Характеристики свойств горных пород

Задание 1. Составить характеристики свойств минералов, взятых из табл. 1 и представить их в таблице, составленной по форме 1.

Задание 2  Составить характеристики свойств горных пород.

Задание 3.

Делювиальные заложения- скопление рыхлых продуктов выветривания горных пород у подножия и у нижних частей возвышенностей. Выделяется также из коллювиальных отложений как коллювий смывания. Делювий распространён очень широко и образуется в результате переноса этих продуктов дождевыми потоками, талыми водами (плоскостного смыва). Немаловажную роль в этом играет сила тяжести, перемещающая частицы грунта. Таким образом, вследствие делювиальных процессов грунты в верхней части склона разрушаются, в нижней же, напротив, происходит аккумуляция материала. Структура делювия не слоиста и слабо отсортирована.В делювии часто можно обнаружить россыпи месторождений вольфрама, золота, олова и других металлов. В делювиальных косослойных отложениях, расположенных у подошвы крутых склонов и состоящих из глинистых грунтов, могут развиваться оползневые явления.

Инженерно-геологическая  характеристика глинистых грунтов.

Элювиальные глинистые грунты образуются в результате разложения различных  пород и накопления на месте разрушения - в коре выветривания - глинистых  продуктов указанного разложения (разрушения). По гранулометрическому составу  среди этих отложений встречаются  разновидности от высокодисперсных глин до неравномернозернистых супесей, содержащих различное количество грубообломочных включений. Для толщ элювиальных глинистых грунтов в вертикальном разрезе характерен постепенный переход к материнским породам. Формы залегания весьма разнообразны и своеобразны: гнездовые, карманообразные, плащеобразные и др. Протяженность указанных форм очень изменчива, иногда носит на территории Мордовии прерывистый характер. Мощность колеблется от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Элювиальные глины характеризуются различными инженерно-геологическими свойствами. Еще большим разнообразием отличаются такие петрографические разности элювиальных глинистых отложений как суглинки и супеси в силу чрезвычайной изменчивости, а также количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно ярко это проявляется в таком их свойстве как пластичность. Пластичность других петрографических разностей элювиальных глинистых пород обусловлена также наличием и количеством песчаной, пылеватой и грубообломочной фракций. Прочность элювиальных глинистых пород во много раз меньше, чем в исходных материнских породах. Это продукт выветривания вышележащих коренных пород, перемещенный дождевыми и талыми снеговыми водами вниз по склонам и откосам вершин, возвышенностей, берегам обрывов и балок к их подножьям. Делювиальные образования или вовсе не обнаруживают слоистости и сортировки материала, или только неправильную местную слоистость и неполную сортировку, что резко отличает их от других генетических разностей осадочных образований. Кроме того, для описываемых пород характерна быстрая, а часто и резкая изменчивость состава. Среди них чаще всего можно встретить суглинки и глины, хотя описаны и супеси, но в меньших объемах. Однако в общем инженерно-геологические его качества невысоки. Так, пористость нередко выше 50 %, во влажном состоянии она очень сильно снижается - относи- тельная осадка при давлении 0,2 МПа может достигать 20 %. Делювиальные грунты быстро размокают в воде, особенно если их естественная влажность невысока. Сопротивление глинистого делювия колеблется в широком диапазоне и зависит от состояния породы. Некоторые глинистые разности показывают при давлении 0,2 МПа малые значения угла сдвига (2-3°). В других случаях он может достигать почти 45 °. Сцепление лежит в пределах 0,005-0,025 МПа. Оценивая делювиальные глинистые грунты с инженерно- геологической точки зрения, следует иметь в виду их общую склонность к движению вниз по склонам, связанную с глинистым составом и отчасти неясно проявляющейся слоистой текстурой, а может быть и приобретенную тенденцию к движению еще на этапе формирования. Искусственная подрезка делювиальной толщи при проходке котлована под здание, дорожной выемки и т. п., особенно в нижней части склона, как правило, вызывает во всей ее массе подвижки оползневого характера, при этом поверхность скольжения может образоваться как внутри делювиальной толщи, так и на контакте ее с подстилающей коренной породой.

Задание 4.

Флексура.

Флексура (от лат. flexura — изгиб, искривление) — тектоническая структура, представляющая собой коленообразный изгиб слоистой толщи, в которой последняя претерпевает два резких изгиба. При общем горизонтальном залегании слоистой толщи флексура выражена участком наклонного залегания слоев, при моноклинальном залегании - участком с более крутым падением слоистости. Флексура состоит из 5 элементов: двух изгибов и трёх крыльев (двух крайних — за пределами изгибов, верхнего и нижнего, и смыкающего — между изгибами). Каждый элемент характеризуется собственными параметрами залегания, соотношение которых определяет многочисленные разновидности Флексур. По залеганию крыльев выделяют флексуры простые, попутные, встречные; по наклону шарниров изгибов — флексуры вертикальные, наклонные, горизонтальные. Флексуры, распространенные в наклонно залегающих толщах, могут быть согласными и несогласными. В согласных флексурах верхнее, смыкающее и нижнее крылья наклонены в одну и ту же сторону, в несогласных - верхнее и нижнее крылья наклонены в одну сторону, а смыкающее - в противоположную. Горизонтальной называется флексура в том случае, если коленообразный изгиб слоев наблюдается в горизонтальной плоскости.

Как и другие тектонические структуры, флексуры могут быть конседиментационными (образование которых происходит одновременно с осадконакоплением) и постседиментационными (образующиеся после завершения процесса накопления деформируемой слоистой толщи). Флексуры, образовавшиеся позже осадконакопления, не имеют различий в мощностях и фациях на крыльях. Конседиментационные флексуры имеют более сложное строение. Для них характерно резкое различие мощностей и фаций на крыльях. На нижних, опущенных, крыльях формируются наиболее полные стратиграфические разрезы с наибольшими мощностями и тонкообломочными, глинистыми или карбонатными фациями. На смыкающих крыльях мощности пород наименьшие, часто здесь проявляются перерывы с выпадением отдельных членов стратиграфического разреза. Смыкающим крыльям свойственны грубообломочные фации. На верхних, приподнятых, крыльях мощность осадочной толщи значительно меньше, чем на опущенном, а фации - более грубообломочные. Размер флексуры — от долей метров до многих километров, наклон крыльев — от едва заметного до вертикального. Флексуры распространены на платформах и в складчатых областях. Особенно крупные Флексуры встречаются у краев платформ и на бортах синеклиз. Иногда флексуры могут формировать лоувшки для залежей нефти и природного газа и контролировать размещение нефтяных месторождений.

У них в вертикальном разрезе  выделяют следующие элементы (рис. 1): Верхнее или поднятое крыло (1–2), нижнее или опушенное крыло (3–4) и смыкающее крыло (2–3).

Наличие дислокации резко изменяет и усложняет инженерно-геологические  условия строительства – нарушается однородность грунтов основания  фундамента сооружений, образуются зоны дробления (разрывы), снижается прочность  пород, по трещинам разрывов происходят смещения, нарушается режим подземных  вод. Это вызывает неравномерную  сжимаемость грунтов и деформацию самого сооружения вследствие неравномерной  осадки различных его частей

Задание 5.

Сейсмическое ускорение а=(4*3,14²/Т²)*А

Коэффициент сейсмичности Кs= а/ g

Инерционная сила S=Ks*P

Расчетная балльность строительной площадки, сложенной рыхлыми осадочными породами с глубиной залегания грунтовых вод до 5 м от поверхности земли – 10 баллов.

Расчетная балльность строительной площадки, сложенной скальными породами(гранитами, гнейсами), прикрытыми  маломощным слоем сухого элювия – 9 баллов.

Задание 6

Кф = Q ln(R/r)/π (2H – S) S

Кф = 6774 8.653/3,14 (2 30 – 8) 8

Кф = 179.5 м/сут

задание 7

Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся  процесс растворения и выщелачивания, трещиноватых растворимых горных пород  подземными и поверхностными водами. В результате деятельности карстовых  процессов возникают как отрицательные  формы рельефа на земной поверхности, так и различные полости каналы гроты или пещеры на глубине.[1] Термин «карст» происходит от искаженного  австрийского названия плато Карст в Словении, на котором эти явления ярко выражены и хорошо изучены европейскими исследователям. Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. По геологическим условиям примерно третья часть площади суши земного шара имеет потенциальные возможности для их развития. Различают открытый, или голый карст, когда растворимые породы выходят на дневную поверхность, и закрытый, когда они залегают глубоко под землей и с поверхности перекрыты толщами нерастворимых пород.

К поверхностным карстовым  формам относятся кары, поноры, карстовые ниши, воронки, котловины и полья, а также колодцы и пропасти.

Подземные карстовые формы  представлены пещерами каналами.

Существует несколько  условий, необходимых для развития карстовых явлений.

Во-первых, это наличие  растворимой в природных водах  горной породы, водопроницаемой вследствие трещиноватости или пористости.

Во-вторых, наличие растворителя, т.е. воды, агрессивной к горной породе.

В-третьих, наличие условий, обеспечивающих водообмен, – отток насыщенной растворенным веществом воды и постоянный приток свежего растворителя. Если первое условие определяется геологическим строением местности, то второе и отчасти третье тесно связаны с физико-географической обстановкой, второе- с почвенно-растительным покровом и климатом, третье- с геоморфологическими и гидрологическими условиями помимо геологической структуры и гидрогеологических особенностей.

При прочих равных условиях, развитие карстового процесса зависит, главным  образом, от глубины залегания грунтовых  вод. Предположим, что воздействию  деструкционных сил подвергается поверхность карста, сложенная из чистых известняков, испытавших тектонические нарушения и обладающих вследствие этого значительною трещиноватостью.

Атмосферные осадки, выпадающие на эту  поверхность, стекая по направлению  склона, создают ряд карровых рытвин, первоначально расположенных согласно склону, отличающихся сравнительно большой глубиной при незначительной ширине и отделенных друг от друга узкими и крутыми гребнями. В месте пересечения трещин образуются глубокие воронки, имеющие первоначально воронкообразную или колодцеобразную форму и расположенные большей частью, невидимому, без всякого порядка. Многочисленны также эрозионные шахты, поглощающие воду атмосферных осадков или поверхностных рек, проникающих сюда из области распространения непроницаемых пород. На некотором протяжении реки еще имеют в самом карсте поверхностные долины, так как поноры и трещины, ведущие в глубину, еще недостаточно расширены, чтобы поглотить всю воду. В толще горной породы поглощенные на поверхности воды должны совершать еще очень значительный пробег, и так как трещиноватость не вполне равномерна, то образуются изолированные водотоки. Грунтовые воды, залегающие очень глубоко под поверхностью, движутся по сети узких каналов, среди которых еще незаметно никакой диференцировки. Такова юная стадия карста. По мере дальнейшего развития карстового процесса происходит, одной стороны, все большее разрушение, а в силу того и понижение поверхности, с другой - вместимость подземных ходов в глубине делается все больше, и некоторые из них получают преобладающее значение в подземном дренаже, стягивая к себе второстепенные ходы, которые делаются их притоками. Процесс разрушения, таким образом, происходит и на поверхности и в глубине, подвигаясь навстречу один другому.

Продукты химической эрозии с поверхности  уносятся в глубину и ведут  к повышению уровня грунтовых  вод. Над некоторыми более значительными  пустотами происходят провалы потолка, и в результате образуются глубокие, зияющие на поверхности, естественные шахты. Протекавшие в юной стадии на поверхности реки уже поглощены  понорами, которые стали шире и лучше проводят воду. На месте прежних нормальных долин появляются мертвые долины. Коррозионные процессы на поверхности с течением времени все более концентрируются вдоль трещин напластования и тектонических линий. Карровые рытвины пересекают поверхность независимо от первоначальной покатости и создают дикие карровые поля. Они становятся шире, а разделяющие их гребни уплощаются, на дне рытвин местами скопляются продукты выветривания. Воронки делаются площе, так как дно многих из них уже устлано глиной и terra rossa, замазавшими поглощающие трещины, и коррозия более работает вширь, нежели вглубь. Многие из них получают блюдцеобразную форму. Благодаря расширению воронок и их расположению в большем числе вдоль структурных и тектонических линий, происходит соединение воронок и образование впадин. Этот процесс повторяется с течением времени все чаще и чаще; часть впадин превращается в полья, в некоторых случаях углубленные до грунтовых вод и поэтому постоянно или временно орошаемые реками.

Между отдельными котловинами впадин и со дна последних, так же как  со дна польев, поднимаются одинокие конусообразные горы, останцы, указывающие на уровень первоначальной поверхности карста. В глубине горная порода прорезана целым рядом более или менее вместительных ходов, относящихся к области вертикальной циркуляции или к стадии карста, когда грунтовые воды еще не достигли нормального залегания над непроницаемыми породами и циркулировали выше. Многие из этих пустот, лишенные в настоящее время воды, делаются ареной образования натечных масс. Такова зрелая стадия карста.

К началу старческой стадии карстовые  формы рельефа все более теряют свою определенность. Воронки уплощаются, впадины и полья делаются обширнее и многочисленнее. Все больше и больше продуктов выветривания скопляется на поверхности. Во многих местах глубинная циркуляция заменяется поверхностной как вследствие углубления польев до грунтовых вод, так и вследствие провала потолка над пещерными реками и образования поверхностных долин. Свидетелями прежнего подземного течения являются уцелевшие кое-где естественные мосты.

В стадии старости обрамление долин  уже почти исчезло, полья и впадипы местами вскрыты и соединены между собой, и только гам и сям между ними поднимаются одинокие плосковершинные возвышенности. Поверхность карста понижена в этой заключительной стадии во многих местах почти до уровня грунтовых вод. Вместо вертикальной циркуляции возникает горизонтальная, вырабатывается нормальная сеть долин. Реки, протекающие почти на уровне грунтовых вод, имеют ничтожное падение и поэтому медленное и извилистое течение. Они часто и в большом масштабе меняют свое русло и содействуют окончательной нивелировке поверхности. Во многих местах происходит заболачивание поверхности и возникают мелкие озера.

В случае если такой ход развития не будет прерван опусканием грунтовых  вод или поднятием местности  и не начнется новый цикл развития, поверхность карста может получить характер почти-равнины с одиноко возвышающимися островными возвышенностями. Такова старческая стадия карста.

В карсте некоторые участки раньше подвергаются нивелировке до поверхности  грунтовых вод, другие позднее. Тогда  как одни участки уже захвачены  в нормальную речную сеть, другие могут  быть еще польями, между которыми лежат, правда, невысокие, но обширные глыбообразные возвышенности.

Особые условия промышленного, жилищного и гражданского строительства  в карстовых районах связаны  в основном с провалами, а также  постепенными оседаниями земной поверхности. Кроме того, приходится учитывать  особенности гидрогеологических условий, неравномерную несущую способность  закарстованных горных  пород с наличием ослабленных зон и др. Важно также иметь в виду возможность активизации карста и связанных с ними процессов при искусственном изменении природных условий.

Мероприятия по борьбе с карстовыми процессами требуют значительных затрат и недостаточно эффективны, поскольку при строительстве автомобильной дороги их пришлось бы осуществлять на большом протяжении. Поэтому неустойчивые участки, где активно развиваются карстовые процессы, следует по возможности обходить. Карстовые воронки хорошо видны на аэроснимках, что облегчает выбор наилучшего направления трассы.

В ряде случаев путем относительно небольшого смещения трассы удается  существенно снизить опасность  повреждения дороги карстовыми процессами. Если обход карстового участка невозможен, целесообразно прокладывать трассу по водоразделам или по высоким речным трассам. На таких повышенных участках рельефа карстовые процессы проявляются  в меньшей степени, чем в нижней части склонов, где горные породы растворяются водой, собирающейся с  большой площади бассейна.

В районах, где карстовые процессы затухли, о чем можно судить по отсутствию образования в течение  многих лет новых просадочных воронок, дороги низших категорий строят без учета карстовых явлений. Дороги высших категорий можно прокладывать в невысоких насыпях, обходя участки сосредоточения воронок, при условии выполнения в пределах придорожной полосы работ, направленных к уменьшению количества воды, поступающей в подземные трещины и каналы в толще водорастворимой породы. С этой целью предусматриваются следующие мероприятия:

планировка придорожной полосы и отвод воды, застаивающейся в  пониженных местах рельефа;

отказ от применения напорных труб и  мостов, рассчитанных на аккумуляцию  воды перед сооружением, укрепление русел водотоков и отводных канав;

засыпка карстовых воронок водонепроницаемым  грунтом с тщательным послойным  уплотнением;

запрещение устройства с верховой стороны насыпей глубоких резервов и закладки грунтовых карьеров;

заполнение через буровые скважины (тампонирование) расположенных вблизи от дороги карстовых пололей и трещин песчано-глинистыми, битумными и цементными растворами для уменьшения водопроницаемости растворимых горных пород вблизи искусственных сооружений; обрушение взрывами неустойчивой кровли породы над полостями; устройство глубокого дренажа, прерывающего движение к земляному полотну грунтовой воды, которая служит причиной возникновения карстовых процессов;

заполнение песком пли каменной наброской полостей и глубоких трещин вблизи земляного полотна, если их нельзя обойти;

пересечение участка карстовых  полостей эстакадой с опорами, заложенными  ниже толщи, подверженной карстовым  процессам.

задание 8.

Вращательный срез

При проведении испытаний  грунтов вращательным срезом крыльчатку вдавливают в грунт на 0.1-0.5 м ниже забоя скважины. Затем ее поворачивают и измеряют крутящий момент, затрачиваемый  на срез грунта, и установившийся момент, отвечающий сопротивлению грунта срезу  с нарушенной структурой. В некоторых  конструкциях установок (например, в  конструкции Г. П. Корчагина) предусмотрена  автоматическая запись угла поворота крыльчатки и крутящего момента, что позволяет по данным испытаний  получить график функции М = ƒ(αшт) (рис. 7.19) и вычислить показатели прочности грунтов.

Испытание грунтов методом вращательного  среза производится в соответствии требованиями ГОСТ 20276. Испытания грунта вращательным срезом проводят для определения  следующих характеристик прочности:

сопротивления грунта срезу , угла внутреннего трения , удельного сцепления  и оценки пространственной изменчивости прочности глинистых, органо-минеральных и органических грунтов, в том числе с крупнообломочными включениями размерами 2 — 10 мм в количестве не более 15 % по массе.

Характеристики определяют по результатам  испытаний грунта касательными нагрузками, передаваемыми на грунт через  колонну штанг и рабочий наконечник различной конструкции в зависимости от способа передачи срезающего усилия. Испытание вращательным срезом проводят в условиях практического отсутствия дренирования путем приложения горизонтальной касательной нагрузки и смещения грунта по цилиндрической поверхности, образуемой вращением крыльчатки ниже забоя скважины или в массиве.

В состав установки для испытания  грунта вращательным срезом должны входить:

рабочий наконечник с лопастями (крыльчатка);  штанги;  устройства для создания и измерения крутящего момента; устройство для вдавливания крыльчатки в грунт. Для испытания грунта в массиве установку дополняют устройством для отключения крыльчатки от штанг, позволяющим измерять трение штанг о грунт при неподвижной крыльчатке.

Конструкция установки должна обеспечивать:

вдавливание крыльчатки в грунт  ниже забоя опытной скважины или в массив и фиксацию ее на заданной глубине;  передачу крутящего момента на   крыльчатку;  градуировку устройства для измерения крутящего момента;  фиксирование штанг на заданной глубине, исключающее самопроизвольное вертикальное и горизонтальное перемещения штанг и крыльчатки.

Поверки измерительного устройства необходимо выполнять при получении его  с предприятия и перед выездом  на полевые работы, но не реже одного раза в 3 месяца, а также после выявления и устранения неисправностей измерительного устройства или замены его деталей. Периодически необходимо проверять прямолинейность штанг путем их сборки в звенья длиной 3 м на ровной поверхности. Отклонение звеньев штанг от прямой линии не должно превышать 3 мм в любой плоскости по всей длине проверяемого звена. Сопряжения звеньев штанг также должны обеспечивать прямолинейность.

В зависимости от вида и состояния  грунта используют следующие типы крыльчатки :

- тип I — при испытаниях глинистых  грунтов с 0,5 < I_L < 0,75, органо-минеральных грунтов, в том числе с крупнообломочными включениями размерами 2 — 10 мм в количестве менее 15 % по массе;

- тип II — при испытаниях глинистых  грунтов с I_L < 1, органо-минеральных, в том числе с крупнообломочными включениями размером более 10 мм в количестве менее 15 % по массе;

- тип III — при испытаниях глинистых  грунтов с I_L > 1, органо-минеральных и органических грунтов (без крупнообломочных включений ).

Устройство для измерения крутящего  момента должно быть проградуировано. По результатам градуировки составляют график (таблицу) зависимости крутящего момента М, кН • см, от показаний измерительного устройства N,см, и вычисляют постоянную характеристику измерительного устройства , кН, по формуле

(1.45)

При испытании грунта в скважине осуществляю проходку опытной скважины. Забой опытной скважины должен быть расположен на 0,4 — 0,5 м выше отметки  испытания грунта.  Собранную колонну штанг с крыльчаткой общей длиной на 0,8—1,2 м больше глубины отметки испытания грунта вертикально (по отвесу) опускают в скважину и плавно вдавливают в грунт, заглубляя крыльчатку до отметки испытания.  При испытании грунта в массиве крыльчатку вдавливают в грунт, применяя в случае необходимости рычаги, домкраты или специальные устройства, постепенно наращивая колонну штанг.  После погружения верх колонны штанг соединяют с головкой устройства для создания и измерения крутящего момента и записывают начальные показания приборов.