3. Инженерно-геологическая характеристика мерзлых горных пород.

Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе воды и льда, называются морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая мерзлота»). Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами.

Чем меньше и чем длительнее воздействие t, тем в большей мере грунт проявляет пластичные свойства.

механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей: твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда (лёд-цемент и лёд прослойков); воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы. Эти компоненты находятся в физ-хим и мех взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.

Метод одноосного сжатия (установка) для определения прочности и деформируемости: предел прочности, линейная деформация, коэф поперечного расширения, коэф нелинейной деформации.

Метод Компрессионного сжатия определяет коэф сжимаемости пластчномёрзлых грунтов, коэф оттаивания, коэф сжимаемости при оттаивании.

Метод совмещённого определения плотности, льдистости и влажности (физ.с-ва): Прибор – сосуд со сливным устройством. Сосуд устанавливается на весы, наливается вода-выше сливного отверстия, избыток воды сливают ч/з шланг, сосуд взвешивают, определяют массу сосуда с водой – G1. В сосуд помещают образец и быстро взвешивают-G2. Грунт оттаивает, размокает. Масса грунта монолита G=G2-G1.

Структура льда характеризуется размерами, формой и ориентировкой кристаллов.

Определяют влажность: суммарная влажность=влаж за счёт незамершей воды + за счёт ледяных включений.

4. Состав и физические свойства грунтов. Методы определения. Использование показателей состава и физических свойств в инженерных расчетах.

Грунт–горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многофазную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Физические свойства грунтов являются их характеристиками, которые описывают физическое состояние того или иного грунта, а также его способность к изменению своего состояния под воздействием различных физико-химических факторов.

К наиболее главным физическим свойствам грунтов можно отнести следующие: гранулометрический состав; удельный вес; объемный вес; влажность; границы текучести и раскатывания; усадка; липкость; структурная связность; водопроницаемость. Регламентируется ГОСТ 5180-2015 Методы лабораторного определения физических характеристик

Влажность – количественное содержание жидкого компонента в грунтах – отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта .

Различают следующие виды влажностей (методом высушивания до постоянной массы):

Естественная влажность( w , д.е.) – влажность (весовая или объемная), которую имеет грунт в условиях естественного залегания.

Весовая влажность( w , д.е.) – весовое (массовое) содержание жидкости, численно равное отношению массы воды (жидкости), содержащейся в грунте, к массе сухого грунта.

Объемная влажность (V w , д.е.) – отношение объема воды (жидкости) в грунте к объему всего грунта:

Влагоемкость грунта – его способность вмещать максимальное количество воды, обусловленное структурными особенностями и, прежде всего, той или иной категорией пористости.

Определение верхнего предела пластичности - влажности грунта на границе текучести методом балансирного конуса.

Определение нижнего предела пластичности - влажности грунта на границе раскатывания

Плотность ( ρ , г/см3) – физическое свойство грунтов, количественно оцениваемое отношением массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему. (методом режущего кольца, взвешивания в воде,)

Плотность частиц грунта ( ρs , г/см3) – отношение массы сухого грунта к объему его твердой частиц.(пикнометрическим методом)

Гранулометрический состав грунта характеризуется наличием в породе фракций разного размера. От данного свойства зависят и другие показатели грунта: пористость, влагоемкость, водопроницаемость и т.д.

Эти показатели применяются в расчетах осадки оснований, для выбора типа фундаментов, устойчивости откосов…

Экзаменационный билет № 6

1. Гидрогеологические бассейны. Структурно-гидрогеологическая характеристика, примеры, условия формирования подземных вод.

Подземные воды гидрогеологических бассейнов

Гидрогеологические бассейны – блоки горных пород, опущенные ниже базисов эрозии в границах, которых происходит накопление обломочного материала (осадков) их литфикация и формирование коллекторов.

Тип подземных вод – порово-пластовые, трещинно-пластовые воды.

В их развитии 2 этапа: 1. Геосинклинальное прогибание и 2. Орогенноевоздымание.

1. Платформенные - характерны обширные выдержанные водоносные горизонты с относительно стабильным литолого-фациальным составом. Прикаспийский; Московский; Якутский.

2. Субплатформенные - находятся в краевой части китайской плиты, Амурский, Зейский, Приханкайский бассейн. Кроме платформенного этапа развития, в образовании субплатформенного бассейна есть доп.этап, на котором по глубинным разломам образуются грабеннообразные стр-ры – это многослойные стр-ры с пластовыми залежами отложений.

3. Краевые - образуются на границе орогенов (горн.массивы) и платформ. Предуральский, Предкарпатский, Предсаянский и др.

4. Межгорные - образуются за счет выноса молассовых осадков в грабенообразных межгорных впадинах. Ферганская впадина.

5. Шельфовые – в пределах акватории морей их глубина=150-200 м. изучены плохо, в основном нефтеразведочными скважинами и сейсмологическим методом.

6. Наложенные - образуется за счет сноса обломочного материала со стороны стабильных структур, в них более выдержанный характер осадков. Условия осадконакопления спокойные и там формируются мелкообломочные тонкодисперсные отложения.

Трещинно-пластовые коллекторы гидрогеологических бассейнов отличаются значительной водопроводимостью.

Питание – атмосферные осадки, таяние снега и многолетней и сезонной мерзлоты, перетекание подземных вод из смежных водоносных горизонтов, разломов и речной сети.

Разгрузка – в нижележащий водоносный горизонт, в речную сеть, в зоны разломов, в искусственные горные выработки, штольни, скважины.

Химический состав – чем больший путь вода пройдет, тем более насыщенная она будет. Он определяется не только составом вмещающих горных пород, но и условиями водообмена.

По минерализации подземные воды могут быть, пресными до солоноватых и даже рассолов на больших глубинах.

По составу воды могут быть, гидрокарбонатными, сульфатными, хлоридными со смешанным катионным составом.

2. Категории гидрогеологических скважин; способы их проходки и оборудование. Фильтры гидрогеологических скважин: выбор типа, расчеты

Категории гидрогеологических скважин. По целевому назначению выделяют следующие основные категории гидрогеологических скважин:

1) поисковые,

2) разведочные,

3) разведочно-эксплуатационные,

4) наблюдательные,

5) эксплуатационные (водозаборные, дренажные, нагнетательные, поглощающие и др.).

Способы бурения гидрогеологических скважин.

Способы бурения гидрогеологических скважин выбираются в зависимости от местных геолого-гидрогеологических условий, целевых задач исследований глубины и диаметра проектируемых скважин и других факторов. Данные бурения должны обеспечивать получение необходимого объема геолого-гидрогеологической информации, успешное выполнение целевых задач сооружаемой скважины и высокие технико-экономические показатели бурения и выполняемых исследований;

В последние годы при сооружении гидрогеологических скважин применяют следующие способы бурения:

вращательный с прямой промывкой,

вращательный с продувкой,

вращательный с обратной промывкой,

ударно-канатный,

комбинированный,

реактивно-турбиный,

колонковый.

Предпочтительны для проходки гидрогеологических скважин вращательный (с прямой и обратной промывкой и продувкой), ударно-канатный и комбинированные способы бурения; для сооружения глубоких скважин – вращательный способ (роторный) и реактивно-турбинные, колонковый .

Водоподъемное оборудование. Для проведения откачек из скважин используются различные виды водоподъемного оборудования: горизонтальные центробежные и самовсасывающие насосы, эрлифты, штанговые поршневые и вертикальные центробежные насосы 

3. Мерзлые горные породы как основания зданий и сооружений и среда для их возведения. Состав и строение мерзлых горных пород

Мерзлые горные породы представляют собой сложные природные образования, состоящие из различных компонентов среди которых в общем случае можно выделить твердую, жидкую и газообразную фазы.

Твердая фаза в них представлена минеральными частицами и льдом, жидкая – незамерзшей водой, а газообразная – воздухом, парами воды и различными газами. Все вышеперечисленные составляющие находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, зависящей по Н.А. Цытовичу как от свойств отдельных фаз, так и от интенсивности внешних воздействий. Среди всего многообразия мерзлых морозных пород наиболее сложным объектом исследования являются тонкодисперсные отложения

Минеральные частицы и обломки в мерзлых горных породах имеют тот же минеральный и петрографический состав, как у аналогичных им талых пород. Минеральные частицы талых и мерзлых пород изучаются и классифицируются по одним и там же методикам и нормативным документам. Однако для дисперсных (песчаных и глинистых) горных пород, минеральный состав в значительной мере определяет их физико-механические свойства в мерзлом состоянии, что определяется степенью их дисперсности, т.е. величиной активной удельной поверхности частиц, минералогическим и химическим составом скелета, а также формой и взаимным расположением частиц, т.е. их сложением

При возведении сооружений на мерзлых грунтах должны быть предусмотрены меры против их пучения, такие как осушение или отепление грунтов. Для непосредственной борьбы с выпучиванием фундаментов применяют следующие технологии: 

• увеличение нагрузки на фундаменты и удельного давления на их боковую поверхность;

• использование специальных засыпок в котловане возле фундаментов;

• усиления заанкеривания фундаментов.

1. Большое распространение в последние годы при строительстве на мерзлых грунтах получило применение буронабивных свай. При устройстве свай по этой технологии не требуется предварительного оттаивания грунтов, достаточно буровой установкой просверлить отверстие в мерзлом грунте, установить арматурный каркас и залить бетоном специального состава с присадками, замедляющими процесс замерзания бетона. 

2. Метод сохранения мерзлого состояния грунтов основания целесообразно применять при большой мощности мерзлых грунтов; достаточно устойчивом температурном режиме; в зданиях, отапливаемых до обычной комнатной температуры, не занимающих большой площади в плане. Для реализации такого метода строительства  чаще всего используют проветриваемые подполья и современные теплоизоляционные материалы.  Проветриваемое подполье представляет собой специальную конструкцию цоколя здания.  Такое здание возводится на отдельных опорах, таким образом, чтобы между верхом подполья и грунтом находилось проветриваемое зимой воздушное пространство.

3. Метод приспособления конструкции фундамента и сооружения к неравномерной осадке грунтов основания используют при неустойчивом температурном режиме мерзлых грунтов, большом количестве тепла, выделяемого зданием, и небольших осадках грунта при оттаивании. Для использования этого метода необходимо учитывать характеристики сжимаемости оттаивающих грунтов, для оценки неравномерности осадки. Такой метод не часто применяется на практике.

4. Метод предварительного предпостроечного оттаивания мало разработан и может применяться только при малой мощности мерзлых грунтов под подошвой фундамента, а также в случае невозможности использования вышеперечисленных методов. При возведении зданий по этому методу следует предусматривать искусственное укрепление грунтов при оттаивании.

4. Классификации геологических процессов и явлений в инженерной геологии.

Разработана классификация геологических процессов (Сергеев, 1982), которая связывает горные породы и протекающие в них процессы.

Классификация процессов в инженерной геологии и связанных с ними явлений:

1. Эндогенные процессы вызывают явления:

А) природные: орогенные и эпейрогенические движения земной коры, сейсмические явления и вулканизм

Б) антропогенные сейсмические явления вызываются взрывами: опускание земной поверхности при добыче полезных ископаемых, откачке подземных вод.

II Экзогенные природные и вызванные деятельностью человека.

А) климатического характера

1) выветривание

2) криогенные и посткриогенные: морозобойное растрескивание

3) эоловые: перевевание коренных пород

Б) водного характера

1) растворение: у карбонатных, сульфатных и галоидных пород

2) суффозионные процессы

3) размывание: абразия, речная и линейная эрозия, оврагообразование

4) заболачивание

В) гравитационные (склоновые)

Обвалы, осыпи, оползни, салифлюкция. Антропогеновая деятельность может вызвать усиление тех или иных процессов.