Физические свойства грунтов, эндогенные процессы

Содержание.

1. Физические свойства грунтов (плотность, пористость, влажность), механические свойства…………………………………………………….3
2. Эндогенные процессы………………………………………………………8

Список  литературы……………………………………………………….16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Физические  свойства грунтов (плотность, пористость, влажность), механические свойства.

      Плотность – отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему– служит показателем минерального состава грунтов.

      Плотность грунта , г/см3, вычисляют по формуле

     где m₁ — масса грунта с кольцом и пластинками, г;

     m ₀ — масса кольца, г;

     m₂ — масса пластинок, г;

     v — внутренний объем кольца, см³. 

     Величина  плотности твердых частиц грунта определяется минеральным составом и присутствием органических и органоминеральных  веществ и представляет собой средневзвешенную плотность этих компонент грунта. В соответствии с плотностью наиболее распространенных породообразующих минералов плотность твердых частиц большинства грунтов изменяется от 2,50 до 2,80 г/см³. Она увеличивается с повышением содержания в фунтах тяжелых минералов. Поэтому у основных и ультраосновных пород плотность существенно выше (3,00—3,40 г/см³), чем у кислых (например, у гранитов 2,63—2,75 г/см³, чаще 2,65—2,67 г/см³).

     Наличие органических веществ резко снижает  плотность твердых частиц грунта, поскольку их плотность невелика по сравнению с минеральной компонентой (плотность гумуса 1,25—1,40 г/см³). Именно поэтому плотность твердой компоненты торфов, оторфованных фунтов, перегнойно-аккумулятивных горизонтов почв существенно ниже по сравнению с минеральными грунтами.

     Показатели  пористости, используемые в грунтоведении, характеризуют лишь общий объем пор, но не дают представления о размере и форме пор и характере их распределения в породе.

     Используются  два показателя: пористость и коэффициент  пористости (приведенная пористость).

     Показателем общей пористости (п) является отношение объема пор к объему всей породы, выраженное в процентах:

     Коэффициент пористости (е) представляет собой отношение объема пор к объему скелета породы, выраженное  в долях единицы:

     Пористость  у различных грунтов различна. У магматических, метаморфических и сцементированных осадочных пород она обычно невелика и измеряется десятыми долями и максимально несколькими процентами. Исключением являются некоторые лавы и вулканические туфы, пористость которых достигает десятков процентов. Среди осадочных пород высокой пористостью отличаются некоторые песчаники (35—40%) и органогенные известняки — ракушечники (до 40—45%).

     В глинистых породах пористость зависит  от размеров частиц и структуры. У  некоторых глин и суглинков пористость достигает 60% и более.

     Под влажностью породы (W) понимают содержание в ее порах того или иного количества воды, удаляемой при нагревании породы до температуры не свыше 105° С. Эта вода находится в порах породы и на ее поверхности в отличие от химически связанной воды, участвующей в построении кристаллической решетки.

     Все количество воды, которое содержит порода в естественных условиях залегания, называют естественной влажностью породы.

     Естественная  влажность песчаных и глинистых  пород является очень важной характеристикой  физического состояния этих пород. Она определяет их прочность и  поведение под воздействием сооружения. Влажность — величина переменная. Если ниже уровня грунтовых вод (в зоне насыщения) она почти не изменяется, то выше уровня грунтовых вод (в зоне аэрации и особенно в верхней ее части — почвенном слое) естественная влажность изменяется во времени. Наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания естественной влажности. Они связаны с температурой и давлением воздуха, количеством выпадающих атмосферных осадков и положением уровня грунтовых вод. Кроме естественных факторов на влажность пород и почв зоны аэрации могут оказывать влияние искусственные факторы — орошение земель, характер сельскохозяйственных культур, подпор грунтовых вод, различные строительные мероприятия.

     В глинистых породах наблюдается  резкое изменение свойств в зависимости  от степени влажности. Сухие глинистые  породы ведут себя как твердые  тела. С увеличением влажности  они постепенно теряют свою первоначальную прочность, переходят в мягкое состояние, а при сильном переувлажнении отдельные их разности могут течь как жидкое тело, т. е. полностью теряют прочность.

     Влажность пород выражают отношением веса воды, содержащейся в порах породы, к весу сухой породы (весовая влажность) в процентах:

     Влажность отдельных образцов определяют путем  высушивания их при температуре  100—105° С до постоянного веса. Зная вес породы до высушивания и вес сухого грунта после высушивания, можно легко определить вес воды и влажность породы:

     Под механическими свойствами следует понимать способность грунтов сопротивляться внешним механическим воздействиям. Последние вызывают деформации. При достаточно больших значениях внешних механических воздействий (нагрузок) грунты могут терять прочность и разрушаться. Иными словами, механические свойства горных пород характеризуют их деформируемость и прочность под действием внешних нагрузок.

     Способность грунта уменьшаться в объеме под  воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). Частицы в грунте бывают связанные и несвязанные между собой, но независимо от этого, прочность связей всегда ниже прочности частиц. При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой или воздухом и за счет сгущения связующих (коллоидов). Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.

     По  характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.

     Предельным  сопротивлением сдвигу (растяжению) называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к растяжению (сдвигу), т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления: водно-коллоидные и цементационные связи (связные грунты). В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.

     Компрессией называется одноосное сжатие образца грунта вертикальной нагрузкой при условии отсутствия его бокового расширения.

     Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований, суффозию грунта и оползневые явления (в т.ч. и на сопротивление растяжению). Фильтрацией называется движение свободногравитационной воды в грунтах в различных направлениях (горизонтально, вертикально вниз и вверх) под воздействием гидравлического градиента (уклона, равного потере напора на пути движения) напора. Коэффициентом фильтрации (Kf) принято считать скорость фильтрации при гидравлическом градиенте равном единице. При этом скорость фильтрации (V) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту (J). V = Kf * J. 

2. Эндогенные  процессы.

       Эндогенными процессами называются такие геологические процессы, происхождение которых связано с глубокими недрами Земли. Вещество земного шара развивается во всех своих частях, в том числе и в глубинных. В недрах Земли под внешними ее оболочками происходят сложные физико-механические и физико- химические преобразования вещества, в результате которых возникают мощные силы, воздействующие на земную кору и коренным образом преобразующие последнюю. Вот эти-то преобразующие процессы и называются эндогенными процессами.

          Наиболее отчетливо эндогенные  процессы выражаются в явлениях  вулканизма, под которыми понимаются процессы, связанные с перемещением магмы как в верхние слои земной коры, так и на ее поверхность.

          Явления вулканизма знакомят  человека с материей, располагающейся  в глубинах земного шара, с  ее физическим состоянием и  химическим составом. Проявления  поверхностного вулканизма происходят  не повсеместно, а приурочены  к определенным участкам земной  коры, положение и площадь которых  изменялись в ходе геологической  истории.

          Магма, внедряясь в земную кору, очень часто не достигает поверхности,  а застывает где-то на глубине,  образуя при этом глубинные,  интрузивные горные породы (гранит, габбро и др.). Явления внедрения  магмы в земную кору получили  название глубинного вулканизма, или плутонизма.

       Под действием поверхностного  вулканизма изменяется внешний  облик Земли, и образуются новые  горные породы, возникают горы, выделяется  в атмосферу большое количество  газов и паров, изменяется температурный  режим, данного участка. Процесс  поверхностного вулканизма часто  сопровождается сотрясениями Земли,  изменением деятельности подземных  вод и т. п. 

     Знание  особенностей вулканических процессов, законов внедрения и распределения  магматических тел имеет большое  практическое значение, так как человек  может использовать многие продукты вулканизма и ту колоссальную энергию, которую заключает в себе это  явление.

     В кратерах вулканов, на склонах вулканических  конусов скапливаются такие полезные ископаемые, как сера, нашатырь и  кристаллы борной кислоты. Все они  добываются в кратере и на склонах  горы Вулькано. В лаве и туфах  потухших вулканов Закарпатья имеются  алунит и ртутные минералы. Во многих местах используются как полезные ископаемые твердые продукты вулканизма — базальтовая  лава употребляется для изготовления изоляционных, литых, и кислотоупорных изделий, а также как строительный и дорожный материал. Некоторые типы вулканического туфа употребляются  для изготовления цемента, а также  в качестве строительного камня. Вулканический пепел является хорошим  адсорбентом и употребляется  при обработке нефти.

          Таким образом, уже сейчас грозное  явление наземного вулканизма  приносит человечеству значительно  больше пользы, чем вреда.

          Еще большую пользу извлекает  человечество из разработки продуктов  глубинного вулканизма. Из магмы  при ее кристаллизации выделяется  большое количество разнообразных  полезных ископаемых. Месторождения  железа, хромистого железняка, платины,  титана связаны непосредственно  с магматическими породами. Месторождения  меди, свинца, цинка, золота, серебра,  мышьяка, ртути связаны с газами  и горячими растворами, выделяемыми  магмой. Большое количество неметаллических  полезных ископаемых, таких как апатиты, слюды, драгоценные камни, также связано с интрузивными породами.

           Вторым видом эндогенных процессов  являются землетрясения, проявляющиеся в определенных участках земной поверхности в виде кратковременных толчков или сотрясений.

     Землетрясение — явление достаточно распространенное. Оно наблюдается на многих участках материков, а также на дне океанов  и морей (в последнем случае говорят  о «моретрясении»). Количество землетрясений  на земном шаре достигает нескольких сотен тысяч в год, т. е. в среднем  совершается одно два землетрясения  в минуту. Сила землетрясения различна: большинство из них улавливается только высокочувствительными приборами  — сейсмографами, другие ощущаются человеком непосредственно. Количество последних достигает двух-трех тысяч в год, причем распределяются они очень неравномерно — в одних районах такие сильные землетрясения очень часты, а в других необычайно редки или даже практически отсутствуют.

     Генетически землетрясения можно классифицировать следующим образом:

• Естественные: Эндогенные: а) тектонические, б) вулканические. Экзогенные: а) карстово-обвальные, б) атмосферные в) от ударов волн, водопадов и т. п.
• Искусственные: а) от взрывов, б) от артиллерийской стрельбы, в) от искусственного обрушения горных пород, г) от транспорта и т. п.

                Вопрос о причинах землетрясений  до сих пор окончательно не  изучен. Землетрясения зарождаются  в различных частях земной  коры и в подкоровом слое, т.  е., по-видимому, в условиях твердой  среды. Большинство современных  исследователей считают, что непосредственной  причиной землетрясения является  смещение на глубине в веществе  Земли, связанное или с моментальным  сдвигом, со скольжением, или  с кручением вещества. Это доказывается тем, что гипоцентры землетрясений располагаются вдоль плоскостей ранее существовавших разрывов земной коры.

     Тщательный  анализ сейсмограмм способствует выяснению  причин землетрясений. Разработанная  аппаратура (экстенсометр Вешнякова, сейсмограф Кирноса) позволяет раздельно изучать  продольные и поперечные волны и, вероятно, уже в ближайшее время  поможет окончательно выяснить причину  землетрясений.

          Землетрясения поверхностного типа  более разнообразны по происхождению.  Они могут быть вызваны, с  одной стороны, тектоническими  причинами, а с другой —  вулканизмом, обрушениями в пустоты,  на поверхности и вблизи нее.

          Некоторые ученые связывают поверхностные  землетрясения с атмосферными  явлениями. Это предположение  основано на том, что большинство  землетрясений в северном полушарии  приходится на зимние месяцы; некоторые землетрясения следовали  за сильными грозами или ураганами.  Было установлено, что дело  не в самих ураганах или  грозах, а в изменениях градиента  атмосферного давления.

          Изменение атмосферного давления, конечно, не создавало, а только  вызывало землетрясения, и лишь  в том случае, когда напряжения  в земной коре уже были близки  к нарушению равновесия.

          Кроме кратковременных и сильных колебаний типа землетрясений, земная кора испытывает колебания, при которых одни участки ее опускаются, а другие поднимаются. Движения  совершаются очень медленно со скоростью нескольких сантиметров или даже миллиметров в столетие, они недоступны непосредственным наблюдениям без приборов. Но так как эта движения совершаются повсеместно и непрерывно в течение многих миллионов лет, то конечные результаты их весьма существенны.

     Вследствие  этих колебательных движений, многие области, ранее бывшие сушей, оказались  дном океана и, наоборот, некоторые  участки земной поверхности, сейчас возвышающиеся на сотни и даже тысячи метров над уровнем моря, сохраняют свидетельство того, что когда-то они были под водой. Интенсивность колебательных движений неодинакова: на одних, участках земной коры опускания или поднятия более значительны, на других менее значительны.

     Одним из самых ярких проявлений внутренних сил являются складчатые и разрывные  деформации земной коры. Эти явления в большинстве случаев недоступные непосредственному наблюдению, хорошо запечатлелись в характере залегания осадочных пород, слагающих земную кору. Осадки морей и океанов, выпадая из воды, ложатся обычно ровными горизонтальными пластами. Вследствие же складкообразования эти горизонтально залегающие пласты оказываются собранными в различного вида складки, а иногда разорванными или надвинутыми друг на друга.

     Явление смятия и разрыва пластов способствует образованию возвышенностей и гор, впадин и котловин. Многие ученые приписывали  явлению складчатых деформаций главную  роль в образовании гор, считая, что  породы, сминаясь в складки, вспучивают земную поверхность и образуют возвышенности. Этот процесс получил название орогенеза («орос» — по-гречески возвышенность, «генез» — образование). В настоящее  время установлено, что в образовании  гор колебательные движения играют не меньшую роль, чем складчатые, поэтому термин «орогенез», утратив  свое первоначальное значение, стал употребляться  реже.

     Складчатые  деформации проявляются только в  определенных, наиболее подвижных и  наиболее проницаемых для магмы  участках земной коры, именуемых геосинклиналями. В противоположность им устойчивые, со слабой тектонической активностью, области называются платформами.

     Складчатые  деформации, землетрясения и особенно вулканизм способствуют существенному  изменению горных пород, слагающих  земную кору. Вследствие сдавливания  они становятся более плотными и  твердыми, а под действием высокой  температуры обжигаются и даже переплавляются. Действие паров и газов, выделяемых из магмы, способствует образованию  в горных породах новых минералов. Все эти явления преобразования горных пород под действием эндогенных процессов носят название метаморфизма («метаморфизм» - по-гречески означает превращение) и также связаны с глубинными силами.

     Главными  факторами метаморфизма являются температура, давление, растворы и газы, выделяющиеся из магмы. Обычно эти факторы действуют  одновременно, но преобладающим является какой-нибудь один; он и определяет тип метаморфизма. Метаморфизм, связанный  с изменением давления, называется динамометаморфизмом, с изменением температуры — термометаморфизмом, а метаморфизм, связанный с газами и парами, — соответственно пневматолитовым и гидротермальным метаморфизмом.

       При динамометаморфизме все округлые  части породы (например, гальки в  конгломератах) сдавливаются и  превращаются в линзообразные  включения, зерна породы также  раздавливаются в направлении,  перпендикулярном к направлению  давления, происходит переориентировка  всех вытянутых и плоских минералов  длинными осями в одном направлении,  перпендикулярном давлению. При  этом порода как бы разделяется  на множество тонких чешуек, или  пластинок, которые часто скользят  друг по другу, плоскости их  вследствие трения пришлифовываются  и индивидуальность чешуек выступает  еще более отчетливо. Так возникает  сланцеватая текстура, и вся порода  превращается в сланец. Давление, переориентировка минералов и  трение вызывают повышение температуры,  происходит частичная перекристаллизация  минералов, изменение их формы  и размеров.

       При термометаморфизме главную  роль играет повышение температуры.  При разогревании породы происходит  перекристаллизация вещества. В  этом процессе часто принимает  участие вода, которая, превращаясь  в пар и вступая в реакции,  способствует образованию новых  минералов.

     Термальный  метаморфизм очень четко проявляется  на контактах с интрузиями, температура  которых часто превышает 1000° Остывание  интрузий идет очень медленно, поэтому  происходит значительный прогрев вмещающих  пород.

     Пневматолитовый и гидротермальный метаморфизм  способствует образованию в породе многочисленных новых минералов, а  так как воздействие газов  и паров воды совершается обычно в условиях повышенной температуры, то в породе одновременно происходит перекристаллизация первичного вещества, которое вступает в реакцию с  вновь принесенными в парах, газах  или воде элементами.

     В результате пневматолитового и гидротермального метаморфизма сильно изменяются не только структура и текстура породы, но и ее химический состав.

     Преобразования  породы в процессе метаморфизма бывают настолько сильны, что первоначальный характер породы становится почти неузнаваемым.

     Очень часты при метаморфизме, особенно пневматолитовом и гидротермальном, случаи замещения одних минералов  другими— это явление называется метасоматозом. Так, например, кремнекислые растворы, идущие от магмы, могут заместить  карбонат кальция в известняковой  породе и тогда известняк сначала  становится кремнистым, а затем может  превратиться в кварцит.

     Большое значение при метасоматозе играет вода, так как она облегчает перенос  вещества и, растворяя и выщелачивая  неустойчивые компоненты вмещающей  породы, способствует образованию полостей, в которых отлагаются вновь приносимые элементы. Такие полости бывают иногда очень малы — типа пор между  отдельными минералами.

       Причинами метаморфизма может  быть внедрение магмы в верхние  части земной коры и общее  возрастание температуры и давления  при погружении горных пород  на большую глубину. В зависимости  от причин, вызвавших метаморфизм, различают его отдельные типы: контактовый, региональный и ультраметаморфизм. Таким образом, получается классификация видов метаморфизма, основанная на другом принципе, чем выделение типов метаморфизма по факторам (температура, давление и т. п.).

       Таким образом, к числу эндогенных процессов относятся, следовательно, вулканизм, землетрясения, колебательные движения (или эпейрогенез), складчатые и разрывные деформации и метаморфизм. 

     Из  всех видов эндогенных явлений только колебательные движения, как указывалось  ранее, проявляются более или  менее равномерно в пределах всей земной коры; все же остальные явления  сосредотачиваются главным образом  в подвижных геосинклинальных поясах Земли.

        Эндогенные процессы коренным  образом меняют характер земной  коры и, в частности, ее поверхности;  они приводят к созданию основных  форм рельефа поверхности Земли  — горных стран и отдельных  возвышенностей, огромных впадин  — вместилищ океанической и  морской воды и др.

     Формы, созданные эндогенными силами, в  свою очередь подвергаются действию экзогенных сил. Возвышенности размываются  реками, развеваются ветрами; у подножия возвышенностей накапливаются мощные пролювиально-делювиальные шлейфы, впадины  заполняются осадками, берега впадин размываются волнами. Эндогенные силы стремятся к расчленению и  усложнению рельефа земной поверхности, а экзогенные силы денудируют, т. е. выравнивают поверхность Земли. Во взаимодействии экзогенных и эндогенных процессов происходит развитие земной коры и ее поверхности. 
 
 
 

     Список  литературы. 

1. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М.: Высшая школа, 2005.
2. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. и др. Грунтоведение.. М.: Изд-во МГУ, 2005
3. Чаповский Е.Г. Инженерная геология. Москва, Высшая школа, 1975.