженерно-геологический отчет.

Примечание. Обязательно участие инженера-геолога на стадиях изысканий, строительства и эксплуатации объекта.

Задачи исследований.

1. Изучение геологического строения участка.

2. Изучение геоморфологии.

3. Изучение гидрогеологических условий.

4.Изучение природных геологических и инженерно-геологических процессов.

5. Изучение свойств горных пород.

6. Прогноз изменения горных пород при строительстве и эксплуатации объекта.

Изыскания производятся в соответствии со СНиП 11.02-96. Инженерные изыскания для строительства.

Порядок изысканий.

Перед проектированием.

* Подготовительный этап: сбор, изучение и анализ имеющейся геологической документации по району строительства.

* Полевые работы: инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка (1: 200000, 1: 10000); буровые и горнопроходческие разведочные работы; геофизические исследования; опытные полевые работы; стационарные наблюдения.

* Лабораторные исследования грунтов и подземных вод.

* Камеральная обработка и составление отчета.

В период строительства.

* Сверка геологических и гидрогеологических данных.

* Проведение дополнительных инженерно-геологических работ.

* Внесение изменений в проект (при необходимости).

При эксплуатации зданий, сооружений.

* Работы с подтвержением прогноза устойчивости объектов.

* Наблюдения за осадками грунтов, режимом грунтовых вод, рек и т.п. с целью установления причин деформаций и разработка мер по их устранению.

Методы и технические средства, используемые при изысканиях.

Методы:

- инженерно-геологическая съемка масштаба от 1: 200000 до 1: 10000 и крупнее (основа – геологическая карта местности, при геоморфологических исследованиях уточняют рельеф, возраст, происхождение; при геологических работах определяют условия залегания, мощность, возраст, тектонические особенности, выветрелость и т.п. по выходам горных пород на поверхность);

- аэрокосмические методы.

Технические средства разведки.

Назначение:

- выяснение геологического строения;

- выяснение гидрогеологических условий строительства;

- отбор проб грунтов и подземных вод;

- проведение опытных работ и стационарных наблюдений.

1. Буровые скважины – это вертикальные или наклонные выработки круглого сечения малого диаметра (100-150мм), пройденные с помощью специального инструмента (Н керна 20-30мм, объем воды 0,5-2л).

2. Расчистки, канавы, штольни – горизонтальные выработки.

3. Шурфы – вертикальные выработки (1*1; 1,5*1,5; дудки – круглого сечения, диаметром 1м; глубина 2-3м, максимальная 4-5м; пробы размером от 10*10*10 до 30*30*30мм).

Достоинства и недостатки проведения выработок и скважин.

1. Высокая скорость, механизация, мобильность буровых работ при небольшом сечении.

2. Высокая детализация при проведении горных выработок при высокой стоимости и трудоемкости работ.

Геофизические методы.

Применяются как самостоятельные методы, так и параллельно с другими исследованиями (каротаж скважин).

К геофизическим методам относятся: сейсмометрия (основан на создании сейсмических вол и их изучении - не точен), электрометрия (электрокаротаж – основан на исследовании искусственно созданного электрического поля – электропрофилирование или электрозондирование).

Геологические карты и разрезы.

Геологические карты – проекция геологических структур на горизонтальную плоскость. Различают: карты коренных пород (стратиграфические, литологические, страто-литологические) и карты четвертичных отложений.

Инженерно-геологические карты:

- карты инженерно-геологических условий – общая оценка природных условий местности;

- карты инженерно-геологического районирования – регионы, области, районные и т.д.;

-карты специально назначения – оценка инженерно-геологических условий, прогноз инженерно-геологических явлений.

Масштабы карт (по назначению и детальности содержания):

- общие обзорные от 1: 500000 и мельче;

- среднего масштаба от 1: 200000 до 1: 100000;

- детальные крупномасштабные от 1: 10000 и крупнее.

Геологические разрезы – проекции геологических структур на вертикальную плоскость (дополнение к геологическим картам). Выявляют геологическое строение на глубину.

Порядок построения.

1. Закладывают линию разреза – прямую или ломаную линию.

2. Построение топографического профиля.

3. Перенесение на профиль всех геологических, гидрогеологических данных.

Оформление: масштаб, стратиграфические индексы, условные обозначения горных пород, подземных вод, физико-геологических явлений ит.д.

Инженерно-геологические элементы на территории строительства (ИГЭ) – слой, часть слоя и т.д. Цель выделения ИГЭ: для решения вопросов в выборе модели работы основания фундамента и т.п.

Контрольная работа по разделу 6

Вариант 1

1. Инженерная геология (цели, задачи)?

2. Физико-механические свойства дисперсных грунтов?

3. Дайте характеристику физического способа улучшения грунтов: водопонижение?

Вариант 2

1. Что понимают под грунтом?

2. Физико-механические свойства скальных грунтов?

3. Дайте характеристику физического способа улучшения грунтов: тампонаж?

Вариант 3

1. Что понимают под скальными грунтами?

2. Физико-механические свойства мерзлых грунтов?

3. Дайте характеристику физического способа улучшения грунтов: искусственное замораживание?

Вариант 4

1. Что понимают под массивом горных пород?

2. Физико-механические свойства дисперсных грунтов?

3. Дайте характеристику химического способа улучшения грунтов: силикатизация?

Вариант 5

1. Что понимают под дисперсными грунтами?

2. Физико-механические свойства скальных грунтов?

3. Дайте характеристику химического способа улучшения грунтов: смолизация?

Вариант 6

1. Что понимают под мерзлыми грунтами?

2. Физико-механические свойства мерзлых грунтов?

3. Дайте характеристику электрохимического способа улучшения грунтов?

Вариант 7

1. Что понимают под массивом горных пород?

2. Физико-механические свойства мерзлых грунтов?

3. Дайте характеристику химического способа улучшения грунтов: силикатизация?

Вариант 8

1. Что понимают под дисперсными грунтами?

2. Физико-механические свойства скальных грунтов?

3. Дайте характеристику химического способа улучшения грунтов: смолизация?

Вариант 9

1. Что понимают под мерзлыми грунтами?

2. Физико-механические свойства дисперсных грунтов?

3. Дайте характеристику физического способа улучшения грунтов: искусственное замораживание?

Вариант 10

1. Что понимают под скальными грунтами?

2. Физико-механические свойства мерзлых грунтов?

3. Дайте характеристику химического способа улучшения грунтов: силикатизация?