Конспект лекций по геологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

Направление подготовки «Строительство»

Профиль «Промышленное и гражданское строительство»

Киров

2014

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ:

направление подготовки «Строительство», профиль «Промышленное и гражданское строительство» /под общей ред. С.Ф. Власова. – Киров:

ВятГУ, 2014. – 122 с.

Составители:

С.Ф. Власов, д-р. техн. наук, проф.; Н.Л. Зоценко, д-р. техн. наук, проф.; Ю.Л. Винников, д-р. техн. наук, проф.;

Н.А. Максимова-Гуляева, канд. техн. наук, доц.

2

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Дисциплина «Инженерная Геология» является базовой для изучения последующих в учебной программе дисциплин: «Механика грунтов», «Основа-

ния и фундаменты», «Технология строительного производства», «Строитель-

ные материалы». Ее можно считать кирпичиком в основании знаний, позволя-

ющих принимать правильные решения при строительстве зданий, сооружений и освоении подземного пространства.

Целью дисциплины является формирование у студентов представ-

ления об условиях и закономерностях образования и состава грунтов,

формировании и перемещении подземных вод, геологических процессах,

научить их различать основные породообразующие минералы, горные породы, понимать геологическую графику.

Задачи дисциплины:

Научить студента умению распознавать состав грунтов, условия обвод-

нения на строительной площадке, закономерности геологических про-

цессов, а также принципам наиболее рационального размещения соору-

жений.

Рассмотреть и объяснить наиболее распространенные геологические процессы и явления, дать анализ мер защиты от геологических явлений и процессов.

Основными вопросами, изучаемыми в курсе геологии, являются:

Задачи инженерной геологии на строительной площадке. Земля в ми-

ровом пространстве, ее происхождение и строение. Основные геоло-

гические процессы в минералообразовании.

Горные породы, их происхождение и отличительные признаки. Общие законы в образовании горных пород. Возраст горных пород. Состав-

ляющие элементы и структурные связи грунтов. Физические харак-

теристики грунтов и их классификация.

Общие понятия о геологических и инженерно-геологических процес-

сах.

3

Закон фильтрации, дебиты совершенного и несовершенного колодцев,

траншей, котлованов, взаимодействие водозаборов.

Инженерно-геологические изыскания.

Предусмотренные программой лабораторные работы будут посвя-

щены:

приобретению студентами навыков и умений распознавать магмати-

ческие, осадочные и метаморфические породы;

приобретению умения составлять карты гидроизогипс по заданным условиям;

приобретению умения строить геологический разрез по заданным усло-

виям.

Конспект лекций составлен таким образом, что без усвоения каждой предыдущей лекции практически невозможно изучить материал, изложенный в последующей. Для повышения эффективности усвоения материала основные термины и определения в лекциях выделены жирным шрифтом или курсивом.

В конце каждой лекции приведены вопросы для самопроверки. Все это направ-

лено на одну цель – эффективное усвоение материала и подготовку к сдаче тестового зачета.

4

ЛЕКЦИЯ 1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: ознакомиться с задачами инженерной геологии на строительной площадке, изучить строение Земли, классификацию минералов и их физические свойства

1.1. Задачи инженерной геологии на строительной площадке

Каждое здание и сооружение возводится и эксплуатируется в соответствующих природных условиях и непосредственно связано своим фундаментом с верхним слоем литосферы Земли. Горные породы принимают нагрузку от зданий и сооружений, при этом их называют грунтами. От их прочности и деформируемости зависит обеспечение нормальных условий эксплуатации жилых

игражданских домов, промышленных зданий, линейных сооружений и т. д. На территориях, где происходит строительство, действуют геологические процессы (движение поверхностных и подземных вод, землетрясения и т. д.), которые в свою очередь могут нарушать нормальные условия эксплуатации объектов и даже разрушить их. В свою очередь, строительство и дальнейшая эксплуатация зданий и сооружений влияют на геологические процессы, усиливают их, приводят в действие новые, так называемые техногенные процессы (подтопление территорий, деформацию крепи туннелей метро, оползни и т. д.). Таким образом, не только от конструктивных особенностей зданий и сооружений зависит их эксплуатационное качество. Большое значение в этом плане имеет обеспечение надежного основания каждого здания и сооружения.

Необходимо обратить внимание еще и на то, что все эти факторы необходимо рассматривать с экономической точки зрения. Чем сложнее условия строительства, тем больше его стоимость. Так, для обычных инженерно-геологи- ческих условий стоимость затрат на приспособление к ним зданий и сооружений составляет 10 – 15 % от общей стоимости строительно-монтажных работ. В сложных условиях эта часть может составлять 80% и более.

Всоответствии с мировой статистикой 80% всех нарушений нормальных условий эксплуатации зданий и сооружений случается вследствие недостатков

иошибок при проектировании, строительстве, эксплуатации оснований и фундаментов. Затраты на устранение этих негативных явлений можно сравнить лишь с начальной стоимостью строительства. Исходя из приведенных фактов, можно утверждать, что в процессе фундаментостроения необходимо искать решения между двумя противоречиями: с одной стороны, основания и фундаменты должны быть надежными, то есть обеспечивать нормальные условия эксплуатации зданий и сооружений весь нормативный срок их существования; а с другой – необходимо снижать их стоимость и матери-

алоемкость на основе современных теоретических и технических достижений.

5

Ученые, проектировщики, производственники – все они должны:

владеть знаниями и навыками по оценке основания сооружений;

уметь предвидеть те изменения, которые могут с ним произойти в процессе строительства и эксплуатации объектов;

создавать для них такие конструкции фундаментов и искусственных оснований, которые бы обеспечили их нормативный срок эксплуатации.

Таким образом, инженерная геология изучает и оценивает геологи-

ческие факторы (геологическое строение, рельеф и геоморфологию, гидрогеологические условия, состав и свойства грунтов), влияющие на инженерные сооружения, выбор места их расположения, конструкцию, способы выполнения работ. Инженерное сооружение, в свою очередь, может изменить существующие природные геологические условия и процессы (осадка, просадка, опускание поверхности земли в результате подработки, разработка берегов водохранилищ, подтопление и т. д.).

Начало использования данных геологических наблюдений и исследований при строительстве инженерных сооружений относится к XVIII в. По мнению Н.Н. Маслова, первой работой в этой области следует считать «Мемориальную записку о заводском производстве», составленную Григорием Махотиным. В этой «Записке» содержатся ценные указания по обоснованию возведения плотин и заводских сооружений.

На необходимость проведения геологических наблюдений и исследований для строительства указывал еще М.В. Ломоносов, который в своей работе «О слоях земных» писал: «...строитель внимает твердости земли во рвах для оснований». Интересно отметить, что вначале геологические исследования для строительства вели сами строители. Русский инженер путей сообщения М.С. Волков в работах «Записка об исследовании грунтов земли, производимом

встроительном искусстве» (1835) и «Об основаниях каменных зданий» (1840) привел в систему геологические исследования для строительства и составил продуманную классификацию грунтов как оснований сооружений.

Английский землемер, строитель дорог и каналов В. Смит (1769 – 1839) не только производил наблюдения для непосредственного использования при строительстве, но, обобщая полученные данные, открыл возможность сопоставления осадочных пород по заключенным в них окаменевшим остаткам животных и растений. Так было положено начало палеонтологическому методу

визучении последовательности напластований осадочных толщ.

Изучая горные породы как грунты оснований зданий и сооружений, инженеры-строители в первую очередь стремились определить величину сопротивления грунтов передаваемым на них нагрузкам. Чрезвычайно плодотворными были исследования русских инженеров Г.Е. Паукера и В.И. Курдюмова, положивших начало теории прочности и устойчивости грунтов как оснований сооружений. В дальнейшем эти труды стали той основой, на которой возникла новая наука – механика грунтов.

6

Получив дальнейшее развитие в трудах советских и зарубежных ученых, механика грунтов прочно заняла свое место в комплексе инженерно-строитель- ных знаний. Однако, будучи дисциплиной физико-математического цикла, механика грунтов устанавливает математически выраженные закономерности взаимодействия между сооружениями и грунтами оснований только в той мере,

вкакой процессы, происходящие при этом в них, являются механическими. В действительности, в горных породах возникают, кроме механических, еще и химические, электрофизические и даже, в отдельных случаях, биологические процессы. Уже в силу одного этого обстоятельства механика грунтов не может подменить собой инженерно-геологические исследования, однако математический аппарат этой дисциплины может быть широко использован в инженерной геологии.

Кроме того, в механике грунтов рассматривается только так называемая «напряженная зона», т. е. сравнительно ограниченный массив, в котором развиваются практически ощутимые дополнительные напряжения и деформации от нагрузки, передаваемой строящимся сооружением.

Задача инженерной геологии шире – она призвана выявить все условия,

вкоторых происходит взаимодействие строящихся и завершенных сооружений с окружающей их природной средой на всем пространстве, охваченном этим взаимодействием. Например, постройка даже небольшой плотины может вызвать подъем уровня грунтовых вод на большом пространстве и, следовательно, вызвать изменения в условиях существования зданий и сооружений, у которых фундаменты и подвальные этажи первоначально находились выше уровня грунтовых вод. По этой причине главной целью инженерной геологии

является изучение обстановки на местности до начала строительства, а также прогнозирование тех изменений, которые произойдут в геологической среде, прежде всего в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений.

Современная инженерная геология как наука ставит перед собой три основные задачи:

1.Изучение состава, структуры, состояния, свойств и условий распространения горных пород (грунтов), определяющих их поведение при взаимодействии с инженерным сооружением.

2.Изучение геологических процессов как природных, так и возникающих в связи с возведением и эксплуатацией зданий, сооружений; освоение подземного пространства с целью установления характера этих процессов, их влияния на существование зданий и сооружений, а также разработка рекомендаций по регулированию этого влияния.

3.Определение закономерностей распространения инженерно-геологи- ческих элементов.

Поскольку в строительной практике горные породы принято называть грунтами, начальный раздел инженерной геологии, решающий первую из перечисленных задач, получил название грунтоведения. Раздел, в котором решается вторая задача, называется динамической инженерной геологией или собст-

7

венно инженерной геологией. Третий раздел называется региональной инженерной геологией.

На основе многочисленных инженерно-геологических исследований русских и советских инженеров и геологов Ф.П. Саваренский в 30-х гг. XX в. создал первый в этой области капитальный труд, названный им «Инженерная геология». В дальнейшем инженерная геология получила развитие в трудах советских ученых Н.В. Коломенского, И.В. Попова, В.А. Приклонского и многих других. Инженерная геология самым тесным образом связана с учением о подземных водах – гидрогеологией. Развитие гидрогеологии началось несколько ранее инженерной геологии и происходило параллельно с ней. В области гидрогеологии успешно работали В.С. Ильин, Г.Н. Каменский, О.К. Ланге, А.Ф. Лебедев, А.Н. Семихатов и др.

В современных условиях инженеры-строители, как правило, сами не ведут инженерно-геологических исследований – для этого существуют специализированные инженерно-геологические организации; однако при проектировании и осуществлении строительства они должны знать, понимать, учитывать инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки. Они должны уметь правильно и вовремя поставить перед геологом задачи инженерно-геологических исследований и их необходимый объем. Наконец, на основе таких исследований инженеры-строители должны уметь принимать правильное решение о проведении инженерно-строительных мероприятий, необходимых в данных конкретных условиях строительной площадки.

1.2. Земля в мировом пространстве, ее происхождение и строение

Наша планета Земля близка по форме к эллипсоиду вращения, средний диаметр которого – 12742 км, а разница экваториального и полярного диаметров – 43 км. Площадь поверхности Земли составляет 510 млн км2, а ее объем – 1083204 млн км3. Средняя плотность вещества Земли – 5,52 т/м3.

Земля, а также планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон вращаются вокруг Солнца почти по круговым концентрическим орбитам и образуют вместе с ним Солнечную систему. Земля находится от Солнца на расстоянии 149,5 млн км. Теплота и свет Солнца делают возможной жизнь на Земле. В то же время Солнце порождает целый ряд процессов на Земле, которые приводят к изменению ее поверхности.

Следует принимать во внимание влияние на Землю и ее спутника – Луны. Находясь от Земли на расстоянии 384,4 тыс. км, Луна является причиной возникновения прилива и отлива в океанах и морях. На материках возникают деформации, аналогичные приливам и отливам, но довольно небольшие. Влияние Луны вызывает периодические изменения наклона земной оси к плоскости ее орбиты, которые приводят к изменению климата Земли.

Солнечная система вращается вокруг центральной части гигантского скопления звезд, которое называется Галактикой. В Галактике насчитывается свыше 100 млрд звезд, которые образуют дискообразную систему. В состав

8

Галактики входят отдельные звезды, звездные скопления и ассоциации, а также планетарные и диффузные туманности, которые являются облаками разреженных газов и пыли. Размеры Галактики очень большие. Свет проходит с одного её конца в другой за 100 тыс. лет. Но Галактика это лишь остров материи в мировом пространстве. Кроме нашей Галактики, насчитывается больше миллиарда подобных образований, которые находятся от нас на расстоянии от одного миллиона до нескольких миллиардов световых лет. Световой год – это расстояние, которое проходит луч света на протяжении года, он равняется 9500 млрд км. Такое положение Земли в мировом пространстве, материя которого, постоянно изменяет свою форму, находится в вечном движении.

Знание о происхождении Земли имеет огромное значение как для изучения ее строения, так и для объяснения тех глубинных процессов, которые влияют на её поверхностные части. Однако и в настоящее время с полной достоверностью не установлено, как и из чего образовалась Земля, другие планеты, Солнечная система в целом. Поэтому наши знания в данном вопросе имеют характер научно обоснованных предположений – гипотез. Ученые давно стремятся открыть тайну происхождения Земли.

Исследования этой проблемы содержатся в работах немецкого философа И. Канта (1755), французского астронома и математика П. Лапласа (1796), советского ученого О.Ю. Шмидта (1944), Е.В. Саботовича (1973).

Необходимость изучения строения Земли и в особенности ее поверхностных пластов объясняется тем, что именно из них люди добывают полезные ископаемые, в том числе и сырье для строительных материалов. Одновременно они являются основаниями зданий и сооружений.

Согласно современным представлениям Земля состоит из нескольких концентрических оболочек. Различают внешние и внутренние оболочки.

К внешним оболочкам принадлежат: атмосфера, гидросфера и биосфера.

Атмосфера – это воздушная оболочка толщиной приблизительно 1000 км. В состав атмосферы входят азот – 78,1, кислород – 21,0 и прочие газы – 0,9 %. Нижняя часть атмосферы (до высоты 8 – 10 км над полюсами и 16 – 18 км над экватором) называется тропосферой. Тропосфера содержит пары воды и пыль, в ней происходит непрерывное перемещение воздушных масс, то есть дуют ветры. Над тропосферой до высоты 80 км находится

стратосфера, а еще выше – ионосфера.

Гидросфера – несплошная водная оболочка, которая включает воду океанов, морей, озер, рек и подземную воду. Движение воды в гидросфере имеет характер течений и волнений.

Биосфера – особая оболочка, куда входит растительный и животный мир Земли. Она расположена в атмосфере, гидросфере и в земной коре.

К внутренним оболочкам Земли принадлежат: ядро, мантия и кора. Ядро имеет радиус 3470 км. Оно делится на внешнее и внутреннее.

Плотность вещества в нем очень высокая и достигает в центральной части 9 – 11 т/м3 при давлении 0,30 – 0,35 млн МПа и температуре не выше 4000 °С. Данные о составе этого вещества очень приблизительны. Считают, что вещес-

9

тво во внешнем ядре находится в расплавленном состоянии, а внутреннее ядро твердое. Это подтверждается расчетами возможности плавления вещества при определенных значениях давления и температуры, а также тем, что поперечные упругие волны, которые могут распространяться лишь в твердых телах, сквозь ядро не проходят.

Мантия – это оболочка, которая окружает ядро; ее толщина около 2900 км. Выделяют нижнюю и верхнюю мантии. Плотность вещества мантии колеблется от 3,3 т/м3 на границе с земной корой до 5,6 т/м3 на границе с ядром. Температура в этих границах повышается от 1000 до 2300 °С. Вещество мантии находится в твердом состоянии, но в верхней ее части на глубинах 100 – 200 км под материками и 50 – 100 км под океанами находится размягченный пласт, в котором возникают очаги расплавов. Расплавленное вещество поднимается к поверхности, оказывая непосредственное влияние на земную кору. Вещество верхней мантии богато железом и магнием.

Кора – поверхностная оболочка Земли, которая имеет среднюю плотность 2,7 т/м3. Толщина ее под дном океанов составляет 5 – 6 км, а в пределах материков она равняется в среднем 35 км. В горных районах толщина земной коры достигает 70 км. 71% земной коры покрыто водой, 29% занимает суша. Температура в земной коре колеблется от 100 °С на глубине 5 – 6 км до 1000 °С на границе с мантией.

Земная кора отделяется от мантии так называемой поверхностью Мохоровичича. На этой поверхности плотность вещества при переходе от земной коры к мантии увеличивается скачкообразно. В земной коре выделяют три пласта: осадочный, гранитный и базальтовый. Строение земной коры неодинаково под океанами и в пределах материков. Под океанами гранитного пласта в составе земной коры нет. Пласты земной коры образованы из горных пород, составными частями которых являются различные минералы.

Процесс формирования земной коры, связанный с образованием горных пород, происходил на протяжении всей геологической истории планеты.

Земная кора образована из магматических, осадочных и метаморфических

горных пород.

Магматические породы возникли в результате твердения в толще земной коры или на ее поверхности магмы, которая поднималась из очагов расплавов в верхней мантии. Осадочные породы образовались в результате накопления продуктов разрушения всех пород, которые раньше существовали. Метаморфические породы являются продуктами видоизменения магматических и осадочных пород под влиянием высокой температуры и давления.

На материках выделяют такие значительные площади земной коры, как платформы, складчатые системы и пояса.

Платформы имеют складчатый фундамент метаморфических и магматических пород, которые перекрываются относительно молодыми осадочными породами. Главными структурными элементами платформы являются щиты и плиты. Щиты – это участки, где породы, которые образуют фундамент, выходят на поверхность или лежат на небольшой глубине. На участках плит поро-

10