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, СО_2. 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 cдерживания – понижение УГВ, укрепление  шпунтовыми стенками  

УРОН