ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ В СИСТЕМЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ В СИСТЕМЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ КАК НАУКА СВОЙСТВАХ ГРУНТОВ,

И ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ.

В системе наук о земле инженерная геология сформировалась к концу ХIХ века. Становление геологии как самостоятельной отрасли геологии проходило в несколько этапов: первый этап, относящийся к концу ХIХ и началу ХХ века, характеризуется накоплением опыта использования геологических данных для строительства различных объектов и для разработки нефтяных месторождений. На втором этапе, в 30-х годах ХХ века инженерная геология утвердилась как самостоятельная наука. Начали функционировать специализированные инженерно-геологические изыскательские организации, оснащенные необходимым оборудованием, приборами и высококвалифицированными кадрами. Появились первые научные монографии по инженерной геологии Ф.П. Сваренского, Н.Н. Маслова, И.В. Попова. Последняя треть ХХ века является важнейшим этапом в развитии инженерной геологии, которая превратилась в весьма самостоятельный и обширный раздел комплекса наук о Земле, способный решать сложнейшие задачи, обеспечивая возведение объектов в различных в том числе самых трудных и неблагоприятных геологических условиях.

Инженерную геологию следует определять как науку, изучающую условия инженерного освоения и преобразования геологической среды. Инженерная геология разрабатывает широкий круг научных геологических проблем и решает практические задачи, возникающие при проектировании и строительстве всевозможных сооружений (плотины, туннели, мосты, дороги, промышленные и гражданские здания, а так же при выполнении горных работ для разработки месторождений полезных ископаемых нефти, газа, угля. В современных условиях ни одно сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических материалов.

Деятельность людей, связанная со строительными, горными и мелиоративными работами, приводит к перемещению горных пород в объемах, сопоставимых с денудационной работой рек. При добыче нефти для поддержания пластового давления в продуктивных пластах требуется закачка воды в глубины Земли, которую по масштабам можно сравнить с расходами рек. Сооружаются подземные хранилища для нефти и газа емкостью в десятки миллионов кубических метров. При разработке рудных полезных ископаемых создаются котлованы площадью в несколько квадратных километров и глубиной в несколько сот метров, из которых ежедневно откачиваются сотни тысяч кубометров воды, мешающей нормально эксплуатировать эти котлованы. Таким образом, инженерно-хозяйственная деятельность человека влияет на геологическую среду, поэтому основной задачей инженерной геологии всегда был прогноз изменения природных условий в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека.

Инженерная геология включает в себя три главные, самостоятельные направления, изучающие три главных элемента геологической среды:

-грунтоведение - изучает свойства горных пород (грунтов) и почв в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей. Указанная зависимость является основным положением отечественной школы грунтоведения.

-инженерная геодинамика - природные и антропогенные геологические процессы явления;

-региональная инженерная геология-строение и свойства . геологической среды определенной территории.

Все три основных раздела инженерной геологии имеют один и тот же объект изучения - динамику земной коры под влиянием инженерной деятельности человека.

Грунт. Состав грунтов и типы структурных связей. Характеристики определяющие состояние грунта.

Горные породы, особенно осадочные обладают пористостью. Поры могут быть заполнены воздухом либо другими газами, либо водой или другими жидкостями, например нефтью, либо и газами и жидкостью. Эти компоненты взаимодействуют между собой, а также и с твердым компонентом, они влияют на интенсивность сжатия грунтов, изменяют характер их деформаций, например упругая в сухом состоянии и пластичная деформация в водонасыщенном состоянии. В связи с этим следует различать жидкий,твердый и газообразный компоненты (фазы) грунта, то есть надо рассматривать грунт как многокомпонентную систему, изменяющуюся под воздействием человека.

По определению академика Е.М. Сергеева под грунтом следует понимать любые горные породы и почвы, которые изучаются как много-компонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека.

Твердый компонент состоит из двух частей – минеральной и органической. Е.М. Сергеев минеральные образования, входящие в состав твердого компонента грунта, подразделяет на 5 групп:

1) минералы класса первичных силикатов - обладают наибольшей прочностью, нерастворимы в воде.

2) простые соли - объединяет слабая устойчивость в воде. Степень растворимости у них разная: от труднорастворимых карбонатов, к среднерастворимым сульфатам и легкорастворимым галоидам

3)глинистые минералы– благодаря высокой дисперсности, коллоидной активности и особенностям строения кристаллической решетки активно взаимодействуют с водой, но не растворяются в ней. Они являются породообразующими в глинистых грунтах и определяют их свойства.

4) органические вещества – могут образовывать крупные скопления (торфяники, пласты угля), могут содержаться в почвах или находиться в рассеянном виде в глинистых породах в виде гумуса. Гумус отрицательно действует на грунты, способствуя их набуханию. Присутствие в породах гумуса может привести к изменению их свойств например 3% гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойства. Второй особенностью органического вещества является его высокая активность в окислительно-восстановительных процессах, имеющих место в горных породах. Обладая кислотными свойствами, гумусовые вещества являются активными агентами выветривания, разлагая силикаты и др. минералы с образованием различных коллоидных гуминовых соединений. При водонасыщении эти грунты резко снижают свою несущую способность. Именно поэтому подошва фундамента сооружения всегда должна быть ниже нижней границы почвенного слоя. Микроорганизмы могут представлять опасность для материалов конструкции подземной части сооружений, способствуя коррозии металлов. Часть органических веществ растворяется в воде, а затем адсорбируется (поглощается) глинистыми минералами, в результате чего возникают органо-минеральные комплексы.

5) лед – является составной частью сезонномерзлых и вечномерзлых грунтов. Структура его кристаллическая, но в узлах решетки находятся не атомы и ионы, а молекулы воды. Прочность его тем выше, чем ниже его температура (отрицательная)

Газы в порах грунтов могут находиться: в свободном - микропорах, трещинах, пустотах; защемленном - в глинистых грунтах, в виде пузырьков в тонких порах; растворенном - в воде, заполняющей поры грунта; адсорбированном - на поверхности твердых частиц. Наличие в грунте защемленного или адсорбированного воздуха и газов ведет:

а) к увеличению упругости дисперсного грунта, что повышает его прочность, уменьшает сжимаемость, понижает водопроницаемость;

б) к неравномерности замачивания, увлажнения и водонасыщения грунта в массиве;

в) к выщелачиванию и суффозионному выносу из грунта легкорастворимых солей, гипса, карбонатов и образованию карстовых пустот;

г) к возникновению химических реакций с образованием цементирующих растворов и литификации грунта.

Воздух и газы в молодых озерно-болотных или заболоченных аллювиальных отложениях часто приводят к разуплотнению, разрыхлению, нарушению их структуры и, как следствие, к их подвижности или текучести. Высокая газопроницаемость таких грунтов обуславливает выделение из них газов типа метана, сероводорода и др., что представляет опасность при проходке горных выработок.

В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом:

а) Парообразная вода находится в порах в виде пара. Перемещается из мест с большей в места с меньшей упругостью пара, конденсируется в жидкую воду при понижении температуры, а при повышении последней вновь переходит в парообразное состояние, может переходить в связанную воду.

б) Связанная вода подразделяется на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную воду. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100% Прочносвязанная вода не может свободно перемещаться, т. к. силы молекулярных связей превышают силы тяжести. В присутствии прочносвязанной воды глинистые грунты не пластичны, имеют твердую консистенцию. Рыхлосвязанная вода по своим свойствам отличается от прочносвязанной. Она имеет плотность близкую к плотности свободной воды и подразделяются на пленочную влагу и осмотическую воду. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пленочной воды составляет влажность, которая называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунтов Wм.м.в.-показывает, какое количество связанной воды содержится в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения грунтовых частиц. Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Наличие в грунтах осмотической влаги обуславливает их пластичность.

в) Капиллярную воду подразделяют на три вида: вода углов пор, подвешенная вода, собственно капиллярная вода. Вода углов пор – капельная форма влаги, занимающей ограниченный объем пор. При увеличении влажности грунта капиллярные поры могут быть полностью заполнены водой, в этом случае капиллярную воду подразделяют на собственно капиллярную и подвешенную воду. Собственно капиллярная вода - формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя капиллярную кайму. Мощность капиллярной каймы определяется высотой капиллярного поднятия Нк и зависит от степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта (например, в песках она равна в среднем 50 см, а в супесях и др. глинистых грунтах доходит до 2-3 м). Высота капиллярного поднятия имеет большое значение для процессов засоления и заболачивания.

Подвешенная вода формируется в песках как в однородных так и слоистых толщах и зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности, в результате промачивания грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при увлажнении и укатки грунта. Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удержаться грунтом, называют водоудерживающей способностью грунта.

г) Свободная (гравитационная) вода - подразделяется на просачивающуюся и воду грунтового потока. Первый вид воды располагается в зоне аэрации и перемещается под действием силы тяжести сверху вниз. Вода грунтового потока движется в горизонтальном направлении в зоне полного водонасыщения.

Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта.

д) Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед формируется в грунтах в виде прослоев различной мощности или в виде отдельных кристаллов. Кристаллический лед играет роль природного цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом.

Присутствие льда резко меняет свойства грунта, придавая ему свойства твердого тела.

Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых грунтов. Повторное замерзание и оттаивание дисперсных грунтов приводят к необратимым изменениям структуры ( в том числе степени дисперсности) и свойств этих пород, например увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяется прочность и др. свойства.

е) Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называется конституционной и участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Эти виды воды влияют на свойства грунтов лишь косвенно, приобретая значение при исследовании минерального состава грунта.

Под строением грунтов понимают совокупность их структурно-текстурных особенностей, т.е. их структуру и текстуру. Под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих их элементов (минералов, обломков минералов горных пород, цемента) и характер взаимосвязи их друг с другом. Текстура –пространственное расположение слагающих элементов грунта (независимо от их размера)

Помимо общего понятия о текстуре грунтов Е.М. Сергеевым введены понятия о макро-, мезо-, микротекстуры. Особенности пространственного расположения макроэлементов характеризуется макротекстурой. Размер отдельных макроэлементов может изменяться от 1м и до долей сантиметра. Глинистые и лессовые породы характеризуются беспорядочной и слоистой макротекстурой. Порода с беспорядочной макротекстурой выглядит сплошным однородным телом. Порода со слоистой макротекстурой состоит из отдельных слоев, имеющих пространственную ориентацию.

Элементы мезоструктуры имеют размер от нескольких миллиметров до 0.005 и 0.001 мм, поэтому изучение ее проводится помощью специальной аппаратуры на шлифах с помощью микроскопов. Микроструктура размер элементов которой менее 1-5 мк изучается с помощью специальной аппаратуры.

Все минеральные зерна и обломки, слагающие горные породы, связаны между собой структурными связями. В различных генетических типах пород развиты различные структурные связи, обусловленные их различной природой формирования и проявления:

1) в магматических, метаморфических и некоторых осадочных сцементированных породах развиты жесткие связи химической природы, которые характеризуются внутрикристаллической связью минералов и является наиболее прочным типом структурных связей.(граниты, песчаники, мрамор)

2) В тонкодисперсных несцементированных породах связь между частицами породы осуществляется за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий, называемых водно-коллоидных связей (глины, суглинки). Например: коллоидно-дисперсные минералы обладают разнообразными свойствами и строением 1-я группа минералов каолинит, его особенностью является жесткость кристаллической решетки (все его молекулы прочно связаны друг с другом), поэтому каолинит и минералы сходные с ним мало набухают. Представитель 2-ой группы минералов является монтмориллонит, который отличается необычной для минералов подвижной кристаллической решеткой. Она состоит из кристаллических пакетов слабо связанных друг с другом. По мере увлажнения молекулы воды проникают между пакетами и раздвигают их меха гармоники. Минералы, имеющие такое строение сильно набухают,увеличиваясь в объеме в 5-10 раз.

А такие грунты, как пески, галечники, практически вообще не обладают связанностью.

Глинистым грунтам как коллоидным системам присущи такие явления как:

Поглотительная способность (адсорбция) обусловлена поглощением тонкодисперсной частью грунта различных веществ, находящихся в водной или газовых частях среды.

Коагуляция. Глинистый грунт представляет собой коллоидную систему, в которой каждая частица несет заряд, а между частицами действуют силы отталкивания, препятствующие сближению одноименных зарядов. Кроме того частицы покрыты гидратными оболочками.

При определенных условиях в грунтовой суспензии наступает порог коагуляции, при котором частицы сближаются, соединяются в агрегаты и в виде хлопьев выпадают из раствора. В грунте природной влажности и ненарушенной структуры содержание тонко дисперсной части уменьшается. Такое явление называется коагуляцией или свертыванием, частиц.

Пептизация – разукрупнение, разрушение агрегатов и переход геля в золь. Это явление обратное коагуляции. При этом в грунтах уменьшается сжимаемость, понижается прочность, уменьшается водопроницаемость.

Тиксотропность – способность дисперсных грунтов, содержащих коллоиды, переходить при действии динамических нагрузок (удар, встряхивание, вибрация) из более твердой в более мягкую консистенцию т. е. разжижаться или размягчаться, а после прекращения действия нагрузок возвращаться в свое прежнее состояние.

Глина более 0.17

Консистенция J_L – отражает физическое состояние гунтов и показывает степень подвижности глинистых частиц в зависимости от влажности этих грунтов.

J_L= ( W-W_p) \ (W_i – W_p) По значениям J_L с помощью таблиц устанавливают в каком состоянии находится грунт:

супеси: Твердые J_L менее 0 Полутвердые J_L от 0 до 0.25

Тугопластичные J_L от 0.25 до 0.5

Мягкопластичные J_L 0.5 до 0.75

Текучепластичные J_L от 0.75 до 1.0

Текучие J_L более 1.0

глины и суглинки: твердые J_L менее 0

пластичные J_L от 0 -1.0

текучие J_L более 1.0

С инженерно-геологической точки зрения консистенция грунта косвенно связана с его механическими свойствами. Один и тот же грунт в твердой консистенции обладает меньшей сжимаемостью, чем в пластичной.

При влажностях в диапазоне от текучепластичной до мягкопластичной консистенции грунт обладает липкостью и его труднее разрабатывать механизмами. В текучепластичной и текучей консистенции его прочность падает до нуля.

Липкость (г/см) – способность связного грунта при определенной влажности налипать на различные предметы. Липкостью обладают грунты, которые находятся в пластичном состоянии и обуславливаются наличием пленочной воды, а в почва также гидрофильного гумуса. Величина липкости зависит от гранулометрического и химико-минерального состава грунтов, а также от влажности. Наиболее сильно липкость проявляется в глинистых и пылеватых грунтах. Чаще всего это солонцеватые, а также гумусированные грунты. Супеси и пески липкостью не обладают.

Усадка уменьшение объема глинистого грунта при высыхании, это процесс обратный набуханию. Высыхание грунтов может происходить за счет испарения воды и наблюдается часто в откосах оросительных и осушительных каналов, в глинистых и заторфированных грунтах после удаления из нее воды. При усадке грунт растрескивается, теряет монолитность, прочность, в нем появляются трещины, что может повлечь за собой увеличение его водопроницаемости. Поверхность земли опускается и сооружения, стоящие на этом месте, начинают неравномерно деформироваться. Внешнее давление ведет к ускорению процесса усадки и тем самым способствует его развитию. Усадка ведет к переходу глинистого грунта из пластичного состояния в полутвердое и твердое, причем объем грунта уменьшается до определенного предела, после которого остается постоянным. Влажность, соответствующая постоянному объему грунта, называется пределом усадки или

величиной относительной усадки, изучают ее в лаборатории.

Е_sh = (h_n –h_d ) \ h_n

h_n- высота образца грунта с W_max

h_d -высота после высыхания, определяют влажность грунта на пределе усадки W_max мощность грунтов , которые подвержены усадке H_sh

Наибольшая величина усадки бывает в глинах, меньше в суглинках. Благодаря усадочному процессу в глинистых грунтах возникают напряжения, которые имеют разное значение в разных точках массива вследствие различия их исходной влажности, составе, структурных связей. Когда разница в этих напряжениях достигает величин, превышающих сопротивление разрыву грунтов, в массиве образуются трещины усадки, которые могут быть глубокими и в ряде случаев, когда мощность слоя глинистых грунтов меньше этой глубины, слой рассекается системой трещин полностью, до подстилающих пород, как например озерно-речные отложения в дельте рек Терека и Сулака

Набухание – свойство глинистых грунтов увеличиваться в объеме при взаимодействии с водой. Вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются до уровня Wммв, частицы грунта раздвигаются и расклиниваются и объем грунта возрастает (например минерал монтмориллонит). Набухание обусловлено наличием в грунте гидрофильных минералов, значительным содержанием глинистой фракции, высокой удельной поверхностью. Основными факторами, определяющими величину и характер набухания, является:

1) состав и строение грунтов

2) химический состав и концентрация водного раствора. Чем выше концентрация раствора и чем больше в нем ионов-коагуляторов, тем меньше набухание. Опыты показывают, что большее набухание при равных условиях будет при замачивании пресной водой

3) величина внешнего давления, под которым находится грунт. Внешнее давление препятствует набуханию и может свести его на нет.

Набухание сопровождается увеличением пористости и влажности грунта; при этом консистенция его становится более мягкой (грунт переходит из твердого состояния в полутвердое, тугопластичное и даже пластичное)

Набухание - процесс, обратный усадке; он приводит к ослаблению внутренних связей в грунте, уменьшению его прочности, увеличению сжимаемости, уменьшению водопроницаемости. Набухание происходит тем легче, чем слабее связи между частицами, но если прочность структурных связей равна или больше давления набухания, которое развивается в результате расклинивающего действия воды, то грунт набухать не будет. Давление набухания развивается в глинистом грунте как реакция внешней нагрузке, передаваемой на грунт от сооружения или веса вышележащей толщи грунта и приводит к деформациям этих сооружений вследствие неравномерного поднятия разных участков фундамента т.е. давление набухания превышает давление от сооружения.

Однако, способность глинистых грунтов поглощать воду не беспредельна и характеризуется определенной величиной влажности, которая называется влажностью набухания W_sw. Влажность набухания соответствует такому состоянию грунта, при котором прекращается процесс поглощения жидкости. Величина набухания будет тем больше, чем больше разница между начальной влажностью и влажностью набухания т.е. чем суше исходный глинистый грунт, тем выше его набухание . Отсюда вывод: если природная влажность грунта равна или больше влажности набухания, то грунт набухать не будет. Способностью набухать обладают многие глины, тяжелые суглинки и лессовидные суглинки Украины.

Способность грунтов к набуханию определяется в лаборатории, устанавливается величина относительного набухания:

E_sw= ( h_н - h) / h h-начальная высота образца

E_sw менее 0.04 грунт набухающий h_н- высота после набухания

0.04 до 0.08 слабонабухающий

0.09 до 0.12 средненабухающим

более 0.12 сильнонабухающим

При строительстве на набухающих основаниях применяют следующие мероприятия:

Водозащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод; надземные водонесущие коммуникации помещают в специальные каналы.

Устранение свойств набухания в пределах всей толщи путем предпостроечного замачивания. Для промачивания грунтов используют дренирующие скважины. Грунт провоцируется на набухание и в таком виде должен находиться весь период эксплуатации объекта. Но при этом понижаются прочностные и деформационные характеристики. В связи с этим рекомендуется строить объекты с небольшими нагрузками.

Устройство компенсирующих подушек под всем сооружением из слоя уплотненного грунта. (песка, суглинка, глины) Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину давления набухания.

Размокание называют способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой терять связанность и разрушаться- превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Скорость размокания породы определяет степень ее устойчивости под водой. Глинистые породы размокают медленнее, чем песчаные. Наличие в породе гумуса и карбонатов замедляет размокание. Подвержены к быстрому размоканию лессы и лессовидные суглинки, солонцы, пылеватые грунты. Многие грунты перед размоканием предварительно набухают, после чего теряют сплошность, превращаясь в бесструктурную массу. Некоторые грунты при размокании растрескиваются и расслаиваются на отдельные чешуйки.

Плотные суглинки и четвертичные, а особенно древние глины, не размокающие в стоячей воде, разрушаются при длительном воздействии текучей воды, т.е. размываются. Размываемость пород со слабыми структурными связями обуславливается сопротивлением их размоканию.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Свойства, проявляющиеся в грунтах под влиянием приложения к ним внешних усилий и приводящие либо к изменению объема грунта, либо к нарушению его прочности и плотности, носят название механических. Они подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.

1. Деформационные свойства

грунтов проявляются в изменении формы и объема при воздействии на грунт внешних усилий, не приводящих к разрушению. Как рыхлые, так и связанные грунты при приложении к ним нагрузок уплотняются, т.е. уменьшают свою пористость и изменяют форму. Деформации происходят под действием напряжений, возникающих в грунте после приложения внешней нагрузки. Они тем значительнее, чем больше величина прилагаемой нагрузки, и зависят от первоначального состояния грунта: его вида, структуры, пористости, влажности. В дисперсном грунте эти деформации имеют объемный характер, т.к. в первую очередь связаны с уменьшением объема грунта, находящегося в напряженном пространстве.

Деформации возникают, как правило, в результате воздействия на скелет породы нормальной составляющей нагрузки и характеризуют способность грунта к уплотнению, которая внешне выражается осадкой грунта под сооружением.

В зависимости от прилагаемых к грунтам нагрузок выделяется три фазы изменения состояния грунтов: уплотнение, сдвиг, выпирание. Из графика следует, что при некоторых значениях нагрузок от 0 до Р₁ происходит уплотнение грунта, в результате которого деформация носит линейный характер и осадка со временем затухает. При увеличении нагрузки от Р₁ до Р₂ в грунте помимо деформаций уплотнения начинаются деформации локальных сдвигов, что приводит к нарушению линейного характера деформации - она продолжает равномерно нарастать. Таким образом, в начале II стадии возникают предпосылки нарушения прочности грунта.

При дальнейшем нарастании нагрузки до Р₃ локальные сдвиги получают развитие во всей толще грунта основания, деформация нарастает без увеличения нагрузки и в конце этой фазы происходит выпирание грунта из-под сооружения под действием сдвигающих сил и его разрушение.

Это явление характеризует прочностные свойства дисперсных грунтов, и обусловлено сопротивлением грунтов сдвигу и выражается либо в потере прочности основания, либо в нарушении устойчивости откосов земляных сооружений.

Такое разделение деформаций достаточно условно, т.к. в любом массиве грунта под действием внешних сил возникают как сближение частиц, так и элементарные сдвиги. Однако, при преобладании процесса уплотнения происходит деформация сжатия (осадка), а при повсеместном развитии сдвигов – потеря прочности и разрушение грунта - см. рис.4

Сжимаемость. В процессе производственной деятельности грунты, как основания, материал или среда для сооружений могут подвергаться различным силовым воздействиям: давлению, уплотнению, скалыванию, растяжению, кручению, а чаще всего к их уплотнению и сжатию. Исследование деформационных свойств заключается в изучении характера сжимаемости, величины и скорости этого процесса, которые необходимы для расчетов осадок оснований сооружений и допускаемых давлений на основание.

Необходимый объем грунта, подвергающейся нормальному давлению ( например от сооружения), сжимается в направлениях большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярном к нему направлении. Боковому расширению препятствует сопротивление окружающего грунта, поэтому сжатие протекает при ограниченной возможности бокового расширения.

Сжимаемость в условиях невозможности бокового расширения грунта называется компрессией. Компрессия может быть представлена в виде одной из трех математических зависимостей: между пористостью и давлением, сжатием и давлением, влажностью и давлением. Графически эти зависимости могут быть представлены в виде компрессионных кривых вида: е =f ( P )

Эта кривая, ( см рис 5,г ) характеризующая свойства исследуемого грунта, позволяет : а) классифицировать грунты по величине сжимаемости б) устанавливать величину структурной прочности грунта в) определять модуль общей деформации грунта

Рассматривая компрессионную кривую (см рис 7) нетрудно заметить, что каждому значению нормального давления Рсоответствует определенное значение коэффициента пористости е. В том случае если изменение давления будет незначительным, это приведет к малому изменению коэффициента пористости , что позволяет нам принять участок кривой с ординатами е₁ и е₂ за прямую.

Тогда, как это видно треугольника КЛМ, отношение разности ординат е₁ - е₂ к разности абсцисс Р₂ - Р₁ будет соответствовать или

tgα= =a

Чем больше а на данном участке исследуемой компрессионной кривой, тем, очевидно, более сжимаемым является грунт при тех же значениях удельного давления. Величина а называется коэффициентом сжимаемости.

Второй характеристикой дисперсных свойств грунтов является модуль деформации Е_0, который применяется при расчетах осадки оснований.

1. Е₀ = β

а-коэффицент сжимаемости для интервала соседних нагрузок Р₂ - Р₁

β-безразмерный коэффициент, зависящий от относительной поперечной деформации грунта, для суглинков 0.5; глин 0.4; супесей 0.7; песков 0.8 .

Ес- модуль сжимаемости, представляет собой величину относительного сжатия грунта под действием нагрузки Р и показывает величину сжатия образца или осадку слоя грунта Н ( мм ) мощностью 1м при приложении к нему внешней нагрузки Р

Ес=1000 ( ΔН / Н)

-высота образца или мощность слоя, м

Компрессионные свойства грунтов зависят от:

-- структуры грунта: раздельнозернистые грунты сжимаются быстрее, а конечные осадки их меньше, чем у глинистых грунтов; в последних процесс сжатия протекает часто очень медленно;

-- минерального состава и содержания тонкодисперсной фракции. Наличие минерала монтмориллонита понижает их сжимаемость за счет явления набухания, а наличие органических примесей и органно-минеральных соединений. Наоборот, резко увеличивает сжимаемость грунтов.

-- типа и характера внутренних связей: чем прочнее связи, тем меньше сжимаемость;

--физического состояния грунта – плотности сухого грунта и естественной влажности: чем выше степень влажности, тем длительнее протекает процесс сжатия глинистых грунтов

--темпа приложения нагрузок, который обуславливает полное или неполное завершение этапов сжатия

Как уже упоминалось деформация глинистых грунтов происходит в несколько этапов, а поэтому после приложения нагрузки на грунт проходит некоторое время, прежде чем наступит уплотнение грунта и еще больший промежуток времени потребуется на завершение процесса сжатия при данной ступени нагрузки. Процесс уплотнения глинистых грунтов во времени при постоянной нагрузке называется консолидацией

Длительность этого процесса зависит от: а) структурной прочности грунта б) водо-проницаемости в) вязкости и ползучести (реологических свойств грунта)

О скорости и характере консолидации дают представление кривые консолидации т. е. кривые зависимости осадки от нагрузки во времени, которые строят для каждой ступени нагрузки исследуемого грунта. Они бывают двух видов. Кривые первого вида (см. рис 12а) показывают зависимость величины сжатия ( ΔН) от времени при степенях нагрузки Р , Р ……Рп. Кривые второго вида показывают изменение степени консолидации во времени.

Степенью консолидацииU называют отношение величины сжатия в данный момент времени к полной величине сжатия при завершившейся консолидации

U= ΔHt \ ΔH

ΔHt - сжатие или осадка образца в данный момент времени

ΔН - полное сжатие при завершившейся консолидации

В глинистых грунта находящихся в двухфазном состоянии, т.е. водонасыщенных, консолидация протекает медленно: месяцами, годами, десятками лет. Скорость уплотнения определяется скоростью отжатия воды из пор грунта, а она обусловлена коэффициентом фильтрации и ее расчет обосновывается теорией фильтрационной консолидации.

Прочность

При действии нагрузок на грунт в нем возникают касательные напряжения, стремящиеся сместить одну часть грунта по отношению к другой, что приводит к нарушению прочности основания, либо к потере устойчивости откоса.

В обоих случаях условием прочности является сопротивление сдвигу, обусловленное силами трения в несвязных грунтах, которые действуют на контактах между частицами. Внутреннее трение зависит от размера, формы, характера поверхности и минерального состава песков, а так же степени их уплотненности. Чем крупнее частицы, тем более шероховата их поверхность и чем менее они окатаны, тем их сопротивление трению больше. Это сопротивление выражается коэффициентом внутреннего трения f.

Ш. Кулон установил следующую прочностную зависимость: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Геометрически эта зависимость выражается прямой с системе координат τ (сопротивление сдвигу) и Р (нормальное давление), проходящей через начало координат ( см. рис.13 ) и может быть записано в виде уравнений

τ =f P и τ=P tgφ

τ - предельно сдвигающее напряжение, МПА

f - коэффициент внутреннего трения песка

P - нормальное давление, МПА

Как видно из графика, f в уравнение прямой представляет угловой коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямой к оси давлений

f=tgφ

Угол φ получил название угла внутреннего трения, а уравнение представляет собой уравнение Кулона для несвязных грунтов.

Более сложными зависимостями выражается сопротивление сдвигу в связных грунтах, Здесь кроме сил внутреннего трения существуют еще так называемые силы сцепления между частицами, обусловленные наличием внутренних связей. Т. к. эти связи по своему характеру могут быть различны (структурные, цементационные, вводно-коллоидные, связи зацепления), то и сцепление у разных грунтов и даже одних и тех же грунтов, но находящихся в различном фазном состоянии, могут существенно отличаться.

Сцепление зависит от ряда факторов, в часности от степени влажности грунта: а) уменьшение прочности сухой глины при ее увлажнении б) размокание лессовых грунтов, которое сопровождается потерей сплошности в) снижение прочности набухших грунтов после прекращения набухания. Во всех случаях вода приводит к ослаблению внутренних связей: снижает внутреннее трение в грунтах, увеличивает составляющую нормального давления за счет увеличения объемной массы грунта.

Такие природные явления, как сели, оползни, обвалы связаны с изменением консистенции грунта за счет повышения его влажности, ослабления сил внутреннего трения и сцепления и ведут к резкому уменьшению сопротивления грунтов сдвигу.

Силы, обусловленные сопротивлением внутренних связей в связном грунте, как было показано не зависят от нормального давления. В этом случае уравнение Кулона будет иметь вид:

τ=P tgφ + С ,

С-сцепление, МПа

Геометрически эта зависимость будет иметь вид прямой в координатах τ – P, но не проходящей через начало координат. См. рис.14.

На этом графике силы трения по-прежнему характеризуются углом внутреннего трения φ, а сцепление – отрезком, пересекаемым прямой на оси ординат.

Общее сопротивление сдвигу характеризуется коэффициентом сдвига, который определяется по формуле:

tgψ = tgφ+

ψ-коэффициент сдвига

Для песчаных грунтов tgψ равен tgφ и приближенно соответствует углу естественного откоса песков. Для глинистых песков коэффициент сдвига - величина переменная: она уменьшается с увеличением нормального давления. В таких грунтах общее сопротивление сдвигу увеличивается с увеличением содержания глинистой фракции, хотя внутреннее трение при этом уменьшается

Классификация грунтов по гост – 25100-95.

Сдвижение горных пород.

Наиболее крупные деформации зданий и сооружений возникают при сдвижении массивов горных пород. Под сдвижением обычно понимают деформацию пород, залегающих не­посредственно над горными выработками (или выработанными про­странствами). На этом участке в массиве происходит изгиб пластов или беспорядочное обрушение пород, а поверхность земли искривляется и опускается вместе с сооружениями. Участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению, называют мульдой сдвижения.

Развитие процессов сдвижения зависит от свойств пород, слагаю­щих толщу над горной выработкой, и прежде всего от их прочности и способности к пластическим деформациям. В таких прочных, но непластичных породах как песчаники, известняки, конгломераты, сдвижение происходит при значительной выработке пространства по площади, но зато оно будет развиваться быстро в форме обрушения с образованием трещин и провалов на земной поверхности. В пластичных породах (глины, глинистые сланцы, аргиллиты) сдвижение начинается при значительно меньших размерах выработанного пространства. На поверхности земли это выражается в виде постепенного плавного прогибания, причем длительное время без каких-либо трещин на поверхности земли.

Значительную роль в формировании мульды играет чередование слоев. Например, если пластичные породы подстилают жесткие, проч­ные, то явление будет таким же, как если бы вся толща состояла из непластичных пород. Если пластичные породы будут подстилаться прочными породами, то деформации поверхности будут плавными. Существенную роль играет трещиноватость, которая ускоряет процесс сдвижения, облегчая перемещение пластов и блоков пород в верти­кальном

Величина осадки поверхности земли в пределах мульды различна и составляет 0,1—0,9 (чаще 0,6—0,7) от мощности разрабатываемого пласта или высоты подземной выработки. Глубина центральной части мульды сдвижения колеблется от долей метрадо 1 —2 м. Так, в Донбассе при пологом залегании пластов каменного угля осадка составляет 50—60 % мощности пласта, т. е. при пласте в 1 м осадка поверхности земли достигает 50—60 см, а при наклонных пластах с углом падения больше 45° — 30—50%.

Размер площади мульды превышает размер выработанного про­странства. Это связано с подвижкой пород не только над выработкой, но и в сторону от нее под некоторым углом, который получил название угла сдвижения (рис. 138). Его величина зависит от состава и состояния пород

.

Мульда сдвижения грунтов: 1-нормальная поверхность земли; 2-поверхность мульды; 3-деформирующейся массив пород; 4-подземная выработка; угол сдвижения

Для коренных пород Донбасса, например, при горизонтальном положении пластов угол составляет 85 °, для четвертичных наносов — 60°.

Величину осадки поверхности земли (прогиба мульды), площадь мульды и наклон ее бортов определяют расчетным путем и специаль­ными наблюдениями с помощью инструментов и реперов. Скорость оседания земной поверхности зависит от соотношения глубины залегания и мощности разрабатываемого пласта. (при глубине залегания выработки 100м средняя скорость осадки 16 м\сут

Провалы поверхности земли

образуются в результате обрушения грунтов в горные выработки. Размеры провалов различны. Наиболее значительные провалы характерны для крутозалегающих пластов. В Кузбассе такие провалы тянутся на десятки километров по простира­нию крутозалегающих пластов.

При возведении сооружений в районах подземных выработанных про­странств необходимо учитывать возможность возникновения мульды сдвижения, так как наклон, искривление и оседание земной поверх­ности обусловливает деформации и даже разрушение наземных сооружений. В центральной части мульды осадки зданий происходят более или менее равномерно. На этом участке деформации проявляются вменьшей степени. На окраинах мульды, где наклон и искривление земной поверхности велики, здания подвергаются неравномернымосадкам и значительно деформируются (рис.). Высокие сооружения (башни, трубы и т. д.) при этом получают опасный крен (рис. 140).

При проектировании объектов необходимо предусмотреть конст­руктивные или защитные мероприятия. Выбор мероприятий зависит от ожидаемой величины деформации земной поверхности. При очень небольших деформациях специальные меры защиты не применяются. При значительных деформациях и провалах земной поверхности стро­ительство нецелесообразно. В остальных случаях при строительстве на подрабатываемых территориях можно применять следующие меры:

повышение расчетного сопротивления грунтов основания;

разрезку зданий на отсеки;

повышение прочности несущих конструкций и приспособление их к неравномерным осадкам;

усиление фундаментов;

использование высококачественных строительных материалов и повышенное качество строительных работ;

проходка горных выработок на глубинах, при которых опасные деформации поверхности земли не возникают.

На участках, где процесс сдвижения уже закончился, возведение сооружений осуществляется без каких-либо предохранительных мероприятий

Рис.140 Опасный крен (а) и разрушение здания при наклоне и кривизне поверхности земли на участке мульды (б)

Последние данные, подтверждающие, что процесс сдвижения происходит при любом нарушении баланса земляных масс под­земными выработками, получены при нивелировке трасс тонне­лей метро Москвы и Киева. В зависимости от глубины подземных выработок и литологии пород сдвижение может носить характер: а) плавного прогиба, б) трещин, в) провалов. Сдвиже­ние начинает развиваться от выработки (рис. 98) и имеет сле­дующие зоны:

I. Зону обрушения, ближайшую к выработанному прост­ранству, где порода характеризуется полной потерей сил внут­ренних связей.

II. Зону трещиноватости, характеризующуюся разрывом сплошности пород с образованием трещин от нескольких милли­метров до метров.

III. Зону плавных сдвижений — зону перемещений и дефор­маций, не сопровождающихся нарушением сплошности.

При проектировании зданий и сооружений на подрабатывае­мых территориях состояние территории или процесс сдвижения на данный отрезок времени характеризуются максимальным оседанием поверхности, максимальным горизонтальным сдвиже­нием, наклоном поверхности и площадью мульды сдвижения.

Оседание земной поверхности при эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых.

В последние десятилетия значительное распространение приобрел процесс оседания территорий больших городов и районов эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых (флюидов). Как показали исследования, оседания приурочены в геологическом отношении к молодым слабоуплотненным песчано-глинистым отложениям четвертичного времени или неогена, представляющим собой водоносные или нефтегазовмещающие толщи. Механизм этого процесса заключается, в постепенном освобождении пустот в этих дисперсных грунтах от несжимаемой воды или слабосжимаемых флюидов, возрастании природ­ного давления в пластах по мере понижения уровней полезных ископаемых и уплотнения пород под действием собственного веса. В первые эти явления были отмечены в связи с интенсивной откачкой подземных вод в японских городах Токио, Осака и Ниигата в 30-х годах, оседание поверхности составило 18 см\год. В СССр было отмечено резкое увеличение скорости осадки Газлинского месторождения природного газа.

 

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ В СИСТЕМЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: