Методы получения инженерно-геологической информации.

В инженерной геологии используются частные и комплексные методы получения информации.

Частные методы можно условно разделить на две группы: общегеологические и специальные, т.е. используемые только в инженерной геологии.

Из частных методов наиболее широко применяются следующие:

1.Наземные визуальные обследования по точкам или по линиям маршрутов (общегеологический метод, дополненный измерением не только условий залегания пород, но измерением трещиноватости, степени выветрелости, уровня грунтовых вод и т.д.).

2.Описание обнажений (общегеологический метод, дополненный описанием изменчивости состояния пород, детальным изучением трещиноватости и слабых прослоев).

3.Аэрокосмофотосъемка, аэровизуальные работы и дешифрирование аэрокосмофотоматериалов (общегеологический метод).

4.Горные и буровые работы (общегеологический метод): проходка и описание горных выработок (расчистки, закопушки, шурфы, шахты, штольни), бурение (ручное - мотобуры, колонковое, шнековое - с магазином, вибрационное).Особенности бурения : укороченные рейсы, сплошной отбор керна скальных грунтов, отбор образцов ненарушенного и нарушенного сложения из нескальных грунтов грунтоносами.

5.Динамическое и статическое зондирование.

6.Пенетрационно-каротажный метод.

7.Испытание грунтов статическими нагрузками в шурфах и скважинах.

8.Прессиометрия.

9.Опытные работы: испытание на срез целиков грунта, обрушение целиков, выпирание призм, раздавливание целиков.

10.Лабораторные методы получения данных о свойствах горных пород.

11.Геофизические методы (общегеологический метод).

12.Режимные наблюдения (общегеологический метод).

13.Обследование зданий и сооружений.

14.Моделирование (математическое, физическое, на эквивалентных материалах).

Комплексные методы получения инженерно-геологической информации: инженерно геологическая рекогносцировка, инженерно-геологическая съемка и инженерно-геологическая разведка широко используются для оценки инженерно-геологических условий различных по площади участков.

Инженерно-геологическая рекогносцировка - комплексный метод получения информации о геологических условиях строительства. Она выполняется с целью оценки качества накопленной инженерно-геологической информации о районе предполагаемого строительства и уточнения отдельных вопросов, оставшихся нерешенными; сравнительной оценки инженерно-геологических условий намеченных вариантов; предварительного прогноза изменения геологической среды, обусловленного взаимодействием с проектируемым сооружением.

Инженерно-геологическая съемка - комплексный метод получения информации о наборе компонентов инженерно-геологических условий некоторой территории путем наблюдений и описания свойств геологической среды и дешифрирования аэро-космо-фотоматериалов, дополненных другими методами (горно-буровыми, геофизическими, опробованием). Съемка ведется с целью обоснования схем развития и размещения отраслей промышленности; сравнительной оценки геологических условий строительства сооружений на намеченных вариантах, специальных вопросов разработки прогноза изменения свойств геологической среды при освоении территории. В зависимости от цели инженерно-геологическую съемку проводят в среднем или крупном масштабе. Средними считается группа масштабов 1:100000- 1:500000. Крупными - крупнее 1:50000. Государственная инженерно-геологическая съемка проводилась в масштабе 1:200000.

Инженерно-геологическая разведка - комплексный метод получения информации об инженерно-геологических условиях некоторой области литосферы путем проведения горно-буровых, опытных инженерно-геологических и гидрогеологических работ, опробования и лабораторных работ, документации строительных выемок и режимных инженерно-геологических наблюдений. В основном ее проводят в пределах границ выбранной для строительства площадки. Стадия проектирования определяет целевое назначение инженерно-геологической разведки.

Лекция 2

Экзогеодинамика ( инженерная геодинамика)

Экзогеодинамика - раздел инженерной геологии, изучающий экзогенные геологические процессы (ЭГП). Экзогеодинамика исследует формы движения геологической материи в пределах ее приповерхностной части в физическом времени в связи с осуществляемой и планируемой деятельностью человека./ 1 /.

Экзогеодинамика выросла из динамической геологии, изучающей геологические процессы, эндогенные и экзогенные.

Эндогенные процессы связаны с внутренними силами Земли, их действие выражается в тектонических движения, в сейсмических и вулканических явлениях.

ЭГП - движение приповерхностной области литосферы в физическом времени, процесс изменения структуры и свойств горных пород, слагающих литосферу, проявляющийся в результате взаимодействия литосферы с другими сферами (гидросфера, атмосфера) или между элементами литосферы.

ЭГП, обусловленные взаимодействием литосферы с объектами или продуктами человеческой деятельности, называются инженерно-геологическими процессами (ИГП). Отличаются от других ЭГП - причиной возникновения, большей интенсивностью, большей скоростью протекания, большим разнообразием.

Процессы проявляются на поверхности раздела сред в виде явлений (физико-геологических явлений).

Динамическая геология изучает геологические процессы, протекающие независимо от деятельности человека и не оценивает влияние этих процессов на эту деятельность. Она изучает их для решения проблем обще-геологического характера. Экзогеодинамика изучает геологические процессы в связи с деятельностью человека, изучает возможность влияния развития процессов на объекты техногенной деятельности, для того чтобы не допустить возникновения нежелательных для человека геологических процессов, по возможности изменить их ход в желательном направлении. Динамическая геология и экзогеодинамика дополняют и обогащают друг друга.

Экзогеодинамика состоит из трех частей. В первой части рассматривается учение о движении геологической среды в физическом времени, обусловленное ее взаимодействием с внешними средами (общая Экзогеодинамика). Второй частью является учение о пространственных закономерностях проявления ЭГП (региональная Экзогеодинамика). Третья часть – учение об изменении свойств грунтов в физическом времени (динамическое грунтоведение).

Характер, набор и интенсивность взаимодействий геологической среды, в ходе которых реализуются ЭГП зависят не только от ее структуры и свойств, но и от свойств внешних сред, от характера деятельности человека. Характер инженерно-хозяйственной деятельности человека определяет набор, интенсивность и скорость инженерно-геологических процессов. Одним из самых распространенных и крупномасштабных видов инженерно-хозяйственной деятельности человека является добыча полезных ископаемых. Последствия инженерно - хозяйственного воздействия на геологическую среду при добыче полезных ископаемых представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние горно-технических факторов на геологическую среду

Условия и причины возникновения ЭГП, цели и методы их изучения.

При характеристике любого ЭГП необходимо выявить условия его развития и причины возникновения. По Г.К.Бондарику /1/, под условиями ЭГП следует понимать фиксированный для конкретного процесса набор структур и свойств геологической среды, необходимый, но недостаточный для его возникновения и развития. Как правило, для развития ЭГП нужно не какое-нибудь одно условие, а комплекс условий.

Причины ЭГП разделяются на внешние и внутренние. Внешние причины ЭГП – это всегда другие процессы, развивающиеся во внешней среде – например: движение воздушных масс, выпадение атмосферных осадков, движение вод поверхностных водотоков, процессы жизнедеятельности организмов и преобразование органических остатков и т.п. Внутренние причины ЭГП - это другие процессы, развивающиеся внутри геологической среды, например движение подземных вод, миграция влаги, снижение напряжений вблизи поверхности, обусловливающее разуплотнение геологической среды и др.

Главные цели изучения ЭГП:

1. Учет наличия и оценка активности процессов и распространенности созданных ими форм для общей оценки инженерно-геологической обстановки;

2. Прогноз развития процессов, возможности возникновения новых проявлений процессов, скорости и конечные результаты.

3. Обоснование и выбор мероприятий по предупреждению процессов или по борьбе с их негативным влиянием

Методы изучения ЭГП (общие).

1. Разовое обследование. Инженерно-геологическая съемка с применением аэро- и космо- снимков.

2. Стационарные (режимные) наблюдения.

3. Моделирование.

4. Полевое экспериментирование.

Классификация ЭГП.

При оценке инженерно-геологических условий территории будущего строительства инженер -геолог должен в обязательном порядке дать характеристику, протекающих в этом районе ЭГП и по возможности прогноз их развития в связи с будущим строительством, а также спрогнозировать возникновение инженерно-геологических процессов при данном виде освоения территории.

Для решения этой задачи необходимо иметь классификацию ЭГП. К настоящему времени предложено большое число общих и частных классификаций, касающихся всех процессов или одного из них ( так для оползневого процесса предложено около 100 классификаций). Общих классификаций предложено не очень много, наиболее известные следующие: классификация Ф.П. Саваренского , дополненная Н.В.Коломенским, классификации И.В.Попова и Г.К. Бондарика.

Рассмотрим классификацию Ф.П.Саваренского, дополненную Н.В.Коломенским в 1956 г. В ней выделены геологические процессы по основным причинам их возникновения.

Таблица 3

Классификация экзогенных геологических процессов

Выветривание.

Выветривание горных пород -геологический процесс взаимодействия горных пород, слагающих приповерхностную часть земной коры, с атмосферой, биосферой, искусственными компонентами природной среды в результате которого изменяются строение , состав, структурно-текстурные особенности и свойства горных пород, состав подземных вод и газов зоны гипергенеза. Протекает всегда на протяжение всей геологической истории на всей поверхности Земли.

В ходе взаимодействия происходит механическое разрушение, химическое разложение пород субстрата, псевдоморфное замещение, метасоматоз, и др. процессы, приводящие к возникновению новой минеральной ассоциации, устойчивой в данной термодинамической обстановке земной поверхности.

Состав комплекса процессов выветривания зависит от региональных, зональных и техногенных факторов. Зональные факторы, прежде всего климатические, определяют механизм выветривания и его особенности. Породы субстрата в значительной степени предопределяют состав и строение продукта выветривания

Факторы физического выветривания - колебания Т⁰, промерзание- оттаивание, гидратация- дегидратация. Химическое выветривание происходит в результате гидролиза, выщелачивания, основным фактором является вода. Большое влияние на процесс выветривания в верхних слоях оказывает биохимический фактор.

Вследствие выветривания формируется элювиальные грунты (продукт процесса), слагающие кору выветривания - особые геологические тела, комплекс горных пород, образовавшихся в континентальных субаэральных условиях в результате физического и химического изменения исходных (материнских) пород верхней части литосферы. Коры выветривания различаются по возрасту образования: современные, древние, по конфигурации: линейные, площадные. Главные особенности коры выветривания:

· невыдержанное ни в латеральной плоскости, ни по мощности зональное строение без четко выраженных геологических границ с постепенным замещением одних горных пород другими с иным составом, структурой, текстурой;

· постепенное отмирание генетических признаков материнской породы и накопление черт, присущих осадочным горным породам.

· присутствие в пределах сравнительного небольшого по мощности интервала разреза горных пород полного спектра образований - от трещинных скальных до глин.

По степени дезинтеграции и изменения физико-механических свойств скальных грунтов в коре выветривания выделяют три зоны: А, Б, В.

Зона А - разрушенные, сильно выветрелые и разуплотненные породы. При легком ударе распадаются на мелкие обломки, щебень. Коэффициент выветрелости (отношение плотности образца выветрелой породы к плотности той же породы в невыветрелом состоянии) К < 0,8. Породы поддаются разработке простыми механическими способами, плохо укрепляются инъекциями.

Зона Б - среднесохраненные, отчасти выветрелые и разуплотненные массивы породы с отдельными расширенными трещинами, полностью или частично заполненными мелкоземом. К = 0,8-0,9. Поддаются укреплению инъекцией

Зона В - относительно сохранные, слабовыветрелые массивы г.п. К =0,9-1.0.

Практические инженерно-геологические задачи, решаемые при изучении кор выветривания:

· определение мощности выветрелых пород, подлежащих снятию при проектировании горных сооружений;

· выбор наиболее благоприятных участков для размещения сооружений;

· оценка устойчивости выветрелых пород на склонах, откосах;

· прогноз развития техногенного выветривания в бортах карьера;

· определение категорий разрабатываемости пород, условий и способов их вскрытия.

Пример техногенного выветривания - эксплуатация Березовского карьера строительного камня для Саратовской ГЭС в котором производилась разработка доломитов. При разведке было установлено, что породы высокой прочности, слабо трещиноватые. Откосы карьера были заданы вертикальными. При разработке выяснилось - толща неоднородна по прочности, присутствуют прослои мучнистых доломитов. При вскрытии карьера применялись взрывные работы, в результате этого произошло ослабление массива. Через пять лет после начала эксплуатации наблюдалось значительное нарушение устойчивости откосов, формирование осыпей у подножия склонов, что повлекло перепрофилирование бортов карьера и значительное удорожание разработки камня.

Процессы, связанные с деятельностью поверхностных вод.

Выделяют две группы процессов, связанных с деятельностью поверхностных вод. Первая группа обусловлена поступательным движением воды ( течением) и носит название эрозии (от лат. erodere - «разъедать») . Вторая группа обусловлена волновым движением воды - абразия.

Эрозионные процессы.

Неорганизованные сток струек воды по склону приводит к плоскостной эрозии или эрозии почв. Следствие процесса резкое ухудшение плодородия почв в связи с разрушением гумусового горизонта почв.

При формировании организованных потоков, хотя и временных возникает линейная эрозия, которая приводит к образованию новых форм рельефа -рытвин, оврагов, ложбин стока. Овраг- форма рельефа, образовавшаяся на склоне или водоразделе, представляющая собой относительно глубокий, вытянуты в длину, извилистый или ветвящийся размыв (врез), который образует своеобразную долину временных потоков. Длина оврагов изменяется в широких пределах (от первых десятков метров до многих десятков километров), так же как и их глубина (от первых метров до 20-30 м). В отдельных районах Центрально - Чернозёмной области бросовые земли, занятые действующими оврагами, составляют более 20-25% от общей площади земель этих районов.

При наличии постоянного водотока идет речная эрозия, в результате действия которой вместе с транспортировкой рыхлого материала и его аккумуляцией формируются речные долины. Речная эрозия представлена в двух формах. Донная эрозия проявляется в размыве русла реки, во врезании речного потока на глубину, боковая эрозия - в подмыве и разрушении берегов и в разработке долины в ширину. Донная эрозия в конечном итоге приводит к выработке нормального профиля равновесия реки - к образованию плавной кривой поверхности дна русла, круто наклонной в верховьях и почти горизонтальной к устью при приближении к базису эрозии.

Абразионные процессы.

Процесс изменения очертания берегов морей и озер в результате их разрушения главным образом волноприбоя называется абразией. Формирование берегов водохранилищ, искусственно созданных в результате техногенной деятельности называется переработкой берегов водохранилищ и представляет собой инженерно-геологический процесс.

Абразия изменяет профиль берега в его надводной и подводной частях: происходит разрушение пород, слагающих берег, и накопление продуктов разрушения. Основные элементами берега являются: береговой уступ, абразионная и аккумулятивная террасы, пляж и отмель. Схема строения берега по В.П.Зенковичу приведена на рис.3.

Рис. 3 Схема строения берега (по В.П.Зенковичу, Е.М. Сергееву)

Основные условия, определяющие формирование берегов водоемов.

Геологические (минеральный и вещественный состав горных пород, определяющий их размываемость, степень трещиноватости, условия залегания, и пр.).

Геоморфологические (рельеф берегового склона и побережья, форма береговой линии).

Гидрологические (размеры водной поверхности, уровенный режим водоема, течения и др.)

Техногенные условия, обусловленные деятельностью человека ( строительство сооружений в береговой зоне, подработка склонов, судоходство и пр.)

Проблема переработки берегов искусственных водохранилищ является одной из важнейших в инженерной геологии, что определяется колоссальной протяженностью их береговой линии (более 200 тысяч км), большим народнохозяйственным значением и тем, что в отличие от морей и озер заполнение водохранилищ происходит быстро, а в масштабе геологического времени - мгновенно.

Для оценки величины и интенсивности переработки берегов водохранилищ применяют расчетные методы, из которых важнейшими являются:

метод аналогий (ЗолотаревГ.С.);

метод учета энергии волны и размываемости пород (Качугин Е.Г., Кондратьев Н.Е.)

метод статистического учета зависимости хода переработки от совокупности природных и искусственных факторов ( Розовский Л.Б.).

Заболачивание территории.

Один из самых широко распространенных процессов, происходящих на поверхности. Причинами процесса является деятельность поверхностных и подземных вод, процессы жизнедеятельности организмов и преобразование органических остатков, в результате чего образуются болота.

Болото - избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа мощностью не менее 50см. Если мощность торфа меньше - то это заболоченные земли - участки поверхности, на которых в течение всего года наблюдается избыток влаги, насыщающий почву и выступающий наружу и которые покрыты влаголюбивой растительностью. Если мощность торфа достигает больше 0,7м, то это уже торфяник - торфяное месторождение.

Возраст торфяных массивов, залегающих с поверхности, определяется как голоценовый и составляет 10-12 тыс.лет.

Заболоченные земли и болота занимают около 10 % территории России главным образом в зонах избыточного увлажнения, там, где количество выпадающих осадков превышает их испарение. Распространение болот неравномерное. В центральной части Западной Сибири заболоченность достигает 40% территории, в зоне тундры она еще выше и на некоторых территориях достигает 90-100%. Освоение Западной Сибири в связи с разведкой и разработкой месторождений природного газа и нефти заставляет детально изучать процесс заболачивания и характеризовать его с инженерно-геологических позиций.

Условия возникновения процесса:

* годовое количество осадков больше испарения с поверхности и стока ;

* равнинность территории и слабая расчлененность рельефа;

* неглубокое залегание уровня грунтовых вод.

Классификация болот по условиям питания. Согласно К.А.Веберу все болота делятся на: 1) верховые, олиготрофные, с растительностью малотребовательной к питательным веществам (сосна, багульник, сфагновые (белые) мхи); 2) низинные, эвтрофные с растительностью очень требовательной к питательным веществам (береза, ива, различные типы осок, гипновые (зеленые) мхи); 3) переходные, мезотрофные, с растительностью, занимающей промежуточное положение.

Торфы и заторфованные породы, как генетический тип болотных отложений, имеют высокую естественную влажность, малую плотность, большую влагоемкость и значительную и неравномерную деформируемость - сжимаемость. Перечисленные особенности определяют их как отложения слабые, малопригодные для строительства на них. При строительстве на заболоченных территориях необходимо изучить строение болот и определить следующие главные особенности:

* мощность болотных отложений, особенно линз, слоев прослоев торфа;

* состав, условия залегания консистенция торфа и болотных отложений;

* рельеф минерального дна болота.

При строительстве на заболоченных территориях применяются следующие методы: предварительное осушение (мелиорация земель) территории, планировка отсыпкой или намывом песчано-гравийно-галечниковых пород, специальные конструктивно-строительные решения, увеличивающие жесткость конструкций, выторфовывание.