Происхождение и строение Земли

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 10Следующая ⇒

При изучении этой темы следует обратить внимание на существующие научные гипотезы происхождения Земли (Канта-Лапласа, О.Ю. Шмидта, В.Г. Фесенкова), иметь понятие о строении Земли, ее геосферах (атмосфере, гидросфере, биосфере и литосфере), об их взаимодействии и влиянии на свойства горных пород. Следует рассмотреть тепловое состояние Земли, температурные зоны, геотермический градиент, геотермическую ступень, уяснить их значение в строительстве.

Минералы и горные породы

Свойства горных пород существенно зависят от свойств входящих в их состав минералов. Минерал – это природное тело, однородное по своим физическим свойствам и химическому составу. При изучении данной темы необходимо обратить внимание на физические свойства минералов (цвет, блеск, прозрачность, спайность, твердость, излом и др.), их классификацию по химическому составу (самородные элементы, сульфиды, оксиды и гидроксиды, силикаты и алюмосиликаты, фосфаты, сульфаты, карбонаты, галоиды), а также на состав и характеристику основных породообразующих минералов, т. е. главных минералов, входящих в состав горных пород.

Горная порода – это плотные или рыхлые агрегаты, слагающие земную кору и состоящие из одного или нескольких минералов, а также обломков других пород. Образуются в результате геологических процессов внутри земной коры или на ее поверхности. По происхождению горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические, причем внутри каждой группы есть своё подразделение.

Магматическими горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли (интрузивный магматизм) или на ее поверхности (эффузивный магматизм). Необходимо знать условия залегания глубинных и излившихся магматических горных пород, их классификацию по содержанию кремнезема (SiO₂), иметь представление о структуре, текстуре, минералогическом составе пород, а также выявить зависимость строительных свойств пород от их состава и условий образования.

Осадочные горные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то, что осадочные породы составляют всего 5 % земной коры, земная поверхность на 75 % своей площади покрыта именно этими породами, в связи с чем инженерная деятельность производится в основном на осадочных породах. Осадочные горные породы формируются на поверхности земли и являются результатом: разрушения других, ранее образовавшихся пород; выпадения различных, главным образом химических образований из водной среды и накопления продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов на суше и в водных бассейнах. При изучении осадочных пород нужно знать условия их образования (обломочные, химические, органогенные, смешанные), формы залегания, особенности, классификацию отдельных видов горных пород и их главнейших представителей, а также состав и строительные свойства.

Метаморфические горные породы образуются в результате изменения осадочных или магматических пород под действием высоких температур, давлений и физико-химических агентов. Метаморфические породы занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными. Им присуща кристаллическая структура и своеобразная текстура. Необходимо знать типы метаморфизма (контактовый, региональный, гидротермальный, динамометаморфизм), классификацию и характеристику основных представителей метаморфических пород, их минералогический состав и применение.

Геологическая хронология

Установление возраста горных пород имеет существенное значение и является обязательным. Породы, образовавшиеся в одно и то же время и в одинаковых условиях, обычно обладают одинаковыми строительными свойствами. Это дает возможность использовать данные о возрасте пород для обоснования метода аналогий при оценке пород как оснований сооружений, при отрывке траншей и т. п. Следует изучить методы определения возраста горных пород (относительного и абсолютного), ознакомиться с геохронологической и стратиграфической шкалой.

Вопросы для самопроверки

1. Взгляд на происхождение Земли согласно современным представлениям

2. Геосферы Земли. Характеристика геосфер

3. Тепловой режим Земли, изменение температуры по зонам

4. Геотермическая ступень и ее значение в строительстве подземных сооружений

5. Что такое минерал? Какие минералы являются породообразующими?

6. Классификация минералов, основные представители, их происхождение

7. Как образуются магматические горные породы? Представители глубинных и излившихся пород, их минеральный состав, структура, текстура, строительные свойства и применение.

8. Основные формы залегания магматических горных пород

9. Представители пород обломочного, хемогенного, органогенного и смешанного происхождения, их минеральный состав, структурные и текстурные особенности, строительные свойства

10. Формы залегания осадочных горных пород

11. Условия образования метаморфических горных пород

12. Породы контактового и регионального метаморфизма, их минеральный состав, структурные и текстурные особенности, строительные свойства

13. Абсолютный и относительный возраст пород. Методы определения

14. Геохронологическая шкала, ее значение для строительства. Установление возраста горных пород

1.2. Грунтоведение

Грунтоведение – это наука о грунтах, изучающая свойства грунтов в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей. Грунт – горная порода, почва или искусственное образование (твердые отходы производства и бытовые), представляющие собой многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, используемые как основание, среда или материал при строительстве.

В этом разделе студенты должны изучить классификацию грунтов по СТБ 943-93 «Грунты. Классификация» (1. С жесткими структурными связями – скальные (магматические, метаморфические, осадочные – обломочные сцементированные, органогенные, хемогенные, искусственные. 2. Без жестких структурных связей – нескальные (осадочные несцементированные и искусственные). Нескальные грунты подразделяются на крупнообломочные, песчаные, глинистые.

При изучении данной темы особое внимание необходимо уделить строительной классификации песчаных и глинистых грунтов. Песчаные грунты классифицируются по гранулометрическому составу, показателю максимальной неоднородности, степени влажности, прочности. Глинистые грунты классифицируются по числу пластичности, показателю текучести, прочности.

Инженерно-геологические свойства горных пород являются весьма емким понятием, охватывающим их физические, водно-физические и механические свойства. Определение этих свойств, назначение их расчетных значений при проектировании оснований и фундаментов различных сооружений, прогноз их изменений во времени и являются основной конечной целью грунтоведения.

В зависимости от способа определения все характеристики подразделяются на прямые и производные (косвенные). Прямые характеристики – это те, которые определяются только опытным путем в лаборатории. Производные характеристики определяются только расчетными формулами.

Ниже приводится перечень основных физико-механических свойств горных пород:

1. Физические свойства:

а) гранулометрический состав;

б) плотность грунта (ρ );

в) плотность частиц грунта (ρ _s);

г) плотность скелета грунта – сухого грунта (ρ _d);

д) пористость пород (n);

е) коэффициент пористости (е).

2. Водно-физические свойства:

а) влажность породы (w);

б) степень влажности (S_T);

в) характеристики влажности глинистых грунтов;

- на границе раскатывания (нижний предел пластичности) – w_p;

- на границе текучести (верхний предел пластичности) – w_l;

г) число пластичности (I_р);

д) показатель текучести (консистенция) – I_L.

3. Механические свойства:

а) деформационные свойства (сжимаемость, консолидация);

б) прочностные свойства (сопротивление грунтов сдвигу).

В зависимости от способа определения физические характеристики подразделяются на две группы:

• прямые – определяются только опытным путем на основе лабораторных исследований (ρ (γ ), ρ _s(γ _s) w и др.);

• производные (косвенные) – определяются только расчетными формулами (ρ _d (γ _d), S_f, п, е, I_р, I_Lи др.).

• Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта. Физические характеристики подразделяются на основные, производные и классификационные. Основными являются характеристики, определяемые из опыта. Остальные физические характеристики являются расчетными. Введем следующие условные обозначения физических величин: показанные на рис. 1.2; ρ _w, γ _w – плотность и удельный вес воды; g – ускорение свободного падения.

Рис. 1. Модель грунта: V – объем образца грунта; V_s – объем минеральных частиц грунта в объеме V; V_n – объем пор в объеме V; V_w – объем воды в порах; G – масса образца грунта; G_s – масса частиц грунта (скелета); G_w – G масса содержащейся в порах воды; G_w_{, р} – то же в заданном состоянии грунта на границе пластичности (раскатывания); G_w_,_L – то же в заданном состоянии грунта на границе текучести.

Приведенные в таблицах формулы для вычисления производных и классификационных физических характеристик грунта получены в результате преобразования выражений, являющихся определениями этих характеристик.

Данные о свойствах грунтов для наглядности представим в табличной форме.

Таблица 1.1. Основные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность грунта	ρ	кг/м³	ρ = G/ V
Удельный вес грунта	γ	кН/м³	γ = P·g
Плотность частиц грунта	ρ _s	кг/м³	ρ _s = G_s/ V_s
Удельный вес частиц грунта	γ _s	кН/м³	γ _s = ρ _s ·g
Влажность грунта	W	безразмерна	W = (G – G_s)/ G_s = G_w / G_s
Влажность на границе пластичности	W_p	безразмерна	W_p = G_{w, p} / G_s
Влажность на границе текучести	W_L	безразмерна	W_L = G_{w, L} / G_s

Таблица 1.2. Производные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность сухого грунта	ρ _d	кг/м³	ρ _d = G_s / V = ρ / (1+W)
Удельный вес сухого грунта	γ _d	кг/м³	γ _d = _P_d·g = γ / (1+W)
Коэффициент пористости	e	безразмерна	e = V_n / V_s = (ρ _s - ρ _d) / ρ _d = ρ _s / ρ _d - 1
Пористость	n	безразмерна	n = V_n / V = (ρ _s - ρ _d) / ρ _s = 1 - ρ _d / ρ _s

Таблица 1.3. Классификационные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Число пластичности	I_p	безразмерна	I_p = W_L ̶ W_p
Показатель текучести	I_L	безразмерна	I_L = (W ̶ W_p) / (W_L ̶ W_p) = (W ̶ W_p)/ I_p
Степень влажности	S_r	безразмерна	S_r = V_w / V_n = (p_s /p_w)-(W/e)
Полная влагоемкость	W_sat	безразмерна	W_sat = (p_w / S _s)-e (соответствует S_r = 1)

Следует изучить классификацию видов воды в грунтах (парообразная, связанная, прочносвязанная, рыхлосвязанная, осмотическая, свободная, гравитационная), типы структурных связей в грунтах (структурные, химические, молекулярные, ионно-электростатические), инженерно-геологическую характеристику грунтов.

По величине плотности сухого грунта можно делать предварительные выводы о пригодности данного грунта для целей строительства. Грунты с плотностью сухого грунта в пределах 1100–1300 кг/м³, как правило, являются непригодными для целей строительства. Прочным грунтам соответствует плотность в сухом состоянии в пределах 1600–1800 кг/м³. Коэффициент пористости и пористость позволяют более дифференцированно оценить пригодность грунтов для целей строительства. Например, при значении коэффициента пористости больше единицы грунты, как правило, непригодны для целей строительства. Прочным грунтам соответствуют значения коэффициентов пористости в пределах 0, 4–0, 6. Кроме этого, коэффициент пористости и показатель текучести являются входными параметрами в нормативные таблицы, позволяющие определять для предварительных расчетов прочностные и деформационные характеристики грунта. По числу пластичности устанавливают вид пылевато-глинистого грунта:

Значение числа пластичности	Наименование вида грунта
0, 01 > I_p	песчаный грунт
0, 01 ≤ I_p < 0, 07	супесь
0, 07 ≤ I_p < 0, 17	суглинок
I_p ≥ 0, 17	глина

Для большей наглядности классификацию вида грунта по числу пластичности удобно представить в форме диаграммы:

По показателю текучести устанавливают состояние (консистенцию) грунта. Различают состояния: твердое (0 > I_L); пластичное (0 ≤ I_L < 1); текучее (I_L ≥ 1). Пластичное состояние суглинков и глин подразделяют на полутвердое (твердопластичное), тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное. Прочные грунты находятся, как правило, в состоянии от твердого до тугопластичного. Ниже приводится диаграмма, позволяющая установить состояние пылевато-глинистого грунта по показателю текучести:

Текучее и текучепластичное состояние грунта делают его непригодным для целей строительства. Если полная влагоемкость грунта W_sat превышает его влажность на границе текучести W_L, это свидетельствует о непригодности грунта для целей строительства при потенциальной подтопляемости территории. Физические характеристики грунта используются для анализа инженерно-геологических условий площадки строительства с выводами о пригодности грунтов, слагающих сжимаемую толщу в основании фундаментов.

Вопросы для самопроверки

1. Грунтоведение. Грунт. Задачи грунтоведения.

2. Классификация грунтов по СТБ 943-93.

3. Строительная классификация песчаных грунтов.

4. Строительная классификация глинистых грунтов.

5. Перечислите физические свойства грунтов с указанием методов определения или расчетных формул.

6. Перечислите водно-физические свойства грунтов с указанием методов определения или расчетных формул

7. Деформационные свойства грунтов. Методы определения.

8. Прочностные свойства грунтов. Методы определения.

9. Перечислите косвенные и производные физические и вводно-физические характеристики грунтов.

10. Назовите и охарактеризуйте виды воды в грунтах.

11. Типы структурных связей в грунтах.

12. Дайте инженерно-геологическую характеристику крупнообломочных грунтов.

13. Дайте инженерно-геологическую характеристику песчаных грунтов.

14. Дайте инженерно-геологическую характеристику глинистых грунтов.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒