Мосин К.Ю. Инженерная геология. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Саяно-Шушенский филиал

Красноярского государственного технического университета

К.Ю. Мосин

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом филиала

в качестве учебного пособия

Саяногорск - 2005

УДК 624.131.1

М 81

Мосин, К.Ю.

М 81 Инженерная геология: Учебное пособие/ К.Ю. Мосин; СШФ

КГТУ. Саяногорск, 2005. 142 с.

Предназначено для студентов специальности

«Гидроэлектростанции». Может быть полезно инженерно-техническим

работникам гидроэнергетической отрасли

УДК 624.131.1

Редактор Н.А. Журавлева

Подп.в печать 27.04.2005.Формат бумаги 60х84/16. Бумага тип. №3.

Усл-.печ.л. 4,75. Тираж 100 экз. Заказ 1С.

ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

Введение. Основные задачи и значение инженерной

геологии

Строго говоря, название курса "Инженерная геология" - не

совсем правильное. В рамках данного курса будут даны сведения из

таких разделов геологической науки, как общая геология, минералогия

и петрография, структурная геология, собственно инженерная геология

и гидрогеология.

Итак, геология - наука о Земле, о ее составе, строении и

развитии, о процессах, протекающих на ней. С древнейших времен

люди стали изучать строение Земли, состав и свойства различных

горных пород, процессы, непрерывно изменяющие земную

поверхность. К концу XVIII века было накоплено столько сведений о

Земле, что смогла сформироваться самостоятельная наука. Среди

основоположников геологической науки, в ее современном

понимании, следует указать М. В. Ломоносова и его капитальный труд

«О слоях земных»; немецкого ученого А.Г.Вернера, автора

классификации минералов; английских ученых Д. Геттона, «Теория

Земли» и Ч. Ляйеля «Основы геологии».

В дальнейшем, интенсивное развитие геологии привело к

накоплению обширнейшего количества фактического материала, что

привело к обособлению отдельных разделов геологической науки в

самостоятельные научные дисциплины. В настоящее время существует

около 2-х десятков таких дисциплин. Можно выделить несколько

основных направлений, на которые расчленяется геология:

1. Науки, изучающие вещественный состав Земли (цикл наук,

объединяемых термином "геохимия").

2. Науки, изучающие процессы, протекающие в Земле

(динамическая геология).

3. Науки, изучающие историю развития Земли (историческая

геология).

4. Науки, направленные на практическое использование недр

(практическая геология).

К первому направлению относятся:

Кристаллография - наука о кристаллах, их внешней форме и

внутренней структуре;

Минералогия - наука о минералах. Минерал представляет

естественное химически однородное тело, обладающее определенным

химическим составом и физическими свойствами, возникшее в

результате различных геологических процессов, протекающих в Земле.

Петрография - наука о горных породах. Горные породы

образуются как сочетание нескольких минералов. Петрография

изучает минералогический и химический состав горных пород, их

свойства, отношения между различными породами, изменения,

которые они претерпевают с течением времени, их происхождение, и

устанавливает закономерности образования горных пород и их

распределение в Земле.

Геохимия - изучает химические элементы, строящие земной шар,

их распределение и миграцию. Геохимия является синтезирующей

наукой по отношению к минералогии и петрографии, объекты изучения

которых - минералы и горные породы - представляются

определенными этапами в жизни химических элементов. Геохимия

оперирует атомами, минералогия изучает сочетания атомов

(минералы), а петрография - сочетания минералов (горные породы).

Ко второму направлению относится динамическая геология -

наука о процессах, протекающих в недрах Земли и на ее поверхности.

В зависимости от источника энергии они подразделяются на процессы

внутренней динамики (эндогенные) и процессы внешней динамики

(экзогенные). С эндогенными процессами связаны такие явления, как

движения земной коры, землетрясения, извержения вулканов. С

экзогенными процессами связаны жизнь и развитие морей, рек,

подземных вод, геологическая деятельность ветра, льда, болот и озер и

т.д. Всего в данном направлении насчитывается около десятка

дисциплин.

К третьему направлению относится историческая геология,

которая занимается изучением истории развития земной коры и

органической жизни. Она в свою очередь также подразделяется на ряд

наук.

К практической геологии относятся те науки, которые

занимаются изучением недр Земли в практических целях. Здесь два

основных направления: учение о полезных ископаемых и учение об

инженерных условиях строительства зданий и сооружений (или

инженерная геология).

Впервые данные геологических наблюдений и исследований при

строительстве в России начали использоваться в XVIII веке. Возможно,

первой работой в этой области является "Мемориальная записка о

заводском производстве", составленная Григорием Махотиным.

Изначально, геологические исследования для строительства вели сами

строители; как самостоятельная наука инженерная геология

сформировалась только в XX веке.

Современная инженерная геология как наука занимается

выявлением всех условий, в которых происходит взаимодействие всех

строящихся и построенных сооружений с окружающей их природной

средой на всем пространстве, охваченном этим взаимодействием.

Три основные задачи инженерной геологии:

1. Изучение состава, строения, состояния, свойств и условий

распространения горных пород (грунтов), определяющих их поведение

при взаимодействии с инженерными сооружениями;

2. Изучение геологических процессов, как природных, так и

возникающих в связи с возведением и эксплуатацией сооружений, с

целью установления характера этих процессов, их влияния на

существование сооружений, а также разработка рекомендаций по

регулированию этого влияния и охране окружающей среды;

3. Установление закономерностей пространственного

распространения инженерно-геологических условий.

Решение всех этих задач требует отчетливого представления об

условиях и характере проявления геологических процессов и явлений,

об особенностях тех или иных горных пород, их свойствах и, что не

менее важно, об условиях их залегания.

Вместе с тем, несмотря на всю сложность и многообразие

природных процессов и явлений, они связываются некоторой

внутренней обусловленностью и закономерностями своего выражения,

которые могут быть сформулированы следующим образом.

1-я закономерность. Инженерно-геологические условия

возведения и работы сооружений определяются характером грунтов и

пород, слагающих основания сооружений, их свойствами, условиями

их залегания, режимом подземных вод, а также характером и

условиями возможного проявления разнообразных геодинамических

процессов и явлений.

2-я закономерность. Инженерно-геологические (строительные)

свойства грунтов определяются их составом, состоянием, а также

структурными и текстурными особенностями.

3-я закономерность. Состав и состояние горных пород и

грунтов, их структурные и текстурные особенности, а также условия

их залегания определяются характером исходных пород, послуживших

материалом к их образованию, условиями (генезисом) и обстановкой

образования, а также характером последующих видоизменений пород и

грунтов под воздействием тех или иных геологических процессов и

явлений.

4-я закономерность. Характер и интенсивность проявления

указанных геологических процессов и явлений определяются

особенностями строения Земли, как некоторого космического тела, и в

первую очередь:

 наличием твердой внешней оболочки земного шара,

именуемой земной корой, сложенной горными породами и

характеризуемой относительно малой мощностью;

 проявлением в недрах Земли сложных процессов,

обуславливающих термический и особый физико-химический режим

недр Земли и находящих в силу относительно малой мощности земной

коры то или иное на ней отражение;

 воздействием на горные породы, слагающие земную кору и

рельеф земной поверхности, внешних процессов и явлений, связанных

с деятельностью атмосферы и поверхностных вод.

Инженерная геология самым тесным образом связана с учением о

подземных водах - гидрогеологией. Развитие гидрогеологии началось

несколько раньше инженерной геологии и идет параллельно с ней.

В современных условиях инженеры-строители (в том числе и

гидростроители), как правило, сами не ведут инженерно-геологических

(и гидрогеологических) исследований. Для этого существуют

специализированные инженерно-геологические организации. Однако

при проектировании и осуществлении строительства они должны

знать, понимать и учитывать инженерно-геологические и

гидрогеологические условия площадки строительства. Они должны

уметь правильно и вовремя поставить перед геологом задачи

инженерно-геологических исследований; инженеры-строители должны

уметь принимать правильное решение о проведении инженерно-

строительных мероприятий, необходимых в данных конкретных

условиях строительной площадки.

Трудно переоценить значение инженерной геологии и

гидрогеологии для промышленного и гражданского строительства. Без

сомнения, всякое инженерное сооружение должно быть возведено

наиболее просто, с наименьшими затратами рабочей силы, материалов

и времени. Одновременно во всех своих частях и в течение всего

периода эксплуатации оно должно обладать надлежащей прочностью и

устойчивостью, а его деформация не должна выходить за пределы,

обеспечивающие нормальные условия эксплуатации сооружения или

не нарушающие его внешние архитектурные формы.

Для обеспечения указанных выше положений и требований

необходим правильный учет местных природных условий.

Необходимо установить в основании сооружения наличие грунтов

или горных пород достаточной прочности и несущей способности,

соответствующим образом залегающих; оценить возможность влияния

подземных вод на грунты основания и само сооружение в процессе

строительства и эксплуатации; оценить возможность влияния на

сооружение (как в период строительства, так и при эксплуатации) тех

или иных геологических процессов и явлений, способных нарушить

его устойчивость и прочность.

В противном случае, даже безупречно спроектированное и

построенное сооружение может оказаться в тяжелом и даже аварийном

положении. Примеров подобного рода аварий, к сожалению, немало.

Глава 1. Основные сведения о Земле

§ 1. Происхождение Земли

С древности существовало множество гипотез происхождения

Земли. Сначала, естественно, господствовали теологические гипотезы.

Фундамент научной планетной космогонии заложил И.Ньютон,

который обратил внимание на закономерности движения планет. В

середине XVIII века И.Кант, а несколько позднее – П.Лаплас,

выдвинули гипотезу об образовании солнечной системы из первичной

вращающейся вокруг некоторой оси туманности со сравнительно

плотным центральным ядром. В дальнейшем, возникали и даже

господствовали другие гипотезы, однако развитие науки (в первую

очередь – физики и астрономии) последовательно доказывали их

несостоятельность.

В свою очередь, Кант – Лапласовская теория получала свое

дальнейшее развитие усилиями многих ученых. Особый вклад в это

развитие сделал русский ученый О.Ю.Шмидт, который в середине XX

века сформировал гипотезу о формировании планет из газопылевого

облака, захваченного уже сформировавшимся Солнцем в процессе

движения по Галактике. Гипотеза Шмидта также несла в себе

некоторые противоречия, а главное – не объясняла происхождения

Солнца (и звезд вообще).

В настоящее время наиболее признанная и непротиворечивая

гипотеза о происхождении Солнца и планет солнечной системы из

первичного вращающегося газопылевого облака в результате

медленного оседания и слипания его частиц под действием гравитации

и дальнейшего гравитационного сжатия с выделением центральной

части – протозвезды и протопланетного диска вокруг нее. Опустим

последующие стадии формирования центрального светила и перейдем

непосредственно к планетам. Образование планет из протопланетного

облака наиболее полно исследовано О.Ю.Шмидтом. Наша Земля

образовалась во внутренней зоне протопланетного диска, где

температура от излучения центрального ядра была очень высокой (до

испарения металлов), поэтому протопланетное облако сначала

состояло только из газов; твердые пылинки образовались в процессе

его остывания. Аккумуляция пылинок привела сначала к образованию

множества «промежуточных» тел размером в сотни километров. В

дальнейшем из роя «промежуточных» тел и их обломков

аккумулировались планеты. В результате неупругих столкновений

некоторые из «промежуточных» тел оказались на других орбитах, и

сейчас представляют собой астероиды, ядра комет и некоторые из

спутников планет. Кстати, поскольку астероиды быстро

аккумулировались в самом начале образования солнечной системы, их

возраст – 4,7 млрд. лет – принимается за возраст всей солнечной

системы (и нашей Земли). При аккумуляции планет происходил их

разогрев (у планет земной группы – до 1000-1500 С°). Разогрев и

расплавление недр Земли привело к выплавлению земной коры и

выделению газов и паров, из которых, в последствии, образовались

атмосфера и гидросфера.

§ 2. Форма, масса и плотность Земли

Вопрос о форме и размерах Земли занимал людей всегда.

Отбросим мистические и религиозные представления и обратимся к

представлениям научным. Итак, надо получить ответ на вопрос: какую

форму могла принять Земля, вращаясь с постоянной угловой скоростью

вокруг своей оси, будучи при этом либо в вязко-жидком, либо в

пластическом состоянии. Кроме того, надо добавить, что все частицы

массы Земли взаимно притягивались одна к другой, согласно закону

Ньютона о взаимном притяжении тел. Таким образом, каждая частица

вращающейся Земли находилась под действием двух сил: силы

взаимного притяжения частиц и центробежной силы; действия этих

двух сил, можно сказать, прямо противоположны. В итоге каждая из

частиц находилась под действием равнодействующей обеих названных

сил; равнодействующая носит название силы тяжести. И.Ньютон

первый нашел, что Земля должна была принять форму сфероида -

эллипсоида вращения, сжатого у полюсов. В действительности,

реальная поверхность Земли гораздо сложнее, чем математически

правильная поверхность сфероида. Поэтому, развивая далее проблему

определения фигуры Земли, приходится понимать под этим

определение фигуры тела, наиболее подходящего по виду и размерам к

действительной Земле. Такое тело получило название геоида. Геоид -

воображаемая поверхность, которая определяется тем, что направление

силы тяжести к ней всюду перпендикулярно.

Величина силы тяжести (т.е. того ускорения, которое

приобретает тело под влиянием притяжения Земли и с учетом

центробежной силы) от места к месту незначительно меняется.

Изменения эти вызваны различиями в величине центробежной силы, а

также неправильностями в распределении масс в наружных частях

Земли. Если бы массы пород были строго распределены в зависимости

только от силы тяжести (т.е. если бы они вели себя как жидкое тело), то

поверхность Земли всюду была бы перпендикулярна к направлению

силы тяжести и всюду соответствовала бы так называемой уровенной

поверхности; сфероид совпал бы с геоидом. Наличие неправильностей

(гор, океанических впадин) приводит к тому, что уровенная

поверхность, т.е. геоид, несколько отступает от сфероида. Геоид

несколько ближе к истинной фигуре Земли со всеми ее

возвышенностями и впадинами, чем сфероид. Ввиду незначительного

по сравнению с размерами Земли возвышения материков, со всеми их

неровностями, над уровнем морей и океанов можно отождествить

очень сложную истинную фигуру Земли с фигурой вод поверхности

океана, мысленно распространенного на всю Землю. Это и будет геоид.

Размеры Земли, по мере совершенствования измерительной

техники, постоянно уточняются.

Экваториальный радиус Земли равен 6378,245км, а полярный -

6356,863км. Для практических расчетов пользуются понятием среднего

радиуса Земли. При его величине 6370км можно установить среднюю

линию меридиональной дуги в 1°, равную 111км. Масса Земли

считается равной 5,98х10

г. По массе и объему Земли была

определена ее средняя плотность - 5,52г/см

Средняя плотность вещества поверхности Земли составляет

2,7г/см

, следовательно, недра Земли сложены веществами, имеющими

весьма значительную плотность (до 11-12г/см

§ 3. Строение Земли

Земной шар подразделяется на несколько концентрических сфер

(оболочек), вложенных одна в другую – так называемых геосфер.

Выделяются наружные и внутренние геосферы. Наружные геосферы

это атмосфера, гидросфера, биосфера, криосфера (прерывистая

ледяная оболочка) и литосфера. Внутренние геосферы: астеносфера

(вязкопластическая высокотемпературная оболочка, в которую как бы

втоплены корни литосферы), верхняя мантия, нижняя мантия, внешнее

ядро, переходная оболочка и центральное ядро.

В настоящее время не существует возможности изучать

внутреннее строение Земли прямыми методами (например, бурением

скважин), да и литосфера изучена только с поверхности. Наибольшую

глубину имела так называемая Кольская сверхглубокая скважина,

которая в советское время бурилась на Кольском полуострове. Ее

глубина достигла около 12,5км. Если сопоставить эту величину с

размерами Земли, то, образно говоря, мы даже еще не прокололи

кожицу яблока, не говоря уже о его сердцевине.

Для познания глубоких зон Земли применяют геофизические

методы. Они заключаются в исследовании скорости распространения

упругих волн. Различаются продольные, поперечные и поверхностные

волны. Скорость распространения упругих волн зависит от упругих

свойств горных пород и их плотности.

Границы между внутренними оболочками (геосферами)

выделяются по резким скачкообразным изменениям скоростей

изменения упругих характеристик и плотности вещества (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схемы строения, состава и свойств Земли (в области потухших

вулканов штрихами показан только осадочный слой, в областях морей и

океанов ими показана еще и вода): 1 – осадочный слой; 2 – гранитный слой;

3 - базальтовый слой; 4 – глубинный разлом; 5 – первичный очаг;

6 – вторичный очаг.

Первая граница раздела находится на глубине 60-80км. Скорость

распространения упругих волн в земной коре на глубинах от 5м до