Инженерная геология

Инженерная геология— наука о свойствах грунтов и условиях строительства сооружений в данной геологической обстановке.

Инженерная геология -это наука, исследующая:

- формирование и изменение геологических условий территории;

- условий строительства и эксплуатации сооружений;

- рациональное использование и охрана окружающей среды.

Основная цель инженерной геологии - обеспечение устойчивости оснований возводимых сооружений, безопасности ведения горных работ.

Задачи инженерной геологии:

- расчеты устойчивых углов наклона бортов и уступов карьеров и отвалов пород, оснований зданий и сооружений, оседания поверхности в зоне понижения уровня подземных вод;

- прогноз деформации горных выработок в контактных зонах, поведения крепи вертикальных и горизонтальных подземных выработок во времени в связи с понижением уровня подземных вод и продвижением фронта горных работ, поведения грунтов при замораживании и оттаивании, перевозке, ударных нагрузках и др.

Разделы инженерной геологии.

Инженерная петрография или грунтоведение – исследует свойства горных пород, определяющие их поведение в сфере воздействия инженерных работ и сооружений.

Инженерная геодинамика – изучает геологические и инженерно-геологические процессы в связи с их влиянием на инженерные сооружения.

Региональная инженерная геология изучает инженерно-геологические условия различныхтерриторий и производит районирование с выделением территорий с близкими инженерно-геологическими условиями.

Горнопромышленная инженерная геология занимается инженерно-геологическим обеспечением при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

Тема 6.1. Основы инженерной петрографии: инженерно-геологическая классификация горных пород; инженерно-геологические особенности скальных грунтов, физико-механические свойства и горнотехнические характеристики [5, 16, 20, 23, 26, 28].

Земная кора состоит из горных пород. Те горные породы, которые находятся в зоне влияния деятельности человека, принято называть грунтами независимо от их прочности и происхождения.

Выделяют три основных геолого-генетических типа грунтов: магматические, метаморфические и осадочные. Каждый тип образуется в строго определенных геологических условиях, т.е. при протекании процессов магматизма, метаморфизма и литогенеза. Поэтому каждый геолого-генетический тип грунтов обладает своеобразными признаками и физико-механическими свойствами. Особое значение имеют осадочные грунты. Они составляют лишь 5% объема земной коры, но покрывают 75% площади суши. Поэтому они являются основным объектом изучения инженерной геологии.

Примечание. Осадочные породы обладают наименее благоприятными, изменчивыми, свойствами для возведения и эксплуатации инженерных сооружений.

Классификация грунтов по строительным свойствам в соответствии с ГОСТ 25100–2011

Грунт– любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамические системы и часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека.

Грунты могут служить:

1) материалом оснований зданий и сооружений;

2) средой для размещения в них сооружений;

3) материалом самого сооружения.

Классификация грунтов по группам признаков (таксономические единицы):

- класс (подкласс) – по природе структурных связей: скальные, дисперсные, мерзлые;

- тип (подтип) – по генезису;

- вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или литологическому составу;

- разновидности – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов.

Физико-механические свойства грунтов определяют физическое состояние, отношение к воде и изменение прочности пород (деформируемость). Физико-механические свойства оцениваются с помощью показателей - характеристик. Показатели – это числовые значения, выражающие количественную сторону данного свойства.

Например. Свойство водопроницаемости пород оценивается при помощи показателя коэффициента фильтрации. Различают следующие группы свойств:

- физические – они характеризуют физическое состояние грунта в естественном залегании;

- водные свойства – характеризуют способность породы изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой, а также поглощать, удерживать и фильтровать воду – набухание, осадка, просадка, размокание, липкость, водонасыщенность, водоотдача, водопроницаемость;

- механические свойства – характеризуют поведение грунта при воздействии на него внешних усилий. Эти свойства позволяют оценить прочность и деформируемость грунта.

Основные показатели свойств грунтов (ГОСТ 25100-2011)

А.1 Высота капиллярного поднятия hс, м – наибольшая высота подъема воды по порам грунта, отсчитываемая от зеркала грунтовых вод (равная мощности капиллярной каймы).

А.2Коэффициент водонасыщения S_r, д. е. - степень заполнения объема пор водой. Определяется по формуле

(A.4)

где W- природная влажность грунта, д. е.;

е- коэффициент пористости;

r_s-плотность частиц грунта, г/см³;

r_w-плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

А.3 Коэффициент выветрелостиК_wr, д.е., определяется по формуле ρ_в

К_wr = -----,

ρ_нв

где ρ_в – плотность выветрелого грунта, г/см³;

ρ_нв - плотность невыветрелого грунта, г/см³ (ГОСТ 5180).

А.4Коэффициент выветрелости крупнообломочных грунтов К_wrt , д. е., определяется по формуле

где К₁- отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане;

К₀- то же, в природном состоянии.

А.5Коэффициент истираемости крупнообломочных грунтов

К_fr, д. е., определяется по формуле

где q₁- масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частицы размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане;

q₀ - начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания на исти­рание).

А.6Коэффициент пористости е определяется по формуле

(A.5)

где r_s-плотность частиц грунта, г/см³ (ГОСТ 5180);

r_d - плотность сухого грунта, г/см³.

Структура грунта- пространственная организация компонентов грунта, характе­ризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количествен­ное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных эле­ментов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия струк­туры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействи­ем компонентов грунта.

Текстура грунта- пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др.).

Состав грунта вещественный- категория, характеризующая химико-минеральный состав твердых, жидких и газовых компонентов.

Органическое вещество- органические соединения, входящие в состав грунта в виде неразложившихся остатков растительных и животных организмов, и также про­дуктов их разложения и преобразования.

Класс скальных грунтов- грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких мине­ралов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного или цементационного типа.

Скальные грунты представлены магматическими, метаморфическими или осадочными породами с прочными жесткими связями между минеральными зернами. Они обычно представляют собой прочное и надежное основание.

Однако из-за выветривания верхний слой скалы иногда представляет собой подобие сухой кладки. При строительстве капитального сооружения может потребоваться его удаление. Некоторые породы снижают прочность при водонасыщении или даже растворяются в воде – выщелачиваются.

Особенно это характерно для полускальных пород (вулканические туфы, некоторые известняки, мергели, глинистые сланцы, гипс и др.) с прочностью на сжатие меньше 5 МПа. Они подвержены также быстрому выветриванию в обнажениях выемок, котлованов, выработок.

По генезису и вещественному составу в классе скальных грунтов выделяют типы (подтипы), виды и подвиды, представленные в таблице 1. Разновидности скальных грунтов по количественным показателям их вещественного состава, строения, состояния и свойств представлены в таблице 2.

ГОСТ 25100-2011

Таблица 1 Скальные грунты

Таблица 2 Разновидности скальных грунтов

Б.1

Б.1.1 По пределу прочности на одноосное сжатие R_c в водонасыщенном состоянии

Б.1.2 По плотности сухого (скелета) грунта ρ_d

Б.1.3 По пористости n

Б.1.4 По коэффициенту выветрелости K_wr

Б.1.5 По коэффициенту размягчаемости в воде K_sof

Б.1.6 По степени растворимости в воде q_sr

Б.1.7 По водопроницаемости

В.1

В.1.1 По минеральному составу скальные известково-доломитовые грунты подразделяются

В.1.2 По минеральному составу скальные карбонатно-терригенные грунты подразделяются

В.1.3 По минеральному составу скальные глинисто-карбонатные и глинистые грунты подразделяются

Тема 6.2. Инженерно-геологические особенности дисперсных грунтов, компонентный состав и его влияние на свойства дисперсных грунтов, связные (глинистые) и несвязные (раздельнозернистые) грунты, физико-механические свойства и горнотехнические характеристики; мёрзлые грунты; техногенные грунты, способы улучшения свойств грунтов [5, 16, 20, 23, 25, 28].

Класс дисперсных грунтов- грунт, обладающий физическими, физико-химическими (подкласс связных грунтов) или механическими (подкласс несвязных - сыпучих) структурными связями.

По генезису и вещественному составу в классе дисперсных грунтов выделяют типы (подтипы), виды и подвиды, представленные в таблице 3. Разновидности скальных грунтов по количественным показателям их вещественного состава, строения, состояния и свойств представлены в таблице 4.

ГОСТ 25100-2011

Таблица 3. Дисперсные грунты

Таблица 4. Разновидности дисперсных грунтов

Б.2.1 По размерам (ГОСТ 12536) слагающие грунт элементы

Б.2.1 По гранулометрическому составу (ГОСТ 12536) крупнообломочные грунты и пески подразделяются

Инженерно-геологическая оценка дисперсных и связных грунтов осуществляется по водно-физическим (водопроницаемость, набухание и усадка, размокание, пластичность, липкость) и механическим свойствам (деформация, прочность, степень плотности, выветрелость, гранулометрический состав, угол естественного откоса, сжимаемость, сопротивление сдвигу), почв (рыхлость, размокаемость, засоленность, набухание), мерзлых и техногенных грунтов.

Наиболее сложными по своим свойствам являются дисперсные (раздробленные) грунты. Обычно они содержат три составные части (фазы) – минеральную (твердые частицы), жидкую (вода) и газообразную (воздух, водяной пар, другие газы). Мерзлые грунты содержат также лед. Полностью водонасыщенный грунт считают двухфазной системой (грунтовая масса).

В дисперсных грунтах выделяют прочносвязанную (гигроскопическая), рыхлосвязанную (пленочная) и свободную (гравитационная и капиллярная) воду. Связанная вода существенно влияет на свойства глинистых грунтов и практически отсутствует в песчаных. Перемещение пленочной воды называется миграцией. Гравитационная вода перемещается (фильтрует) во всех грунтах под действием разности напоров. Для большинства грунтов выполняется закон ламинарной фильтрации Дарси в виде

, (1.1)

где J = H/ℓ - гидравлический градиент;

К_ф – коэффициент фильтрации .

Из (1.1) К_ф - это скорость фильтрации при J =1.

В плотных глинистых грунтах фильтрация затрудняется оболочками связанной воды; считают, что фильтрация в них начинается лишь по достижении некоторого начального градиента напора J_n. Уравнение (1.1) при этом принимает вид: , где J_n – начальный градиент.

Значения К_ф и J_n определяются экспериментально.

Капиллярная вода удерживается в порах грунта за счет сил поверхностного натяжения. Высота капиллярного поднятия в грунтах растет с дисперсностью, составляя от 3…5 см в крупных песках до нескольких метров в глинистых грунтах.

Под структурой понимаются размеры, форма, характер поверхности минеральных частиц грунта и характер связей между ними. Последние называются структурными связями и определяют прочность связных грунтов.

В пылевато-глинистых грунтах различают структурные связи:

1. Водно-коллоидные, зависящие от сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностями твердых частиц и их водными оболочками. Эти связи пластичны и обратимы.

2. Кристаллизационные связи, возникающие вследствие кристаллизации на поверхности частиц различных соединений из поровых растров. Это связи хрупкого типа и они практически необратимы.

Для глинистых грунтов наряду с влажностью важным является понятие консистенции, характеризующее степень подвижности грунта. Консистенция может быть твердой, пластичной и текучей. Влажности, соответствующие границам между этими состояниями, называются пределами пластичности или раскатывания W_P (граница между твердым и пластичным состояниями) и текучести W_L (между пластичным и текучим).

Разность этих пределов называется числом пластичности

Число пластичности тесно связано с содержанием в грунте глинистой фракции и поэтому используется в классификации:

J_P ≤ 0,07 - супесь, 0,07 < J_P ≤ 0,17 - суглинок; J_P > 0,17 – глина.

Состояние грунта удобно характеризовать показателем текучести

Для песчаных грунтов очень важно состояние по плотности сложения: плотное, средней плотности, рыхлое. В последнем состоянии грунт дает большие деформации, особенно при динамических воздействиях.

Грунт крупнообломочный - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.

Песок - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % (I_p= 0).

Грунт глинистый- связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности I_p³ 1.

Ил- водонасыщенный современный осадок преимущественно морских аквато­рий, содержащий органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса. Обычно верхние слои ила имеют коэффициент пористости е³ 0,9, текучую консистенцию I_L > 1, содержание частиц меньше 0,01 мм составляет 30-50 % по массе.

Сапропель- пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов и содержащий более 10 % (по массе) органического вещества в виде гумуса и растительных остатков. Сапропель имеет коэффициент пористости е > 3, как правило, текучую консистенцию I_L > 1, высо­кую дисперсность-содержание частиц крупнее 0,25 мм обычно не превышает 5 % по массе.

Торф- органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмира­ния и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % (по массе) и более органических ве­ществ.

Грунт заторфованный- песок и глинистый грунт, содержащий в своем составе в сухой навеске от 10 до 50% (по массе) торфа.

Почва- поверхностный плодородный слой дисперсного грунта, образованный под влиянием биогенного и атмосферного факторов.

Крупнообломочные и песчаные грунты – продукты физического выветривания скальных пород. В крупнообломочных более 50% составляют обломки (частицы) размером > 2мм; в песчаных - их менее 50%. Содержание глинистой фракции для песчаных грунтов должно быть менее 3%.

Свойства указанных грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составами и состоянием по плотности сложения. Для некоторых разновидностей (мелкие и пылеватые пески) имеет значение также степень заполнения пор водой. Плотные крупнообломочные и песчаные грунты являются обычно надежным основанием сооружений. Однако рыхлые пески интенсивно уплотняются при динамических воздействиях.

Пылевато-глинистыегрунты – продукт физического и химического выветривания горных пород. В зависимости от содержания глинистой фракции их подразделяют на супеси (3…10%), суглинки (10…30%) и глины (> 30 %). Свойства этих грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом и содержанием воды, т.е. влажностью. Для них характерны такие свойства, как способность принимать твердое, пластичное или текучее состояние в зависимости от влажности, набухание, размокание, липкость, усадка.

В группу особых выделяются: илы, торфы, заторфированные грунты, просадочные лессы и лессовидные грунты, мерзлые и вечномерзлые, засоленные грунты и др.

Определяющим свойством грунтов этой группы является их структурная неустойчивость. Это способность структурных связей быстро разрушаться при некоторых воздействиях, нехарактерных для обычных условий формирования и существования таких грунтов. При этом основание получает большие по величине и быстро протекающие осадки, называемые просадками. Соответственно грунты этой группы характеризуются как просадочные.

Б.1.7 По водопроницаемости

Класс мерзлых грунтовхарактеризуется криогенными и другими структурными связями (за счет льда): подкласс скальных – с криогенными и одновременно с кристаллизационными и цементационными структурными связями, подкласс дисперсных – с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями, подкласс ледяных грунтов – только с криогенными связями.

Тема 6.3. Основы инженерной геологии массивов горных пород: понятие о массиве, различие свойств пород в образце и массиве, определение свойств пород в массиве, инженерно-геологическая типизация массивов горных пород [16, 20, 23, 24, 25].

Массив горных пород - часть земной коры:
- состоящая из совокупности горных пород, сформировавшихся в определенной геологической обстановке;
- характеризующаяся присущими ей физическими, химическими и геологическими параметрами.

Тема 6.4. Геодинамическая обстановка производства горных работ; горно-геологические явления при разработке месторождений подземным и открытым способом [16, 20, 21].

Инженернаягеология изучает все геологические процессы, которые могут оказывать то или иное влияние на инженерные сооружения, и , и в свою очередь, как эти сооружения повлияют на природную геологическую обстановку. Следует уяснить разницу между геологическими и инженерно-геологическими процессами.

Уплотнение лессов в процессе диагенеза и соответственно просадочные явления в лессах при утечках воды из водопроводов.

Наледи, термокарст – мерзлотные деформации пород в основаниях сооружений и пучины на дорогах.

Оползни, оплывины, обвалы, осыпи – деформации искусственных откосов.

Абразия по берегам морей, озер – переработка берегов водохранилищ.

Провалы над карстовыми пустотами – сдвижение горных пород при подземных разработках.

Геологические процессы следует изучать от причин их возникновения, развитие во времени, скорости развития, оценке характеристик, последствий на строительство и на работу зданий и сооружений.

С инженерно-геологической точки зрения – изменение физического состояния и физико-механических свойств горных пород, что снижает устойчивость горных пород в основаниях сооружений, естественных и искусственных откосах, горных выработках и т.д. Магматические породы на земной поверхности превращаются в рухляки различного состава. Механические свойства основных и ультраосновных ниже, чем кислых и средних пород (наличие прочного кварца). Характерной чертой крупнообломочных пород этого вида является более высокая прочность. Элювиальные глины склонны к набуханию (увеличение объема при увлажнении) и усадке (уменьшение объема при высыхании), что ухудшает условия эксплуатации зданий и сооружений.

Элювий метаморфических пород по физико-механическим свойствам ближе к дисперсным грунтам основных и ультраосновных пород.

Кора выветривания осадочных пород отличается разнообразием: хемо и органогенные породы большей частью растворяются. В сцементированных - в первую очередь разрушается цемент (кремнистый, железистый, карбонатный, глинистый).

Степень выветрелости определяется коэффициентом – отношением плотности выветрелой к плотности невыветрелой породы.

Меры борьбы с выветриванием. Сооружение фундамента зданий до невыветрелой породы. Крутизну откосов определяют с учетом прочности пород. Предотвращение выветривания: покрытие пород материалами (гудрон, бетон, синтетики), пропитывание пород (цемент, жид стекло и т.д), нейтрализация агентов выветривания (насыщение солями соленых вод, сооружение ливнестоков, канав), планировка территории и отвод воды.

Тема 6.5. Инженерно-геологические исследования на стадиях предварительной, детальной и эксплуатационной разведки; особенности инженерно-геологических исследований при подземной и открытой разработке месторождений [6, 7, 8, 9, 10,11, 13, 16, 20, 22].

Этапы инженерно-геологических изысканий.

Инженерно-геологические изыскания проводятся согласно технического задания, которое выдает инженер-строитель, занимающийся проектированием объекта.

Работы по изысканию выполняет специализированная организация.

Результаты работы – инженерно-геологический отчет.

Примечание. Обязательно участие инженера-геолога на стадиях изысканий, строительства и эксплуатации объекта.

Задачи исследований.

1. Изучение геологического строения участка.

2. Изучение геоморфологии.

3. Изучение гидрогеологических условий.

4.Изучение природных геологических и инженерно-геологических процессов.

5. Изучение свойств горных пород.

6. Прогноз изменения горных пород при строительстве и эксплуатации объекта.

Изыскания производятся в соответствии со СНиП 11.02-96. Инженерные изыскания для строительства.

Порядок изысканий.

Перед проектированием.

* Подготовительный этап: сбор, изучение и анализ имеющейся геологической документации по району строительства.

* Полевые работы: инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка (1: 200000, 1: 10000); буровые и горнопроходческие разведочные работы; геофизические исследования; опытные полевые работы; стационарные наблюдения.

* Лабораторные исследования грунтов и подземных вод.

* Камеральная обработка и составление отчета.

В период строительства.

* Сверка геологических и гидрогеологических данных.

* Проведение дополнительных инженерно-геологических работ.

* Внесение изменений в проект (при необходимости).

При эксплуатации зданий, сооружений.

* Работы с подтвержением прогноза устойчивости объектов.

* Наблюдения за осадками грунтов, режимом грунтовых вод, рек и т.п. с целью установления причин деформаций и разработка мер по их устранению.

Методы и технические средства, используемые при изысканиях.

Методы:

- инженерно-геологическая съемка масштаба от 1: 200000 до 1: 10000 и крупнее (основа – геологическая карта местности, при геоморфологических исследованиях уточняют рельеф, возраст, происхождение; при геологических работах определяют условия залегания, мощность, возраст, тектонические особенности, выветрелость и т.п. по выходам горных пород на поверхность);

- аэрокосмические методы.

Технические средства разведки.

Назначение:

- выяснение геологического строения;

- выяснение гидрогеологических условий строительства;

- отбор проб грунтов и подземных вод;

- проведение опытных работ и стационарных наблюдений.

1. Буровые скважины – это вертикальные или наклонные выработки круглого сечения малого диаметра (100-150мм), пройденные с помощью специального инструмента (Н керна 20-30мм, объем воды 0,5-2л).

2. Расчистки, канавы, штольни – горизонтальные выработки.

3. Шурфы – вертикальные выработки (1*1; 1,5*1,5; дудки – круглого сечения, диаметром 1м; глубина 2-3м, максимальная 4-5м; пробы размером от 10*10*10 до 30*30*30мм).

Достоинства и недостатки проведения выработок и скважин.

1. Высокая скорость, механизация, мобильность буровых работ при небольшом сечении.

2. Высокая детализация при проведении горных выработок при высокой стоимости и трудоемкости работ.

Геофизические методы.

Применяются как самостоятельные методы, так и параллельно с другими исследованиям