Инженерная геология

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального обучения

Тульский государственный университет

Кафедра геоинженерии и кадастра

 

 

Инженерная геология

Конспект лекций

 

Направление подготовки: 270100 «Строительство»

Специальности:

270102 «Промышленное и гражданское строительство»; 270106 «Производство строительных материалов и конструкций»; 270109 «Водоснабжение и водоотведение»; 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы»

 

 

Форма подготовки: заочная

 

Тула 2011

 

Конспект лекций рассмотрен и

утвержден на заседании кафедры ГиК,

протокол № 18 от «11» «02» 2011 года

 

Зав. кафедрой И.А. Басова

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение…………………………………………………………….. 4

Лекция № 1 Общие сведения о Земле…………………………….. 6

Лекция № 2 Строение и состав земной коры…………………….. 11

Лекция № 3 Эндогенные геологические процессы. Магматизм

и метаморфизм……………………………………….. 17

Лекция № 4. Тектонические движения. Землетрясения………….. 25

Лекция № 5. Экзогенные геологические процессы……………….. 31

Лекция № 6. Геологическая деятельность вод поверхностного

стока…………………………………………………… 37

Лекция № 7. Геологическое летоисчисление……………………… 44

Лекция № 8. Графические геологические материалы и

работа с ними………………………………………….. 50

Лекция № 9. Общие сведения о воде в природе. Воднофизичес-

кие свойства горных пород…………………………. 55

Лекция № 10. Физические свойства и химический состав

подземных вод……………………………………… 64

Лекция № 11. Основные типы подземных вод…………………….. 70

Лекция № 12. Основы динамики подземных вод………………….. 74

Лекция № 13. Инженерно-геологические свойства горных

пород………………………………………………….. 81

Лекция № 14. Инженерно-геологические явления и процессы…… 87

Лекция № 15. Инженерно-геологические явления в зонах

вечной мерзлоты……………………………………… 91

Лекция № 16. Гидрогеологические изыскания для проектов

водозаборов подземных вод………………………….. 95

Лекция № 17. Изыскания для обоснования проектов строитель-

ства для водозаборных, очистных и канализа-

ционных сооружений…………………………………..99

Учебно-методические материалы..…………………………………………103

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Дисциплина «Инженерная геология» преподается на первом курсе, когда студенты строительных специальностей еще не в полной мере знакомы с пространственными характеристиками строительных сооружений.

Инженерная геология - наука о строении, свойствах и динамике геологической среды, ее рациональном использовании и охране в связи с инженерно – хозяйственной деятельностью и является одним из разделов геологических дисциплин. Целью изучения инженерной геологии является: приобретение студентами знаний о строении и свойствах геологической среды, динамике их изменений и умение использовать их в процессе проектирования, строительства и эксплуатации объектов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

а) получить общие сведения о строении Земли, геологических процессах, протекающих ее недрах и на поверхности:

б) приобрести знания о важнейших породообразующих минералах, горных породах и искусственных грунтах:

в) изучить инженерно-геологические свойствв грунтов;

г) освоить навыки по изучению условий залегания, динамики подземных вод и их влиянию на условия ведения инженерно-строительных работ и эксплуатации зданий и инженерных сооружений;

е) изучение геологических процессов и явлений как природных, так и связанных с инженерной деятельностью, а так же прогнозирование их развития на длительное время;

ж) изучение проблем, обеспечивающих рациональное освоение территории, недр и охрану окружающей среды;

з) закрепление теоретических знаний, полученных в процессе обучения, и приобретение практических навыков по инженерной геологии, необходимых при изысканиях на территориях и участках строительства при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

ГЕОЛОГИЯ (греч.”гео”- Земля, “логос”- учение) – одна из важнейших естественных наук, изучает строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует статические явления и динамические процессы, проявлявшиеся в прошлом и протекающие на нашей планете в настоящее время. Современная геология вооруженная специальными методами и богатейшим опытом изучения Земли, является наукой синтетической. Она тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. В своих исследованиях геология опирается на знание трех фундаментальных наук, как математика, физика и химия.

В отличие от других наук, изучающих нашу планету, геология занимается изучением недр Земли. ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА геологии состоит в изучении наружней каменной оболочки Земли, называемой земной корой, и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек планеты.

ОБЪЕКТАМИ ИЗУЧЕНИЯ геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

Трудами наших выдающихся ученых А.Д.Архангельского, Н.В.Белова, А.Г.Бетехтина, Ю.А.Билибина, В.И.Вернадского, А.П.Виноградова, И.М.Губкина, В.А.Обручева, С.С.Смирнова, Н.М.Страхова, А.Е.Ферсмана и др. деятельностью многотысячной армии геологов в СССР и РФ был достигнут прогресс в развитии всех областей геологических знаний, создана прочная минерально-сырьевая база для всех отраслей народного хозяйства.

ЛЕКЦИЯ № 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ.

План лекции   1.1.Форма и основные параметры Земли.

ЛЕКЦИЯ № 2

СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

  План лекции  

ЛЕКЦИЯ № 3

ЭНДОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.

МАГМАТИЗМ И МЕТАМОРФИЗМ.

План лекции   3.1. Причины зарождения и миграции магматических расплавов.

ЛЕКЦИЯ № 5

ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.

ВЫВЕТРИВАНИЕ, ЭОЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

План лекции   5.1. Общие черты экзогенных геологических процессов.

ЛЕКЦИЯ № 6

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ВОД ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА

План лекции   6.1. Общие сведения о геологической работе вод поверхностного стока.

ЛЕКЦИЯ № 7

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ЛЕТОИСЧИСЛЕНИЕ.

План лекции.   7.1. Основные этапы эволюции Земли.

ЛЕКЦИЯ № 8

ГРАФИЧЕСКИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И РАБОТА С НИМИ

План лекции   8.1.Методы получения геологической информации.

ЛЕКЦИЯ № 9

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДЕ В ПРИРОДЕ. ВОДНОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОНЫХ ПОРОД.

План лекции

9.2. Виды воды в горных породах. Происхождение подземных вод. Понятие о водоносном горизонте 9.3. Воднофизические свойства горных пород  

ЛЕКЦИЯ № 10

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

  10.1. Физические свойства подземных вод. 10.2. Общая минерализация и солевой состав вод.

Л Е К Ц И Я № 11

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

11.1. Классификация водоносных горизонтов. 11.2. Воды зоны аэрации. 11.3. Грунтовые воды.

ЛЕКЦИЯ № 12

ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

12.1. Общие положения о движении подземных вод. 12.2. Расход естественных потоков подземных вод. 12.3. Искусственные дрены.

Взаимодействующие дрены

    ;

Л Е КЦ И Я № 13

ИНЖЕНЕРНС-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

План лекции

13.1 Объекты, методы и задачи инженерной геологии.

13.2. Инженерно-геологическая классификация и свойства горных пород.

13.3. Механические свойства горных пород.

13.4. Особенности свойств горных пород в массивах.

 

 

I. Объекты, методы и задачи инженерной геологии

Инженерная геология изучает природную геологическую обстановку местности (участка строительства) до начала строительства, а также определяет те… Основными задачами инженерной геологии являются следующие : I) изучение…  

Инженерно-геологическая классификация

Грунтов

при изучении горных пород в инженерно-строительных целях основным показателем является их сопротивление действующим механическим условиям (нагрузке… Существует 4 основных типа связей между частицами горных пород: 1) жесткие… В соответствии с этим грунты подразделяются на две группы: скальные и нескальные. Последние в свою очередь разделяются…

Физико-механические свойства грунтов

 

Физические свойства

Удельным весом называют отношение массы минеральных твердых частиц и их объему. Значение удельного веса используется в различных расчетных формулах.… Объемный вес грунтов - величина переменная, зависит от их влажности и… При расчете устойчивости оснований и откосов для грунтов ниже уровня грунтовых вод используется величина объемного…

Механические свойства.

Механические свойства грунтов являются наиболее важными характеристиками для проектных расчетов. К ним относятся: 1) предельное сопротивление на сжатие. 2) предельное сопротивление на сдвиг.

ЛЕКЦИЯ № 14 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

План лекции

14.1. Оползни (движение грунтовых масс на склонах). 14.2. Суффозионные явления. 14.3. Карстовые процессы и явления.

I. Движение грунтовых масс на склонах

Склоны могут быть природными и искусственными. При определенных условиях горные массивы, слагающие склон или откос, могут терять устойчивость и… А. Обвалы возникают на сравнительно крутых склонах (α= 45+60°), что… Обвалы связаны с трещиноватостью пород, подмывом или подрезкой склонов, переувлажнением пород, землетрясениями,…

Суффозионные явления

Процесс механического выноса частиц из толщ грунтов называют суффозией. В результате суффозии возникают подземные пустоты, воронки, происходит… Наличие в породе частиц других размеров затрудняет вынос частиц диаметра d .… В природных условиях такие возможности достигаются на берегах рек и водохранилищ при быстром падении уровня воды.

Карстовые процессы и явления

Химическое растворение горных пород вызывает в земной коре и на ее поверхности совокупность физико-геологических явлений, называемых карстом.… Карстовые явления развиваются в областях легкорастворимых пород: известняков,… Растворимые породу могут находиться у дневной поверхности. В этом случае получает развитие открытый поверхностный…

Плывуны

Плывунами в строительной практике называют водонасыщенные рыхлые породы» преимущественно пески, которые при вскрытии котлованами и траншеями… Основной причиной плывунных свойств является гидродинамическое давление… В плывунном состоянии грунты утрачивают всякие связи. Частицы переходят во взвешенное состояние.

ЛЕКЦИЯ № 15 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

План лекции

 

15.1. Условия распространения и залегания вечномерзлотных пород.

15.2. Подземные воды в криолитозонах.

15.3. Инженерно-геологические явления в зонах залегания вечномерзлотных пород.

15.4. Инженерно-геологические условия строительства в криолитозонах.

Условия распространения и залегания вечномерзлотных

Пород.

Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура. Это явление принято называть "вечной" мерзлотой. По предложению П.Ф.Швецова такие зоны принято называть криолитозонами. Учение о явлениях вечной мерзлоты называется мерзлотоведением (в последнее время геокриологией).

Вечная мерзлота имеет широкое распространение. Почти 50 % территории СССР и 24 % суши земного шара относится к криолитозонам. Строительство зданий и сооружений в этих зонах имеет специфические особенности. Поэтому важность изучения названной темы имеет первостепенное значение в подготовке инженеров - строителей. Происхождение вечной мерзлоты до настоящего времени еще неясно. Одна группа ученых считает, что развитие вечной мерзлоты обязано только суровому климату северных районов, т.е. среднегодовая температура там ниже 0° С. Большинство считают, что глубокое промерзание грунтов возникло 50 - 60 тысяч лет тому назад, в ледниковый период.

Если рассмотреть через толщи земной коры с вечномерзлыми породами, то можно обнаружить два типа залегания пород с устойчивой отрицательной температурой.

Верхний слой летом оттаивает, а зимой замерзает. Его называют деятельным слоем. Мощность деятельного слоя зависит от климатических условий, петрографического и минералогического состава пород и характера растительного покрова.

Перелетками называют слои грунтов, замерзающих зимой и не оттаивающие в течение одного - двух лет.

В более холодных районах вечномерзлые породы залегают сплошными покровами, распространенными на больших территориях. Такое залегание называют сплошной мерзлотой. В более теплых районах в сплошных покровах вечной мерзлоты встречаются участки, не содержащие вечномерзлых пород. Такую мерзлоту называют несплошной. Еще в более теплых районах участки, содержащие вечномерзлые породы, встречаются только в виде островов среди пространства, не содержащего вечной мерзлоты; в этих случаях мерзлоту называют островной.

Следовательно, при характеристике криолитозон необходимо указывать залегание вечномерзлых пород в разрезе (сливающаяся, несливающаяся, слоистая) и простирание их в плане (сплошная, несплошная, островная).

На установившиеся соотношения между деятельным слоем и слоем вечномерзлых пород оказывают влияние климатические условия, наличие снегового или травлёного покрова, обнаженность поверхности, состав пород деятельного слоя, присутствие торфяников в верхнем слое.

Все эти обстоятельства влияют на теплопроводность деятельного слоя и на количество тепла, передаваемого мерзлому слою или отнимаемого у него.

Абсолютная величина отрицательной температуры вечномерзлых пород колеблется от 0° до -8° С. Ниже - 8° С отмечается крайне редко.

В каждом отдельном регионе устанавливается своя средняя температура (-1, -3)(-3, -5).

Подземные воды в криолитозонах

Подмерзлотные воды залегают ниже слоя вечномерзлых пород и по своим свойствам не отличаются от подземных !вод в обычных условиях. Часто - это… Меж мерзлотные воды залегают в слое вечномерзлых пород. Они приурочены к… мерзлотными и надмерзлотными водами. Вне таликов они, образуют ископаемый лед. Могут быть напорными и безнапорными как…

Инженерно-геологические явления в зонах залегания вечномерзлых пород

Вода, занимающая поры наскальных грунтов, при замерзании играет роль прочного цемента и превращает породу в прочную монолитную массу. Этот процесс… Уменьшение объема грунта при оттаивании вызывает большие просадки, величину… В процессе перехода деятельного слоя из талого состояния в мерзлое и обратно возникает ряд инженерно-геологических…

Инженерно-геологические условия строительства

В криолитозонах

1) С сохранением горных пород в мерзлом состоянии в течение всего периода строительства и эксплуатации зданий и сооружений. 2) Вечномерзлые грунты в основном используются в оттаянном состоянии (с допущением оттаивания их в процессе…

ЛЕКЦИЯ № 16 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТОВ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

План лекции

16.1. Поиски и разведка подземных вод для целей водоснабжения,

16.2. Гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка.

16.3. Буровые, опытные и лабораторные работы.

17.4. Состав и содержание отчета по гидрогеологическим изысканиям.

16.5. Стационарные режимные наблюдения.

I. Поиски и разведка подземных вод для целей

Водоснабжения

Поиски и разведка подземных вод для водоснабжения ведутся в основном специализированными гидрогеологическими организациями. Проводятся они в три… Основная цель поисковых работ - выявление в районе исследований участков и… На основании поисковых работ составляют гидрогеологическую карту с указанием перспективных участков подземных вод.…

Инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка.

литология, тектоника..) геоморфология, гидрогеологические условия (источники и другие водопроявления, уровень грунтовых вод, химизм и т.п.);… Основной метод съемки - маршрутные наблюдения, используют также аэрометоды,… На основе этой съемки составляют инженерно-геологическую карту района строительства. Это дает возможность произвести…

Стационарные наблюдения

Стационарные наблюдения при гидрогеологических исследованиях проводят за развитием неблагоприятных геологических процессов (карстом, оползнями и… Продолжительность наблюдений до I года и более. На территории крупных очистных… При изысканиях для водоснабжения наблюдения за режимом подземных вод производят на всех стадиях и этапах. Особенно они…

Состав и содержание отчета по гидрогеологическим изысканиям.

 

Отчет является итогом инженерно-геологических и гидрогеологических исследований. Эта работа входит в камеральные работы. Содержание и объем отчетов находятся в зависимости от вида исследований, стадии, проектирования и сложности объектов. В состав отчета входит обычно 3 части (текстовая, табличная и графическая).

Отчет о гидрогеологических исследованиях представляют для обоснования эксплуатационных запасов подземных вод на участке будущего водозабора. Он является частью общего проекта водозабора и предназначен для его гидрогеологического обоснования. Основное внимание уделяют описанию гидрогеологических условий по всей площади распространения водоносного горизонта, так и для участка водозабора (более подробно), анализируют результаты бурения скважин, опытно-фильтрационных исследований, стационарных наблюдений за режимом подземных вод. Оценивают их качество. Приводят различные данные и обосновывают выбор участка водозабора и зон санитарной охраны.

В конце отчета даются выводы по оценке эксплуатационных запасах и по расчетным гидрогеологическим данным» необходимым для проектирования, строительства и эксплуатации водозабора.

К тексту отчета прилагаются гидрогеологические карты и разрезы, графики и таблицы лабораторных определений воды и другие материалы.

 

 

ЛЕКЦИЯ № 17 ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА ДЛЯ ВОДОЗАБОРНЫХ, ОЧИСТНЫХ И КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

План лекции

17.1. Основные цели и задачи инженерно геологических изысканий.

17.2.Состав и объем инженерно-геологических исследований.

17.3. Инженерно-геологические исследования на различных стадиях проектирования.

17.4. Инженерно-геологические изысканий для трубопроводов.

17.5. Изыскания месторождений естественных строительных материалов.

 

Основные цели и задачи инженерно-геологических изысканий

Столь же многообразны назначение и конструктивные решения проектируемых объектов, поэтому производство инженерно-геологических изысканий для… Целью инженерно-геологических изысканий является обоснование выбора… Отсюда основной задачей этих исследований является инженерно-геологическое обследование местности (участка, трассы)…

Состав и объем инженерно-геологических исследований

Инженерно-геологические исследования включают: проходку разведочных выработок по трассе и на площадках сооружений; дополнительные исследования… Количество разведочных выработок по трассе принимается в зависимости от… В районах со сложными инженерно-геологическими условиями необходимо проведение дополнительных специальных исследований…

Инженерно-геологические исследования на различных стадиях проектирования

Инженерно-геологические работы строятся в зависимости от стадий проектирования, предшествуют проектированию. Б настоящее время проектирование… На практике последовательность стадий проектирования не всегда соблюдается.… В ряде случаев инженерно-геологические изыскания могут проводиться вне стадий проектирования, в процессе строительства…

Инженерно-геологические изыскания для объектов трубопроводов

Инженерно-геологические изыскания трасс проводят в одну или две стадии в зависимости от типов трубопроводов (магистральные, разведочные и т.д.). На первой стадии производят обоснование вариантов трассы трубопровода. Как и… В отчете по первой стадии изысканий дается сравнительная характеристика всех вариантов трассы трубопровода с…

Изыскания месторождений естественных строительных материалов

Изыскания проводят в два основных этапа: поиски и разведка (предварительная и детальная). Поиски проводят в процессе инженерно-геологической съемки.… Поиски дают возможность найти месторождение необходимых материалов как можно… Поисковые работы ведут с помощью поисковых маршрутов или площадных поисков, если необходимые месторождения не…

Учебно-методические материалы

Основная литература.

1. Кирилин В.А. Гидрогеология. М., Недры., 1993.

2. Инженерная геология и гидрогеология.: Учебник для вузов/ Ананьев В.П., Передельский Л.В. М- 1999. – 310 с.

3. Инженерная геология: Учебник для вузов: Пеленовский А.н., Перескокова Т.М. М.-1987, 379 с

4. Инженерная геология: Учебник для вузов/Белый Л.Д. М.,Высш.шк..1985. 372 с.

5. Ершов В.В. Основы геологии. М., Недра, 1997, 310 с.

6. Образцов А.И., Захаров Е,И. и др. Введение в геологию/ Учебн. Пособие, Тула, ТулГУ, 2005, - 254 С,

 

Дополнительная литература и пособия.

1.Коллекции минералов и горных пород.

2 Приборы для определения физико- механических и фильтрационных характеристик грунтов.

3. Методические указания по всем разделам.

4. Конспект лекций по дисциплине «Инженерная геология» - Чекулаев В.В. 2008 год.