Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Инженерная геология. 5

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Губкинский институт (филиал)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерная геология

Контрольная работа

Выполнил:

Студент

Строительного факультета

З/о Батлук А.___________

шифр ____209803_____

Проверил:

___Лебедев О. Ф.______

Губкин

2010

Задание:

1. Инженерная геология, основные направления ее изучения и связь с другими науками.

2. Происхождение, строение и состав Земли. Тепловой режим Земли.

3. Основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства.

4. Инженерно-геологические изыскания для строительства.

5. Методы определения абсолютного и относительного возраста пород. Эры и периоды геологической истории Земли.

Инженерная геология, основные направления ее изучения и связь с другими науками

Инженерная геология, отрасль геологии, изучающая верхние горизонты земной коры и динамику последней в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Рассматривает состав, структуру, текстуру и свойства горных пород как грунтов; разрабатывает прогнозы тех процессов и явлений, которые возникают при взаимодействии сооружений с природной обстановкой, и пути возможного воздействия на процессы с целью устранения их вредного влияния.

Инженерная геология зародилась в 19 в. В России первые инженерно-геологические работы были связаны со строительством железных дорог (1842—1914). В них принимали участие А. П. Карпинский, Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, И. В. Мушкетов, А. П. Павлов, В. А. Обручев и др. Как наука И. г. оформилась в СССР к концу 1930-х гг. в результате исследований, связанных главным образом с гидротехническим строительством. В её развитии большая роль принадлежит Ф. П. Саваренскому, И. В. Попову, Н. Н. Маслову, В. А. Приклонскому, М. П. Семенову и др.

Инженерная геология подразделяется на: грунтоведение, изучающее горные породы и почвы, исследуемые в качестве оснований, естественных материалов и среды для инженерных сооружений; инженерную геодинамику, рассматривающую наряду с природными геологическими процессами процессы, возникающие под влиянием инженерной деятельности человека, и региональную инженерную геологию, которая изучает региональный и зональный характер распространения инженерно-геологических процессов и явлений; оценивает применительно к данной территории геологические факторы, определяющие условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений; даёт прогноз изменения инженерно-геологических условий в результате строительства.

Морская инженерная геология изучает возможности строительства в условиях субаквальной среды. Формируется направление, изучающее влияние инженерной деятельности человека на глубокие горизонты земной коры (зону катагенеза), а также изучающее сейсмические явления с инженерно-геологических позиций (инженерная сейсмогеология).

Инженерная геология тесно связана с гидрогеологией, геокриологией (мерзлотоведением), нефтяной геологией. При полевых исследованиях она использует геофизические методы (электроразведка, микросейсмика, ультразвуковой и ядерно-пенетрационный каротаж), а также физические и химические методы.

2. Происхождение, строение и состав Земли. Геосферы Земли. Тепловой режим Земли.

Строение и состав Земли. Геосферы Земли. Земля - третья планета Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Кроме них в Солнечной системе свыше 1000 малых планет и около 100 периодических комет.

Солнце - газовый шар диаметром Д=1,4 млн. км, что в 109 раз больше диаметра Земли. От Земли до Солнца 150 млн. км. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 тыс. км/сек.

Земля имеет шарообразную форму, точнее эллипсоид вращения (геоид), средний радиус которого R_средн=6371 км. Площадь Земли - 510 млн. км², объем - 1, 083х10¹² км³. Длина окружности - 40 тыс. км. Средняя плотность вещества Земли r=5,5 т/м³, для поверхностных пород r=2,7 т/м³, внутри планеты r=11- 12 т/м³.

Наибольшая глубина океанического дна - Мариинская впадина (Н=11 км). Самая высокая горная вершина Эверест имеет высоту Н=8882 м над уровнем моря.

Оболочки Земли: 1. Атмосфера - газовая оболочка состоит из 3-х оболочек:

1) Тропосфера распространена до высоты Н=18 км, содержит ¾ массы воздуха: азот N=76%, кислород О=23%, аргон Аr =1,3%. СО₂=0,04%, другие газы составляют 0,01% (Н, Не) и водяной пар. Выше увеличивается содержание водорода Н. Вес 1м³ воздуха над у.м. - 1,3 кг. Выше по барометрическому закону происходит быстрое уменьшение плотности воздуха.

2) Стратосфера достигает высоты Н = 80 км, в ней много озона О₃, который сильно поглощает солнечную радиацию, ультрафиолетовые лучи и защищает жизнь (3О₂2О₃). Озоновые дыры.

3) Ионосфера - слой весьма разреженных ионизированных газов, распространена до высоты 1000-1300 км. С ионизацией связаны полярные сияния, распространение радиоволн и другие атмосферные

2. Гидросфера - совокупность всех вод Земли, прерывистая водная оболочка, состоящая из океанов и морей - 1370 млн. км³, подземных вод - 400 млн. км³, ледников - 30 млн. км³, организмов (Дюбуа: "жизнь - одушевленная вода") - 6 тыс. км³, реки 1,25 тыс. км³. Средняя соленость мирового океана - 3,5 %, т.е. в 1 л - 35 г соли; в Средиземном море - 3,9%, в Черном - 1,8%, в Балтийском - 5%. Состав солей:

1) хлориды NaCl=78%, MgCl₂=10%, KCl=2%, всего - 90%; 2 - сульфаты: MgSO₌6%, K₂SO₄=4%, СаСO₃=0,3%. Есть другие химические элементы: Fe, Si, Al, F, P и даже золото Au. В воде океанов растворено около 22 млн. км³ солей. Этот слой покрыл бы земной шар оболочкой толщиной Н=42 м.

3. Литосфера - "земная кора" толщиной от 7 км (в океанах) до 70 км (горы), состоит из 3-х слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Толща осадочных пород (стратисфера) достигает 15-20 км.

Химический состав поверхностных пород: кислород - О=47,2%, кремний - Si=27,6%, алюминий - Al=8,8%, железо - Fe=5,1%, кальций - Ca=3,6%, натрий - Na=2,64%, калий - K=2,60%, магний - Mg=2,1%, водород - H=0,15%, остальные - 0,15%.

4. Биосфера - особая прерывистая зона распространения живых организмов в литосфере, гидросфере и атмосфере. По В.И.Вернадскому, "зона жизни" распространена в верхней части литосферы, гидросфере и нижней части атмосферы. Жизнь на суше проникает на глубину до 5 км, а в океане - до дна. На глубине более 500 м в литосфере могут существовать только анаэробные организмы. В атмосферу организмы забираются не высоко. В.И.Вернадский: "На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом". Зеленые растения способны аккумулировать солнечную энергию и на основе простых веществ неживой природы (СО₂, Н₂О и др.) создавать сложные органические соединения. Этот процесс идет в огромном масштабе. Ежегодно растения Земли образуют 380 млрд. тонн биомассы (сухое вещество). При этом усваивается 650 млрд. т СО₂, а из почвы - 5 млрд. т азота, 1 млрд. т фосфора и 10-15 млрд. т других элементов. Выделяется 350 млрд. т свободного кислорода.

Тепловой режим Земли обеспечивают два источника: Солнце (внешний, дает 99,5% энергии) и внутренний источник (распад радиоактивных элементов в недрах планеты). Солнце дает на 1 см² земной поверхности в минуту 1,94 кал. Эта величина названа "солнечной постоянной".

В верхней части земной коры выделяют три температурных зоны: 1) сезонных колебаний (до глубины 20-25 м), 2) постоянных температур (25-50 м), 3) нарастания температур (в среднем 3 градуса на 100 м, геотермический градиент), или 1 градус на 33 м (геотермическая ступень). Таким образом, на глубине 3,3 км будет 100ºС, на 12 км – 374,6ºС (критическая температур воды), 33 км – 1000ºС, 50 км – 1500ºС, 66 км - 2000ºС. В Москве на глубине 1630 м – 41ºС, Симплтонский тоннель в Альпах (2,7 км) – 50ºС, в Ставрополе (завод Люминофоров, в скважине глубиной 1800 м) – 90ºС, т.е. геотермическая ступень менее 30 м. В Кольской сверхглубокой скважине на глубине 12 км температура - 180ºС. Образцы, выбуренные с этих глубин, как бы взрываются, разрушаясь на отдельности. Температура вулканов примерно 1500ºС. Лава Везувия в Помпее расплавила медные сосуды (температура плавления меди 1083ºС).

Ниже гранитной (SiAl) оболочки рост температур резко замедляется. В центре Земли возможна температура 3000-4000ºС. В гранитной оболочке находится основная часть урана и тория, которые изнутри разогревают Землю. Скорость их распада не зависит от изменений температуры и давления, а количество убывает с глубиной.

Земной магнетизм и палеомагнетизм. Земля – гигантский магнит, имеющий два полюса (С и Ю), которые не совпадают с географическими С и Ю полюсами. Отсюда возникло магнитное отклонение. Природу земного магнетизма объясняют перемещением расплавленной магмы, обладающей электропроводностью и движением электрического тока в ионосфере. Местные магнитные аномалии (КМА, Тургайское месторождение) связаны с залежами магнитного железняка.

Палеомагнетизм и плавание магнитных полюсов в течение истории Земли.

Происхождение Земли – проблема в естествознании наравне с происхождением жизни на Земле и происхождением человека. Крупнейший астроном и географ древности Клавдий Птолемей – автор «Географии» считал, что Солнце, звезды и планеты вращаются вокруг Земли, которая является центром Вселенной. Эту геоцентрическую гипотезу очень долго поддерживали религии всего мира. Лишь в 16 веке великий польский астроном Николай Коперник (1473-1543) математически развил гелиоцентрическую систему. Его последователями стали Джордано Бруно, Галилей, Кеплер, Ньютон. По учению Дж. Бруно, Вселенная бесконечна, у нее нет центра. Солнце, звезды и планеты вращаются по своим орбитам и вокруг своих осей, а жизнь может быть и на других планетах. Это учение католическая церковь назвала «ересью». Дж. Бруно был сожжен как еретик на костре в Риме в 1600 г. Галилея инквизиция заставила отказаться от этих взглядов. Галилей впервые посмотрел на небо через зрительную трубу с увеличением 35 крат, На Луне увидел глубокие впадины, горы и равнины, на Солнце обнаружил пятна и убедился, что оно вращается, открыл 4 спутника Юпитера, установил, что Млечный путь на небе состоит из бесконечного множества звезд, т.е. показал безграничность Вселенной. Кеплер установил, что орбиты планет не окружности, а эллипсы (Коперник ранее считал их круговыми). Ньютон открыл закон всемирного тяготения, объясняющий движение небесных тел, т.е. основной закон небесной механики. Но он считал Солнце …обитаемым.

В 1755 году нем. философ Эммануил Кант и затем в конце 18 века независимо от него фр. ученый Лаплас предположили, что Земля и Солнце возникли из раскаленной газовой туманности. До них, в начале 18 века наш великий Ломоносов – зачинатель многих наук, в т. ч. и геологии, стал утверждать, что не только Солнце, но и Земля была раньше раскаленным телом, а землетрясения и горообразование – результат внутреннего жара Земли.

Гипотеза Лапласа не смогла объяснить многие явления в Солнечной системе и была оставлена. В 1901 г. Мультон и Чемберлен объяснили происхождение планет за счет вещества Солнца, вытянутого из него проходящей близко звездой. Солнечный протуберанец распался на отдельные сгустки-планеты. В 30-г.г. эту гипотезу попытался улучшить англ. ученый Джинс, но был раскритикован советским ученым Парийским.

Сейчас наиболее обоснованной научной гипотезой, по крайней мере у нас, считается гипотеза акад. О.Ю.Шмидта (1944). Его «Четыре лекции о происхождении Земли» (1957)… По О.Ю.Шмидту, планеты образовались из межзвездной метеоритной пыли, через которую прошло Солнце. Рой пыли в космосе не редкость. Эта гипотеза впервые объяснила, почему момент вращения на 98 % сосредоточен в планетах, а масса на 99 % в Солнце. Гипотеза хорошо обоснована математически (см. В.С.Сафронов. Происхождение Земли, М.: Знание,1987). Земля, По Шмидту, сначала не была раскалена, а получила тепло от Солнца и от ударов метеоритов. Сейчас основным источником внутреннего тепла Земли считается распад радиоактивных урана, радия и тория и переход их в свинец и гелий. Краткий обзор гипотез происхождения Солнечной системы, звезд и планет показывает, что этот вопрос еще далек от полного разрешения.

Проблема происхождения и развития Земли тесно соприкасается с проблемой возникновения и развития жизни на Земле. Начиная с буддийской, все религии и большинство ученых поддерживают миф о множественности миров. Фалес (древнегреческий философ) учил, что звезды и Земля состоят из одного и того же вещества. Анаксимандр (философ) утверждал: миры возникают и разрушаются. Анаксагор был один из первых приверженцев гелиоцентрической гипотезы и считал, что Луна обитаема и повсюду рассеяны невидимые «зародыши» жизни, являющиеся причиной возникновения всего живого. Извечность жизни (панспермия) многократно высказывалась многими учеными и философами. Римский философ Лукреций Кар в своей знаменитой книге «О природе вещей» писал: «Весь этот видимый мир вовсе не единственный в природе, и мы должны верить, что в других областях пространства имеются другие земли с другими людьми и другими животными». Джордано Бруно: «Существуют бесчисленные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц, подобно тому, как наши семь планет кружатся вокруг нашего Солнца… На этих мирах обитают живые существа». Эту же идею поддерживали Гюйгенс, Вольтер, Ломоносов, Кант, Лаплас, а в начале 20 века Аррениус и наш Циолковский: «Вероятно ли, чтобы Европа была населена, а другая часть света нет? … Все фазы развития живых существ можно видеть на разных планетах. Чем было человечество несколько тысяч лет тому назад и чем оно будет по истечении миллионов лет – все можно отыскать в планетном мире». Древний романтичный миф о множественности миров сильно разрушил наш ученый Шкловский Иосиф Иммануилович. В его книге «Вселенная, жизнь, разум», изд. 3-е, 1973, проводится мысль об уникальности и неповторимости жизни на планете Земля, что должно повысить ответственность человечества за сохранение жизни в духе учения о ноосфере В.И.Вернадского … А.Д.Сахарова.

О посещении Земли инопланетянами… Истоки этой идеи – события в Библии и пока непонятные творения древних на Земле. Но все находит свое объяснение. Стальная нержавеющая колонна в Индии оказалась чудом порошковой металлургии. Библейские легенды имеют вавилонские корни… Периодические сенсации вокруг непонятных явлений – «реникса – чепуха», пока их природу не объяснит наука.

3. Основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства

Горные породы находят в строительстве обширное применение. При возведении инженерно-технических сооружений учитываются прочность, жесткие связи и несущая способность скальных пород, при возведении откосов берутся во внимание монолитность, трещиноватость, степень выветривания горных пород, при строительстве дамб, плотин, подтопляемых насыпей, определяется подверженность пород (слагающих минералов) к размоканию и выветриванию.

Многие горные породы представляют собой незаменимый строительный материал для дорожных покрытий, бутового камня, облицовочных плит, при изготовлении цемента, извести, гипса.

Из обломочных пород довольно широкое применение может иметь булыжный камень из гранита, гнейса, базальта: большая прочность, высокая теплопроводность и значительная плотность (1,80-2,50 г/см³). Более мелкие булыжники (до 20 см в поперечнике) применяют для мощения дорог.

Гравий используется для изготовления бетона (при размере частиц от 5 до 80 мм) и для мощения проезжей части дорог. Песок применяют в кирпичной кладке (размер частиц до 2,5 мм), бутовой кладке (до 5 мм), для отделочной затирки (0,5-1,0 мм). Плотность песка колеблется в пределах 1,25-1,65 г/см³ при объеме пустот до 40%.

Глина по характеру образования подразделяется на: а) первичную или остаточную и б) вторичную или переотложенную. Первая более качественная и содержит меньше примесей. По огнеупорности выделяют:

огнеупорную с температурой плавления выше 1580°С;

тугоплавкую — 1350-1580°С;

неогнеупорную — 1350°С.

Применение глины обширно: кирпичное, черепичное, гончарное производства, строительные растворы.

Применяются в хозяйстве техногенные породы (шлаки) — остатки от сжигания угля, торфа и горючих сланцев — так называемые котельные шлаки; доменные шлаки в гранулированном виде идут в качестве мелкого заполнителя в легких бетонах, в тонкоразмолотом виде как добавки к вяжущим.

4. Инженерно-геологические изыскания для строительства.

1. Цель и задачи изысканий

В Градостроительном Кодексе (ст. 47) указано: «Инженерные изыскания выполняются для подготовки проектной документации, строительства, реконструкции объектов капитального строительства. Не допускаются подготовка и реализация проектной документации без выполнения соответствующих инженерных изысканий».

На основе материалов изысканий осуществляется разработка предпроектной документации, в том числе градостроительной документации и обоснований инвестиций в строительство, проектов и рабочей документации строительства предприятий, зданий и сооружений, включая расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, эксплуатацию и ликвидацию объектов, ведение государственных кадастров и информационных систем поселений, а также рекомендаций для принятия экономически, технически, социально и экологически обоснованных проектных решений.

Инженерные изыскания нормируются федеральными строительными нормативами: СНиП, ГОСТами, Сводами Правил и др.

СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства» (п. 4.1) указывает: «Инженерные изыскания для строительства являются видом строительной деятельности». СНиП 11-02-96, п. 4.3 дает следующие виды инженерных изысканий: инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические изыскания, изыскания грунтовых строительных материалов и источников водоснабжения на базе подземных вод. Кроме этого, к инженерным изысканиям относятся: геотехнический контроль, обследование оснований фундаментов зданий и сооружений, оценка опасности и риска от природных и техногенных процессов, обоснование мероприятий по инженерной защите территорий, локальный мониторинг компонентов окружающей среды, исследования в процессе строительства, эксплуатации и ликвидации объектов, научные исследования в процессе инженерных изысканий, авторский надзор за использованием изыскательской продукции в процессе строительства в составе комиссии (рабочей группы), инжиниринговые услуги по организации и проведению изысканий.

Цель инженерно-геологических изысканий – получение необходимых и достаточных данных для проектирования, строительства и эксплуатации объектов.

Задачи изысканий: комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы), включая: 1) рельеф, 2) геологическое строение, состав, состояние и свойства грунтов, 3) гидрогеологические условия, 4) геологические и инженерно-геологические процессы и прогноз их изменения на застроенных территориях для обоснования инженерной защиты и безопасных условий жизни населения.

Цель и задачи изысканий изменяются в зависимости от вида строительства (промышленное, гражданское, гидротехническое, мелиоративное, дорожное, морское и др.).

2. Состав, этапы и методика работ.

В состав инженерно-геологических изысканий входят: сбор и обработка материалов изысканий прошлых лет, дешифрирование космо-, аэрофотоматериалов и аэровизуальные наблюдения, маршрутные наблюдения (рекогносцировочное обследование), проходка горных выработок, полевые исследования грунтов, гидрогеологические, геофизические, сейсмологические исследования, сейсмомикрорайонирование, стационарные наблюдения, лабораторные исследования грунтов и подземных вод, обследование грунтов оснований существующих зданий и сооружений, камеральная обработка материалов, составление прогноза изменений инженерно-геологических условий, оценка опасности и риска от геологических и инженерно-геологических условий, составление технического отчета.

Этапы (стадии) изысканий. Проектирование ответственных и сложных объектов производится не сразу, а поэтапно, по стадиям. Свод Правил 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания», ч. 1 установил следующие стадии изысканий:

1) изыскания для разработки предпроектной документации,

2) изыскания для разработки проекта,

3) изыскания для разработки рабочей документации.

Предпроектные изыскания проводят для разработки проекта районной планировки, генерального плана города, проекта детальной планировки.

Изыскания для проекта строительства предприятия, здания, сооружения выполняют для обоснования компоновки зданий и сооружений, конструктивных и объемно-планировочных решений, разработке мероприятий и сооружений по инженерной защите, охране геологической среды, проекта организации строительства.

Изыскания для рабочей документации для обоснования окончательных проектных решений, расчетов оснований, фундаментов и конструкций зданий, производства земляных работ.

Методика изысканий. Инженерно-геологические работы обычно проводят в три этапа: 1) подготовительный, 2) полевой и 3) камеральный.

3. Сбор, изучение и анализ имеющихся материалов. Инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка. Буровые и горнопроходческие разведочные работы.

В подготовительный этап изучают район по архивным, фондовым и литературным данным, готовят оборудование для полевых работ.

В полевой период производят:

Инженерно-геологическую съемку и картирование – основной вид комплексного изучения территорий, независимо от вида строительства. При этом составляют специальные карты (инженерно-геологических условий, районирования и др.), геологические разрезы, таблицы свойств и все данные, характеризующие территорию.

Разведочные работы включают бурение скважин с отбором проб грунта и воды, проходку разведочных выработок – расчисток на склонах ступеньками глубиной до 1,5 м, канав глубиной до 3 м, шурфов и дудок глубиной до 20 м и даже штолен – подземных горизонтальных выработок (изучение береговых склонов при проектировании плотин. Их проходят с помощью техники или вручную.

Основным видом разведочных работ являются скважины. По способам бурения различают: 1) ручное ударно-вращательное бурение, 2) колонковое вращательное, 3)ударно-канатное кольцевым забоем, 4) ударно-канатное сплошным забоем, 5) вибрационное, 6) шнековое бурение. Способ бурения зависит от вида грунта и решаемых задач. Строительные нормативы допускают любой вид бурения, который дешевле, быстрее и информативнее решает поставленные задачи. Главная задача – достоверное описание геологического разреза и отбор ненарушенных проб-монолитов с помощью специальных грунтоносов. Из обводненных плывунных и структурно-неустойчивых грунтов часто не удается отобрать монолиты естественного сложения. Буровики часто при отборе проб уплотняют просадочные лессы и этим занижают просадочность.

4. Геофизические исследования. Стационарные наблюдения. Лабораторные исследования грунтов и подземных вод.

Геофизические методы разнообразны: сейсмические, гравиметрические, магнитометрические, ядерные. Все они основаны на изменении свойств грунтов и выявлении аномалий. Сейсмические методы определяют скорость упругих волн, Гравиметрические выявляют аномалии силы тяжести. Электрические методы дают электросопротивление пород постоянному или переменному току.

Опытные полевые исследования грунтов включают: динамическое и статическое зондирование грунтов, опытные нагрузки в шурфах и скважинах, откачки и наливы в скважины.

Динамическое зондирование производят забивными зондами, чаще установкой буровой пенетрационной УБП-15. Сопротивление грунтов по глубине разреза определяют по числу ударов молота весом 60 кг, сбрасываемого с высоты 80 см. Считают число ударов на 10 см, затем по формуле определяют динамическое сопротивление.