Геосферы

Лекция № 1.

ВВЕДЕНИЕ.

Геология - комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых. Геология в самостоятельную ветвь естествознания выделилась в ХУШ – начале ХIХ века. Сейчас геология - комплексная естественная наука, включающая более двадцати научных дисциплин: стратиграфия, минералогия, тектоника, петрография, литология, геокриология, учение о полезных ископаемых, геофизика, инженерная геология, гидрогеология и др.

Инженерная геология –наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и инженерно- геологические процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.

Становление инженерной геологии.В конце ХIХ - начале ХХ века – накопление опыта использования геологических данных для строительства железных дорог. Во второй трети ХХ века инженерная геология стала необходимой частью строительного производства. Были разработаны методики качественной и количественной оценки свойств горных пород (грунтов). Появились нормы и технические условия на строительство в обычных и сложных геолого-климатических условиях и при развитии опасных природных процессов (многолетняя мерзлота, сейсмические районы, лессовые просадочные грунты, и др.). В настоящее время инженерная геология изучает природную среду для целей строительства и обеспечения ее рационального использования и охраны от неблагоприятных для человека процессов. Инженерная геология основывается на знаниях в области физики, химии, высшей математики, биологии, экологии, географии, астрономии, гидравлики, геодезии, климатологии, информатики.

 

Инженерная геология включает следующиенаучные направления:

1) грунтоведение–изучает горные породы (грунты) и почвы;

2) инженерная геодинамика– исследует природные и антропогенные геологические процессы и явления;

3) региональная инженерная геология– изучает строение и свойства геологической среды определенных территорий (регионов).

Кроме того, инженерная геология включает специальные разделы: механика грунтов, механика скальных грунтов, инженерная гидрогеология, инженерная геофизика, геокриология (мерзлотоведение).

 

Главная цель инженерной геологии –изучение природной геологической среды до начала строительства, прогноз тех изменений, которые произойдут в ней в процессе строительства и эксплуатации сооружений. В настоящее время ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться без инженерно-геологических данных.

 

Основные задачи инженерно-геологических изысканий,проводящихся до начала проектирования объекта:

- выбор оптимального в геологическом отношении места (площадки, района) строительства данного объекта;

- выявление инженерно-геологических условий ( состав грунтов, условия их залегания, гидрогеологическая обстановка, характер природных геологических процессов) в целях определения рациональной конструкции фундамента и объекта в целом и технологии производства строительных работ;

- выработка рекомендаций по мероприятиям инженерной защиты территории и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации сооружений.

 

 

Лекция № 2.

ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ

 

Геосферы

  Атмосферапо распределенной в ней температуреподразделяется снизу вверх на… Особенности сфер атмосферы:

Твердые геосферы

  Земное ядросостоит из внутреннего твердого ядра железо-никелевого состава с…  

Тепловой режим земной коры.

В земной коре различают три температурные зоны (тепловых пояса): 1) переменных температур (сезонных колебаний) – от 0 м на экваторе до 12- 15 и… 2) постоянных температур – на глубине 15-40 м, в северном полушарии здесь – 15,5оС, в южном – 13,5оС. Исключением…

Лекция № 3.

МИНЕРАЛЫ

В настоящее время различают два вида минералов: 1) природного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре; 2) искусственного…  

Происхождение минералов

1) Энодогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы (силикатный огненно - жидкий… 2) Экзогенный процесспроисходит на поверхности земной коры. Минералы… Экзогенные минералы в большинстве случаев имеют низкую твердость, взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Природные минералы

Это минеральные образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный… Иногда минералы встречаются в виде самостоятельных скоплений, но чаще входят в… В земной коре встречается более 7000 минералов и их разновидностей. Наиболее часто встречаются порядка 100 минералов,…

Искусственные минералы

В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов. Существуют два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги – это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.).

Классификация минералов по химическому составу.

 

Классы самородных элементов и сульфидов.

Из наиболее распространенных минералов первого класса можно назвать серу S. Используется в химической промышленности для получения серной кислоты, в сельском хозяйстве и в ряде других отраслей.

Графит С связан преимущественно с процессами метаморфизма. Широко применяется в металлургии, для производства электродов и др. К этому же классу относятся такие ценные минералы, как алмаз, золото, платина и др.

К классу сульфидов принадлежат многочисленные минералы - руды металлов.

Галенит, или свинцовый блеск PbS,- встречается в виде кристаллических агрегатов, реже - отдельных кристаллов и их сростков. Сингония кубическая. Цвет свинцово-серый; черта серовато-черная, блестящая; блеск металлический; непрозрачный.

Сфалерит, или цинковая обманка ZnS, - встречается в виде кристаллических агрегатов, реже сростков кристаллов кубической сингонии. Цвет бурый, редко бесцветный, примесями железа бывает окрашен в черный; черта желтая, бурая; блеск алмазный, металловидный; просвечивает; спайность совершенная.

 

Класс галоидных соединений.

К нему относятся минералы, представляющие соли фтористо-, бромисто-, хлористо-, йодистоводородных кислот.

Наиболее распространенными минералами этого класса являются хлориды, образующиеся главным образом при испарении вод поверхностных бассейнов. Известны выделения хлоридов и из вулканических газов.

Галит NaCI - образует плотные кристаллические агрегаты, реже кристаллы кубической формы. Чистый галит бесцветный или белый, чаще окрашен в различные светлые цвета; гигроскопичен, соленый на вкус. Используется в пищевой промышленности, в химической для получения хлора, натрия и их производных.

Сильвин КСl - близок по происхождению и по физическим свойствам к галиту, с которым часто образует единые агрегаты. Отличительный признак - горько-соленый вкус. Применяется в основном как сырье для калийных удобрений, в химической промышленности.

Фториды связаны преимущественно с гидротермальными, а также с магматическими и пневматолитовыми процессами (греч. "пневма" - дух, газ). В экзогенных условиях образуются редко. К ним относится флюорит, или плавиковый шпат - CaF₂, встречающийся в виде зернистых скоплений, отдельных кристаллов и их сростков.

Класс оксидов и гидроксидов.

По количеству входящих в него минералов занимает одно из первых мест: на его долю приходится около 17% всей массы земной коры. Из них около 12,5% составляют оксиды кремния и 3,9% - оксиды железа. Минералы этого класса образуются как в эндогенных, так и в экзогенных условиях.

Кварц SiО₂ - широко распространенный в земной коре породообразующий минерал. Кварц встречается в виде зернистых агрегатов, плотных масс, зерен в породах, в пустотах образует кристаллы и их сростки. Кристаллы имеют сложную форму, основой которой является шестигранная призма, оканчивающаяся ромбоэдрами. Цвет разнообразный - бесцветный, белый, серый, встречаются окрашенные разности. Окраска лежит в основе выделения разновидностей кварца: горный хрусталь - бесцветные прозрачные кристаллы; дымчатый кварц - серо-дымчатые, бурые; аметист - фиолетовые кристаллы; морион - черные и др.; просвечивает, реже прозрачен. Кварц выделяется при кристаллизации магмы, выпадает из горячих растворов и паров, возникает в процессе метаморфизма. В экзогенных условиях образуется редко. Химически устойчив в любых условиях.

 

 

Халцедон SiO₂-скрытокристаллический минерал, образующий плотные, часто натечные массы. Цвет различный, часто желто-бурых тонов. Кварц и халцедон используются в стекольной, химической промышленностях, в строительстве, горный хрусталь (пьезокварц) - в оптике и радиотехнике. Красиво окрашенные разновидности применяются в ювелирном деле. Месторождения многочисленны.

Опал SiO₂.nH₂O - аморфный минерал. Образует плотные, часто натечные массы, слагает некоторые осадочные породы органогенного происхождения. Бесцветный, белый, серый, примесями бывает окрашен в различные цвета. Образуется при выветривании силикатов, в результате жизнедеятельности некоторых организмов; выпадает и из горячих растворов, образуя гейзериты. Используется в ювелирном деле как поделочный камень, в строительстве как абразивный материал.

Широко распространены в природе минералы оксида железа. Гематит, или железный блеск Fe₂О₃, образует плотные мелкокристаллические агрегаты чешуйчатого строения, скрытокристаллические массы (красный железняк), а также желваки (конкреции) радиально-лучистого или скорлуповатого строения. Цвет от желто-серого, стально-серого и почти черного у кристаллических разностей до темно-красного у скрытокристаллических; цвет черты от красно-бурого до вишнево-красного.

Магнетит, или магнитный железняк FeО.Fе₂О₃, или FeFe₂О₄, обычно образует плотные кристаллические агрегаты. Сингония кубическая. По свойствам напоминает кристаллическую разновидность гематита, но отличается от него черным цветом черты и магнитными свойствами. Образование гематита и магнетита связано главным образом с эндогенными процессами - магматическими, гидротермальными и метаморфическими. Гематит может возникать и в экзогенных условиях (при выветривании, в морской среде).

Лимонит, или бурый железняк,- это агрегат близких минералов - гётита FeOOH, гидрогётита FeOOH.nН₂О, лепидокрокита FeO(OH) и глинистых частиц, соотношения которых непостоянны. Лимонит образует плотные натечные или землистые рыхлые массы, конкреции и оолиты. Часто можно наблюдать в одном образце переходы плотных разностей в рыхлые. Цвет у рыхлых разностей охристо-желтый, у плотных - черный; черта соответственно желто- бурая или бурая. Образование лимонита связано с выветриванием железосодержащих минералов, а также с выпадением из поверхностных вод, причем в этом процессе большую роль играют микроорганизмы.

Ценным полезным ископаемым на алюминий является боксит, представляющий собой, подобно лимониту, агрегат минералов - оксидов и гидроксидов алюминия: диаспора АlOOН, гидраргиллита Аl(ОН)₃, бемита АlO(ОН) с примесью оксидов железа, оксида кремния и др. Встречаются в виде землистых рыхлых или твердых масс, часто образуют оолитовые скопления. Цвет белый, серый, желтый, чаще красный, буро-красный. Образуются при выветривании горных пород, которые богаты минералами, содержащими алюминий, и при последующем переотложении продуктов выветривания.

Класс карбонатов объединяет большое число минералов, для которых характерна реакция с соляной кислотой, сопровождающаяся выделением углекислого газа. Интенсивность реакции помогает различать минералы - карбонаты, близкие по многим свойствам. Они часто светлоокрашенные, со стеклянным блеском; твердостью 3-4,5; спайностью совершенной в трех направлениях. Образование карбонатов связано главным образом с поверхностными химическими и биохимическими процессами, а также с метаморфическими и гидротермальными.

Кальцит, или известковый шпат Са[СО₃],-один из наиболее распространенных в земной коре минералов, участвующих в строении как осадочных, так и метаморфических пород. Встречается в виде кристаллических и скрытокристаллических агрегатов различной плотности, в пустотах в виде разнообразных натечных форм, кристаллов и их сростков. Цвет разнообразный - от бесцветного и белого, изредка до черного; (бесцветные прозрачные кристаллы кальцита, обладающие двулучепреломлением, называются исландским шпатом); бурно реагирует ("вскипает") с соляной кислотой. Применение разнообразно: в строительстве, в металлургической и химической промышленностях, как поделочный камень, исландский шпат - в оптике.

Доломит CaMg[СO₃]₂- распространенный минерал, образующий кристаллические и землистые агрегаты. От кальцита отличается несколько большей твердостью и плотностью, а главное, реакцией с соляной кислотой, которая идет только с порошком доломита. Используется в металлургии и строительстве.

Минералы класса сульфатов осаждаются в поверхностных водоемах, образуются при окислении сульфидов и серы в зонах выветривания, реже связаны с вулканической деятельностью.

Ангидрит Ca[SO₄]-образует плотные мелкокристаллические скопления. Цвет белый, часто с голубым или серым оттенком; блеск стеклянный, перламутровый; прозрачен, чаще просвечивает; спайность совершенная в одном направлении и средняя в двух. Используется для производства цемента, для поделок.

Наиболее распространенным минералом класса сульфатов является гипс Ca[SO₄]₂H₂O, встречающийся в виде мелкокристаллических и землистых агрегатов, отдельных кристаллов и их сростков. Обычно белый, бывает окрашен в светлые тона; блеск стеклянный, перламутровый, шелковистый; прозрачный или просвечивает; спайность в одном направлении весьма совершенная, в другом средняя. Используется в строительстве, в химической промышленности, медицине и др.

Класс фосфатов. Наиболее распространенным минералом является апатит Са₅[РO₄]₃(F,ОН,Cl) (содержание фтора, хлора и гидроксильной группы колеблется). Встречается в виде кристаллических агрегатов и отдельных кристаллов. Цвет бесцветный, чаще бледно-зеленый и зеленовато-голубой. Происхождение магматическое. Широко используется для производства удобрения и в химической промышленности.

Класс силикатов. Минералы этого класса широко распространены в земной коре (свыше 78%). Они образуются преимущественно в эндогенных условиях, будучи связаны с различными проявлениями магматизма и с метаморфическими процессами. Лишь немногие из них возникают в экзогенных условиях. Многие минералы этого класса являются породообразующими магматических и метаморфических горных пород, реже осадочных.

Силикаты характеризуются сложным химическим составом и внутренним строением. Минералы содержащие ионы алюминия называются алюмосиликатами.

Внутренняя структура силикатов и алюмосиликатов в значительной степени обусловливает их свойства: минералы с островной структурой, характеризующейся плотной упаковкой ионов, часто образуют изометричные кристаллы, обладают большой твердостью, плотностью и несовершенной спайностью. Минералы с линейно вытянутыми структурами (цепочечными и ленточными) образуют призматические кристаллы, обладающие хорошо выраженной спайностью в двух направлениях вдоль длинной оси структуры. Минералы с слоевой структурой образуют таблитчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью, параллельной "слоям" структуры.

Островные силикаты. Оливин, или перидот, (Mg,Fe)₂[SiO₄], форстерит (бесцветный) Mg₂[SiO₄] и фаялит (черный) Fe₂[SiO₄]. Встречается обычно в виде зернистых агрегатов или отдельных зерен, вкрапленных в породы.

Цвет желто-зеленый, оливковый до черного. Разновидности, содержащие мало железа, употребляются для изготовления огнеупорного кирпича, хризолит (желто-зеленая разновидность) - драгоценный камень.

Цепочечные и ленточные силикаты и алюмосиликаты. Цепочечной структурой обладают минералы группы пироксенов, а ленточной - амфиболов. Минералам группы амфиболов свойственны длинностолбчатые, игольчатые или волокнистые шестигранные кристаллы.

Авгит (Ca,Na) (Mg,Fe²⁺,AlFe³⁺) [(Si,Al)₂O₆] встречается в кристаллических агрегатах. Цвет зеленовато- черный и черный; блеск стеклянный.

Одним из наиболее распространенных минералов группы амфиболов является роговая обманка (Ca,Na)₂(Mg,Fe²⁺⁾4(Al,Fe³⁺) (OH)₂[(Si,Al)₄O₁₁]₂. По свойствам близка к авгиту, отличаясь формой кристаллов и взаимным расположением плоскостей спайности, а также несколько меньшей плотностью.

К листовым (слоевым) силикатам и алюмосиликатам относится большое количество минералов, из которых многие являются породообразующими магматических, метаморфических и глинистых осадочных горных пород. Обладают весьма совершенной спайностью в одном направлении, параллельном "листам" кристаллической структуры, и небольшой твердостью.

Наиболее распространенными минералами этой структурной группы являются слюды, зерна которых встречаются во многих магматических и метаморфических породах; в жилах отдельные кристаллы слюд достигают в сечении нескольких квадратных метров. Происхождение магматическое, гидротермальное, метаморфическое.

Биотит K(Mg,Fe)₃(OH,F)₂[AlSi₃O₁₀]. Цвет черный, бурый, иногда зеленоватый; блеск стеклянный, местами перламутровый; как у всех слюд, листочки, отделяющиеся по спайности, упругие.

Мусковит 3KAl₂(OH)₂[AlSi₃O₁₀] по многим свойствам близок к биотиту, но имеет почти бесцветную окраску со светло-розовым или серым оттенком, прозрачен в тонких листочках. Используется в электропромышленности, радиотехнике, приборостроении, для изготовления огнестойких строительных материалов, красок, смазочных материалов и др.

Тальк Mg₃(OH)₂[Si₄O₁₀] образует кристаллические агрегаты, реже отдельные крупные кристаллы и их сростки. Цвет белый, светло-зеленый; блеск стеклянный, перламутровый, у плотных мелкозернистых агрегатов матовый; листочки, отделенные по спайности, гибкие, неупругие (на ощупь жирный). Широко используется как огнеупорный материал, при изготовлении изоляторов, в парфюмерии и пр.

Серпентин (змеевик) Mg₆(OH)₈[Si₄O₁₀] встречается обычно в виде плотных скрытокристаллических разностей. Тонковолокнистая разновидность называется хризо-асбестом. Цвет светло-зеленый, желто-зеленый до черного, часто пятнистый, у хризо-асбеста золотистый, отдельные волокна белые; блеск стеклянный, жирный, у хризо-асбеста шелковистый. Хризо-асбест используется для изготовления огнестойких и теплоизоляционных материалов.

К листовым силикатам относится ряд минералов осадочного происхождения, образующихся при выветривании преимущественно магматических и метаморфических пород. Составляют основную часть глинистых пород. Из этих минералов наибольшим распространением пользуется каолинит Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀], образующий землистые агрегаты. Цвет белый; блеск агрегатов матовый; излом землистый; (на ощупь жирный); легко поглощает влагу, намокая, становится пластичным. Употребляется в керамическом производстве, строительном деле, бумажной промышленности и др.

Из каркасных алюмосиликатов рассмотрим минералы группы полевых шпатов.

Минералы группы полевых шпатов пользуются широким распространением в земной коре, составляя в ней около 50 %. Являются породообразующими многих магматических и метаморфических горных пород. В трещинах образуют крупные кристаллы. Для всех полевых шпатов характерна спайность совершенная или средняя в двух направлениях. По химическому составу полевые пшаты делятся на две подгруппы: 1) калиевые (калинатровые, или щелочные) полевые шпаты; 2) известково- натровые (кальциево-натровые) полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие непрерывный изоморфный ряд Na[AlSi₃O₈] и Са [Al₂Si₂O₈].

Из первой подгруппы наиболее распространен ортоклаз К[А1Si₃О₈]. Цвет от бесцветного, белого, светло-серого до разных оттенков розового и красно-желтого; спайность в двух направлениях. Минерал того же состава, но кристаллизующийся другому, называется микроклином. По внешним признакам микроклин неотличим от ортоклаза, и только его голубовато-зеленая разновидность - амазонит - по цвету легко отличается от других полевых шпатов.

Калиевые полевые шпаты (особенно микроклин) из пегматитовых жил используются в керамической и стекольной промышленности.

В подгруппу плагиоклазов входят минералы, представляющие изоморфный ряд, Среди плагиоклазов по количеству оксида кремния выделяют кислые, средние и основные минералы (табл. 1).

Плагиоклазы по свойствам близки друг к другу и макроскопически обычно не разделяются. Исключение составляет лабрадор, у которого на сером фоне хорошо видны синие и зеленые переливы - иризация.

Плагиоклазы макроскопически мало отличаются и от калиевых полевых шпатов. Иногда их можно различить по окраске: плагиоклазы преимущественно белые, серые, зеленовато-серые, калиевые полевые шпаты белые, светло-серые, розовые и желтые разных оттенков. Существует также различие в угле между плоскостями спайности.

 

Таблица 1

Таблица минералов изоморфного ряда плагиоклазов

Минералы	Содержание, %	Кислотность (по содержанию оксида кремния)
Na[AlSi3O8]	Ca[Al2Si2O8]
Альбит	100-90	0-10	Кислые
Олигоклаз	90-70	10-30
Андезин	70-50	30-50	Средние
Лабрадор	50-30	50-70
Битовнит	30-10	70-90	Основные
Анортит	10-0	90-100

 

Лекция №4

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ

 

Горные породы и критерии их классификации.

Горные породы –агрегаты частиц одного или нескольких минералов или обломков пород. Горными породами сложена земная кора. Известно около 10000 видов и разновидностей горных пород.

 

Критерии классификации горных пород:

Минералогический состав, химический состав, структура, текстура, генезис (условия образования), форма залегания.

Минералогический состав. Горные породы могут состоять из одного или нескольких минералов. Мономинеральные породы – кварцит (сложен одним кварцем), известняк (состоит на 98% из минерала кальцита), гипс, доломит и др. Полиминеральные породы преобладают в природе и представляют собой закономерные сочетания частиц нескольких минералов. – Гранит состоит из зерен кварца, полевых шпатов, биотита и др. Минералы, содержащиеся в породах в количестве более 5%, называют породообразующими, содержащиеся в меньших количествах – второстепенными.

 

Химический состав- горные породы в отличие от минералов не имеют формулы, их химический состав определяют валовым химическим анализом.

 

Структура –признак, отражающий размер, форму, характер (кристаллы или обломки), взаимоотношение и взаиморасположение компонентов породы. Структура отражает сложение породы, характеризует мелкие черты ее строения. Например: породы, состоящие из кристаллов (магматические глубинные породы – гранит, хемогенные осадочные породы – гипс) обладают полнокристаллической структурой, обломочные осадочные породы (пески, песчаники, гравий) – обломочной структурой, излившиеся магматические (базальт) – стекловатой структурой.

 

Текстура –признак, характеризующий способ заполнения пространства породой, особенности расположения и распределения компонентов породы в занимаемом ею объеме. Текстура отражает особенности строения породы крупного масштаба: слоистость для осадочных, пористость или гнейсоватость для магматических, полосчатость – для метаморфических пород. Структура показывает как сложен агрегат, текстура – как он размещен в пространстве.

 

 

Главные генетические группы горных пород

1. Магматические –возникли в земной коре при застывании магмы (огненно-жидкого силикатного расплава) – гранит, диорит, сиенит, габбро, риолит,… 2. Осадочные –образовались на поверхности земной коры – на суше (при… а) при выпадении солей из пересыщенных водных растворов (доломит, гипс),

Деление магматических пород по степени изменения

Для интрузивных пород степень изменения определяется терминами свежая(невыветрелая) или выветрелаяпорода. Степень изменения зависит от устойчивости…

Генетические типы магматических пород и их отличительные признаки

 

 

Деление магматических горных пород по химическому составу на

Кислые, средние, основные и ультраосновные.

По содержанию кремнекислотымагматические породы делятся на: кислые –группа гранита – липарита (SiO2 > 65%), cредние –группы диорита – андезита и сиенита – трахита (SiO2 - 52-65%),

Минералогический состав.

Породообразующие минералы - составляют>90% объема породы и представлены главным образом силикатами: - полевые шпаты, кварц, нефелин - светлоокрашенные, - пироксен, оливин, амфиболы, слюды - темноцветные.

Инженерно-геологические особенности.

Прочность на одноосное сжатиемагматических пород меняется от 5-10 до 400-500 МПа. Ее величина зависит от структур, текстур, с увеличением размера… Наличие пор снижает прочность. Наименее прочные – шлаки и пемза, наиболее… Устойчивость к выветриваниюзависит от минералогического состава, структур и текстур пород. Основные и средние породы с…

Лекция № 5

Осадочные горные породы.

Представление об осадочных горных породах.

 

Стадии образования осадочных горных пород.

СТАДИЯ ВЫВЕТРИВАНИЯ (гипергенеза). В эту стадию происходит разрушение ранее возникших исходных (материнских) горных пород магматических, осадочных… а) Физическое выветривание Факторы – суточные и сезонные колебания температур, действие воды, находящейся в трещинах породы при ее замерзании и…

В) биологическое выветривание.

Характер процесса – ан. химическому выветриванию. Локализация – зоны с влажным и теплым климатом. г) смешанное выветриваниепроисходит при совместном действии двух или всех трех вышеназванных типов выветривания.…

Генетические типы осадочных горных пород.

В зависимости от типа выветривания материнских пород, способов переноса и накопления продуктов выветривания выделяют три главных генетических типа осадочных горных пород: обломочные, хемогенные и органогенные,а также породы смешанного состава. В зависимости от области накопления осадков различают также континентальные (речные, озерные, эоловые) и морские осадочные породы.

 

Химический и минералогический составы, текстуры, структуры и форма залегания осадочных пород.

Структурыразличны для каждого из генетических типов осадочных пород и будут рассмотрены при характеристике каждого из генотипов. Почти каждый тип… Текстуры осадочных пород слоистые. Различают следующие типы слоистости:… Форма залеганияосадочных пород – слои и слоистые толщи. Слои отличаются друг от друга составом, структурой, цветом. В…

Характеристика генетических типов.

Критерии классификации:размер частиц, степень их окатанности, степень связности частиц между собой. По размеру различают собственно обломочные породыс размером частиц свыше 0,005…  

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЛОМОЧНЫХ ПОРОД

Размер частиц, мм	С Т Е П Е Н Ь С В Я З Н О С Т И
Рыхлые	Связные	Сцементированные
С окатанными обломками	С неокатанными обломками		С окатанными обломками	С неока-танными обломками
100-500	Валуны	Глыбы		Конгломерат	Брекчия
10-100	Галька	Щебень		Конгломерат	Брекчия
2,0–10	Гравий	Дресва		Гравелит	Дресва
0,05-2,0	Песок		Песчаник
0,05-0,005	Алеврит	Алеврит	Алевролит
>0,005	Супесь, суглинок, глина	Супесь, суглинок, глина	Аргиллит

 

По степени связностиразличают рыхлые, связные и сцементированные породы. Рыхлые и связные встречаются преимущественно в современных отложениях: в морях, реках, озерах, намного реже встречаются в более древних толщах. Сцементированные породы характерны для прежних геологических эпох.

По степени окатанностиподразделяются только крупнообломочные породы (от гравия и дресвы до валунов и глыб).

Для крупнообломочных пород характерны псефитовые структуры: гравийная, дресвяная, галечниковая, глыбовая.Песчаные породы обладают псаммитовойструктурой, при этом по размеру песчаных частиц различают пески крупные (0,5-2 мм), средней крупности (0,25-0,5 мм), мелкие (0,1-0,25 мм), пылеватые (0,05-0,1 мм). Для алевритов и алевролитов характерна пылеватая алевритовая,для глинистых пород – пелитоваяструктура.

Грубообломочные и песчаные рыхлые породы(на лабораторных работах). Грубоообломочные породы, состоящие из неокатанных обломков, развиты на склонах горных хребтов, в руслах временных водотоков, состоящие из окатанных обломков (валуны, галька, гравий) находятся на морских побережьях, в руслах и долинах горных рек, среди ледниковых отложений. Песчаные породы состоят из минералов, наиболее устойчивых к процессам выветривания (кварц, полевые шпаты, слюды).

Связные, главным образом, глинистые породы.

К глинистым породам относят отложения, содержащие свыше 3% глинистых частиц (диаметр менее 0,005 мм). Глинистые частицы представлены минералами каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдами, галлуазитом, иллитом. Кроме них в глинистых породах находятся пылеватые, песчаные и более крупные частицы, а также примесь лимонита, органического вещества и др. Глинистые породы составляют около 50% общего объема осадочных пород.

 

В зависимости от содержания глинистых частиц различают:

название породы	содержание глинистых частиц, %
супесь	3-10
суглинок	10-30
глина	30-60
глина тяжелая	> 60

 

При увлажнении глинистые породы переходят в пластичное и текучее состояние, при высыхании уменьшаются в объеме и дают усадку. Это – влагоемкие породы со слабой водоотдачей. Супеси и суглинки слабоводопроницаемы, глины – водоупоры.

Сцементированные породы (конгломераты, гравелиты, брекчии, песчаники, алевролиты, аргиллиты)образуются из рыхлых и связных отложений при их уплотнении, дегидратации и цементации. Роль цемента выполняют вторичные образования: кальцит, лимонит, кремнистый и глинистый материалы, иногда гипс, проникающие между обломками вместе с фильтрующейся водой.

 

По вещественному составуразличают цементные вещества:

- Кремнистый (кварцевый) -прочный и устойчивы к выветриванию,

- Железистый -(бурого цвета), средней устойчивости,

- Известковый (карбонатный)-средней прочности и устойчивости (слабо растворим в воде),

-Глинистый-непрочный, размокает в воде,

-Гипсовый-слабо растворяется и размокает в воде.

ТИПЫ ЦЕМЕНТА

(различаются только в крупнообломочных породах)

Прочность крупнообломочных пород и их устойчивость в окружающей среде зависят от трех факторов: а) состава цемента, б) типа цемента, в) характера обломков.

Свойства сцементированных пород (на лаб. работах).

 

Хемогенные породы.

  5.3.Органогенные породы. Разделяются на зоогенные,состоящие из остатков животных (известняк, известняк-ракушечник, мел), и фитогенные,сложенные…

Инженерно-геологические особенности.

а) сжимаемостьпроявляется только в рыхлых и связных породах. Песчаные рыхлые породы уплотняются быстро и незначительно даже при кратковременных… б) Прочность на одноосное сжатие в скальных породах меняется от 0,8 до 200… в) устойчивость к выветриваниюзависит от состава, строения и степени связности пород. Устойчивость сцементированных…

Лекция № 6.

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Метаморфические горные породы - результат преобразования пород разного генезиса, приводящего к изменению первичной структуры, текстуры и минерального состава в соответствии с новой физико-химической обстановкой.

 

Представление о метаморфизме. Типы метаморфизма.

Объект метаморфизма – ранее сформировавшиеся магматические и осадочные горные породы. Факторы –высокие температуры, давление и химически активные вещества.… Область проявления –пояс (зона) метаморфизма, расположенный в земной коре на глубине от 800 м до 15-20 км.

Минеральный состав, структуры, текстуры и формы залегания

Метаморфических пород.

Минеральный составво многом сходен с магматическими породами: кварц, полевые шпаты, слюды, роговая обманка, пироксены, кроме них встречаются типичные метаморфические минералы: тальк, серпентин, асбест, а также кальцит и доломит, входящие в состав мраморов.

 

Структуры:

- кристаллобластические (бластез–перекристаллизация),

- катакластические,

- реликтовые.

 

КРИСТАЛЛОБЛАСТИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ

  (Стрелками показано направление давления). Лепидобластовая структура характеризуется наличием параллельно ориентированных (по нормали к направлению давления)…

Классификация метаморфических пород.

 

В основу классификации положены два фактора:

а) интенсивность метаморфических преобразований, отражающаяся в структурах (особенно, в размере кристаллов) и текстурах пород,

б) характер исходных пород (выражается в минеральном и химическом составе).

Примеры: в зависимости от глубины метаморфических преобразований в ряду пород – аргиллит - глинистый сланец - слюдяной сланец – гнейс – мигматит постепенно исчезают реликты аргиллита и увеличивается размер кристаллов; независимо от интенсивности преобразований сохраняется химический и минеральный состав исходных пород в рядах: известняк - мрамор, кварцевый песчаник – кварцит, габбро – амфиболит.

 

Классификация метаморфических пород

Тип метаморфизма

Исходные горные породы

Известняк,до-ломит

Мергель

Аргил-лит

Пес-ча-ник

Гра-нит

Липа-рит

Анде-зит, ба-зальт

Габ-бро, дио-рит

Ультра-основ-ные

Локальный

Контактовотер-мальн.   Контактовоме-тасома-тичес-кий

мрамор     скарн

роговик   скарн

роговик

грейзен

рого-вик   вторкварцит

рого-вик   скарн

серпен тинит, талько-вый сланец

Катакласти-ческий

Катаклазиты, милониты

Региональный

Верх-няя ступень   Сред-няя сту-пень   Нижняя ступень   Плуто-ничес-кий

Мрамор   Мрамор

извест-ковый сланец   Амфи-болит

глинис-тый сла-нец   слюдяной сланец     Гнейсы     мигматит

Кварцит     Кварцит

Слюдя-ной сла-нец   Гнейсы   мигматит

кв.-слюдя-ной сла-нец   кв. людя ной сла нец     Гнейсы     мигматит

Зеле-ный сланец   Ам-фибо-лит

Ам-фи-бо-лит

 

Согласно другим классификациям выделяются зернистые породы (мраморы, кварциты) и сланцеватые (сланцы, гнейсы). Сланцы и гнейсы, образовавшиеся за счет осадочных пород, называют парасланцами и парагнейсами, а сланцы и гнейсы, возникшие при метаморфизме магматических пород, - ортосланцами и ортогнейсами.

 

Инженерно-геологические особенности.

Метаморфические породы по ГОСТ 25100-95 относятся к скальным грунтам. Большинство этих пород – надежное основание сооружений, за исключением… К главным инженерно-геологическим особенностям метаморфических пород… Прочность на одноосное сжатие (Rсж)зависит от минерального состава, структур и текстур пород. Наименее прочными…

Лекция № 7.

Геологическая хронология.

Шкала геологического времени.

Установление возраста горных пород необходимо для их сопоставления как в пределах одного региона, так и в удаленных друг от друга областях, для… Абсолютный возраст – продолжительность существования породы в годах, тысячах,…  

Изотопы, используемые для определения абсолютного возраста пород

Точность методов различна: для U – 60 млн. лет, рубидиево-стронциевого – 100.000 лет. Эти методы применяются для определения возраста древних пород…   Относительный возраст отражает последовательность образования отложений, возраст пород относительно друг друга,…

Лекция № 8.

Геотектоника. Структуры земной коры.

Тектонические движения и их роль в строении и развитии земной коры.

Тектонические движения происходят постоянно, но интенсивность их проявления во времени непостоянна. Различают длительные эпохи относительного…  

Типы тектонических движений.

Горизонтальные движения – являются главными. Впервые о них заявил в 1912 г. австрийский геофизик А.Вегенер, считавший, что крупные участки земной… Факторы горизонтальных движений – конвекционные тепловые потоки в астеносфере… Особенности – длительность, постоянство во времени, планетарный масштаб, небольшие скорости (Южная Америка удаляется…

Тектонические структуры различного порядка.

Структуры второго порядка – платформы и геосинклинали. Платформы представляют собой обширные (десятки тысяч кв.км), изометричные по… Платформы представляют собой жесткие устойчивые малоподвижные структуры со слабо выраженной тектонической…

Первичные и вторичные формы залегания горных пород.

Слой – первичная форма залегания осадочных пород, это – однородное маломощное тело большой протяженности, отличающееся от смежных слоев составом,…  

Значение данных о залегании горных пород для строительства.

Наличие дислокаций усложняет инженерно – геологические условия строительных площадок – нарушается однородность грунтов оснований сооружений,… Если слои залегают наклонно, то здание располагается на грунтах с различными…  

Лекция № 9.

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ (ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ)

 

Общие сведения, происхождение подземных вод.

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, называют подземными. Гидрогеология – наука о происхождении, условиях залегания, законах движения, составе и свойствах подземных вод. Подземные воды – источник водоснабжения, но во многих случаях – фактор, осложняющий строительство и эксплуатацию сооружений.

Вода находится в постоянном движении. Различают большой, малый и внутренний (местный) круговорот воды. Большой круговорот: испарение влаги с поверхности океана – перенос ее на материки – выпадение в виде атмосферных осадков – перенос воды реками в океан. Малый круговорот: испарение влаги с поверхности океана – выпадение осадков в океан. Внутренний круговорот: испарение влаги с поверхности материка (с почвы, поверхности озер и болот) – выпадение атмосферных осадков на материке.

 

Происхождение подземных вод.По условиям образования выделяются несколько типов подземных вод: 1) инфильтрационные; 2) конденсационные; 3) седиментогенные; 4) магматогенные, или ювенильные; 5) метаморфогенные, или возрожденные.

1) Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание в глубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.

2) Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.

3) Седиментогенные подземные воды (лат. "седиментум" - осадок)- это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми отложениями. Такие воды называют эпигенетическими (греч. "эпи"-на, после). Седиментогенные воды нередко называют "погребенными", или реликтовыми (лат. "реликтуc" - остаточный). Ряд исследователей (Н. Б. Вассоевич и др.) отводят существенную роль в формировании глубинных пластовых вод так называемым элизионным процессам (лат. "элизио" - выжимание), т. е. выжиманию под влиянием давления и температуры из иловых морских осадков седиментогенных вод в водопроницаемые песчаные и другие слои. Такие воды называются перемещенными.

4) Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы, Э. Зюссом (1902) были названы ювенильными (лат. "ювенилис" - юный). Поступление таких вод происходит, с одной стороны, при извержении вулканов, с другой - из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 7-10% воды. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается, по разломам и тектоническим трещинам поднимается вверх, поступает в земную кору и местами выходит на поверхность. Количество магматогенных вод незначительно. К тому же они поступают на поверхность уже в смешанном виде, так как на своем пути пересекают различные горизонты подземных вод иного генезиса.

5) Метаморфогенные подземные воды (возрожденные, или дегидратационные) образуются при метаморфизме минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду или газово-жидкие включения. Под влиянием температуры и давления происходят процессы дегидратации. Если они протекают длительно, то приводят к образованию капельножидкой воды, вступающей в общий геологический круговорот подземных вод.

 

Водные свойства грунтов

Влагоемкость– способность грунтов вмещать и удерживать в себе воду. Когда все поры и трещины грунта заполнены водой, порода находится в состоянии… Водоотдача –способность водонасыщенных грунтов отдавать гравитационную воду в… Водопроницаемость– способность пород пропускать через себя воду. Зависит от наличия трещин и пор. Характеризуется…

Физические свойства, химический состав, жесткость и агрессивность подземных вод.

Химический состав. Воды содержат в растворенном состоянии газы, органические вещества и соли. По содержанию солей (хлоридов, сульфатов, карбонатов)… Жесткость и агрессивность — свойства, обусловленные присутствием в воде… Различают жесткость постоянную (сульфаты и хлориды) и временную, исчезающую при кипячении (карбонаты и бикарбонаты). …

Классификация подземных вод.

Подземные воды подразделяют по характеру использования и по условиям залегания в земной коре.

По характеру использования различают:

- хозяйственно-питьевые,

- технические (используются в промышленности и сельском хозяйстве),

- промышленные (содержат в растворе бром, йод и др.),

- минеральные (содержат минералы, радиоактивные элементы, и др.),

- термальные (с температурой свыше 37^о С).

 

По условиям залегания в земной коре различают:

- верховодку,

- грунтовые,

- межпластовые воды.

 

Верховодка образуется в зоне аэрации, когда инфильтрующаяся вода встречает на своем пути линзы водонепроницаемых пород. Это могут быть линзы глин среди песчаных отложений речных террас или суглинков в водопроницаемых водно-ледниковых отложениях и др. Подземные воды верховодки обычно образуются на сравнительно небольшой глубине и имеют ограниченное по площади распространение (см. рис.). Мощность пород, насыщенных верховодкой, чаще всего бывает до 1 м, редко достигает 2-5 м. Наибольшая мощность отмечается весной в период интенсивного снеготаяния и осенью при обильном выпадении атмосферных осадков. В засушливые годы мощность и количество воды верховодки уменьшаются, а иногда она совсем иссякает. Продолжительность существования верховодки зависит также от размеров и мощности водоупорного ложа, влагоемкости пород и условий питания. Чем больше размеры и мощность водоупорной линзы и интенсивность питания, тем больше сроки существования верховодки.

Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой части коренных пород, залегающего на первом от поверхности, выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. Верхняя граница зоны насыщения называется уровнем или зеркалом грунтовых вод (см. рис.). Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Она изменяется в пространстве и во времени. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, местами за счет инфильтрации вод рек и других поверхностных водоемов.

Гидравлические свойства грунтовых вод. По гидравлическим свойствам грунтовые воды безнапорные со свободной поверхностью. Уровень воды в буровых скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на высоте, соответствующей верхней границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.

Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам или трещинам. Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые потоки движутся от повышенных участков (начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам (оврагам, рекам, озерам, морям), где происходит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки или дренирования (франц. "дренаж" - сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной. Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента, а также от водопроницаемости горных пород.

Движение грунтовых водчерез относительно мелкие поры и неширокие трещины происходит в виде отдельных струек и называется ламинарным (параллельно-струйчатым) и только в галечниках, сильно трещиноватых и закарстованных породах приобретает местами турбулентный характер. Скорость движения воды V, по линейному закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости (коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту J:

 

V=KJ, где J=h /е

Где h - разница высот, е - пройденное расстояние.

 

Скорость движения воды в песках от 0,5 до 1-5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах.

Расход грунтовых вод (Q) прямо пропорционален гидравлическому градиенту (J) и площади поперечного сечения (F):

 

Q = KJF, или Q=VF

 

Режим грунтовых вод.Зеркало грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы понижается. При таких колебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В результате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения. Вместе с колебанием уровня грунтовых вод изменяется дебит (франц. "дебит" - расход) источников, а иногда и химический состав. В режиме грунтовых вод определенное значение имеет также их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими водоемами. Направленность процессов взаимодействия во всех случаях определяется соотношением уровней подземных и поверхностных вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В районах с влажным и умеренным климатом реки, как правило, дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод (рис.)

При изучении режима грунтовых вод важно знать:

1) высотное положение их уровня и уменьшение его во времени и по площади;

2) дебит источников;

3) количество выпадающих атмосферных осадков;

4) изменение уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые воды.

Изучение этих вопросов и систематические замеры уровня грунтовой воды в колодцах и специальных буровых скважинах производятся на многочисленных режимных гидрогеологических станциях. По результатам этих замеров, соответствующих определенному времени, строятся карты гидроизогипс (греч. "изос" - равный, "гипсос" - высота), на которых отражаются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и зависимость его уклона от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта.

Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидростанций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях необходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади.

Межпластовые воды – находятся в водоносных горизонтах, расположенных между водоупорами. Эти воды могут быть ненапорными и напорными (артезианскими).

Ненапорные воды находятся в горизонтально залегающих водоносных слоях, заполняют их не полностью.

Напорные (артезианские)воды залегают в водоносных слоях наклонных или смятых в синклинальную складку. Напор получается потому, что отдельные части водоносных слоев залегают на различных уровнях, что и создает напор. У напорных вод площадь питания не совпадает с площадью распространения. Напор артезианских вод характеризуется пьезометрическим уровнем.Он может быть выше земной поверхности, тогда скважина фонтанирует, или ниже ее.

 

 

Рисунок - Межпластовые воды. 1 – водоупоры, 2 – водоносные слои,

3 – область питания водой, 4 – буровая скважина, 5 – высота

напора, 6 – пьезометрический уровень.

 

 

Лекция №10

ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ГРУНТОВЕДЕНИЯ

Грунты. Виды связей в грунтах. Классификация по ГОСТ 25100-95.

 

Грунты –горные породы, почвы и техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунтоведение – наука о физико-механических свойствах, условиях образования грунтов, изменениях, происходящих в них в ходе природных геологических и инженерно-геологических процессов при строительстве и эксплуатации сооружений.

Основой при классификации, особенно при выделении главной таксономической единицы – классов, является характер связей между частицами грунтов.

Виды связей в грунтах:

1.Жесткие прочные не меняющиеся при увлажнении (структурная связь химической природы)

2. Жесткие прочные, ослабляющиеся при увлажнении (структурная связь химической природы).

3. Подвижные водно-коллоидные, резко меняющие прочность при увлажнении или осушении породы (структурная связь за счет молекулярного и ионно-статического взаимодействия).

4. Отсутствие структурных связей (связь за счет – силы трения).

 

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

класс – по общему характеру структурных связей,

группа – по характеру структурных связей, включая их прочность,

подгруппа – по происхождению,

тип – по вещественному составу,

вид – по наименованию грунта (с учетом размера частиц и показателей свойств)

разновидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

 

Согласно ГОСТ 25100-95 выделяются следующие классы грунтов:

1. Класс природных скальных грунтов.

2. Класс природных дисперсных грунтов.

3. Класс техногенных грунтов.

4.Класс природных мерзлых грунтов.

 

Класс природных скальных грунтов включает группы скальную со связями жесткими прочными, не меняющимися при увлажнении (магматические, метаморфические породы, песчаники, конгломераты на кремнистом цементе, известняки, доломиты) и полускальную со связями в грунтах жесткими прочными, меняющимися при увлажнении или осушении (диатомит, трепел, мел, мергель, гипс, ангидрит, галит).

 

Класс природных дисперсных грунтов– включает группы связных грунтов с водно-коллоидными связями (с видами: - глинистые грунты – супеси, суглинки глины, илы, сапропели заторфованные земли, почвы, торф) и несвязных грунтов (с видами: пески и крупнообломочные грунты).

Классы природных дисперсных и природных мерзлых грунтов требуют от строителей особого внимания, поскольку их устойчивость и прочность как оснований сооружений непостоянны и меняются в зависимости от изменений условий внешней среды (температуры и влажности).

Природные дисперсные и мерзлые грунты – рыхлые или связные горные породы, состоящие из частиц, не связанных между собой (пески, крупнообломочные грунты) или связанных таким образом, что прочность связей во много раз меньше прочности самих частиц (глинистые грунты, часть мерзлых грунтов).

 

2. Нескальные грунты как дисперсные системы. Фазовый состав грунтов.

Дисперсные грунты – накопления мелких частиц в виде песчаных или глинистых образований. Грунты состоят из твердых минеральных частиц, поры между ними заполнены водой и газом. В грунтах взаимодействуют три фазы: твердая, жидкая и газообразная (в мерзлых грунтах находится и 4-ая фаза – лед).

В зависимости от роли фаз в проявлении тех или иных свойств грунтов все грунты делятся на системы:

Однофазные- твердая фаза + газ (сыпучие грунты – крупнообломочные и песчаные, в которых газ сообщается с атмосферой и не влияет на свойства грунтов).

Двухфазные - твердая фаза + вода (водонасыщенные песчаные и глинистые грунты, находящиеся ниже УГВ).

Трехфазные – твердая фаза + вода + газ (водонасыщенные песчаные и глинистые грунты, находящиеся ниже УГВ; газ находится в замкнутых порах и не влияет на свойства грунтов).

Четырехфазные – твердая фаза + вода + газ + лед (мерзлые грунты).

 

3.1. Твердая фаза. Вещественный и гранулометрический состав.

Состав твердой фазы:

минеральная часть органическая часть

первичные вторичные торф гумус

минералы минералы

скелет грунта цемент грунта

кварц, полевые глин., крем.,

шпаты карб, железис-

тый мат- лы

 

 

Торф и гумус – нежелательные примеси, придающие грунтам пластичность, повы-шенную влагоемкость, слабую водоотдачу, плохую водопроницаемость, повышенную сжимаемость.

Гранулометрический состав грунтов. Сыпучие и связные глинистые грунты представляют собой смесь частиц различного размера. В зависимости от размера частицы объединяются во фракции. Фракция – группа частиц с одинаковым диаметром определенного диапазона. Гранулометрический состав – процентное содержание фракций по массе. Природные грунты большей частью – смесь различных фракций - песчано-гравийная, галечно-гравийная и т.д. Гранулометрический состав определяется гранулометрическим анализом.

 

 

2.2. Жидкая фаза. Виды воды в грунтах.

Вода в грунтах находится в следующих видах: твердая (лед), газообразная, (водяной пар), жидкая и химически связанная. Хим. связанная вода входит в состав минералов и отражена в формуле (гипс – СаSO₄ 2Н₂О). Газообразная вода находится в воздухе, заполняющем поры (кол-во не превышает 0.001 % от массы грунта). Твердая вода – в мерзлых грунтах с отрицательной температурой.

Жидкая водав зависимости от степени связности с твердыми частицами делится на гигроскопическую, пленочную, гравитационную и капиллярную. Гигроскопическую и пленочную воду называют физически связанной водой, т.к. они удерживаются на поверхности частиц с помощью электромолекулярных сил.

Гигроскопическая (прочносвязанная) водаобразует на поверхности твердых частиц пленки толщиной в несколько молекул, удерживающиеся на ней электромолекулярными силами величиной до 1000 МПа; имеет плотность 1.5 г/см³, замерзает при -78^о, не растворяет солей, обладает сопротивлением сдвигу. Удаляется из грунта под большим давлением или при очень высоких температурах.

Пленочная (рыхлосвязанная) вода покрывает пленкой гигроскопическую воду и удерживается на частицах электромолекулярными силами величиной в сотни атмосфер. Эта вода может передвигаться от частиц с большей толщиной пленок воды к частицам с меньшей толщиной пленок, имеет повышенную вязкость, плотность выше 1 г/см³, замерзает при темп. ниже 0^о, обладает пониженной растворимостью. С пленочной водой связаны такие свойства глинистых грунтов как набухание, усадка, пучение и пластичность.

Гравитационная (свободная или поровая) вода заполняет поры, трещины, каверны в грунтах и передвигается в них под влиянием силы тяжести. Это – обычная вода, она образует водоносные горизонты в водопроницаемых породах.

Капиллярная вода заполняет трещины и поры в грунтах, удерживается в них силами поверхностного натяжения. Она располагается над УГВ и поднимается над ним под действием капиллярных сил. Высота подъема зависит от размера пор грунта ( от размера частиц грунта ) и составляет: в песке крупном – 1.5 м, в песке средней крупности – О.5м, в песке мелком – 1.0 м, в супеси – 1.0–2.0 м, в суглинке – 1.2–2.5 м, в глине – 3.0 – 4.0 м. С капиллярной водой связаны засолонение почв и появление сырости в подвалах.

 

 

2.3. Физические свойства грунтов

К ним относятся: плотность грунта, плотность частиц грунта, влажность, коэффициент пористости, степень водонасыщения.

Плотность грунта, r – отношение массы грунта к его объему в природном состоянии. Зависит от влажности, пористости, минерального состава, ед. измерения – г/ см³, варьирует от 0.8 (торф) до 2.4 г/см³ (тяжелые глины).

Плотность частиц грунта, r_z – отношение массы частиц к занимаемому ими объему в предельно плотном сложении. Зависит только от минерального состава, ед. измерения - г/см³, варьирует от 2.64 (пески) до 2.74 г/см³ (глины).

Влажность, w –отношение массы воды, содержащейся в порах, к массе частиц грунта, выраженное в процентах или долях единицы.

Коэффициент пористости, е –отношение объема пор к объему частиц грунта, отражает плотность сложения грунта, выражается в долях единицы.

Коэффициент водонасыщения, S_r - отражает степень заполнения пор водой (доли ед.); для пород, залегающих выше УГВ, по величине S_r различают разновидности:

- маловлажные (S_r < 0,5),

- влажные (0.5-0.8),

- насыщенные влагой (0,8-1).

 

Грунты, залегающие ниже УГВ, имеют величину S_r , близкую к 1.

 

3. Класс природных дисперсных грунтов.

Виды пески и крупнообломочные грунты.

РАЗНОВИДНОСТИ

по гранулометрическому составу:

Разновидность Размер частиц, мм Содержание

частиц, %

Крупнообломочные:

валунный (глыбовый) >200 >50

галечниковый (щебенистый) >10 >50

гравийный (дресвяный) >2 >50

Пески:

гравелистый >2 >25

крупный >0.50 >50

средней крупности >0.25 >50

мелкий >0.10 >75

пылеватый >0.10 <75

Разновидности песков по плотности сложения с учетом

  Прочность крупнообломочных грунтов зависит только от прочности частиц. Эти… Пески обладают средней или хорошей водопроницаемостью, под нагрузкой от сооружений уплотняются быстро и незначительно.…

Для суглинков и глин

Число пластичности и показатель текучести важны при оценке глинистых грунтов как оснований сооружений. Набухание и усадка. Набухание происходит при поглощении грунтом влаги и… Оценивается по величине относительной деформации набухания без нагрузки:

Класс техногенных грунтов. Техническая мелиорация грунтов

( см. Ананьев, Потапов, 2000, с. 227-251)

К техногенным грунтам относятся естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования. В класс техногенных грунтов входят группы скальных, полускальных, дисперсных связных и несвязных грунтов. В группах выделены подгруппы грунтов: измененные в условиях их естественного залегания физическим или физико-химическим воздействием, природные перемещенные образования (насыпные и намывные) и антропогенные образования.

Намывные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых проведена с помощью средств гидромеханизации.

Насыпные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществлена с помощью транспорта или взрыва. Они создаются специально в строительных целях (дамбы, насыпи, грунтовые подушки) или возникают вследствие производственной или культурно-бытовой деятельности (отвалы рудников, бытовые свалки, культурные слои городов). Специальные строительные насыпи создают с учетом их последующего использования, поэтому они имеют определенный состав (гравийный, щебенистый, песчаный и др.) и необходимую плотность. Их применяют в качестве улучшенных оснований сооружений вместо заторфованных или глинистых грунтов, а также для дамб и дорожных насыпей.

Культурные слои развиты на территории старых городов, это – отвалы при земляных работах, строительный мусор, остатки фундаментов, накопления пыли, ливневых наносов, растительных остатков. Мощность - до 30-40 м.

При строительстве на техногенных грунтах проводят инженерно-геологические исследования для изучения условий их залегания и прочностных характеристик.

Техническая мелиорация (улучшение) грунтовприменяется для изменения свойств пород, являющихся основанием сооружений (увеличения прочности, понижения водопроницаемости). Лессовый грунт улучшают цементацией, трамбовкой, обжигом, битуминизацией. Глинистые пластичные породы подвергают дренажу, электрохимическому закреплению, силикатизации, замораживанию, трамбовке, обжигу, уплотнению сваями, крупнообломочные породы - цементации, глинизации.

 

Класс природных мерзлых грунтов.

Мерзлые грунтыобладают структурами с криогенными связями (структуры, скрепленные льдом). Мерзлое состояние грунтов бывает временным и постоянным (вечным).

Временная мерзлота характерна для грунтов при сезонном промерзании. При промерзании дисперсные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную прочность, а при таянии они ее теряют и становятся водонасыщенными. При этом органоминеральные и органические грунты могут переходить в разжиженное состояние с малой несущей способностью и выдавливаться из под сооружений. В строительстве учитывают глубину сезонного промерзания, которая зависит от климата и от состава грунтов. В Тамбовской области расчетная глубина сезонного промерзания - 1,4 м.

Вечная (многолетняя) мерзлота развита в России на севере Европейской части и в Сибири. Территорию вечномерзлых грунтов делят на три зоны:

- зону сплошной мерзлоты (крайний север, мощность мерзлой толщи - сотни метров, температура грунтов - -7-12^оС),

- зону мерзлоты с таликами(расположена южнее, среди мерзлых толщ находятся талые породы, мощность мерзлоты – 20-60 м, температура – 0,2- - 2^о С),

- зону островной мерзлоты (юг Сибири, мерзлые грунты развиты отдельными участками, их мощность – 10-30 м, температура около 0^о С).

Вечномерзлая толща по вертикали делится на деятельный слой (сезонная мерзлота, оттаивающая летом) и собственно мерзлую толщу. Различают слившуюся мерзлоту, когда деятельный слой промерзает зимой полностью до вечной мерзлоты, и неслившуюся, (зимой между замерзшим деятельным слоем и вечной мерзлотой остаются талые породы). В деятельном слое располагается надмерзлотная грунтовая вода, водоупором для нее служит вечная мерзлота. В толще многолетней мерзлоты иногда содержатся линзы льда (погребенные льды).

Главную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески, и др.), скальные грунты развиты незначительно.

 

По физическому состоянию мерзлые грунты делятся три вида:

- твердомерзлые (скальные грунты),

- пластично-мерзлые (сцементированные льдом глинистые грунты, иногда содержащие незамерзшую воду),

- сыпучемерзлые (пески и крупнообломочные грунты, находящиеся в рыхлом состоянии).

 

Процессы, связанные с вечной мерзлотой (криогенные процессы):

Морозное пучение проявляется в виде локальных поднятий при промерзании деятельного слоя. Весной при оттаивании грунта на таких местах возникают ямы глубиной до 0,5 м.

Бугры пученияобразуются в результате подъема деятельного слоя за счет давления снизу напорных межмерзлотных вод. Бугры растут несколько лет до высоты 10 и более метров.

Термокарстобразуется при вытаивании льда из бугров пучения. При этом возникают провалы, небольшие западины и озера.

Грунтовые наледивозникают при прорыве воды на поверхность из замерзающего деятельного слоя.

Солифлюкция –оплывание оттаивающих летом грунтов на прогреваемых солнцем склонах местности (с крутизной 5-10^о). Мощность оттаявшего грунта – 0,2-0,3 м.

Строительство в зонах многолетней мерзлоты

ведется по трем принципам:

1. Без учета мерзлого состояния грунтов (на скальных грунтах).

2. При сохранении мерзлого состояния грунтов (для складских и неотапливамых помещений)

3. С предварительным оттаиванием грунта и заменой его грунтовыми подушками, (песчаными или щебенистыми).

 

 

Лекциия № 11

ОБЪЕМНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ

Осадка, просадка, усадка, набухание, сдвижение.

Модуль осадки: ep = 1000Dh/ h0 (мм/м)– величина сжатия в мм слоя грунта высотой в 1 м при применении к нему дополнительной нагрузки р.

Лекция № 12

 

Гравитационные процессы на склонах рельефа

Местности.

Горные породы на склонах нередко находятся в неустойчивом состоянии. Под действием силы тяжести, атмосферных осадков, поверхностных, а иногда и…   Осыпи. На крутых склонов в горных районах, где развиты скальные породы, активно действуют процессы физического…