Инженерная геология

Различают два  типа волн: Р — продольные и S —  поперечные.

Продольные  волны вызывают колебания частиц горных пород вдоль направления сейсмических волн и они проявляются в виде переменного сжатия и расширения вещества в направлении их распространения. Продольные волны обладают наибольшим запасом энергии и распространяются с максимальной скоростью в твердых, жидких и газообразных средах. Скорость распространения продольных волн в гранитах и аналогичных породах составляет 5000-7000 м/с, в известняках 2000-5000 м/с, винах — 1500-2000 м/с, песках — 500-1000 м/с.

Поперечные  волны вызывают колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном к направлению луча продольной волны, Поперечные волны распространяются только в твердой среде и несут меньший запас энергии. Скорость распространения меньше в 1,7 раза, чем продольных волн.

На поверхности  земли от эпицентра во все стороны  расходятся волны особого рода —  поверхностные (L-волны), являющиеся по своей природе волнами тяжести. Скорость их распространения ниже, чем у поперечных, но они оказывают на сооружения неблагоприятные воздействия. L-волны подразделяются на волны Лява и волны Рэлея.

6. Описать сущность  внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Описать процесс просадки лёссов и обвала, и возможные защитные мероприятия.

Экзогенные процессы возникают в результате взаимодействия каменной оболочки с внешними сферами: атмосферой, гидросферой и биосферой.

Экзогенные процессы в подразделяются на три большие группы: процессы выветривания, процессы денудации и процессы аккумуляции, или осадконакопления.

Выветривание  представляет собой процесс изменения (разрушения) горных пород и минералов  вследствие приспособления их к условиям земной поверхности. Оно состоит в изменении физических свойств минералов и горных пород, главным образом сводящегося к их механическому разрушению, разрыхлению и изменению химических свойств под воздействием воды, кислорода и углекислого газа атмосферы и жизнедеятельности организмов.

Денудация и  аккумуляция (или осадконакопление) тесно взаимосвязаны. Под денудацией понимается совокупность процесса сноса  продуктов разрушения горных пород, создаваемых в основном выветриванием. Она проявляется главным образом в пределах суши и сводится к перемещению раздробленного или химически растворенного материала с возвышенностей в депрессии рельефа - долины, котловины, озерные и морские бассейны. Главными ее агентами являются сила тяжести, текучие воды, ветер и движущиеся льды ледников. Денудация (от латинского слова «денудо» - обнажаю) приводит к разрушению целых горных систем, шаг за шагом сравнивая их с землей и превращая в равнины.

Аккумуляция - это  сумма всех процессов накопления осадков, возникающих в понижениях рельефа Земли за счет принесенных денудацией продуктов выветривания. Она является первой стадией образования новых осадочных горных пород.

Природа просадочности лёссовых пород

До сих пор  нет единого мнения о природе просадочности лёссовых пород. Различные исследователи выдвигали достаточно много предположений и гипотез по поводу возникновения этого специфического и неотъемлемого свойства лёссов. Анализ существующих мнений показывает, что все гипотезы, объясняющие просадочность лёссовых пород, можно разделить на две группы. I. В первой группе просадочность лёссов рассматривается как их первичное свойство, то есть когда просадочность формируется непосредственно в ходе накопления и начальной стадии преобразования минерального пылеватого осадка. Одну из причин возникновения просадочности Н.Я. Денисов (1953) видел в формировании недоуплотненных лёссовых толщ вследствие захоронения рыхлой, сцементированной легкорастворимыми веществами, массы пылеватых частиц под постепенно накапливаемыми слоями вышележащих пород. Слабыми местами этой гипотезы было то, что она не могла объяснить сохранение просадочных свойств в течение длительного времени, не давала объяснений фактам увеличения просадочности под горизонтами погребенных почв и скачкообразному изменению просадочности лёссовых пород по разрезу каждого накопленного слоя. II. Гипотезы второй группы характеризуют просадочность как новообразованное свойство породы, то есть когда просадочность приобретается после накопления пылеватого осадка. Наибольшее распространение здесь получила гипотезамерзлотного выветривания. По мнению Е.М. Сергеева и А.В. Минервина (1960), формирование просадочности происходит в результате циклического сезонного промерзания-оттаивания исходных пылеватых пород и удаления из них льда посредством сублимации (испарения льда минуя жидкое состояние). В ходе промерзания поровая вода превращается в лед, разуплотняет породу и способствует дроблению более крупных песчаных зерен до размера пылеватых частиц. Данная гипотеза формирования просадочности подтверждается лабораторным и натурным моделированием. Она хорошо объясняет распространение и характер залегания лёссов в пространстве и разрезе, скачкообразное изменение просадочности лёссовых пород по разрезу, увеличение просадочности под горизонтами погребенных почв, появление просадочности в условиях сурового климата плейстоценовой эпохи развития Земли (приблизительно от 10 до 800 тысяч лет тому назад) - периода времени, когда наблюдалось наиболее интенсивное накопление лёссовых толщ.

Многолетний опыт исследований лёссов показывает, что одним из основных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфическая структура, то есть размер и форма твердых (минеральных) структурных элементов, строение порового пространства и особый характер структурных связей (взаимодействий между частицами).

СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ПРОСАДОЧНОСТЬЮ ЛЁССОВЫХ ПОРОД    

 В связи  с широким распространением лёссовых  пород на территории России  и стран СНГ проблема борьбы  с просадочностью этих пород  в основаниях инженерных сооружений становится весьма актуальной. Ведь при промачивании лёсса происходит просадка и резкое уменьшение прочности грунта (под грунтом понимают любую горную породу, являющуюся предметом инженерной деятельности человека). При этом наблюдается потеря устойчивости основания, его интенсивная осадка и часто выдавливание водонасыщенного лёссового грунта из под фундамента сооружения, что обычно приводит к полному или частичному разрушению зданий, плотин, дорог и т.д. По оценкам специалистов, до 45% стоимости работ по строительству гражданских и промышленных объектов на лёссовых грунтах тратится на комплекс мероприятий, предотвращающих деформацию сооружений из-за просадочности. 
    Познание природы просадочности лёссовых пород позволило разработать эффективные инженерные методы борьбы с этим грозным явлением. В основном эти методы сводятся к воздействию на неустойчивую специфическую структуру лёсса и трансформации ее в устойчивое недеформируемое состояние. При этом, исходя из описанного механизма просадки, стремятся повысить плотность лёссового грунта (снизить его активную пористость) и увеличить прочность контактов между минеральными частицами (перевести менее прочные, обратимые по отношению к воде, переходные контакты в более прочные - фазовые). 
    Существует несколько способов борьбы с просадкой лёссов. Наиболее распространенным является механическое уплотнение лёссовых грунтов тяжелыми трамбовками, вес которых может достигать 10 т, а иногда и более. Обычно трамбовки многократно (до 10 - 16 раз) сбрасываются на уплотняемый участок грунта с высоты 4 - 8 м. Данный метод позволяет уплотнить толщу лёссового грунта на глубину до 3,5м. 
    Если необходимо ликвидировать просадочные свойства лёссовых грунтов на глубину до 25 м, то проводят их глубинное уплотнение грунтовыми набивными сваями или энергией взрыва. Иногда для ликвидации просадочных свойств производят предварительное промачивание лёссового массива. При этом происходит спровоцированная просадка грунта, после чего он уплотняется, теряет просадочность и переходит в стабильное состояние. 
    Одним из способов борьбы с просадочностью является термическое закрепление лёссовых грунтов, при котором через грунт с помощью специальных приспособлений пропускают раскаленный воздух или газы при температуре 300 - 800 њC. Под действием высокой температуры происходит оплавление и спекание минералов на контактах между отдельными частицами и агрегатами частиц и формируются прочные фазовые контакты кристаллизационного типа, устойчивые по отношению к воздействию воды. В результате существенно повышается прочность лёссового грунта и он становится непросадочным. Просадочность многих типов лёссовых отложений может быть также существенно уменьшена с помощью метода силикатизации. При этом в грунт через перфорированные трубы с одной стороны нагнетают раствор силиката натрия (жидкого стекла), а с другой - раствор хлористого кальция. При соединении обоих растворов в порах просадочного грунта образуется водонерастворимый гель кремниевой кислоты, который цементирует грунт и делает его непросадочным. К сожалению, данный метод в некоторых случаях может приводить к сильному химическому загрязнению закрепляемых пород, и поэтому в настоящее время он применяется очень редко. 

Обвал - отрыв и падение больших масс горных пород на крутых и обрывистых склонах гор, речных долин и морских побережий. Обвалы происходят в результате ослабления связности (цельности) горных пород, главным образом под влиянием процессов выветривания, деятельности поверхностных и подземных вод. Объём крупнейшего обвала - Усойского (1911) на реке Мургаб (Памир) составил около 2,2 млрд. м³. В результате этого обвала образовались естественная плотина и Сарезское озеро. Основное защитное мероприятие - установление специализированных укреплений предотвращающих обвал, так же его укрепление. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7.  Приведите классификацию подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах, а также условия залегания и движения подземных вод(парообразная и межпластовая безнапорная).

В горных породах  наблюдается несколько видов  воды, отличающихся по физическим свойствам. В инженерной геологии принята  классификация видов воды, предложенная Лебедевым (1930), которая позднее была уточнена в соответствии с новыми представлениями о природе воды и строении ее молекул. Согласно этой классификации выделяют следующие виды воды:

1.  парообразная;

2.  физически связанная:

-гигроскопическая (прочносвязанная);

-пленочная (рыхлосвязанная);

3.  капиллярная;

4.  гравитационная (свободная);

5.  вода в твердом состоянии;

6.  химически связанная вода в минералах:

-кристаллизационная;

-конституционная.

Парообразная  вода

Парообразная  вода, т.е. водяной пар, заполняет  вместе с воздухом пустоты в почве и горных породах. Парообразная вода обладает большой подвижностью и перемещается от мест с большой упругостью к местам с меньшей упругостью и от более влажных участков к менее влажным. Перемещение парообразной воды происходит во всех направлениях. Она проникает в почву из атмосферы, но может образоваться при испарении влаги в почве. Парообразная вода может конденсироваться и давать гигроскопическую воду.

Межпластовая  безнапорная вода

Подземные межпластовые воды, как понятно из названия, циркулируют  в водоносных породах между двумя водоупорными слоями. Безнапорные грунтовые межпластовые воды соединяются с поверхностью земли водопроницаемыми слоями лишь на отдельных участках своего распространения; на всей остальной площади они хорошо защищены от загрязнения с поверхности верхним водоупорным слоем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.  Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу.  

Линейный  закон фильтрации.

Движение подземных  вод в пористых породах (пески, супеси, суглинки) неглубокого залегания  имеет параллельно-струйчатый или  ламинарный характер, т.е. без разрывов и пульсации, [плавным изменением скорости и подчиняется закону Дарси, экспериментально установленному им в 1856 г. I Основной закон фильтрации — закон Дарси выражается формулой:

Q=K_фF = K_фFi,

где Q —расход воды (количество фильтрующейся воды в единицу

времени), м³/сут;

K_ф— постоянная величина для данной породы, характеризующая ее водопроницаемость; эта величина называется коэффициентом фильтрации, м/сут;

F — площадь поперечного сечения потока, м²;

ΔH — разность уровней в двух рассматриваемых  сечениях, м;

l — длина  пути фильтрации, м;

i — гидравлический  уклон.

Разделив обе  части уравнения на F и назвав  — скоростью фильтрации V, м/сут, получим:

V=К_фi.

Это уравнение  показывает, что по линейному закону скорость фильтрации прямо пропорциональна  гидравлическому градиенту.

Если принять i = 1, то получим V=К_ф, т.е. при гидравлически градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации.

Формула позволяет  определить так называемую кажущуюся скорость фильтрации. Так как вода течет лишь через часа сечения F, равную площади пор и трещин породы, то для определения действительной скорости фильтрации V, м/сут, следует учесть пористость п, выраженную в долях единицы и корректировать расчет: для песков и крупнообломочных пород V_д=V/n; для глинистых —

V_д=V/n_акт,   

где n_акт — актив пористость в долях единицы.

Нелинейный закон фильтрации.

В крупнообломочных, сильно трещиноватых скальных породах  неглубокого залегания при наличии  крупных пустот трещин значительной протяженности движение водного  потока имеет вихревой или турбулентный вид. Оно характеризуем вихреобразностыо, пульсацией и перемешиванием отдельных струй воды.