Шостак. А.В. Інженерна геологія - файл n1.doc

приобрести
Шостак. А.В. Інженерна геологія
скачать (1074.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1075kb.14.09.2012 07:56скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8



Київський національний університет імені Тараса Шевченка


Геологічний факультет

Кафедра гідрогеології та інженерної геології


А.В.ШОСТАК

ІНЖЕНЕРНА ГЕОЛОГІЯ
Навчальний посібник


Київ – 2010

УДК 624.131.631.43(075.8)

Р е ц е н з е н т и:

канд. геол.-мін. наук, доц. Корнєєнко С.В.,

канд. геол.-мін. наук, доц. Кошляков О.Є.
Рекомендовано до друку вченою радою геологічного факультету

(протокол №2 від 27 жовтня 2010 року)


Шостак, А.В.
Інженерна геологія : навчальний посібник/ А.В.Шостак. – Інтернет-ресурс Київського університету. – geol.univ@kiev.ua. – 92 с.

В навчальному посібнику подається опис тієї геологічної обстановки, котра вивчається й піддається оцінці під час інженерно-геологічних досліджень. Розглядаються інженерно-геологічні завдання, що розв’язуються за допомогою геоморфологічних, тектонічних та інших методів досліджень, а також питання встановлення за цими даними раціонального об’єму і характеру вишукувальних робіт. Далі розглядаються фізико-геологічні й інженерно-геологічні процеси, котрі впливають на оцінку умов будівництва. Два останні розділи посібника містять поняття про стадійність проектування, склад інженерно-геологічних досліджень та методи інженерно-геологічної оцінки масивів гірських порід.

Для студентів геологорозвідувальних спеціальностей вищих навчальних закладів.


УДК 624.131.631.43(075.8)

©Шостак А.В., 2010

зміст


3.2. Вивітрювання гірських порід і основні його чинники. 28

3.3. Сезонне та багаторічне промерзання гірських порід. 40

40

3.4. Діяльність вітру (еолові процеси). 49

3.5. Діяльність поверхневих вод. 50

3.5.4. Формування берегів природних і штучних водоймищ. 55

3.6. Просідні явища в гірських породах. 59

3.7. Карст. 61

3.8. Болота і заболочені території. 64

3.10. Дія гравітаційних сил на схилах. 69


вСТУП
Інженерна геологія має свій предмет, свої завдання і методи досліджень. Вона розробляє широке коло наукових геологічних проблем і розв’язує практичні завдання, що виникають під час проектування та будівництва різноманітних споруд (цивільних і промислових будівель, міст, доріг, мостів, гідровузлів, теплових і атомних електростанцій, тунелів і метрополітенів, аеродромів, портів, шахт, кар’єрів тощо), під час виконання інженерних робіт з покращання територій (осушення, зрошення, боротьба зі зсувами, сельовими та іншими геологічними явищами), а також під час виконання гірничих робіт на родовищах корисних копалин.

В підручнику розглядається коло завдань, питань і проблем, що становлять зміст головної частини курсу інженерної геології. В ньому наводяться основні положення про геологічні умови будівництва, які визначаються на підставі вивченні рельєфу території будівництва, її геологічної будови, гідрогеологічних умов, поширення тих чи інших типів гірських порід, структурно-тектонічної обстановкиі розвитку геологічних процесів і явищ. В основу посібника покладено курс лекцій, який автор читає на геологічному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Посібник відповідає програмі курсу, котра була свого часу скорочена у зв’язку з переходом на нові освітні стандарти. Тому посібник розрахований не лише на студентів спеціальності «гідрогеологія», але й на студентів ряду інших геологічних спеціальностей. Автор намагався відібрати з циклу інженерно-геологічних дисциплін те, що конче необхідно знати геологам інших спеціальностей. Внаслідок скорочення обсягу лекційних годин довелося відмовитися від викладення в посібнику основ регіональної інженерної геології, яка є невід’ємною частиною інженерної геології і читається тепер лише для студентів-гідрогеологів. Під час розробки посібника автор базувався на результатах новітніх теоретичних досліджень в галузі інженерної геологій та суміжних наук, практики інженерних вишукувань та досвіду проектування, будівництва і експлуатації будівель і споруд.

Перший розділ посібника містить короткі відомості про суть інженерної геології, місце її в ряду інших геологічних наук та історію становлення й розвитку.

У другому розділі посібника подається опис тієї геологічної обстановки, яка вивчається й піддається оцінці під час інженерно-геологічних досліджень. Тут розглядаються інженерно-геологічні завдання, що розв’язуються за допомогою геоморфологічних, тектонічних та інших методів досліджень.

У третьому розділі розглядаються фізико-геологічні та інженерно-геологічні процеси і явища, які впливають на оцінку умов будівництва.

Четвертий розділ містить у собі поняття про стадійність інженерно-геологічних вишукувань відповідно до чиннних нормативних документів, а п’ятий – короткі відомості про методи інженерно-геологічної оцінки масивів гірських порід.

Автор висловлює подяку завідувачу кафедри гідрогеології та інженерної геології О.Є.Кошлякову та доценту С.В.Корнєєнку за рецензування посібника і цінні зауваження, висловлені при цьому, а також співробітникам кафедри, котрі надавали технічну допомогу під час підготовки електронної версії посібника до публікації.
РОЗДІЛ 1. Інженерна геологія як наука. Основні відомості з історії розвитку Інженерної геології. Завдання інженерної геології на сучасному етапі розвитку економіки і господарства.
Інженерна геологія входить у систему геологічних знань про Землю і є геологічною наукою, що межує з технічними науками (будівельною, гірничою), тісно пов‘язана з геологічними (стратиграфією, тектонікою, літологією, гідрогеологією) та іншими природними науками.

Основоположник інженерної геології акад. Ф.П.Саваренський вважав, що “інженерна геологія є галуззю геології, яка трактує питання прикладення геології до інженерної справи”. В одній із своїх робіт (ще у 1934 р.) він писав, що перед інженерною геологією постає подвійне завдання: 1) вибрати і вивчити на наукових засадах місця зведення споруд і 2) дати прогноз зміни природних умов внаслідок втручання людини.

Приблизно в той же час Г.М.Каменський (1936) ввів поняття про інженерно-геологічні процеси та явища. Їх вивчення, оцінка і прогнозування складають основне завдання інженерної геології. До них належать сучасні геологічні процеси та явиша, викликані природними факторами, але змінені (активізовані) інженерно-будівельною діяльністю людини, а також утворені знову під її впливом. Типові приклади – це переробка берегів водосховищ, вплив фільтраційних потоків на гірські породи, зсуви на берегах кар‘єрів і укосах виїмок і т.д. У кожного геологічного процесу є свій інженерно-геологічний аналог.

На думку В.В.Приклонського (1949), інженерна геологія складається з трьох основних розділів:

  1. вчення про гірські породи як ґрунти, включаючи і технічну меліорацію;

2) вчення про інженерно-геологічні явища;

3) регіональна інженерна геологія.

За означенням І.В.Попова, інженерна геологія – це галузь геології, що вивчає будову і динаміку верхньої частини літосфери (гелогічного середовища), як об‘єкт будівельної діяльності людини.

Головними теоретичними й практичними завданнями інженерної геології на сучасному етапі є:

  1. вивчення діяльності людини у верхній частині літосфери як геологічного фактора;

  2. оцінка інженерно-геологічних умов (гірських порід, підземних вод, геологічних процесів тощо);

  3. просторово-часовий прогноз взаємодії геологічного середовища та інженерних споруд (у кількісній формі);

  4. обгрунтування методів управління геологічними та інженерно-геологічними процесами;

  5. спеціалізована типізація та районування території і масивів порід з метою раціонального їх використання, охорони оточуючого середовища і виконання вишукувань.

Таким чином, інженерна геологія є наукою про формування й зміни інженерно-геологічних умов територій, про геологічні умови будівництва і експлуатації споруд, раціональне використання геологічного середовища та його охорони в зв’язку з розвитком геологічних процесів і явищ.


    1. Взаємозв’язок інженерної геології з іншими науками.


На сьогодні інженерна геологія займає цілком визначене положення в науці про Землю і є однією з двох її головних складових. Дійсно, де б у нашій країні або за її межами не виконувалися геологічні дослідження ­– на суші чи на морі, вони завжди спрямовані на розв’язок одного з двох основних завдань: 1) виявлення, розвідку та промислову оцінку родовищ корисних копалин і 2) вивчення й оцінку геологічних умов будівництва різноманітних споруд. Інженерна геологія розвивається на базі інших фундаментальних наук про речовину земної кори, про її історію та будову. Історична геологія, палеонтологія, стратиграфія, кристалографія, мінералогія, петрологія магматичних, метаморфічних і осадочних порід, а також геотектоніка, геоморфологія, гідрологія і гідрогеологія, мерзлотознавство, геофізика, фізична і колоїдна хімія, вчення про водні розчини, фізика і механіка пружних, пластичних і в‘язких, суцільних і дискретних тіл – ось далеко неповний перелік наук про Землю та інших природничих наук, здобутками яких користується інженерна геологія.

У наш час гірнича інженерно-будівельна та господарська діяльність людини є найважливішим геологічним чинником, що змінює стан верхньої частини літосфери та хід сучасних геологічних процесів. Свідченням цього є штучні землетруси, видобуток з надр гігантських мас порід (лише у вугільній промисловості більше 3 млрд. м3/рік), підземних вод, нафти, активізація зсувів об‘ємами до сотень мільйонів кубічних метрів, переробка берегів водосховищ та ін.

У 1944 р. В.І.Вернадський ввів поняття про “ноосферу” – сферу розуму, де людина стає найбільшою геологічною силою”. Справедливість його слів стає все більш очевидною з розвитком науково-технічного прогресу.

Наскільки великим і різноманітним є вплив людини на верхню частину земної кори, стає зрозумілим, якщо пригадати лише деякі факти і цифри, пов‘язані з цим впливом. Наприклад, у районі всесвітньо відомої Курської магнітної аномалії свого часу були створені найбільші кар‘єри для видобутку залізних руд відкритим способом. При підготовці цих кар‘єрів (Михайлівського і Лебединського) до експлуатаціі було знято більше, ніж 170 млрд. м3 порід, які перекривали руди. Із величезних котлованів площею в декілька км2 і глибиною більше 100 м, відбувалося щоденне відкачування 120 тис. м3 води. Це призвело до зміни рівня підземних вод у всьому прилеглому районі.

Гідротехнічне та іригаційне будівництво також охопило території в десятки і навіть сотні тисяч км2. На початок ХХІ століття площі зрошуваних земель у всьому світі досягають 200 млн. га. На жаль, зрошення і створення водосховищ у багатьох випадках призводить до засолення грунтів, заболочування значних територій, до інтенсивного розвитку зсувів, обвалів та інших негативних явищ .

Діяльність людей, пов‘язана з гірничими і будівельними роботами, призводить до переміщення порід об‘ємом не менше 1 км3 на рік, що прирівнюється до денудаційної роботи річок.

Вся інженерно-господарська діяльність людей тісно пов‘язана між собою, і в такому ж тісному зв‘язку опиняються різні види впливу людини на земну кору. Такий інтенсивний вплив на верхню частину земної кори вимагає вивчення інженерно-геологічних умов для великих територій та прогнозу їх зміни під впливом людської діяльності на тривалий час. При цьому під інженерно-геологічними умовами розуміють існуючі в даний час особливості геологічної будови території, складу і властивостей гірських порід, геологічних процесів, рельєфу та підземних вод.

Наприклад, можливе виникнення зсувів у результаті порушення природних схилів, виникнення сельових потоків при вирубці лісу, зміна мерзлотних умов при будівництві і т.д. Процеси і явища, викликані діяльністю людей, дістали назву інженерно-геологічних. Вони відрізняються від подібних, які розвиваються природним шляхом, тим, що для їх проявлення потрібно, як правило, менше часу. Інколи інженерно-геологічні процеси виявляються більш інтенсивними, ніж відповідні процеси у природних умовах.

Інженерна геологія вивчає і оцінює геологічні фактори, що впливають на інженерні споруди: на вибір місця їх розташування, на кострукцію, на способи виконання робіт і т.п. Інженерна споруда, в свою чергу, може змінити існуючі природні геологічні умови і процеси.

Є.М.Сергєєв (1978) визначає інженерну геологію як “науку, що вивчає земну кору як середовище життя і діяльності людини” (згадаймо “ноосферу” В.І.Вернадського).

При цьому, об‘єктом її вивчення є сучасний стан і динаміка зміни верхньої частини земної кори в зв‘язку з інженерною діяльністю людини. Це поняття дуже широке: воно включає в себе всі зміни, що відбуваються у складі, структурі і текстурі гірських порід, зміни їх властивостей і, як наслідок цього, виникнення і розвиток або, навпаки, зникнення різних геологічних процесів, що, в свою чергу, призводить до зміни інженерно-геологічних умов окремих територій.

Відповідно до цього в інженерній геології і виділяють три основні інженерно-геологічні дисципліни:

  1. грунтознавство (вивчає гірські породи як грунти);

  2. інженерну геодинаміку (вивчає як природні геологічні так і інженерно-геологічні процеси і явища);

  3. регіональну інженерну геологію (вивчає закономірності просторово-часової мінливості інженерно-геологічних умов в залежності від історії розвитку земної кори і сучасних фізико-географічних умов).

Виникнення інженерної геології (ІГ) і розвиток її на перших етапах були пов‘язані з будівництвом. Передісторія ІГ складається з двох етапів.

Перший етап, коли будівельники та гірничі інженери самостійно вивчали гірські породи, що є основою, середовищем і матеріалом для різних споруд. Навряд чи можна хоча б приблизно з певністю вказати, коли почали вивчатися гірські породи в зв‘язку з будівництвом. Траплялися і казуси. Про один з них свідчить давньоримський історик Корнелій Тацит (55-120 рр.): “ Якийсь Отілій, вільновідпущеник, зважившись побудувати в Фіденах амфітеатр для гладіаторських вистав, з одного боку, не поклав фундамент на міцному грунті, з іншого, не скріпив міцними скріпами дерев‘яних крокв… Переповнена будівля здригнулася і, обвалюючись всередині та розсипаючись зовні, стрімголов захопила з собою й накрила велику масу смертних, котрі як споглядали видовище зсередини, так і стояли навкруги амфітеатру…”.

Початком же перших наукових досліджень і узагальнення накопиченого матеріалу можна вважати перші десятиліття ХІХ ст. З розвитком промислового капіталізму в Європі, і зокрема в Росії, з‘явилися і перші наукові праці: Д.Лачинова “Рассуждение об устроении и укреплении плотин” (1816), М.Герсеванова “Лекции о морских сооружениях” (1861), В.Карловича “Основания и фундаменты” (1869) та ін. В цих працях гірські породи вже звалися “грунтами”. Але на цьому етапі такими питаннями займалися лише будівельники.

Другий етап передісторії ІГ пов‘язаний із залученням геологів до вишукувань під будівництво (з середини ХІХ по 20-і роки ХХ ст.). Для будівництва залізниць, каналів та ін. Серед геологів, які консультували будівельників, було чимало відомих вчених: Сміт (Англія), Берклі (США), І.В.Мушкетов, В.О.Обручев, О.П.Павлов та ін. О.П.Павлов розробив класифікацію грунтів, побудовану на розгляді сил зчеплення в грунтах, від яких залежать такі їх властивості як стисливість і розмивність.

Початком формування ґрунтознавства слід вважати створення в Петрограді у 1923 р. Дорожньо-дослідницького бюро. Виникло дорожнє грунтознавство, яке з часом при використанні для інших видів будівництва втратило прикметник “дорожнє” і стало зватися більш широко – “грунтознавство”. У 1930 р. була відкрита кафедра грунтознавства в Ленінградському університеті, а у 1938 р. – така ж у Московському. Велике значення для його розвитку (гунтознавства) мали праці П.А.Земятченського, М.М.Філатова, В.В.Охотіна, В.О.Приклонського, І.В.Попова, С.С.Морозова та ін.

У 1925 р. вийшла монографія Карла Терцагі “Будівельна механіка грунтів”, яка поклала початок нової науки “Механіка грунтів”. Це, як відомо, поєднання фізико-математичних, будівельних і геологічних наук.

Власне назва “інженерна геологія” з‘явилася невідомо коли. За спогадами І.В.Попова, “вона носилася в повітрі і застосовувалася російськими геологами вже в 20-х роках”. Вперше під назвою “інженерна геологія” у 1929 р. вийшла книга Редліха, Кампе і Терцагі німецькою мовою, але в ній обгрунтування назви і методологічних основ інженерної геології не було. На думку академіка Є.М.Сергєєва, інженерна геологія як наука сформувалася вперше в Радянському Союзі. Великий внесок в її становлення й подальший розвиток мали праці Ф.П.Саваренського, Г.М.Каменського, Н.Ф.Погребова, І.В.Попова, М.М.Маслова, М.П.Семенова, В.О.Приклонського та ін. вчених, що брали участь у вишукуваннях під будівництво гідроелектростанцій на Волзі, Дніпрі, по трасі каналу Волга-Москва та ін.

В 1929 р. була відкрита кафедра інженерної геології в Ленінградському гірничому інституті, а в у 1931 р. – у Московському геологорозвідувальному інституті.

У 1937 р. вийшли в світ книги: ”Інженерна геологія” Ф.П.Саваренського та “Методика інженерно-геологічних досліджень для гідротехнічного будівництва” (М.П.Семенов, М.І.Біндерман, М.М.Гришин). В 1951 р. вийшов підручник “ Інженерна геологія ” І.В.Попова.

В ті ж роки за кордоном виникла “геотехніка”, в якій на перше місце висувалися механіко-математичні методи аналізу геологічних та інженерно-геологічних явищ, що впливають на стійкість споруд, а загальноприйнятим дослідженням відводилася другорядна роль. Сьогодні не можна сказати, що розвиток інженерної геології завершився. Коло її завдань постійно розширюється.

Як і вся геологія, інженерна геологія використовує досягнення математики, механіки, фізики і хімії. Серед геологічних наук вона найтісніше пов‘язана з гідрогеологією та геокріологією: структура і текстура мерзлих порід, їх властивості значно відрізняються від подібних властивостей порід, не охоплених мерзлотою; геологічні процеси в мерзлих породах протікають своєрідно. В інженерній геодинаміці природні води розглядаються як один із основних чинників, що зумовлюють розвиток геологічних процесів.

Сполучною ланкою між інженерною геодинамікою та грунтознавством виступає механіка грунтів, а між грунтознавством і регіональною інженерною геологією – регіональне грунтознавство (вивчає основні закономірності формування і просторового розташування гірських порід як грунтів).
Запитання для самоконтролю.

  1. Дайте означення інженерної геології як науки.

  2. З яких основних частин складається інженерна геологія?

  3. Назвіть теоретичні і практичні завдання інженерної геології.

  4. З якими науковими дисциплінами пов‘язана інженерна геологія?

  5. Вкажіть головні етапи становлення інженерної геології.



Розділ 2. Поняття про інженерно-геологічні умови.

Виконуючи інженерно-геологічні дослідження, зазвичай дають інженерно-геологічну характеристику умов будівництва тієї чи іншої споруди. В цьому випадку під інженерно-геологічними умовами розуміють такі, від наявності чи зміни яких залежать місце розташування споруди, її конструкція, способи виконання робіт, а також вибір заходів боротьби з несприятливими явищами. Отже, до інженерно-геологічних умов може бути віднесено будь-яке геологічне явище (наприклад наявність тріщин, особливості залягання порід, наявність і динаміка зсувних процесів, просідання лесів), якщо воно здійснює вплив на споруду.

Одна і та ж інженерно-геологічна умова оцінюватиметься неоднаково залежно від типу і конструкціі споруди. Наприклад, якщо в товщі однорідних і міцних порід, які складають природну основу споруди, міститься тонкий прошарок слабкої глини, то такий прошарок оцінюватиметься по різному залежно від того, що саме буде тут споруджено: будинок, гребля, мостовий перехід тощо.

Інженерно-геологічні умови, як правило, діляться на більш-менш однорідні групи, з тим, щоб їх можна було систематично вивчати, застосовувати специфічні методи досліджень. Так, наприклад, їх можна поділити на:

  1. геологічну обстановку;

  2. фізико-геологічні явища;

  3. інженерно-геологічні процеси.

Під геологічною обстановкою зазвичай розуміють різноманітні геологічні умови, що так чи інакше впливають на споруду: геоморфологічні, тектонічні, гідрогеологічні, а також літологічний склад порід і т.п.

Стосовно фізико-геологічних явищ академік Ф.П.Саваренський у 1941 р. дав їх класифікацію, яка грунтується на відмінностях причин утворення і розвитку цих явищ. Пізніше її доповнив М.В.Коломенський (1956) і на сьогодні вона виглядає наступним чином.

Табл. 1

Основні причини виникнення і розвитку явищ

Фізико-геологічні явища

1. Діяльність агентів вивітрювання

Вивітрювання

2. Діяльність поверхневих вод (морів, озер, річок, каналів)

Підмивання берегів та їх обвалення (морська і річкова абразія).

Розмивання схилів (балки, яри)

Селі

3. Діяльність поверхневих і підземних вод

Болота, просідання, карст

4. Діяльність поверхневих і підземних вод на схилах

Зсуви

5. Діяльність підземних вод

Суфозія

Пливуни

6. Промерзання і відтанення грунту

Промерзання і пучинність

Багаторічна мерзлота та її прояви

7. Дія внутрішніх сил Землі

Сейсмічні явища

8. Інженерна діяльність людини

Осідання, стискання, набрякання, поверхневі і підземні деформації в штучних підземних виробках


Як видно, в цій класифікації вказано на причини виникнення тих чи інших фізико-геологічних явищ, в чому і полягає її практична цінність, тому що заходи боротьби з цими явищами перш за все повинні бути спрямовані на усунення причин їх виникнення і розвитку, а якщо це неможливо (землетруси), то на послаблення їх дії на споруди. Однак, наведена класифікація дещо схематична в аналізі процесів, пов‘язаних з інженерною діяльністю людини і називаються інженерно-геологічними процесами. Тому можна навести ще одну класифікацію (І.В.Попов, 1951). В ній, на відміну від класифікації Ф.П.Саваренського, природні геологічні процеси співставляються з аналогічними інженерно-геологічними процесами.

Табл. 2

Природні геологічні явища


Інженерно-геологічні процеси

1. Ущільнення осадків в процесі діагенезу під впливом ваги наступних відкладів. Ущільнення порід під впливом навантажень від льодовиків і т.п.


Ущільнення порід в основах споруд

2. Ущільнення лесів в процесі епігенезу з утворенням степових блюдець

Просадкові явища в лесах внаслідок протікань з водогонів та фільтрації води з каналів

3. Наледі, льодяні бугри, термокарст і т.п.

Мерзлотні деформації порід в основах споруд та пучіння на дорогах

4. Зсуви, спливання, обвали, осипання

Деформація штучних укосів

5. Абразія по берегах морів та озер

Переробка берегів водосховищ

6. Провали над карстовими порожнинами

Зрушення гірських порід при підземних роботах


Отже, в подальшому ми розглянемо вплив геологічної обстановки на інженерно-геологічну оцінку місцевості, а потім перейдемо до характеристики фізико-геологічних явищ (за класифікацією Ф.П.Саваренського) і паралельно інженерно-геологічних процесів.
2.1. Інженерно-геологічна оцінка геоморфологічних умов місцевості.
Основні завдання геоморфологічних досліджень при інженерно-геологічній оцінці місцевості:

  1. Встановлення наявності і характеру фізико-геологічних явищ (зсувів, карсту і т.п.), які впливають на проектування і будівництво споруд.

  2. Встановлення, особливо на ранніх стадіях інженерно-геологічних досліджень, форм і розмірів морфологічних елементів, розташування їх у просторі, складу і ступеня однорідності гірських порід, які в тій чи іншій мірі визначають розташування, конструкції споруд та умови їх будівництва і експлуатації.

  3. Раціональне визначення об‘єму і характеру розвідувальних робіт (особливо на перших стадіях досліджень), що проводяться для інженерно-геологічних цілей (тип і глибина виробок, їх конструкція, розташування по площі, режим проходки).

Фізико-геологічні явища (зсуви, карст, мерзлотні явища та ін.) в значній мірі впливають на розташування споруд, вибір їх конструкції, на способи виконання будівельних робіт.

Як правило, практична необхідність встановлення наявності і характеру фізико-геологічних явищ виникає на перших стадіях інженерно-геологічних досліджень, коли вибирається та оцінюється ділянка, район забудови, створ греблі і т.ін. На перших стадіях досліджень саме геоморфологфчний метод, очевидно, є єдиним методом дослідження, що дозволяє встановити наявність, характер, а в ряді випадків і розміри фізико-геологічних явищ.

За формами рельєфу досить точно вдається всановити наявність зсувів (характерні зсувні цирки, бугристість зсувного тіла, стінки відриву, бугри випирання, відкинуті уступи і т.п.), карсту (наявність лійок, блюдцеподібних знижень і т.п.), явищ, пов‘язаних з багаторічною мерзлотою тощо.

За допомогою геоморфологічних досліджень можна не лише встановити наявність того чи іншого явища, але і його розміри, тобто площу і глибину поширення. Наприклад, оконтурення зсувного тіла дозволяє дати корисні рекомендації щодо проектування споруд. Прикладом ігнорування геоморфологічних особливостей може служити проектування і будівництво одного із санаторіїв у м. Сочі. Ця будівля була розташована на зсувному уступі, причому, довга сторона будівлі збігалася з напрямком руху зсуву. Північно-східна частина споруди розташована на корінних породах схилу, а південно-західна, більша частина споруди, була розташована на зсувному тілі. Не зважаючи не те, що протягом 24 років з моменту забудівлі зсувні рухи не відбувалися, у будинку утворилася тріщина, що йшла від лінії контакту корінних порід з породами зсувного тіла. Пояснюється така деформація тим, що основою південно-західної частини будівлі є породи, що стискаються і які складають зсувне тіло. Звідси й більше осідання у порівнянні з корінними породами. Але навіть у тому випадку, якби північно-східна частина не розташовувалася на корінних породах, а була б впритул присунута до стінки зриву, то деформація споруди все одно відбувалася б через нерівномірне осідання, обумовлене різною потужністю зсувних накопичень під різними частинами споруди.

Одним із важливих об‘єктів геоморфологічного вивчення для інженерно-геологічних потреб є річкові долини, особливо при дослідженнях для проектування і будівництва гідротехнічних споруд. Як відомо, на основі геоморфологічних досліджень встановлюється історія розвитку річкових долин, форма і розміри їх елементів (положення і напрямок дна та тальвегу долини, ширина долини, розміри заплави, терас, їх склад, крутизна схилів і т.п.).

Під час інженерно-геологічних досліджень для гідротехнічного будівництва важливим є виділення в межах річкових долин древніх, інколи похованих русел (їх інколи називають прарічками). Дно таких русел буває розташоване нижче сучасних русел, а склад відкладів, які заповнюють древні долини, суттєво відрізняється від сучасних відкладів.

Ширина річкових долин і крутизна їх схилів обумовлюють розміри гідротехнічних споруд і можливості розгортання будівельних робіт, планування населених пунктів, спрямування доріг і т.ін.

Для інженерно-геологічної оцінки умов місцевості важливо знати походження, кількість, висоту і поширення терас річкових долин, а також склад і потужність порід, з яких вони складаються. Походження терас впливає на їх літологічний склад і геологічну будову. З цієї точки зору слід розрізняти акумулятивні, ерозійні, змішані і заплавні тераси.

Акумулятивні тераси складені характерними алювіальними та озерними відкладами інколи надзвичайно строкатого складу. При цьому окремі літологічні різновиди цих порід перебувають у складних взаємовідносинах один з одним. Відклади акумулятивних терас бувають представлені галечниками, гравієм, пісками, супісками, суглинками, глинами, прошарками і лінзами мулу і торфу. Всі вони, зазвичай, наділені різними фізико-механічними властивостями.

Дуже часто чітко спостерігається укрупнення механічного складу алювіальних відкладів згори вниз за глибиною і знизу вгору за напрямком течії річки. Характерною особливістю багатьох типів алювіальних відкладів є вміст в них тієї чи іншої кількості органічних речовин.

Ерозійні тераси представляюють собою майданчики, вироблені протічною водою в корінних породах. Тому всі споруди в цьому випадку будуть розташовані на корінних породах, наділених залежно від їх складу різною міцністю. Інколи такі тераси утворюються в міцних скельних породах (Кавказ, Урал, Альпи).

Змішані тераси з інженерно-геологічної точки зору мало чим відрізняються від акумулятивних, тому що в цьому випадку товща різноманітних алювіальних відкладів підстеляється корінними породами.

Заплавні тераси найчастіше бувають складені різними комплексами піщано-глинистих утворень, які інколи вміщують значну кількість органічних речовин.

При порівнянні геологічної будови і складу порід, що складають акумулятивні і ерозійні тераси, стає зрозумілим вся важливість виділення цих геоморфологічних елементів місцевості. По-перше, якщо це акумулятивні тераси, то при їх інженерно-геологічній оцінці доводиться враховувати велику неоднорідність літологічного складу (отже, і фізико-механічних властивостей порід), їх часту фаціальну мінливість (звідси нерівномірні осідання і деформації).

По-друге, у випадку будівництва напірних споруд (гребель) піщані, гравійно-галькові та валунні відклади можуть бути шляхами для витоку води із водоймищ. Ці відклади можуть бути також однією з причин суфозії дрібніших за механічним складом підстеляючих чи перекриваючих порід.

По-третє, глинисті алювіальні відклади, особливо у верхніх частинах надзаплавних терас, піддаються періодичному просушуванню, за рахунок якого їх міцність збільшується.

По-четверте, в умовах сухого, жаркого клімату глинисті відклади терас можуть містити водорозчинні солі, вилуговування яких призведе до зменшення міцності (при роботі напірних споруд), а лесовидні відклади можуть мати просідні властивості.

По-п‘яте, пухкі піщані утворення терас можуть ущільнюватися під впливом динамічних навантажень (при роботі механізмів, водозливних гребель, проходженні залізничих составів, виконанні вибухових робіт і т.п.), що приведе до неприпустимих осадок споруд.

Цей перелік інженерно-геологічних особливостей алювіальних відкладів суттєво зміниться, якщо розглянути ерозійні тераси. По-перше, як вже говорилося, інколи ерозійний вріз відбувається в досить міцних і стійких скельних породах. По-друге, корінні породи мають, як правило, більшу міцність, ніж глинисті алювіальні. По-третє, корінні породи більш однорідні за глибиною і площею поширення, що убезпечує основу споруди від нерівномірного осідання. По-четверте, корінні породи мають більшу щільність і не схильні ущільнуватися під дією динамічних навантажень.

Найбільш несприятливими для будівництва, очевидно, є відклади заплавних терас, а особливо мулисто-глинисті відклади стариць. Породи, які заповнюють стариці, – це мулисто-глинисті утворення, збагачені органічними рештками. Вони перебувають у водонасиченому, м‘якопластичниму, а інколи і текучому чи прихованотекучому стані. Ці породи часто наділені тіксотропними властивостями і мають велику стисливість та низький опір зсувним зусиллям (кут внутрішнього тертя 0, а зчеплення порядку кількох тисячних долей МПа). Старичні породи нестійкі у стінках котлованів і виїмок, дають великі й нерівномірні осідання, а інколи й витискаються під вагою споруди. Породи з такими ж властивостями можуть зустрічатися і в складі заплавних відкладів (не терас).

Під час інженерно-геологічної оцінки окремих елементів річкових долин слід рахуватися з тим, що часто в заплавних і руслових відкладах можуть у великих кількостях зустрічатися так звані “топляки”, тобто поховані в алювіальних відкладах дерева, нанесені річкою. Інколи вони зустрічаються цілими пластами, що ускладнює роботи під час проходження різних виїмок.

На вимогу сучасних нормативних документів під час геоморфологічних досліджень встановлюється раціональний об’єм і характер розвідувальних робіт, до яких висуваються наступні вимоги:

  1. Кожний геоморфологічний елемент повинен бути охарактеризований виробками.

  2. На більш пізніх стадіях досліджень виробки повинні згущуватися.

  3. Дуже бажаним є висвітлення місць стикання окремих геоморфологічних елементів (наприклад, місце переходу делювіальних відкладів в алювіальні).

  4. Отримані для одного геоморфологічного елементу дані можуть переноситися на такі ж елементи, розташовані в районі досліджень.

Що стосується техніки, то, наприклад, обводнені заплавні відклади доцільно проходити механічним бурінням з відбором проб грунтоносами, або ж відкритими виробками із заморожуванням. Якщо ж маємо справу з абразійною терасою, то раціональним є колонкове буріння. На схилах, наприклад, найчастіше застосовують розчистки. Глибина виробок залежить від характеру і розмірів геоморфологічних елементів.
Запитання для самоконтролю.

  1. Що називається інженерно-геологічними умовами?

  2. На які групи можуть поділятися інженерно-геологічні умови?

  3. Що таке геологічна обстановка?

  4. Дайте характеристику класифікації фізико-геологічних явищ за Ф.П.Саваренським.

  5. Як пов‘язуються природні геологічні явища і інженерно-геологічні процеси у класифікації І.В.Попова?

  6. Якими є основні завдання геоморфологічних досліджень під час інженерно-геологічної оцінки місцевості?

  7. Назвіть основні типи річкових терас.

  8. Які відклади характерні для кожного типу річкових терас?



2.2. Інженерно-геологічна оцінка тектонічних особливостей місцевості та умов залягання порід.
Дія тектонічних сил проявляється у формі підйому або опускання земної кори, зміни умов залягання, деформування порід. Це супроводжується роздрібненням порід і утворенням в них напружених зон. По суті, у процесі інженерно-геологічних досліджень можна виявити і вивчити тільки наслідки тектонічних зрушень.

Слід зазначити, що умови залягання порід можуть визначатися не тільки тектонічними умовами, але й умовами утворення порід, подальшою геологічною історією їх існування, денудаційними процесами та ін.

Основними завданнями тектонічних досліджень під час інженерно-геологічної оцінки місцевості є наступні:

  1. Виявлення умов залягання порід, які впливають на стійкість споруд, на вибір конструкцій споруд, на методи виконання будівельних робіт та інженерно-геологічних досліджень.

  2. Виявлення зон подрібнення і напруження, тріщинуватості, закономірностей розташування тріщин, характеру заповнення, складу і властивостей заповнювача тріщин.

  3. Визначення раціонального характеру та об‘єму розвідувальних, лабораторних і дослідних робіт, особливо на перших стадіях досліджень.


Залежно від тектонічних впливів, загальних фізико-географічних умов утворення порід, денудаційних та інших процесів, геологічні тіла можуть мати різну просторову форму, різну почерговість шарів, різну конфігурацію покрівлі і підошви шарів, різний їх нахил. Все це зазвичай впливає на інженерно-геологічну оцінку умов будівництва і на віибір методики інженерно-геологічних досліджень.

Розглянемо деякі основні зміни стійкості споруд, пов‘язані з умовами залягання порід.

Нахил пластів в той чи інший бік може впливати на стійкість споруди і на розвиток різних фізико-геологічних процесів. Нахил водопроникних шарів у бік берега може призвести до фільтрації води з водосховища. Нахил глинистих пластів у бік моря чи русел річок в деяких умовах часто стає причиною утворення зсувів.

При споруджені гребель найбільш сприятливим є горизонтальне залягання порід, менш сриятливим – нахил їх у бік верхнього б‘єфу, тому що у цьому випадку важкі бетонні споруди матимуть в основі породи різної міцності. До зовсім несприятливих відносяться умови, коли шари порід нахилені у бік нижнього б‘єфу (пласти різної міцності; вода буде фільтруватися в нижній б‘єф; споруда може зрушитися по поверхнях нашарування; витоки води в нижній б‘єф, суфозія і подальше руйнування споруди).

Величина, характер, рівномірність і швидкість осідання в дуже великій мірі залежать від умов залягання порід в основі споруд. На жаль, незважаючи на великі досягнення сучасної механіки грунтів, її формули ще не в змозі врахувати всі природні чинники і застосовуються у відносно простих випадках та із значними умовностями. Тому оцінка стійкості споруди і визначення припустимих тисків повинні виконуватися кожного разу з урахуванням конкретного типу і конструкції споруди, способів виконання робіт і геологічної будови ділянки.

Вплив умов залягання порід на осідання споруд добре ілюструється схемами, запропонованими професором М.М.Масловим.

Схема А. Цілком однорідне залягання. Величина осідання основи від дії ваги споруди планомірно зростає із збільшенням розмірів споруди. Якщо ґрунти глинисті, то стається надзвичайно повільне осідання через відсутність дренуючих прошарків.

Схема Б. Слабкий грунт залягає на поверхні і на деякій глибині підстеляється більш щільною породою. Осідання зростає лише до певної межі, обмеженої сприйняттям тиску слабким шаром по всій глибині. Тривалість осідання в значній мірі залежить від властивостей і потужності покривного шару.

Схема В. Щільний грунт залягає з поверхні, а на деякій глибині його підстеляє слабка порода, що легко стискається. Значення нижнього шару в осіданні незначних за розмірами споруд може зовсім не проявитися. Для споруд, значних за площею, роль верхнього шару буде малою. Осідання за рахунок глибинного слабкого шару може досягти значної величини і бути досить повільним.

Схема Г. Слабкий глинистий грунт залягає у вигляді пласта в товщі щільного грунту. Вплив слабкого грунту залежить від співвідношення глибини залягання шару і розмірів споруди. Для значної за розмірами споруди осідання повністю визначатиметься стисненням слабкого шару. Тривалість осідання також залежить від властивостей ґрунтів шару.

Схема Д. Неоднорідне, багатошарове, узгоджене залягання (непорушене); слабкі глинисті породи перешаровуються з піщаними. Осідання споруди визначається вмістом в основному слабких глин. Завдяки дренуючому впливу піщаних шарів осідання буде характеризуватися як відносно швидке.

Схема Є. Багатошарове, узгоджене порушене залягання; схоже зі схемою Д. Завдяки виходу прошарків пісків на поверхню процес осідання прискорюється в тій чи іншій мірі проти схеми Д. Величина осідання визначається ступенем ущільнення грунту.

Схема Ж. Багатошарове, неузгоджене, порушене залягання. Через неоднорідність залягання ґрунту осідання споруди також буде нерівномірним. Воно залежатиме від ступеня ущільненості ґрунту. При значній щільності ґрунтів можлива нерівномірність осідання практичної ролі не відіграватиме.

Схема З. Скид (насув); з обох боків споруди умови залягання грунтів різні. Внаслідок цього умови осідання характеризуються як нерівномірні. Однак при значній щільності порід основи нерівномірність осідання може бути незначною.

Схема І. Лінзоподібне залягання слабких глинистих різновидів у товщі щільних відкладів. Найбільш небезпечне, в розумінні можливих нерівномірностей осідання споруди, залягання ґрунтів. Протікання осадок у часі також нерівномірне і в значній мірі невизначене.
2.2.1. Тріщинуватість гірських порід та її значення під час інженерно-геологічної оцінки порід.
Тріщини в гірських породах можуть бути тектонічними і нетектонічними. Тектонічні тріщини розвиваються в магматичних, метаморфічних і осадочних зцементованих породах під впливом тектонічних розтягуючих або стискаючих зусиль. При цьому такі зусилля перевищують межі міцності порід.

Відповідно до цього тектонічні тріщини підрозділяються на тріщини сколювання (розвиваються під впливом дотичних-сколюючих зусиль) і тріщини відриву (виникають під впливом розтягуючих зусиль). Тектонічні тріщини, по яких не відбулося зміщення гірських порід, називаються діаклазами, а по яких таке зміщення сталося (насуви, скиди) – параклазами.

Загальні особливості тектонічних тріщин наступні:

  1. Велика і порівняно глибока витриманість за простяганням і глибиною (інколи на сотні метрів), що розтинає породи різних петрографічних типів.

  2. Визначене просторове розташування, що обумовлює утворення систем тріщин. На одній і тій же ділянці може бути декілька систем тріщин, які взаємно перетинаються.

  3. Закономірне сполучення систем тріщин з тектонічними елементами – складками, тектонічними порушеннями і т.п.

Тектонічні тріщини сколювання звичайно мають прихований вигляд, вони закриті – волосні. Площини тріщин гладенькі, притерті, зрідка зі дзеркалами і борознами ковзання, що свідчить про деякі незначні зрушення порід по них. Ці тріщини, як правило, неводоносні або слабко водоносні.

Тектонічні тріщини відриву зазвичай відкриті, зяючі, крутоспадні або вертикальні. Площини у них нерівні, бугристі, зазубрені, покриті патьоками, нальотами (циркуляція підземних вод). Часто вони заповнені привнесеним піщано-глинистим матеріалом, продуктами подрібнення і перетирання, вивітрювання чи гідротермальних змін. До них часто приурочені жили гіпсу, кварцу, кальциту.

Тріщини відриву часто водоносні, водопроникність у них висока. Це є причиною великих водопритоків у кар‘єри та інші гірські виробки. Вони ж є шляхами витоків і втрат води з водосховищ, каналів, під підпірними спорудами та в обхід них. На берегових обривах, укосах і підземних виробках тріщини відриву сприяюють утворенню вивалів крупних мас гірських порід, а також інтенсивному розвитку вивітрювання і корозійних процесів у глибину.

Нетектонічні тріщини утворюються під впливом внутрішніх сил стискання й розтягування, що розвиваються в породах. Такі тріщини зустрічаються повсюдно. Загальні їх особливості такі: 1) приуроченість до приповерхневих або навіть верхніх горизонтів земної кори; 2) своєрідність для кожного петрографічного типу порід (утворюють окремості різних розмірів і форм у різних типів порід); 3) невитриманість за простяганням; 4) відсутність у багатьох з них визначених систем; 5) в багатьох випадках у приповерхневій частині вони відкриті, а з глибиною звужуються і виклинюються.

Нетектонічні тріщини за своїм походженням діляться на групи:

  1. контракційні, що виникають в зв‘язку зі зменшенням об‘єму при застиганні магматичних порід (тріщини первинної окремості);

  2. тріщини усихання, що виникають внаслідок зменшення об‘єму осадків при їх висиханні і усадці під час діагенезу;

  3. тріщини нашарування, які виникають в осадових породах у процесі їх літифікаціїї, що супроводжується дегідратацією і ущільненням;

  4. тріщини вивітрювання – утворюються при вивітрюванні;

  5. тріщини розвантаження – виникають при збільшенні об‘єму порід під час їх гідратації або в результаті пружної віддачі при розкритті глибокими котлованами, підземними виробками чи ерозійними процесами;

  6. тріщини зсувів, провалів і просідань – як наслідок перерозподілу напружень в гірських породах і порушення їх рівноваги;

  7. штучні тріщини – утворюються внаслідок вибухів, обрушень, підроблення гірських порід підземними виробками.


2.2.2. Виявлення зон подрібнення і тріщинуватості гірських порід
Тріщинуватість і подрібненість порід у процесі будівництва чи експлуатації споруд можуть зумовити наступні явища:

а) можливість зсуву і нерівномірного осідання споруд, розташованих у зоні подрібнення порід;

б) виток води з водосховищ в обхід плечей або в основі гребель, розташованих на тріщинуватих породах;

в) обводнення будівельних котлованів і гірничих виробок, які проходяться у тріщинуватих породах, що є колекторами підземних вод;

г) вивалювання значних об‘ємів порід під час будівництва котлованів або гірничих виробок;

д) зміну фізико-технічних властивостей порід на коротких відстанях, що тягне за собою зміну методів розробки гірських порід;

є) можливість підтікання води, інколи агресивної, до споруд по системах тріщин і розломах;

ж) вилуговування циркулюючими водами розчинних частин порід і виникнення карстового процесу.

Вивчення тріщинуватості і ступеня подрібненості порід слід починати з опису і документації тріщин. Під час опису тріщин необхідно вивчати і описувати: 1) розташування тріщин; 2) їх довжину і глибину; 3) ступінь глибочиння (зяяння) або ширину; 4) характер тріщин (тектонічні, нашарування, вивітрювання); 5) їх густину або частоту; 6) характер заповнення тріщин; 7) склад заповнювача; 8) властивості заповнювача.

Визначення розташування тріщин, елементів їх залягання виконується відомими в геології способами. Довжина і ступінь глибочіння визначається за допомогою мірних інструментів (рулетка, метр та ін.). За ступенем зяяня (ширини тріщин) доцільно розрізняти тріщини закриті (ледве помітні, інколи такі що лише можна здогадатися) і відкриті. Відкриті, в свою чергу, розділяються на капілярні шириною не більше 0,25 мм і некапілярні шириною більше 0,25 мм. Наявність закритих (волосяних) тріщин визначається розламуванням шматків породи, постукуванням молотком чи профарбовуванням зразка породи в лабораторних умовах.

Під час опису тріщин треба вказувати на їх форму, характер поверхні стінок (гладенька, шорстка, глянцева і т.п.), нальоти на поверхні тріщин (залізисті, крейдяні і ін.), приуроченість нальотів і характерних форм до певної глибини, зони чи частини тріщин.

Слід звертати увагу на розподіл у породі не лише тріщин, але й каверн, жеод, каналів, пор, визначити їх форму, характер, приуроченість до певного складу порід, певних умов залягання та ін. Необхідно також прослідкувати затухання тріщин з глибиною, встановити приуроченість їх розповсюдження і затухання до певного типу порід та умов залягання.

Потрібно описувати характер заповнення тріщин: повністю чи частово заповнена тріщина, до яких її частин приурочений заповнювач (вузьких, широких, звивистих, нижніх, верхніх), елементи залягання заповнених і незаповнених тріщин і т.п. Разом з тим треба вивчати склад заповнювача (гіпсовий, глинистий, залізистий і т.п.) і його властивості (твердість, еластичність, пористість).

Типові ділянки тріщинуватості слід фотографувати або замальовувати в масштабі. Для графічного зображення даних, отриманих під час вивчення тріщинуватості якого-небудь масиву чи району, рекомендовано користуватися способом “діаграма-круг” Ф.П.Саваренського або “роза-діаграма”.

Показниками тріщинуватості порід можуть бути:

  1. Модуль тріщинуватості – кількість тріщин, що припадає на 1 погонний метр розрізу породи.

  2. Питоме розтягнення – відсоткове відношення об‘єму відкритих тріщин до всього об‘єму породи.

  3. Питома густота тріщин, яка визначається за формулою:

g = U тр. tc, (2.1)

де U тр – кількість тріщин одного напрямку, яка припадає на 1 м довжини поверхні (береться середня кількість тріщин, що припадає на 1 погонний метр, при вивченні 20-50 погонних метрів поверхні);

tc – середня ширина тріщин.


  1. Коефіцієнт тріщинної пустотності (за Л.І.Нейштадт), тобто відношення площі тріщин до площі поверхні породи, в межах якої зарисовуються і вимірюються тріщини. Цей кофіцієнт виражається у відсотках:

Ктр = (s/S) 100%, (2.2)
де s – площа поверхні тріщин;

S – площа поверхні відслонення, на якому виконуюються виміри.

Користуючись цими показниками, Л.І.Нейштадт (1957) запропонувала наступну класифікацію порід за ступенем тріщинуватості:

  1. Породи слабко тріщинуваті (Ктр ) (спостерігаються тріщини волосні і шириною  1 мм).

  2. Породи середньотріщинуваті (Ктр= 2-5%) (тріщини шириною 2-5 мм).

  3. Породи сильнотріщинуваті (Ктр= 5-10 %) (поряд з тріщинами шириною до 5 мм спостерігаються тріщини шириною від 20 до 100 мм).

  4. Породи дуже сильно тріщинуваті (Ктр ) (шириною від 20 до 100 і більше мм).

Про ступінь тріщинуватості порід можна судити опосередкованим способом, наприклад, за результатами буріння свердловин:

  1. врахування проценту виходу керна; за інших однакових умов складу і властивостей порід, режиму буріння і інших показників, чим більш монолітні породи, чим вони менш тріщинуваті, тим вищий вихід керну;

  2. підрахунок числа тріщин на 1 погонний метр керну;

  3. спостереження за витратами промивної рідини;

  4. огляд і фотографування стінок свердловин за допомогою спеціальних приладів і телепристроїв (фотокаротаж);

  5. вимірювання щільності порід у свердловині (гамма-гамма-каротаж тощо).

Порівняльна оцінка ступеня тріщинуватості порід може виконуватися також за результатами дослідних нагнітань і наливів води в свердловини і гірничі виробки, а також дослідних відкачувань, якщо породи водоносні.

Оцінка впливу тріщин на стійкість місцевості повинна завершуватися обгрунтуванням інженерних заходів для усунення шкідливого впливу (укріплення гірничих виробок, цементація, глинизація, бітумізація, протифільтраційні завіси, дренажі і т.п.).
Запитання для самоконтролю.

  1. Назвіть основні завдання тектонічних досліджень під час інженерно-геологічної оцінки місцевості.

  2. Яким чином умови залягання порід впливають на стійкість споруд?

  3. Охарактеризуйте різні варіанти (схеми) умов залягання порід та їх вплив на осідання споруд (за М.М.Масловим)

  4. Яким за походженням бувають тріщини в гірських породах?

  5. Дайте характеристику тектонічним тріщинам.

  6. На які групи поділяються нетектонічні тріщини?

  7. Назвіть явища, котрі виникають внаслідок тріщинуватості гірських порід.

  8. Як вивчається тріщинуватість і подрібненість гірських порід під час інженерно-геологічних досліджень?

  9. Охарактеризуйте показники тріщинуватості гірських порід, котрі застосовуються під час інженерно-геологічних досліджень.

  10. Як поділяються породи за коефіцієнтом тріщинної пустотності?



2.3. Основні завдання літологічних і петрографічних досліджень для інженерно-геологічної оцінки місцевості.
Літологічні і петрографічні методи досліджень широко використовуються для інженерно-геологічної оцінки місцевості. В результаті цих досліджень встановлюються: 1) чергування й умови залягання шарів та іншої форми геологічних тіл, що мають різні особливості; 2) текстура порід; 3) структура порід.

Чергування і умови залягання шарів та іншої форми геологічних тіл у дуже великій мірі впливають на інженерно-геологічну оцінку місцевості. Як відомо, така оцінка дається стосовно конкретних геологічних умов і типу споруди, що проектується. Маючи на увазі велике розмаїття геологічних умов і типів споруд, необхідно в кожному окремому випадку проаналізувати інженерно-геологічні умови будівництва та експлуатації даної споруди з урахуванням вимог, які вона висуває до природної обстановки.

Це можна проаналізувати наступним прикладом. Свого часу на одній із початкових стадій досліджень створу Волгоградської греблі було встановлено, що алювіадьні відклади складені пісками, для яких було визначено кут внутрішнього тертя , рівний 25о. Однак у процесі подальших досліджень більш досконалими виробками у товщі алювіальних пісків були викриті тонкі прошарки глин значної протяжності (до 300 м). По менш міцних прошарках глин міг відбутися зсув масиву алювіальних пісків. Відповідно до вимог діючих нормативних документів, у таких випадках для забезпечення надійності майбутньої основи необхідно приймати для проектування значення міцнісних показників саме найслабкіших прошарків, незважаючи навіть на їх незначну потужність. В результаті довелося штучно зменшити значення кута внутрішнього тертя майже втричі і прийняти його рівним 8о (замість 25о) для всієї основи. Аналогічний глинистий прошарок, виявлений під Волгоградською греблею у товщі піщано-алевритових порід, змусив проектувальників перепроектувати греблю, вважаючи, що основою греблі є не міцна піщано-алевритова порода, а менш міцна глина. Такого виду небезпека створюється не тільки за наявності в основі споруди витриманого прошарку слабких порід, але і в тому випадку, коли такі породи залягають у вигляді ланцюжка розрізнених лінз чи обособленої лінзи, що має значну протяжність.

На сьогодні не існує ні теоретичних розрахунків, ні достатніх даних експериментів, які б вказували про вплив потужності ослаблених прошарків на величину їх опору зсувним зусиллям. Лише деякі окремо виконані досліди наводять на думку, що навіть при наявності глинистих прошарків мізерної потужності (близько 3 мм) доводиться брати до уваги показники фізико-механічних властивостей саме цих прошарків, а не більш міцних порід, навіть якщо вони і переважають у розрізі.

Але інженерно-геологічна оцінка прошарків зовсім зміниться, якщо на такій основі буде побудована споруда, яка утворює в основному стискаючі зусилля (будинок і т.п.). У цьому випадку тонкий глинистий прошарок хоч і буде найбільш слабким у розрізі і стиснеться під впливом тиску від споруди, але осідання цього прошарку, само по собі незначне і рівномірне, не становитиме загрози для стійкості споруди.

Отже, правильне визначення літологічного складу порід дозволяє:

  1. складати інженерно-геологічні прогнози на ранніх стадіях досліджень, коли дослідник ще не має (або має у досить обмеженій кількості) дані лабораторних дослідів і розвідувальних робіт; у цьому випадку літологічний склад порід у поєднанні з умовами їх залягання дозволяє приблизно оцінити фізико-механічні властивості порід і їх поведінку у сфері дії споруди;

  2. правильно спланувати склад і об‘єм лабораторних досліджень і польових випробувань властивостей порід, тому що літологічний склад порід у значній мірі визначає як характер показників їх властивостей, так і методику польового і лабораторного визначення;

  3. правильно намітити характер, методику і об‘єми розвідувальних робіт, що проводитимуться на наступних стадіях досліджень.

Звичайно, при цьому слід брати до уваги і інші чинники (геоморфологічні, тектонічні і ін.), що впливають як на методику інженерно-геологічних досіджень, так і на інженерно-геологічну оцінку умов будівництва.
2.3.1. Вплив петрографічних особливостей порід на оцінку інженерно-геологічних умов будівництва.
Встановлення зв‘язку між петрографічними особливостями порід і їх фізико-механічними властивостями дає можливість:

  1. розчленовувати товщу порід, які складають природну основу споруд, на інженерно-геологічні елементи, для яких і можна обчислювати узагальнені показники їх фізико-механічних властивостей;

  2. отримувати не лише цифрові значення показників фізико-механічних властивостей порід, але і виявляти причини погіршення чи покращання властивостей окремих різновидів порід, що дуже важливо знати під час розроблення способів покращання фізико-механічних властивостей порід;

  3. вибирати найдоцільніші способи, кострукції і режими влаштування гірничих виробок;

  4. вибирати найбільш раціональні й доцільні способи і місця відбирання проб і методику вивчення властивостей порід.

Для розв‘язання вказаних завдань виконується вивчення як текстурних, так і структурних особливостей гірських порід, що складають природні основи споруд.

Велике значення при інженерно-геологічному вивченні порід має виявлення їх шаруватості та її орієнтація у просторі. Залежно від спрямування шаруватості стосовно діючої від споруди сили, значення основних показників інженерно-геологічних властивостей порід дуже змінюються. Досліди показують, що шаруватість може впливати на величину набрякання глинистих порід, на тертя і зчеплення грунтів (при зміні кута нахилу шаруватості відносно горизонтальної площини від 00 до 900 набрякання зменшується від 9% до 1,6% (для кримських глин); коефіцієнт тертя збільшився на 15-38% у зразків, зсунутих перпендикулярно до шаруватості у порівнянні зі зразками, зсунутими паралельно шаруватості).

Шаруватість порід впливає також і на їх фільтраційні властивості: коефіцієнти фільтрації збільшуються, якщо вода фільтрується перпендикулярно шаруватості порід.

Але не тільки шаруватість порід впливає на оцінку інженерно-геологічних умов будівництва, але й розподіл окремих текстурних елементів також. Наприклад, великі уламки скельних порід серед пухких осадових можуть суттєво змінити методи виконання як дослідницьких робіт, так і майбутнього будівництва.

Питання впливу структури порід на їх фізико-механічні властивості мають розглядатися у курсі грунтознавства, тому обмежимося лише деякими прикладами. Наприклад, показники властивостей крейдяних глин із рівномірним розподілом карбонатів і показники тих же порід, що вміщують карбонати у вигляді окремих зерен, значно відрізняються між собою (при однаковому вмісті карбонатів і щільності породи).

Наявність багатьох акцесорних мінералів у гірських породах в цілому не впливає на оцінку інженерно-геологічних умов. Однак, присутність у породі деяких мінералів, навіть у незначній кількості, може сильно змінити умови будівництва. До таких мінералів належить, наприклад, пірит. Відомо, що він за певних умов легко розкладається, причому його розкладення супроводжується утворенням іонів сірчаної кислоти, яка збільшує агресивну здатність підземних вод, що доводиться обов’язково враховувати при оцінці інжнерно-геологічних умов.

Наявність гіпсу в породах зазвичай викликає у дослідників і пректувальників занепокоєння щодо його вилуговування і, як наслідок, утворення небезпечних для споруди пустот та зменшення міцності самої породи. Через такі пустоти можуть відбуватися інтенсивні витікання води, а склепіння пустот можуть обвалюватися і викликати неприпустимі деформації споруд. Подібні явища можуть виникати і при вилуговуванні легко розчинних солей, наприклад, кам‘яної тощо
2.3.2. Петрографічна характеристика основних типів гірських порід.
Магматичні породи. Як відомо, магматичні гірські породи утворюються з магматичних розплавів. Залежно від складу магми, умов її вистигання і кристалізації, в земній корі утворюються гірські породи того чи іншого складу і структури.

Під впливом тектонічних рухів магматичні маси, проникаючи в товщу земної кори, піддаються тиску з боку мас бокових порід, що рухаються. Такий тиск призводить до витікання магми в напрямках, перпендикулярних до нього. В цю фазу початкової магматичної тектоніки – прототектоніки – починають зароджуватися й розвиватися текстурні особливості породи. Вони проявляються в рівномірному або нерівномірному розподілі в ній орієнтованих кристалів мінералів, шлірових виділень, ксенолітів, слідів флюїдності, лінійності, смугастості, сланцюватості тощо. Все це в кінцевому рахунку створює неоднорідність, анізотропність породи, формує поверхні й зони послаблення, явні або приховані.

В міру вистигання й кристалізації магматичних мас під впливом внутрішніх сил і тектонічних рухів, що продовжуються (боковий тиск), у затверділому масиві утворюються системи прихованих, закритих і відкритих мікро- і макро тріщин, розколин і розломів. По них, як по каналах, піднімаються магматичні розчини, котрі, застигаючи, утворюють жили, дайки і т.п. Ці процеси характеризують пізньомагматичну фазу формування магматичного масиву. Деякі системи тріщин, розколин і розломів з’являються після повного затухання магматичних процесів, у постмагматичну фазу або навіть під час наступних тектонічних циклів. Всі ці явища пізньо- і постмагматичної фаз створюють внутрішню структуру маси магматичних порід із притаманними їм «дефектами», котрі впливають на їхню міцність, деформаційність, стійкість, водопроникність, водоносність тощо.

Таким чином, формування магматичних порід протікає в особливих термодинамічних умовах, які створюють великі внутрішні напруження стискання, за постійного впливу зовнішніх тектонічних рухів (боковий тиск). Ці значні внутрішні напруження в породах проявляються в їхніх структурно-петрографічних особливостях.

Із наведеного випливає, що інженерно-геологічна характеристика скельних магматичних порід у зразку завжди має істотно відрізнятися від характеристики, котру вони мають в умовах природного залягання. Тому в основі інженерно-геологічного вивчення цих порід повинні бути структурно-петрографічні й структурно-тектонічні польові спостереження й дослідження. Лабораторні дослідження магматичних порід дозволяють розширити характеристику їхніх властивостей, але замінити польову оцінку місць розташування споруд, умов їхнього будівництва і використовуватися для прогнозу стійкості не можуть.

Залежно від структури, складу і кількісного співвідношення породоутворюючих мінералів виділяються різноманітні типи магматичних порід. Структура цих порід відображає генезис і до певної міри дозволяє говорити про умови залягання.

Для глибинних (інтрузивних) порід характерні повнокристалічні середньо- і великозернисті структури або ж порфіровидні з середньо- і крупнозернистою основною масою. Напівглибинні породи мають повнокристалічні дрібнозернисті і гігантозернисті структури, а також порфіровидні з дрібнозернистою основною масою. Для ефузивних порід властиві прихованокристалічні, майже щільні структури або порфірові з неповнокристалічною або дуже тонкозернистою основною масою.

У магматичних породах структура характеризується головним чином:

  1. ступенем кристалічності породи (повнокристалічні, порфірові, прихованокристалічні і склянисті);

  2. абсолютними розмірами кристалів, що складають породу (великозернисті, середньозернисті, дрібнозернисті, афанітові – прихованокристалічні, склянисті);

  3. відносними розмірами кристалів, що складають породу (рівномірнозернисті, нерівномірнозернисті, порфірові та ін.).

Найміцнішими і найстійкішими є породи, що мають повнокристалічну рівномірно-середньозернисту або дрібнозернисту структури. Породи великозернисті, грубозернисті, гігантозернисті є більш податливими до руйнування як за механічного впливу, так і при різких змінах температури. Великі кристали з вираженою спайністю у великозернистих, порфіро видних та інших породах легко розколюються, вивітрюються і викришуються з породи, порушуючи її монолітність. Склянисті породи швидко розтріскуються при різких змінах температури.

Метаморфічні породи утворюються з магматичних і осадочних порід різного складу в результаті глибокого їхнього перетворення під впливом високих температур (до 850–9000С) і тиску (до 1–2 тис. МПа), дії гарячих розчинів і летючих компонентів. Велике значення при цьому має і склад вихідних порід.

Ступінь перетворення й зміни первинних порід при метаморфізмі залежить від тієї фізико-хімічної й термодинамічної обстановки, в якій вони опинилися. Оскільки в різних зонах земної кори обстановка неоднакова, то розрізняють три головні ступені метаморфізму – низько-, середньо- і високотемпературний.

Низькотемпературний ступінь характеризується слабким проявом метаморфізму внаслідок помірних температур і тиску. При порівняно значному однобічному тектонічному тиску відбувається катаклаз порід і заміна безгідроксильних мінералів на мінерали, що містять гідроксил або воду. На цьому ступені утворюються такі породи, як філіти, талькові й хлоритові та інші метаморфічні сланці.

Середньотемпературний ступінь характеризується значним проявом метаморфізму внаслідок більш високих температур і тиску, а інколи й значного однобічного тиску. Тут утворюються різні мінерали, що не утримують гідроксильну воду, поряд із мінералами, які містять її в собі. Для цього ступеня характерні різноманітні кристалічні сланці, слюдяні сланці, кварцити, мармури, амфіболіти.

Для високотемпературного ступеня властивий найінтенсивніший прояв метаморфізму внаслідок високих температур і тиску, причому тиску часто спрямованого. Тут утворюються безгідроксильні мінерали. Сланцюватість порід проявляється слабкіше, кристалізація стає досконалішою. На цьому ступені утворюються різного типу гнейси (біотитові, піроксенові та ін.), мармури, кварцити, амфіболіти тощо.

Головні породоутворюючі мінерали для метаморфічних порід в основному є такими ж, як і для порід магматичних: кварц, польовий шпат, піроксени, амфіболи, слюди та ін. Однак дуже часто вторинні мінерали магматичних і осадочних порід стають головними у метаморфічних породах (сфен, апатит, рутил, серпентин, хлорит тощо).

Метаморфічні гірські породи відрізняються і своєю внутрішньою будовою, тобто структурою і текстурою. Загальною ознакою для цих порід є їхня повнокристалічна будова. Мінеральні зерна часто сплощені, мають заокруглені обриси і орієнтовані в одному напрямку паралельно одне одному. Структури цих порід кристалобластичні: вони формуюються у процесі перекристалізації гірської породи в твердому стані (бластез). При цьому ріст мінеральних утворень часто відбувається в умовах орієнтованого тиску в напрямку, перепендикулярному до напрямку тиску. Це обумовлює виникнення сланцюватості багатьох метаморфічних порід.

Важливою діагностичною ознакою метаморфічних порід є їхня текстура, яка може бути сланцюватою, смугастою, плойчастою, круглястою, плямистою, масивною. У породах зі сланцюватою текстурою зерна мінералів мають пластинчасту і видовжену форму і розташовуються взаємно паралельно. Смугаста текстура характеризуєтьс чергуванням паралельних смуг різного мінерального складу, які часто відрізняються і за кольором. Плойчаста текстура виражається у розвиненні мікроскладок та дрібного гофрування окремих смужечок-прошарків. Для круглястої текстури характерні округлі чи злегка витягнуті в одному напрямку порфіровидні виділення окремих мінералів серед більш дрібнозернистої основної маси породи. Плямиста (вузлувата) текстура виражається у появі в початково глинистих породах округлих або видовжених виділень нових мінералів (графіту, слюди, силіманіту, польових шпатів тощо). Масивна текстура характеризується рівномірним просторовим розташуванням мінеральних утворень, відсутністю будь-якої сланцюватості, смугастості і т.п.

Сланцювата і плямиста текстури характерні для різних метаморфічних сланців; смугаста, плойчаста і кругляста – для гнейсів; масивна – для мармурів, кварцитів і роговиків.

Умови залягання метаморфічних порід залежать від умов залягання тих вихідних порід, з яких вони утворилися, однак вирішальне значення при цьому має тип метаморфізму. Під час регіонального метаморфізму охоплюються великі області, тому метаморфічні породи тут складають крупні масиви, товщі, формації. Локальний (місцевий) метаморфізм охоплює окремі ділянки, зони, по мірі віддалення від яких спостерігається поступовий або різкий перехід від порід метаморфічних до вихідних.
Осадочні породи. Тут ми розглянемо пухкі незв‘язні породи (піски, галечники та ін.) і м‘які зв‘язні – глинисті породи (глини, суглинки, супіски). Це породи осадочного походження – морські, лагунні й континентальні малого і гранично малого ступеня літифікації. Вони всі складають більше від 70% осадочної оболонки земної кори, зустрічаються повсюдно, але головним чином серед четвертинних порід і тому часто використовуються як основа споруд, середовище для них і як природний матеріал для будівництва.

З інженерно-геологічної точки зору ці породи відрізняються від інших осадочних порід особливим складом, властивостями і великою мінливістю фізичного стану. Серед них зустрічаються різновиди з підвищеною щільністю (густиною), пухкі й м’які зі зниженою щільністю і міцністю, а деякі глинисті породи поводять себе як в’язкі рідини з гранично малою міцністю. Під час будівництва на пухких незв’язних і особливо на глинистих породах можуть виникати значні за розмірами і тривалі в часі осідання споруд, їх зрушення, великої сили гірничий тиск у підземних виробках та інші явища, котрі викликають деформації споруд.

Пухкі незв‘язні породи складають велику групу уламкових (грубодисперсних) осадочних утворень. Характерною їх особливістю є пухкість (сипкість), тобто відсутність зв’язків між частками, з яких ці породи складаються. Петрографічно пухкі незв‘язні породи представлені різними пісками; гравелистими, щебнястими породами; галечниками. Тобто це породи, які є продуктами головним чином фізичного руйнування (дезінтеграції) скельних і напівскельних гірських порід та наступних процесів механічної диференціації, сортування, стирання в субаквальних і субаеральних умовах. Для утворення деяких піщаних порід, наприклад, чистих кварцових пісків, необхідним є розвиток хімічного розкладення нестійких мінералів вихідних гірських порід, котрі сприяють збагаченню пісків кварцом.

Мінеральний і петрографічний склад піщано-галькових порід визначається складом вихідних порід і ступенем диференціації та сортування продуктів їх руйнування. Властивості цих порід і їх деформаційність залежать головним чином від щільності будови. Розрізняють породи пухкої, середньої і щільної будови.

М‘які зв‘язні (глинисті) породи – це широка група тонкодисперсних осадових порід, що займає проміжне становище між типовими уламковими і хемогенними породами. Для них характерна присутність у складі значної кількості тонкодисперсних часток (розміром менше від 0,002 мм), що складаються переважно з глинистих мінералів.

Серед глинистих порід розрізняють власне глини і різноманітні глинисті породи. Глинами в інженерно-геологічній практиці називають тонкодисперсні осадочні породи, в яких міститься не менше 30% часток діаметром менше від 0,002 мм. Вони наділені зв’язністю і пластичністю в природному стані або при штучному зволожені водою, а після висихання зберігають надану їм форму. З усіх відомих ознак глин ці ознаки є найстійкішими й такими, що легко встановлюються.

До глинистих порід слід відносити породи, подібні до певної міри за складом і властивостями до глин. Але головною особливістю глинистих порід, на відміну від власне глин, є вміст значної кількості домішок (грубодисперсних часток, карбонатної або вуглистої речовини та ін.), ступінь ущільненості та фізико-хімічної зміненості, засоленість або деякі текстурні ознаки.

Різноманіття петрографічних типів піщаних, грубоуламкових і глинистих порід пов’язане з різними і своєрідними умовами їх накопичення й подальшого перетворення.

За умовами утворення піщано-галькові й глинисті породи можуть бути континентальними, лагунними і морськими. Кожна з цих фаціальних груп у свою чергу може бути поділеною на дрібніші генетичні групий типи. Схема такого поділу виглядає наступним чином: континентальні породи: 1) елювіальні – різноманітні продукти вивітрювання гірських порід, що залишилися на місці (in situ), 2) делювіальні – накопичуються головним чином на схилах і в їх основі, а також у понижених ділянках вододілів у результаті змиву дощовими і талими водами пухких продуктів вивітрювання з більш високих ділянок, 3) колювіальні – накопичення грубоуламкового матеріалу на похилих ділянках вододілів, на гірських схилах і в їх основі; це накопичення обвалів, осипів, розсипів, в результаті переміщення продуктів вивітрювання і руйнування гірських порід під впливом власної ваги на невеликі відстані (продукти ближнього перевідкладення), 4) алювіальні – всілякі річкові утворення, що складають древні й сучасні тераси річкових долин і русла річок, 5) пролювіальні – осадки, утворені сельовими потоками гірських річок або тимчасовими потоками, які виникають в період інтенсивних атмосферних опадів чи танення снігів і льоду в горах, 6) льодовикові – різноманітні моренні відклади, 7) водно-льодовикові – до них належать флювіогляціальні (потоки талих льодовикових вод) та озерно-льодовикові, 8) озерні, 9) болотні, 10) еолові – пов‘язані з акумулятивною діяльністю вітру, 11) техногенні; лагунні породи: 1) власне лагунні, 2) дельтові, 3) естуарієві; морські породи: 1) неритові, або мілководні, що відкладаються на глибині до 200 м, – осадки шельфу, 2) батіальні, що відкладаються на глибині від 200 до 2000-3000 м, – осадки континентального схилу, 3) абісальні, що відкладаються на глибині, більшій 3000 м, – осадки ложа Світового океану.

З наведеного опису основних генетичних типів пухких незв’язних і м’яких зв’язних відкладів можна зробити висновок про те, що їх утворення в кінцевому рахунку зводиться до акумуляції уламкового і тонкодисперсного матеріалу, який утворюється в результаті фізичних і хімічних процесів руйнування початкових гірських порід. Генетичні типи визначають міцність порід під час впливу на них навантаження, стійкість на схилах, в укосах, у стінках котлованів, у підземних виробках, а також зумовлюють спосіб їх розробки та будівельну категорію. За геолого-петрографічними ознаками порід визначають методику, склад і об’єм лабораторних, розвідувальних і дослідних робіт під час інженерно-геологічних досліджень.

Запитання для самоконтролю.

  1. Яким чином літологічні і петрографічні дослідження пов‘язані з інженерно-геологічною оцінкою місцевості?

  2. Для яких інженерно-геологічних завдань використовується визначення літологічного складу гірських порід?

  3. Які завдання інженерної геології розв’язуються за допомогою вивчення петрографічних особливостей порід?

  4. На які властивості гірських порід впливає шаруватість?

  5. Наведіть приклади впливу деяких мінералів на властивості гірських порід.

  6. Дайте петрографічну характеристику : а) магматичних гірських порід ; б) метаморфічних гірських порід; в) осадочних гірських порід.



2.4. Інженерно-геологічна оцінка гідрогеологічних умов місцевості.
Підземні води і гірські породи утворюють єдину динамічну систему, яка постійно змінюється. Підземні води визначають у значній мірі розвиток геологічних процесів. Це могутній хімічний і фізичний чинник, який змінює стан гірських порід. Наприклад, в результаті обводнення зменшується міцність, зростає деформаційність і швидкість проходження сейсмічних хвиль, вага масиву, стає можливим виникнення гідростатичного і гідродинамічного тиску, тобто підземні води виступають уже як силовий чинник.

В інженерній геології підземні води, які перебувають у зв‘язаній та вільній формах, вивчаються та оцінюються за такими напрямками.

  1. За впливом ступеню і режиму (сезонного та багаторічного) обводнення масивів порід на їх стан, механічні властивості і на розмивність. Поперемінне зволоження і зневоднення порід, в першу чергу глинистих, справляє руйнівний вплив на їх структурні зв‘язки (розм‘якшення, вилуговування), які сформувалися під час літогенезу. В результаті початково досить міцні породи вивітрюються, розщільнюються. В багато разів знижується їх несуча здатність та опір зсуву, зростає розмивність; створюються несприятливі інженерно-геологічні умови.

  2. За безпосереднім і різноманітним впливом на розвиток карстових, просадочних, зсувних та інших процесів. Під час руху води у породах, особливо в тріщинах, що містять пухкий заповнювач, при досить значних швидкостях виникає механічна суфозія. Далі вона за певних умов переростає в процеси підземного розмивання. Наприклад, це може відбуватися у системі великих карстових порожнин і каналів. У лесовидних пилуватих і пухких глинистих утвореннях також можуть формуватися канали і пустоти (“глинистий карст”). Інтенсивність водообміну, витрати і агресивність підземних вод визначають карстові процеси у карбонатних, гіпсових і соляних відкладах.

  3. За гідромеханічним впливом підземних вод на гірські породи. Це проявляється: а) у підважувальному (знизу вгору) тиску напірних вод на менш водопроникну пачку порід, яка залягає вище і має вагомий вплив на утворення крупних зсувів; б) у вигляді гідродинамічного тиску, що виникає під час швидких і значних знижень рівнів річок після повеней, на водосховищах, при відкачуваннях води з котлованів, кар‘єрів та підземних виробок, а також інтенсивному штучному обводненні; в) у вигляді гідростатичного тиску. Це набуває особливого значення, наприклад, у випадку фільтраційної анізотропії масиву порід, коли водопроникність у вертикальному напрямку по великих тріщинах, розломах чи карстових каналах суттєво перевищує горизонтальну і не забезпечується швидке відтікання та дренування інфільтраційних вод. За певних умов відбувається випирання і злам дна виїмки, а також механічна суфозія заповнювача з тріщин чи тонких фракцій з піщано-уламкових відкладів.

  4. Агресивність підземних вод стосовно різних гірських порід, бетонних споруд і металевих конструкцій залежить від їх хімічного і газового складу, температури, вмісту бактерій і від зміни цих характеристик по сезонах і протягом багатьох років.

  5. Водний баланс масивів порід, в яких відбуваються геологічні процеси (карстові, зсувні, просадові, суфозійні), необхідний для кількісного прогнозу їх інтенсивності у часі та для обгрунтування ефективності дренажних та інженерних захисних заходів. Тут слід зазаначити, що визначення водного балансу порівняно легко здійснити для невеликих обмежених масивів порід, хоча визначення його складових становить важке завдання: потрібні спеціальні режимні клімато-гідрологічні і гідрогеологічні спостереження.

  6. Динаміка і режим підземних вод, як у природних умовах, так і в змінених техногенними чинниками, є важливими питаннями інженерно-геологічних вишукувань. Ці дані дозволяють розв’язати наступні питання: підтоплення територій; прогноз фільтрації на ділянках гребель і з каналів та водосховищ; оцінка водопритоків у підземні виїмки, шахти і т.п.; оцінка стійкості бортів кар‘єрів і природних схилів.

Вивчення процесів розмивання і вилуговування здійснюється в лабораторії на зразках порід великих розмірів, в яких створюються тріщини із заповнювачем, а градієнти фільтрації імітують існуючий або природний потік. Ефективність експериментів не завжди задовільна через явища на вході і виході води з тріщин та ін. Вірогіднішими є результати натурних дослідів, що неодноразово виконувалися на ділянках гребель за різними схемами.

Пом‘якшення структурних зв‘язків у породах, вилуговування і безпосереднє розмивання фільтраційним потоком по зонах і контактах послаблення всередині масиву часто призводять до тяжких наслідків та катастроф (руйнування гребель, прориви води і пливунів у шахти і т.п.).

Необхідно приділяти увагу вивченню процесів кольматації: наприклад, закольматованість алювію або тріщинуватої зони під древніми і сучасними руслами річок утворює шар із значно меншою водопроникністю. Через це часто відбувається “відрив” рівня підземних вод від річкових. Така фільтраційна неоднорідність порід може виявитися позитивним моментом при прогнозі притоків річкових вод до шахт і котлованів.

Важливим елементоми вивчення підземних вод району майбутніх споруд є складання узагальненої гідрогеологічної схеми. По можливості вона об‘єднується зі схемою співвідношення четвертинних відкладів і геоморфологічних елементів. На такій схемі показується розповсюдження підземних вод у різних комплексах порід, ймовірні шляхи їх руху і перетікання, напори і місця розвантаження. Бажано дослідити і вказати узагальнені характеристики мінералізації вод окремих комплексів.
Запитання для самоконтролю.

  1. Яким чином обводнення впливає на стан і властивості гірських порід?

  2. За якими напрямками вивчаються підземні води в інженерній геології?

  3. Поясніть, у чому полягає гідромеханічний вплив на гірські породи.

  4. В чому полягають відмінності між гідродинамічним, гідростатичним та підважувальним тиском води в гірських породах?



Розділ 3. Фізико-геологічні та інженерно-геологічні процеси і явища. принципи класифікації і загальна характеристика.
Геологічні процеси проявляються в утворенні і руйнуванні гірських порід, у зміні їх фізичного стану і умов залягання, у формуванні й зміні рельєфу земної поверхні, будови земної кори і внутрішньої структури Землі в цілому. Всі геологічні процеси становлять великий інтерес в інженерному аспекті з зв‘язку з їх впливом на стійкість місцевості і відповідно на стійкість існуючих, запректованих і споруд, які будуються (міст, будівель, мостів, гребель, доріг, тунелів, аеродромів, шахт, кар‘єрів тощо).

Виникають проблеми будівництва споруд у районах розвитку абразії та ерозії, на просадочних лесових породах, в карстових, зсувних, сейсмічних районах, в зоні поширення багаторічної мерзлоти і т.д.

Умови будівництва на таких територіях особливі, вони регламентуються спеціальними будівельними нормами і правилами, особливими принципами, необхідністю дотримуватися обережності і певних обмежень. Небхідно також вдаватися до певних заходів для забезпечення стійкості споруд і нормальних умов їх експлуатації.

Вивченням і розробкою таких проблем та питань займається інженерна геодинаміка. Кінцевими завданнями інженерної геодинаміки слід вважати розробку наукових основ і методів управління геологічними процесами та раціонального використання надр Землі. Відповідно до цього інженерна геодинаміка вивчає і розробляє:

  1. закономірності поширення різноманітних (головним чином екзогенних та деяких ендогенних) геологічних процесів і явищ, що відбуваються на поверхні Землі та у верхніх горизонтах земної кори;

  2. закономірності виникнення геологічних процесів і явищ, пов‘язаних з інженерною діяльністю людини;

  3. динаміку розвитку різних геологічних процесів і явищ, форми їх проявів і обумовленість різними природними та штучними факторами;

  4. якісні і кількісні методи оцінки можливого впливу геологічних процесів на стійкість територій, споруд і умови їх експлуатації;

  5. теоретичні основи прогнозування загрози геологічних процесів і явищ, в тому числі стихійних, з метою керування їх розвитком, локалізації розповсюдження, попередження виникнення та захисту від їх шкідливого впливу;

  6. методику інженерно-геологічних досліджень для обгрунтування проектів захисних інженерних заходів та необхідність їх здійснення.

Вперше класифікацію інженерно-геологічних процесів і явищ запропонував Ф,П.Саваренський (1937), вона була розглянута вище у розділі 2.

Геологічні процеси залежно від джерел енергії, що їх викликають, і місця проявів можуть бути ендогенними або екзогенними. Екзогенні процеси пов‘язані з внутрішніми силами Землі. Їх дія проявляється у тектонічних рухах (древніх, новітніх і сучасних), у сейсмічних і вулканічних явищах.

Ендогенні процеси сприяють збільшенню контрастності рельєфу, величини його градієнтів, вони створюють найбільші форми рельєфу Землі і тим самим умови для розвитку багатьох екзогенних процесів. Екзогенні процеси обумовлені зовнішниіми силами, які діють неоднаково в різних кліматичних і фізико-географічних умовах під впливом енергії тепла і світла Сонця та гравітаційних сил.

Екзогенні процеси, навпаки, зменшують енергію рельєфу, його градієнти, нівелюють нерівності земної поверхні. Це відбувається послідовно і закономірно (етапами, стадіями, фазами). Послідовно знижується інтенсивність і швидкість цих процесів. Але маючи в цілому спрямований характер розвитку, екзогенні процеси діють нерівномірно: затухають, призупиняються, поновлюються, проявляються катастрофічно. При цьому вони порушують стійкість місцевості і споруд, постійно загрожують інженерній діяльності людей.

Свого часу відомий геолог академік М.М.Страхов писав: ”Рельєф сам по собі не є величина самостійна, він – похідна від режиму епейрогенічних рухів”. Інтенсивні коливальні рух земної кори створюють гірський рельєф, а ледве відчутні – рівнинний. Таким чином, темп і характер розвитку екзогенних геологічних процесів у межах певної місцевості значною мірою залежать від клімату і тектонічного режиму, що діє через рельєф. В цьому проявляється взаємодія і протиріччя зовнішніх і внутрішніх сил у розвитку геологічних процесів і явищ, вони є причинно обумовленими. Однак ці протиріччя – не єдина рушійна сила їх розвитку. Багато ендогенних і екзогенних процесів отримують свій розвиток незалежно один від одного, хоча й проявляються в одній і тій же області (наприклад, морозне пучіння і сейсмічні явища).

Геологічні процеси виникають за наявності певних невідповідностей (протиріч), наприклад:

Ці невідповідності (протиріччя) і передбачають природну неминучість виникнення геологічних процесів і явищ, вони є рушійною силою їх розвитку.

Кожний екзогенний геологічний процес призводить до утворення відповідного генетичного типу континентальних і морських відкладів. Отже, потрібно розрізняти процес, включаючи фактори, що його обумовлюють, і результат – явище, у вигляді відповідних новоутворених порід і елементів рельєфу (денудаційних і акумулятивних форм).

Найважливішою особливістю геологічних процесів є нерівномірність їх проявів на земній поверхні в межах різних регіонів, областей і регіонів. Це пояснюється осбливостями кліматичних, фізико-географічних умов, рельєфу, поширення певних комплексів гірських порід і розташуванням тектонічних структур.

Відомо, що кожний геологічний процес досягає максимальногорозвитку лише в строго визначених кліматичних і фізико-географічних умовах. Наприклад: інтенсивне підмивання і руйнування берегів морів, озер і водосховищ відбувається головним чином у періоди дії інтенсивних і тривалих вітрів переважного напрямку, характерних для району, що розглядається. Ерозійна діяльність річок, як і сельові потоки, – найрізкіше проявляються в періоди повеней і паводків, пов‘язаних з періодами дощів, інтенсивного танення снігів і льоду. Поширення боліт і заболочування територій спостерігаються частіше в районах з вологим і надлишково вологим кліматом, а еолові процеси характерні для районів різко континентального сухого арідного клімату пустельі напівпустель.

Геологічні процеси тісно пов‘язані і з особливостями рельєфу. В умовах гірського рельєфу і на ділянках високих і крутих схилів широко розповсюджені різні гравітаційні явища – обвали, осипи, зсуви, снігові лавини та ін. Тільки в гористих місцевостях утворюються селі. Тут у річкових долинах глибинна ерозія переважає над боковою, а корозійні процеси (карст) поширюються на великі глибини (сотні і тисячі метрів). На рівнинних місцевостях частіше спостерігаються явища заболочування територій, еолові явища, просадки в лесових породах. Тут у річкових долинах бокова ерозія переважає над донною або ж відбувається акумуляція пухкого матеріалу. Карст зазвичай поширюється лише на десятки метрів.

Геологічні процеси також тісно пов‘язані з певними комплексами гірських порід. Карст карбонатний, сульфатний чи соляний має місце лише там, де поширені карбонатні й галогенні породи. Зсувні явища можуть зустрічатися в будь-яких гірських породах, але частіше вони пов‘язані з глинистими породами. Еолові процеси мають розвиток в місцях залягання незв‘язних, піщаних порід; просадкові – в районах лесових відкладів.

Отже, можна сказати, що розповсюдження різних геологічних процесів дійсно контролюється кліматичними, геоморфологічними, петрографічними і тектонічними чинниками. Прояви кожного з геологічних процесів на тій чи іншій території залежить від переважної дії якої-небудь однієї або декількох основних причин.
3.1. Інженерно-геологічна класифікація процесів і явищ.
На сьогодні в цьому відношенні існуюють класифікації загальні, регіональні, часткові і спеціальні. Загальні класифікації геологічних процесів і явищ мають переважно методологічне значення.

У практичному відношенні заслуговують на увагу, як більш конкретні, регіональні класифікації геологічних процесів. Вони стосуються території, в межах якої поширене обмежене число стратиграфо-літологічних комплексів порід. Регіональні класифікації характеризуються певними рисами геологічної історії і клімато-гідрологічними факторами.

Часткові класифікації характеризують один геологічний процес у даному районі (карст, зсуви, просадки та ін.).

Спеціальні класифікації передбачають оцінку процесів стосовно конкретних споруд чи використання території. Їх потрібно розглядати як подальше уточнення регіональних класифікацій.

Всі геологічні та інженерно-геологічні процеси виникають і змінюються під впливом різнохарактерної дії і режиму: глибинних тектонічних процесів; напружено-деформованого стану масивів порід і зміни їх властивостей; термічних умов у верхній частині земної кори і на її поверхні; гідрогеологічних умов; поверхневих вод (гідрологічний фактор). Така багатофакторність розвитку геологічних процесів (природних, техногенних та їх сполучення) є їх характерною особливістю. Тому під час класифікування доцільно об‘єднувати процеси за ознаками дії основних (або групи) факторів.

В розвитку геологічних та інженерно-геологічних процесів і явищ необхідно виділяти головні діяльні чинники і основні елементи середовища, які взаємодіють між собою або з іншими чинниками, зі спорудами і будівельними роботами. Залежно від значення, діяльні чинники можуть бути головними “причиною” і “приводом”, своєрідним поштовхом, який безпосередньо провокує виникнення явища в потенційно підготовленому середовищі. Часто один і той же чинник (підземні води, сейсмічність) в одних випадках є компонентом середовища, а в іншому – діяльним, в тому числі “силовим”, чинником. Підземні води, насичуючи породи, викликають зниження їх міцності або розчиняють, що призводить до зсувів, розмивання всередині товщі й закарстованості масиву.

При обводнені міцних тріщинуватих порід швидкість проходження в них сейсмічних хвиль зростає. Це може позначитися на порушенні стійкості масивів і на спорудах. В той же час, підземні води діють як “силовий фактор”, створююючи зважуючий і гідродинамічний тиск на породи.

Прогноз зміни інженерно-геологічних умов території повинен грунтуватися на вивченні та аналізі існуючих умов, які є результатом історії її геологічного розвитку. Отже, перш за все, потрібно користуватися методом природничо-історичного аналізу – геологічним методом вивчення стратиграфії відкладів, їх петрографічних особливостей, тектоніки та ін. Такий аналіз, як правило, дозволяє встановити причини і умови, внаслідок яких стає можливим виникнення і розвиток геологічних процесів.

Вивчення інженерно-геологічних умов повинно передбачати, крім геологічного опису, також кількісну оцінку процесів і явищ. Для цього широко використовується експериментальний метод. Лабораторні і польові дослідні роботи та стаціонарні спостереження дуже широко застосовуються в практиці інженерно-геологічних досліджень.

Використовується і метод аналогій – метод геологічної подібності. У цьому випадку висновки про геологічні умови розвитку тих чи інших процесів роблять на основі порівняння з умовами, подібними до вже вивчених.

Для вивчення механізму, фізики процесу і динаміки його розвитку широко застосовується метод моделювання. Моделюються руслові, хвильові, гравітаційні, корозійній та інші процеси.

Імовірно-статистичний метод зводиться до встановлення імовірності прояву різних процесів і їх кореляційних зв‘язків з різними природними або штучними причинами та іншими явищами. Крім того, цей метод до деякої міри дозволяє обгрунтувати достовірність і надійність прогнозу.

Нарешті, найважливішим методом прогнозу інженерно-геологічних процесів і явищ є метод розрахунково-теоретичний. Ним користуються тоді, коли накопичився необхідний фактичний матеріал для обгрунтування розрахункової схеми (детальний геологічний розріз) і є розрахункові дані. За допомогою цього методу успішно розв‘язуються різні завдання, зокрема, прогноз стійкості схилів, укосів, зсувів, підземних виробок, величини і швидкості підмивання і руйнування берегів, швидкості розвитку корозійних процесів тощо.

Отже, прогноз геологічних процесів і явищ повинен бути комплексним і обгрунтованим, з урахуванням усієї сукупності природних геологічних і штучних умов і на знанні механізму та закономірностей динаміки їх розвитку.
Запитання для самоконтролю.

  1. Назвіть питання і проблеми, котрими займається інженерна геодинаміка.

  2. В чому полягають відмінності між ендогенними і екзогенними процесами?

  3. Наведіть приклади невідповідностей (протиріч), що ведуть до виникнення геологічних процесів.

  4. З якими природними чинниками пов‘язані геологічні процеси?

  5. Охарактеризуйте основні методи прогнозу інженерно-геологічних процесів і явищ.


  1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации