Инженерная геодинамика

1.  Погружение  бульдозера в песчаную  насыпь  при включении его мотора. Внезапное  разжижение вызывается  вибрацией  насосов. При сейсмическом толчке  в 1935 г. в Индии На  р. Ганг рухнуло 350 мостов, опоры которых  были   заложены  в водонасыщенных  песках.  
 

*** 

Из-за негативного  влияния плывунов строительство  значительной   части  Московского  Метрополитена проводилось    только         в  замороженном   грунте.  

*** 

Ленинград. Весной в 1972 г. произошел мощный выброс  водопесчаной смеси в тоннель метро: ст. “Лесная”-“Выборгская”  1.5-километровый участок   в течении нескольких  часов был полностью затоплен. В мае 1995 г. тоннель оседал  на 30-40 мм за несколько часов. Перегон был закрыт и затоплен навсегда. 

*** 

Прорыв плывуна  на поверхность возможен  при  интенсивном  движении поездов на участке с плывунами. 

Плывуны могут быть вскрыты при подрезке склонов  во время строительства  дорог. Выходы плывунов приводят к образованию  оползней и оседаний склонов.  

При строительстве 100-метрового  трамплина на Воробьевых горах в  Москве был вскрыт плывун , вызвавший оседание склона. 
 

Борьба с плывунами

По периферии будущих  котлованов,    до подошвы водоносного  пласта   погружают сплошной шпунт   вокруг пространства работ; понижают УГВ (этот метод успешен в ложных плывунах, в истинных применяют иглофильтры  и, часто, неуспешно); замораживают плывун, закрепляют его инъекциями  цементных  и др. реактивов.

Пример.Байкало-Амурская ж-д магистраль:                                                Северо-Муйский ж-д. тоннель 
 
 

Длина тоннеля - 15,3км.Цена - 16,5 мрд.руб. 

Трудились 30 тыс. человек  в течение  1977 -2004 г.г. 

C

ЛОЖНОСТИ: 

- тектонический разлом  с водопритоками n*100 м3/час,  давлением  воды ~34 атм, t~ +45о.  Откачано 20млн м3 водопесчаной смеси Новые решения :  комплексное водопонижение,  глубиной до 300 м;  - химическое укрепление  грунтов на большую глубину;    сейсмостойкие двухслойные обделки тоннелей;    автоматизированная система микроклимата в тоннеле;     мониторинг окружающего   массива, обделки.  
 

Подтопление   городов 
 

Подтопление - подъем уровня подземных вод  к поверхности  земли за счет неуклонного повышения  их запасов.

Около 30% количества атмосферных осадков  питает грунтовые  воды. 

Вода в грунт  поступает за счет утечек из водонесущих  коммуникаций - водопровода, канализации, теплотрасс.  В Москве - это свыше 20 тыс. км. Объем утечек из них (4 л/с*км2) в два раза превышает   природное питание подземных вод.

Нарушение системы  естественного дренажа

Эрозионная сеть в городах засыпается грунтом, что  сокращает сток  подземных вод.  

   Другая проблема - накопившаяся под асфальтом  влага не может испаряться. Доля  асфальта и застроенной земли  в городах составляет 80-90%. Ему  соответствует самый  высокий  уровень влажности почвы.

Последствия подтопления 

 Сырость в подвалах  домов и  погребах,   плесень  на стенах подъездов,  разрушение  подземных конструкций  городских  сооружений, проседание домов. Накопление  внутрипочвенной     влаги  

в подвалах зданий. На первых этажах зданий  размножаются колонии микроскопических грибов,  провоцирующие   различные   заболевания.  

Себестоимость строительства  на территориях с высоким уровнем  грунтовых вод значительно повышается.

ЛИКВИДАЦИЯ ПОДТОПЛЕНИЯ

-- Устранение протечек  в городской системе водоснабжения. 

-- Восстановление  природных дрен.  

-- Переход к умеренному  асфальтированию поверхности почвы  в жилых  кварталах. 

-- В Европе стали  внедрять пористый асфальт, который  пропускает и испаряет излишки  влаги. 

Эндогенные процессы. Землетрясения 

Землетрясение -  мгновенное      высвобождение  энергии за счет     разрыва  горных пород в очаге. 

Причина – тектонические  движения    в литосфере. 

Гипоцентр(фокус) землетрясения  – это  условное положение  очага на глубине. 

Эпицентр -проекция гипоцентра на поверхность Земли. 

Гипоцентры: мелко-фокусные (0-70 км),  Средне-фокусные (70-300), Глубоко  -фокусные (300-700).

Характеристика сейсмического  эффекта: в России -  12-балльная шкала  Медведева-Шпонхойера- Карника (МSК-64).  

МАГНИТУДА (Чарльз Ф. Рихтер):      lg (максимальной амплитуды землетрясения ) на расстоянии 100 км от эпицентра.  

Энергия при землетрясения  пропорциональна   скорости сейсмических волн,      плотности слоев  Земли,  амплитуде смещения, частоте  колебаний. 

Типы упругих волн: Р-продольные, они попеременно сжимают  и растягивают ГП. Их скорость зависит  от плотности и модуля сдвига породы. 

S-поперечные волны  – смещают грунт  90о к   направлению движения волны.   В жидкости не распространяются. 

Поверхностные- подобно ряби расходятся по поверхности Земли. 

     

Регистрация землетрясений– сейсмографы  регистрируют: тип волны,  направление волны,  время приходя волны. 40000 датчиков регистрируют несколько сот  тысяч землетрясений в году,  100 из них -  ужасные.

Локализация землетрясений  закономерна. Землетрясения происходят в зонах  контактов литосферных  плит:  рифты, Ср.океанич.хребты. горные цепи. Очаги лежат в зонах Х.Беньофа  (погружение плит в мантию). 

Механизм землетрясений  неясен.  

Гипотезы: Шебалин  Н.В. (1984) –зацепы твердых тел. Мячкин В.И. –лавинный рост трещин. Брейс  У.,Нур А.М. –  быстрый рост объема горных пород вслед за появлением трещин. Штольц К.(1990г.) – залипание  контактов. 

ЦУНАМИ – землетрясения  с эпицентром в  океане.  Во всей массе воды возникают подводные  волны,V=800 км/ч. У берега скорость падает до нуля,но амплитуда   волны растет и порождает катастрофы.  

МЕТОДЫ Прогнозов  землетрясения. Два направления:  

1. Выявление их  предвестников, - выявление сейсмических  циклов,   скопления колебаний  земной коры у  будущих очагов. 

2.Контроль деформации  и наклонов земной коры.  –  изменения скорости сейсмических  волн,изменения электрического сопротивления горных пород,  изменения напряженности магнитного поля;  колебания уровня грунтовых вод, содержания радона.    

Срочность прогнозов: годы – недели – непосредственно  перед землетрясением.  Г. Хайчен (Кит) за 5,5 час предупредил землетрясение  силой в  М=7,3. 

Сейсмическое районирование:   выделение областей, в которых  можно ожидать     землетрясение  определенной интенсивности. Районирование  учитывает: геологические, тектонические, сейсмологические, физические факторы. Каждый бал сейсмичности сильно увеличивает  цену ПГС! 

Уровни районирования: Страна, регион, город. при этом учитываются состав грунтов, уровень грунтовых вод, рельеф кровли коренных скальных пород.  

Неблагоприятные условия  для строительства:  обводненные  грунты (гидравл удар),  рыхлые суглинки,  просадочнсть…  

Проектирование: Конструкция  зданий должна быть  прочная и  гибкая, рассеивающая  колебания  грунта. В Токио построены здания высотой 60 этажей. Здания раскачиваются  как деревья и таким образом  рассеивают энергию землетрясений. 

ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА

Вечная мерзлота – это толща горных пород, залегающая вблизи поверхности земли, обладающая  отрицательной температурой, которая  сохраняется тысячелетиями.

Мерзлота занимает  > 63% территории России и распространена севернее 48 с.ш.    

Строение вечной мерзлоты. 

Представлена в  нескольких видах: сплошной массы -  до глубины ~200м, t= -7…-120С, в виде таликов  до глубины 20-60м t= -0,2 …-2С, в виде островной - до глубины -10-30м, t=0…-0,3С 

На севере структура  мерзлой тощи включает деятельный слой (вверху), а глубже -  сплошную  ВМ. Деятельный слой  тает весной. Его мощность зависит от глубины максимального протаивания и состава ГП:  для глины- 0,7м, песка - 3-4м. Деятельный слой сливается зимой с вечной мерзлотой. В теплые зимы между ним и ВМ остается талый слой.  

Вечномерзлые толщи  могут быть сплошными и слоистыми, т.е. чередующимися с талыми породами. В наиболее суровом климате ВМ включает массивы чистого льда. 

Строение ВМ у  южного края самое  сложное, прерывистое, в долинах рек ВМ отступает  на большую  глубину (р.Лена). 

          

РЕЖИМ  ВМ 

Динамика ВМ проявляется  в большем распространении на юг и отступлении. ВМ деградирует. Согласно подсчетам, к концу ХХI века ее граница  отодвинется на север на 500-700 км . Тепловая осадка морских берегов на севере может достигнуть 10 м, а береговая линия переместится на юг. Пострадает трубопроводный транспорт, и существующие объекты ПГС. Нужна новая стратегия строительства.

РОЛЬ ЛЬДА  в  ВМ .

На плавление льда при 0о требуется в 100 раз больше тепла, чем на нагревание горных пород. 

Вследствие этого, лед порождает в ВМ зону  НУЛЕВОЙ    ЗАВЕСЫ. 

Она  имеет t = ОоС,  поглощает много холода/тепла, поэтому  служит буфером и препятствует изменению  температуры в нижележащих слоях. В сухих породах ее нет. В породах  со связанной водой она располагается  в    зоне с температурой < 00C.

Вода в вечной мерзлоте (ВМ) 

 Вечная мерзлота  водонепроницаема. В водоносных  горизонтах является водоупорной  кровлей и ложем. Воды могут  быть сильно минерализованы.По характеру залегания подземные воды бывают: 

Надмерзлотные   -- временный источник  водоснабжения. При оттаивании порождают деформации грунтов. 

Межмерзлотные    -- приводят к    образованию наледей;     в феврале-марте они сжимаются мерзлым верхним слоем и прорываются в подвалы, дорожные   выемки. 

Подмерзлотные  --  могут быть источником  постоянного  водоснабжения.    

В ВМ могут быть проталины и подземные воды мигрируют   из  под мерзлоты,  в межмерзлотный или в надмерзлотный слои.

Движение воды породах вечной мерзлоты 
 
 

Гравитационная вода перемещается в замкнутых объемах  при промерзании под влиянием возрастающего давления. Оно меняется, поскольку лед увеличивается  в объеме на  9%.Вода может выдавливаться  на поверхность, образуются наледи площадью  100 - 1000000 м2. В сильные морозы давление воды под льдом возрастает и вода из рек прорывается   на берег через породы, образуя наледи. Разрушаются дороги. 

Скорость промерзания  возрастает, если дорожное основание  уплотнялось.  Под поверхностью грунта образуются ЛЕДЯНЫЕ  БУГРЫ, если вода не может под давлением вырваться  на поверхность. Их высота достигает  10 до 80 м. На поверхности образуется пьяный лес. Внутримерзлотные воды могут  переохладиться и при легком сотрясении  мгновенно замерзают  с мгновенным ростом давления и  взрывом. 

СОЛИФЛЮКЦИЯ - течение  почв весной из-за таяния льда , накопившегося зимой у поверхности.  

Теплые воды агрессивны для вечной мерзлоты и могут вызываь  развитие термокарста    и термоэрозии.

БОРЬБА  с мерзлотными явлениям  использует саму природу образования наледи. 

Можно охладить подземные  воды и превратить их в лед, который  создаст преграду для миграции воды. Тогда воды  уйдут в сторону от  защищаемого объекта и там образуется наледь. Так защищают дороги. С этой целью вдоль дорожного полотна устраивают траншеи. 

Изыскания при строительстве  в зоне вечной мерзлоты 

Изучают факторы  мерзлоты:  состав грунтов, влажностный  режим,       to -режим, режим  снежного покрова; техногенные - размер зданий, глубину заложения  фундаментов, конструкцию фундаментов, время  производства строительных работ, to_режим  эксплуатации зданий.