Инженерная геодинамика

Инженерная геодинамика. 

Введение

Раздел геологии, изучающий изменения Земной коры (ЗК) называется геодинамика.

Изменения в составе , структуре, рельефе ЗК называются геологическими процессами.  Они    развиваются    непрерывно     под    влиянием    факторов эндогенной и экзогенной природы.

Геологические процессы совершают гигантскую работу по преобразованию рельефа и вещества ЗК. Согласно расчетам, средняя высота суши над  морем 750м.За 8,3 млн лет твердое вещество суши может быть снесено в океан в результате водной эрозии. Каждый год реками удаляется с суши 50 мрд т вещества . (Человек перерабатывает 100 мрд т грунта).

НО…эндогенные процессы рождают новые формы  рельефа  земной коры.  

Историческая геология свидетельствует о неоднократном  разрушении грандиозных горных систем. Но континентальный рельеф существует, поскольку действуют силы, непрерывно созидающие сушу.

Инженерная деятельность человека концентрируется в самых  верхних частях Земной коры. Геологические  процессы  развивающиеся при участии человека называют инженерно-геологическими (ИГ) или техногенными.

Дисциплина инженерная геодинамика  изучает изменения  в  поверхностной части земной коры в связи с инженерной деятельностью  человека. 

Цель дисциплины : разработка рекомендаций по защите ПГС и территорий от негативного влияния ИГ-процессов.

Своей деятельностью  человек способен изменить силу и  направление геологических процессов, НАПРИМЕР: 

- Укрепить берег  и  остановить его разрушение; 

- предотвратить   разрушение вечной мерзлоты в  городе; 

-  остановить развитие  оползней.  

-  предотвратить  подтопление городских территорий     и т.д.

В его силах совершить  и обратное.

ПРИЧИНЫ и ФАКТОРЫ  развития ИГ-процессев.

Основой формирования геологического процесса является горная порода (грунт). Каждая порода по-разному  меняется на воздействие одного фактора.  

ПРИМЕР. С подъемом УГВ песок пропускает воду почти не меняя свойств, лессы увлажняются и обнаруживают   провальную осадку, глина же водонепроницаема. 

Другой аспект формирования ИГ-процессов – обязательные факторы. Без них  процессы возникнуть не могут. 

 ПРИМЕР.     

1)- Карстовые пещеры  формируются  при 

  проявлении трех факторов одновременно: 

  -наличия растворимых  пород 

  -наличия растворителя 

  -наличия гидродинамического  режима. 

  2) Подтопление  города развивается только при  смещении  

   баланса   грунтовых  вод в сторону   пополнения их запасов. 

Другие факторы  развития ИГ-процессов не менее важны, но 

 их влияние  на развитие процессов  не  является  решающим.

Важное в исследовании геологических процессов 

1.Выделение главных  (обязательных) факторов , управляющих геологическими    процессами  означает понимание их  природы. 

2.Прогноз развития  геол. процессов, учет влияния  инженерной деятельности человека. 

3.Принятие решения  о способах  предотвращения или  устранения негативного влияния  процесса на жизнедеятельность  человека.

Инженерная геодинамика  исследует около двух десятков ИГ- процессов, важных  для хозяйственной деятельности человека.   Их  можно объединить  по     общности     происхождения     и   особенностям     развития   в   группы. 
 

I

.  Выветривание 
 

II

.   Деятельность  поверхностных вод 

- водная эрозия  –образование оврагов, балок… 

- геологическая    деятельность      рек 

- переработка берегов  морями, водохранилищами 

- сели – грязекаменные  потоки 

- снежные лавины 

III

.   Деятельность  подземных вод                 

IV

.   Склоновые  процессы                                    

-Карст                                                                       - обвалы                                                              

-Суффозия                                                              - осыпи                                                                

-Плывуны                                                               - оползни                                                                      - ледники 

VI

.    Деятельность  ветра                                  

VII

.   Промерзание  грунтов 

-Дефляция ->выдувание                                          - морозное пучение                                           

- корразия   ->обтачивание                                     - термокарст                                                       

- наледи                                                              
 

-солифлюкция 

VIII

.Факторы эндогенной  природы.        

IX

.Техногенные процессы 

- землетрясения                                                           - сдвижение грунтов над шахтами 

- цунами                                                                       - подтопление городов 

- вулканическая деятельность

X

.Процессы в специфических  грунтах 

- просадочные                                                            - набухающие 

- органо-минеральные грунты                                 - техногенные грунты 

- элювиальные грунты                                             - засоленные грунты 
 

Выветривание 

Это совокупность физических, химических и биохимических процессов  преобразования ГП и минералов в  приповерхностной части земной коры. Выветривание  зависит от климата, рельефа, органического мира. Наиболее важные агенты Выветривания – температура, кислород, вода..

Виды выветривания. 

Выветривание физическое (механическое) - происходит под воздействием колебания температуры, минералы с  анизотропными свойствами быстро разрушаются.  

Пример: Коэффициенты объемного расширения. ортоклаза, кварца и альбита относятся как 1:2:3.   Коэффициенты линейного расширения у кристаллов кварца и СаСОз анизотропны. При изменении температуры возникают местные напряжения и разрушаются даже мономинеральные горные породы: мраморы, известняки. На микротрещинах пород адсорбируется вода, катионы и анионы. Они ослабляют химические связи. 

Замерзание воды приводит к разрушению льдом (объем  льда в трещинах на 9% больше объема воды).  

При устройстве выемок, котлованов  давление на ГП уменьшается, они начинают разрушаться из-за напряжения между кристаллами.  

Пример: растрескивание базальта, мергеля. 
 
 
 

Выветривание химическое

- происходит под  воздействием Н2О, О2, СО2. При химическом выветривании минералы разрушаются с образованием новых устойчивых минералов, остальные переходят в раствор и выносятся водами.

Наиболее устойчив к химическому выветриванию в  поверхностных условиях кварц, наименее, оливин, основные породы. Базальт, габбро  быстрее выветриваются, чем граниты, диориты. 

Химическое выветривание включает:  

а) гидратацию минералов: Fe2O3 + nН20 => Fe2О3*nН2О  

б) гидролиз и растворение: К[AlSi3O8] + H2O + CO2 =>                   =>  Al4[Si4O10](OH)8 (каолинит)+ K2CO3 + SiO2 (калиевый полевой шпат => каолинит)  

в)окисление (при свобод-ном О2):      Fe 2+=>Fe 3+  

г) восстановление (при  наличии погребенного органического  вещества и деят-сти м/организмов в почвах и некот.водоемах); Fe2O3*nH2O + С орг. => Fе[СО3] (гидроксиды железа => сидерит);  

д) карбонатизацией :      гидролиз минералов в процессе выветривания обычно сопровождается: 4Mg2[SiO4](оливин) + 4H2O +2CO2 => Mg6[Si4O10](OH)8 (серпентин)+ 2Mg[CO3]  

Кристаллизации солей  в микротрещинах раздвигает их и  механически разрушает породы.  

Выветривание органическое - активное влияние растительных и  животных организмов на литосферу, заключающееся  в физическом и химическом разложении пород под воздействием выделяемых органических  кислот, СО2 и O2, Биохимических процессов от бактерий почвы, а также физической деятельностти животных и растений (сверление, рост корней и т. д.). Особенно интенсивно выветривание в тропиках.  

Кора выветривании (элювий) – поверхностная часть массива горных пород, преобразованная под влиянием выветривания. Ее мощность (0,5-20,0  метров) зависит от  рельефа, климата, состава горных . 

С глубиной кора выветривания угасает.

ОПОЛЗНИ 

Это   смещение   массы  грунтов  вниз по склонам 

 под  действием  силы тяжести без опрокидывания.

Оползневым процессам  подвержены 

- склоны природные,  берега водохранилищ и морей,  склоны дорожных выемок и насыпей,  склоны, сложенные  моноклинальными  слоями … 

    

Схема оползня:   Оползневое тело – поверхность скольжения–  бровка срыва –  оползневые террасы  -  вал выпучивания  - подошва  оползня

БАЛАНС СИЛ 

Вес оползневого  тела раскладывается  на сдвигающую и удерживающую силы. Они определяют устойчивость склона.    Природы  последней силы описывается законом  Кулона (сцепление частиц и трение).

Критические места  оползневого тела: 

- подошва оползня  –вал выпучивания (роль сдерживания) 

- поверхность скольжения (силы трения)

Причины возникновения  оползней: 

- чрезмерное увлажнение  пород склонов   

   атмосферными  и грунтовыми водами 

- подрезка склонов  (стр-во дорог, подмыв рекой) 

- перегрузка склонов  сооружениями 

- давление подземных  вод на слои делювия 

- быстрый спад  УГВ вблизи подтопленного склона  (сработка водохранилищ – устранение  взвешивающего влияния воды)

Оползни провоцируются  

- землетрясениями,  

- вибрацией от  проходящего поезда,  

-забивки  свай 

- штормами и ливнями

Пример: р-н Александровки  в г. Ростове-на-Дону: 

-перегрузка 

-УГВ 

-подмыв рекой 

-поезда - сейсмичность. 

Меры 

c

держивания –  понижение УГВ, укрепление  шпунтовыми стенками

УРОН 

- при строительстве:     разрушение территорий  

- страдают дороги,  т.к. проложены по склонам 

  разрушаются  сотни метров и километры дорог

Для борьбы с оползнями  надо знать:

Геологическое строение склона 

- положение поверхности  скольжения 

- объем оползневого  тела 

- ГРУНТЫ:  состав, состояние, С, f, Ео, и др.