Горные породы и минералы

Задание 1. 

Составить характеристики свойств горных пород: андезит, доломит, гнейс, их породообразующих минералов. Характеристики горных пород представить в виде таблицы.

Задание 2.

Объяснить условия образования гляциальных (ледниковых) отложений. Составить инженерно-геологическую характеристику грунтов, наиболее часто встречающихся среди этих отложений. Оценить возможность их использования в качестве оснований промышленных и гражданских сооружений с учетом изменения состава и свойств под влиянием техногенных процессов.

Ледниковые отложения

К ледниковым относятся отложения, возникшие в результате деятельности ледника. Ледники при передвижении производят огромную разрушительную работу. Отламывая куски пород в одном месте, перемещают их в другое. Скопление обломков горных пород, отложенных ледником, называется мореной. Чтобы представить себе работу ледника заметим, что постамент памятника Петра Первого в Санкт-Петербурге представляет собой огромный валун (т. е. окатанный обломок) ледникового происхождения. Иногда ледник отзывает куски пород поистине огромных размеров – до 1 км в длину, нескольких сотен метров в ширину и нескольких десятков метров толщиной. Такие обломки горных пород называются отторженцами.

При стаивании льда заключенный в нем обломочный материал проектируется на ложе ледника и дает начало отложенным моренам, или ледниковым отложениям. 
     Среди отложенных морен различают две главные разновидности — основные и конечные морены. 
     Основной мореной называют весь материал, выпавший из толщи льда и одевающий поверхность его прежнего ложа, независимо от того, переносился он в виде донной, внутренней или поверхностной морены. 
     Конечные морены представляют собой валы или гряды, опоясывающие конец ледника и сложенные принесенным льдом моренным материалом. В областях древних материковых оледенений конечные морены могут быть цепями крупных холмов с относительной высотой до 50 — 100 м, протягивающихся непрерывно на сотни и даже тысячи километров. Все отложенные морены состоят из совершенно несортированной смеси обломков самых различных размеров: от больших глыб или валунов, до песка и глинистых частиц. Содержание грубообломочного материала, песка и глины, также цвет морены зависят от исходных горных пород и длительности переноса продуктов их разрушения ледником. В ходе переноса обломочный материал всегда перетирается и дробится, крупные валуны шлифуются и покрываются шрамами. Поэтому отложенные морены в разных случаях могут быть валунниками или щебнистыми накоплениями, грубыми несортированными песками, супесями, суглинками и даже глинами. Так, под Москвой основные морены четвертичного материкового оледенения — это красно-бурые валунные суглинки, на Украине — светлые серо-желтые (палевые) пылеватые супеси и суглинки, а в Карелии — серые грубощебнистые супеси и пески. Несортированность и присутствие шлифованных ледниковых валунов всегда служат их характерными признаками. 
     С таянием ледника связано также образование потоков талых ледниковых вод и приледниковых озерных водоемов. В них образуются отложения, которые в широком смысле тоже можно назвать ледниковыми, но обычно их выделяют в особые группы ледниково-речных, или флювиогляциальных,. и ледниково-озерных, или лимиогляциальных, отложений. 

Задание 3.

1. Зная период Т =0.70 c и амплитуду А=30мм колебаний сейсмической волны, вычислить сейсмическое ускорение a и коэффициент сейсмичности Ks.
2. Подсчитать сейсмическую инерционную силу S (в тоннах), воздействующую на сооружение при землетрясении. Массу сооружения   P принимают равной 5500 т.
3. Используя величину сейсмического ускорения, определить силу землетрясения в баллах. Все данные внести в таблицу.
4. По данным о силе землетрясения уточнить расчетную балльность строительной площадки в районах, сложенных:

• Рыхлыми осадочными породами с глубиной залегания грунтовых вод до 5 м от поверхности земли;
• Скальными породами (гранитами, гнейсами), прикрытыми маломощным слоем сухого элювия.

Согласно полученным результатам дать заключение о возможности и экономической целесообразности строительства на одном из указанных участков.

Землетрясение – колебание земной коры или ее участка, вызванные прохождением сейсмических волн, возникающих в результате кратковременного выделения из какого-либо источника большого количества упругой энергии.

Период – физические промежутки времени, через которые система, совершающая колебания, возвращается в начальное состояние.

Амплитуда – размах колебаний, наибольшее отклонение изменяющейся физической величины от «нулевого» значения.

Сейсмическое воздействие – колебательное движение грунта при землетрясении, создающее кинематическое возбуждение колебаний исследуемого объекта. Переносное ускорение колеблющегося основания (единой опорной платформы) сообщает объекту инерционные нагрузки, вызывая в нём ответные колебания. При этом сейсмическое воздействие в общем случае представляется трехкомпонентными акселерограммами (записями ускорения во времени) для двух горизонтальных и вертикального направлений.

Сейсмическое ускорение – величина, с помощью которой может быть измерена сила землетрясения значением α (мм/с2)

Сила землетрясения – динамическое воздействие на конструкции здания, характерное относительно кратковременным действием, большой интенсивностью и неопределенным направлением. Измеряется в баллах.

Коэффициент сейсмичности – характеристика интенсивности землетрясения, определяемая отношением ускорения основания сооружения, вызванного сейсмическими воздействиями, к ускорению силы тяжести.

Инерционная сила – произведение коэффициента сейсмичности на массу вовлеченного в движение тела.

1. Сейсмическое ускорение найдем по формуле:

Определим коэффициент сейсмичности, если g=9810

Коэффициент сейсмичности – отношение значения максимального ускорения к ускорению силы тяжести:    

2. Подсчитаем сейсмическую инерционную силу S, воздействующую на сооружение при землетрясении. Масса сооружения P=5500 т

3. Используя величину сейсмического ускорения, определим силу землетрясения в баллах. Занесем полученные данные в таблицу.

4. Балльность строительной площадки сложенной:

1. Учитывая, что грунт состоит из рыхлых осадочных пород и уровень грунтовых вод находится близко от поверхности земли, никакой экономической целесообразности строительства в данном районе нет. На рыхлых грунтах добавляем один балл к расчетному - получается 10 баллов. При такой силе землетрясения произойдет интенсивное доуплотнение грунта, что вызовет разрушение зданий и сооружений.
2. Учитывая, что строительная площадка, сложена скальными породами (гранитами, гнейсами), прикрытая маломощным слоем сухого элювия, что говорит о слабом выветривании данных пород, в данном районе строительство зданий и сооружений возможно. Уточненный балл для данной строительной площадки составит 8 баллов.

Задание 4.

Описать трещинно-жильные подземные воды. Описать особенности их существования и движения. Охарактеризовать водоносный горизонт, заключающий эти воды, особенности питания и разгрузки, его значение для целей водоснабжения.

Подземные воды – воды, находящиеся в верхней части земной коры.

Подземные воды образуются преимущественно путем инфильтрации. Атмосферные осадки, речные и другие воды под действием гравитации просачиваются по крупным порам и трещинам пород. На глубине они встречают водонепроницаемые слои гарных пород. Вода задерживается и заполняет пустоты пород. Так создаются горизонты подземных вод. Количество воды, инфильтрующейся с поверхности, определяется действием многих факторов: характером рельефа, составом и фильтрующей способностью пород, климатом, растительным покровом, деятельностью человека и т. д.

Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре. В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды (рис. 2), а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку – безнапорные и напорные.

Схема залегания подземных вод:

1 – почвенная вода; 2 –  верховодка; 3 – зона аэрации; 4 –  капиллярная кайма; 5 – грунтовая  вода (первый водоносный горизонт); 6, 8 – водоупоры; 7 – межпластовая  вода (второй водоносный горизонт).

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для трещинно-жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники.

      Трещинно-жильные  воды получают питание за счет  трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

      При строительстве  подземных сооружений (трубопроводы, тоннели и др.)

в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие

внезапный прорыв водообильных трещинно-жильных вод.

т разведки трещинно-жильных вод и осушения горных выработок на горнорудных предприятиях показывает, что в зонах тектонических нарушений, поражающих такие горные породы, как сланцы, филлиты, эффузивы, роговики и им подобные, обычно формируются весьма ограниченные запасы трещинно-жильных вод, не имеющие промышленного значения. Поэтому такие месторождения вод по своим эксплуатационным возможностям не могут быть использованы для организации централизованного водоснабжения крупных объектов. Формируясь в пределах зон тектонических нарушений, подземные потоки трещинно-жильных вод при благоприятных условиях выходят на дневную поверхность в виде восходящих родников. Родники обычно фиксируются по простиранию тектонических нарушений линейно-вытянутой цепочкой, являясь своего рода поисковым критерием для обнаружения месторождений промышленного типа. Родники зон тектонических нарушений отличаются следующими гидрогеологическими особенностями:

• повышенным, по сравнению с другими родниками, приуроченными к зоне выветривания, дебитом, мало изменяющимся по сезонам года;
• температура воды очень близка к среднегодовой температуре воздуха для данного района, а иногда превышает ее.

Таким образом, месторождения трещинно-жильных вод отличаются следующими гидрогеологическими особенностями:

1) они имеют линейно-вытянутую форму залегания в виде узких потоков подземных вод;

2) трещинно-жильные воды циркулируют на относительно большой глубине, измеряемой иногда сотнями метров, и в связи с этим часто имеют повышенную температуру (нередко па месторождении формируются термальные воды);

3) область питания трещинно-жильных  вод расположена вдоль зоны тектонического нарушения, непосредственно во вмещающих горных породах;

4) на месторождении формируются преимущественно естественные ресурсы трещинно-жильных вод, ввиду ограниченной свободной емкости, водовмещающей среды, естественные запасы трещинно-жильных вод обычно весьма незначительные.

Главная гидрогеологическая особенность месторождений трещинно-жильных вод заключается в сложности формирования фильтрационного потока, контуры которого, как и фильтрационные свойства пород, обычно резко изменяются как по простиранию, так и по падению тектонического нарушения. В связи с этим гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов не может быть применен для месторождений таких вод. Обычно оценку эксплуатационных запасов трещинно-жильных вод при их разведке приходится производить по данным длительных пробно-эксплуатационных откачек (гидравлическим методом).

Задание 5.

Определить коэффициент фильтрации массива водоносных песков по результатам откачки из одиночной совершенной скважины. Водоносный горизонт грунтовый. Схему проведения опыта показать на рисунке.

Совершенными называют скважины, дно которых достигает водоупоров.

Значение коэффициента фильтрации соответствует хорошо проникаемым галечникам и  гравию с мелким песком, крупному песку, чистому среднезернистому песку.

Н – мощность водоносного горизонта, м; Q – дебит скважины, м/сут; S – понижение уровня воды в скважине, м; R – радиус влияния скважины, м; r – радиус скважины, м; h – уровень воды в скважине, м; УГВ – зеркало грунтовых вод

Мощность водоносного горизонта – расстояние от водоупора до уровня подземных вод.

Дебит скважины – объем воды, поступающий из естественного источника или водозабора в единицу времени при откачке или самоизливе.

Радиус влияния скважины – радиус депрессионной воронки. Депрессионная воронка – объем, ограниченный поверхностью вращения депрессионной кривой и естественной поверхностью безнапорных или пьезометрической поверхностью напорных вод. При откачке воды из безнапорного водоносного горизонта депрессионная воронка – объем осушенного грунта.

Основной закон фильтрации подземных вод - Закон фильтрации Дарси

Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических уровней (напоров). Воды двигаются от мест с высокими уровнями к местам с низкими уровнями. 

Отношение разности напоров к длине пути фильтрации называется гидравлическим (напорным) градиентом. Чем градиент выше, тем больше скорость движения.

I = ΔH/l,  где ΔG = H1-H2 -  разность напоров (H);       l - длина пути фильтрации.

Фильтрация в полностью водонасыщенных водах при ламинарном (параллельном, спокойном, без завихрений) движении воды подчиняется закону Дарси.

Q = КфFI, где

Q - количество фильтрующей воды через поперечное сечение F  в единицу времени

I - гидравлический градиент.

F - площадь поперечного сечения потока воды

Кф – коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при напорном (гидравлическом) градиенте, равном единице.

Задание 6.

Определить приток воды к совершенной дренажной канаве, отводящей подземные воды грунтового водоносного горизонта (приток воды к канаве происходит с двух сторон). Расчет проиллюстрировать схематическим рисунком.

S - величина понижение уровня воды в канаве, м; Н - мощность водоносного горизонта, м; R – радиус депрессионной воронки, м; УГВ – зеркало грунтовых вод.

Задание 7.

Составить описание геологических процессов и явлений, приведенных в табл. 7 (выветривание), рассмотреть:

1. Причины образования процессов и явлений, стадии их протекания, специфические черты    и особенности;
2. Условия строительства в районах, подверженных данным процессам;
3. Инженерно-геологическое значение этих процессов, мероприятия, устраняющие их вредное влияние на условия строительства и эксплуатации сооружений.

ПРОЦЕСС ВЫВЕТРИВАНИЯ.

Выветриванием называется совокупность процессов физического и химического разрушения горных пород и минералов. Немаловажную роль при этом играют живые организмы. Выделяют два главных типа выветривания: физическое, химическое и биологическое.

          Главной особенностью процесса выветривания является постепенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав, вследствие чего снижаются параметры их строительных свойств или они полностью разрушаются.

Интенсивность проявления выветривания зависит от многих причин — активности агентов выветривания, состава пород, геологического строения местности и т. д. Наиболее сильно выветривание проявляется у поверхности земли, куда облегчен доступ агентам выветривания. Глубина проникновения в толщу земли агентов выветривания зависит от степени трещиноватости пород, раскрытия и глубины трещин. Наиболее глубоко они проникают при наличии тектонических трещин и разломов. Область активного современного выветривания достигает глубины 5—10 м. Проникновению агентов выветривания способствует инженерная деятельность человека (проходка тоннелей, шахт и т. д.). 
Интенсивность выветривания находится в зависимости от состава пород. Разрушению способствуют разнозернистость, крупнозернистость пород, качество природного цемента, например, песчаник с глинистым цементом разрушается значительно легче и быстрее, чем песчаник с кремнеземистым цементом. 
 
Воздействие на земную поверхность, на толщи скальных горных пород процесса выветривания приводит к образованию коры выветривания, которая состоит из видоизмененных выветриванием горных пород или продуктов их разрушения (рис. 97). Продукты выветривания горных пород, остающиеся на месте их образования, носят название элювия. Вниз по разрезу всегда четко прослеживается, как элювий постепенно переходит в свою «материнскую» породу. По составу он представляет собой смесь обломков этой породы и глинистого материала. Нескальные породы, залегающие на дневной поверхности, также имеют кору выветривания, но она в большинстве случаев не имеет четкой зональности. Верхняя часть коры обычно бывает представлена песчано-пылевато-глинистой массой, а нижняя — обломочным материалом. В карбонатных фунтах, например известняках, зональность коры выветривания проявляется более четко. 
а                                                                          б 
 
Выветривание грунтовых горных пород: 
 
а — нагромождение материала выветривания; б — схема выветривания; 1 — кора выветривания; 2— коренная порода (порода, не затронутая выветриванием)

Виды выветривания.

1. Физическое выветривание ведет к последовательному дроблению горных пород на все более мелкие обломки. Его можно разделить на две группы процессов: выветривания термического и механического.

Термическое выветривание происходит в результате резких суточных перепадов температуры, ведущих к расширению пород при нагреве и сжатию при охлаждении. Таким образом, на интенсивность разрушения горных пород влияют:

- величина суточного перепада  температуры;

- минеральный состав горных  пород;

- окраска горных пород;

- размер слагающих горные породы  минеральных зерен.

Наиболее интенсивно температурное выветривание идет на обнаженных высокогорных вершинах и склонах, а также в зоне пустынь, где, в условиях низкой влажности и отсутствия растительности, суточный перепад температур на поверхности горных пород может превышать 60° С.

Механическое выветривание осуществляется замерзающей водой, а также живыми организмами и ново образующимися минеральными кристаллами. Максимально значение замерзающей в порах и трещинах горных пород воды, которая при этом увеличивается в объеме на 9 - 10% и расклинивает породу на отдельные обломки. Такое выветривание называют морозным. Оно наиболее активно при частых (суточных) переходах температуры через 0° С, наблюдается в высоких и умеренных широтах и выше снеговой границы в горах. Расклинивающее воздействие на горные породы оказывают также корни растений, роющие животные и растущие в порах и трещинах горных пород кристаллы минералов.

2. Химическое выветривание ведет к изменению минерального состава горных пород или полному их растворению. Важнейшими факторами здесь выступают вода, а также содержащиеся в ней кислород, угольная и органические кислоты. Наибольшая активность процессов химического выветривания наблюдается во влажном и жарком климате

Гидролиз имеет особое значение при выветривании минералов класса силикатов и алюмосиликатов, когда в результате воздействия содержащей углекислоту воды возникают новые, более устойчивые к создавшимся условиям соединения, часть из которых может остаться на месте, а часть будет вынесена водой. При этом кристаллическая решетка минералов перестраивается или замещается новой. Таким путем идет последовательное разложение полевых шпатов в гидрослюды и в каолинит. При высоких температурах и влажности каолинит разлагается до наиболее устойчивых гидроокислов алюминия. Следовательно, на месте богатых алюмосиликатами пород возникают месторождения каолинита и алюминиевых руд.